삼성전자가 첨단 5나노 공정의 기반이 되는 EUV 기술을 생산에 도입한 것은 1년여에 불과하다. 회사는 그동안 매주 수천장에 달하는 웨이퍼에 대해 EUV 노광 작업(반도체 생산용 웨이퍼에 회로를 그리는 일)을 진행하며 기술발전의 속도를 끌어올렸다. 이를 바탕으로 학습에 학습을 더해 EUV 지식을 확장함으로써, 오늘 5나노까지 적용을 확대하는 성과를 도출한 것이다.

복잡한 시스템반도체를 생산하는 파운드리 산업에서 EUV의 강점은 웨이퍼에 회로를 그려 넣는 작업(공정)을 한층 간소화시켜 준다는 것이다. 반도체 설계 전문기업(팹리스, Fabless) 입장에선 칩 디자인 과정이 간단해지고, 전체 마스크(반도체 회로가 새겨진 필름) 숫자 역시 줄어드는 파격적인 혜택을 얻을 수 있다.

이번 5나노 공정기술 확보는 전체 반도체 생태계 관점에서 세 가지 큰 의미가 있다고 하겠다. 첫째 반도체 칩 자체 경쟁력을 획기적으로 끌어올릴 수 있다는 점이다. 5나노 공정기술은 기존 7나노에 비해 칩의 로직 면적은 25%, 소비전력은 20% 각각 낮춰주는 동시에 성능은 10% 높여준다.

둘째, 이러한 강점에도 불구 반도체 업계 투자 비용의 효율성은 한층 높여준다. 5나노 공정 기반 반도체 칩 설계는 7나노 설계 기술과 매우 흡사하다. 반도체 기업들이 추가 투자비용을 최소화하면서 5나노 공정의 이점을 누릴 수 있다는 얘기. 이러한 기술적 진보와 경제적 이점의 조합은 전통적으로 반도체 산업이 공정기술 한계를 극복하는 동시에, 비용을 낮춰 온 역사와 궤를 함께 한다.

셋째, 위에서 언급한 이점들을 바탕으로 4차 산업혁명의 ‘씨앗’이라 할 수 있는 시스템반도체 개발과 생산에서 혁신을 꾀할 수 있다는 점이다. 인공지능(AI), 5세대(5G) 이동통신서비스, 커넥티드(connected) & 자율주행 자동차, 로봇 등 4차 산업혁명은 시스템반도체의 발전에서 출발한다고 해도 과언이 아니다. 각 산업을 구성하는 핵심 제품들이 초소형, 고성능 시스템반도체로 구현되기 때문이다.

7나노 이후 5나노 공정기술을 확보하기까지 6개월의 숨가쁜 여정은 모든 엔지니어들에게 고뇌와 환희가 뒤범벅된 과정이었다. 대규모 투자와 자원 투입, 풀리지 않는 난제와 씨름을 이어온 끝에 오늘의 성과에 이를 수 있었다. 이제 반도체 산업을 구성하는 협력사, 설계 전문 기업들과 함께 4차 산업혁명의 파고를 헤쳐나가기 위해 다시 한번 힘찬 걸음을 내딛고자 한다.

또한, 이달 안에 7나노 제품을 출하하고, 올해 내에 양산을 목표로 6나노 제품 설계를 완료하는 등 초미세 공정에서 기술 리더십을 강화하고 있다.

삼성전자는 초미세 공정 포트폴리오 확대를 통해 파운드리 기술 리더십과 4차 산업혁명을 이끌 시스템 반도체 사업 경쟁력을 강화한다는 전략이다.

삼성전자는 첨단 공정 역량 강화를 통해 국내 반도체 생태계 발전과 시스템 반도체 산업 육성에도 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

□ 5나노 초미세 공정… 더 작고 전력도 적게 소비하는 반도체 생산

삼성전자가 이번에 개발한 차세대 ‘5나노 공정’은 셀 설계 최적화를 통해 기존 7나노 공정 대비 로직 면적을 25% 줄일 수 있으며, 20% 향상된 전력 효율 또는 10% 향상된 성능을 제공한다.

특히 7나노 공정에 적용된 설계 자산(IP, Intellectual Property)을 활용할 수 있어 기존 7나노 공정을 사용하는 고객은 5나노 공정의 설계 비용을 줄일 수 있다.

□ 7나노 이달 중 출하… 6나노는 설계 완료해 연내 양산 계획

삼성전자는 7나노와 6나노 파운드리 공정에서도 양산을 본격화하고 있다.

삼성전자는 올해 초 업계 최초로 EUV 공정을 적용한 7나노 제품 양산을 시작했으며, 이달 중에 본격 출하할 계획이다.

6나노 공정 기반 제품에 대해서는 대형 고객과 생산 협의를 진행하고 있으며, 제품 설계가 완료되어(Tape-Out) 올해 하반기 양산할 예정이다.

이번 초미세 공정의 기반이 된 EUV(극자외선) 기술은 기존 불화아르곤 (ArF)보다 파장의 길이가 짧은 EUV 광원을 사용해, 보다 세밀한 반도체 회로를 구현할 수 있는 것이 특징이다.

그로 인해 회로를 새기는 작업을 반복하는 멀티 패터닝(Multi-Patterning) 공정을 줄여 성능과 수율을 높일 수 있다.

□ 멀티 프로젝트 웨이퍼(MPW)∙에코시스템(SAFE) 지원 통해 국내 시스템반도체 생태계 강화

삼성전자가 첨단 초미세 공정 파운드리 생산의 핵심 기술을 확보함에 따라 국내 시스템 반도체 생태계가 강화되는 동시에 시스템 반도체 역량도 높아지는 효과가 있을 것으로 기대된다.

파운드리 사업은 반도체 장비, 소재, 디자인, 패키징, 테스트 등 다양한 전문 업체들이 함께 성장해야 하므로 전후방 연관 효과가 크다.

삼성전자는 1장의 웨이퍼에 여러 종류의 반도체 제품을 생산하는 ‘MPW(Multi Project Wafer) 서비스’를 최신 5나노 공정까지 확대 제공해 고객들이 보다 편리하게 최첨단 반도체를 제작할 수 있도록 지원한다.

또한 삼성전자 파운드리 지원 프로그램인 ‘SAFE TM(Samsung Advanced Foundry Ecosystem)’를 통해 설계 자산(IP) 외에도 공정 설계 키트(PDK, Process Design Kit), 설계 방법론(DM, Design Methodologies), 자동화 설계 툴(EDA, Electronic Design Automation) 등 5나노 공정 기반 제품 설계를 돕는 디자인 인프라를 제공한다.

팹리스 고객들은 이를 활용해 보다 쉽고 빠르게 제품을 설계할 수 있고, 신제품 출시 시기도 앞당길 수 있다.

삼성전자의 이런 서비스와 생산기술은 국내 팹리스 업체들이 글로벌 시장에서 경쟁할 수 있는 시스템 반도체를 내놓는 데 큰 도움을 줄 것으로 보인다.

삼성전자 파운드리사업부 전략마케팅팀 배영창 부사장은 “삼성전자의 EUV 기반 최첨단 공정은 성능과 IP 등에서 다양한 강점을 가지고 있어 5G, AI, 전장 등 신규 응용처를 중심으로 높은 수요가 예상된다”라며, “향후에도 첨단 공정 솔루션으로 미래 시스템 반도체 산업을 이끌어 나갈 것”이라고 밝혔다.

삼성전자는 최신 파운드리 생산시설인 화성캠퍼스 S3 라인에서 EUV 기반 최첨단 공정 제품을 생산하고 있으며, 현재 건설 중인 화성캠퍼스 EUV 전용 라인을 2020년부터 본격 가동해 고객과 시장의 요구에 대응해 나갈 계획이다.

▲ 화성캠퍼스 EUV 라인 전경(‘19.3월 촬영)

▲ 화성캠퍼스 EUV 라인 조감도