반도체 미세화 공정기술, 새로운 변화가 시작된다
핀펫(FinFET) 지고, 게이트올어라운드(GAA) 뜬다

# 애플의 아이폰 12와 삼성의 갤럭시 S21 출시로 스마트폰 시장의 경쟁이 뜨겁다. ❶아이폰12에 탑재되는 M1칩과 ❷갤럭시 S21에 탑재되는 엑시노스칩은 각각 TSMC와 삼성의 핀펫(FinFET) 기반 5나노* 공정 기술로 제작돼 현존하는 최고의 성능을 가진 것으로 평가된다.

* 나노(nm·나노미터)는 반도체 회로 선폭의 단위다. 선폭이 작을수록 칩 크기는 작아지고, 소비전력은 감소하며, 처리 속도는 빨라진다. 이러한 이유로 기존 7나노보다 5나노 공정 기술로 제조된 반도체 칩의 성능이 크게 향상됐다.

# 앞으로 인공지능 등 기술분야에서 처리해야 할 데이터양은 급증할 것으로 예상된다. 많은 양의 데이터를 처리하기 위해서 현재의 5나노 기술보다 더 미세한 3나노 공정 기술이 필요하다. 이에 따라 핀펫보다 진화된 반도체 미세화 공정기술 경쟁도 치열해질 것으로 예상된다.

□ 반도체 미세화 공정 기술은 어디까지 진화할까? 반도체 미세화 공정기술을 주도했던 핀펫(FinFET) 기술이 지고, 게이트올어라운드(GAA) 기술이 새롭게 뜨고 있다.

* GAA기술은 반도체 업계에서 '핀펫(FinFET)' 다음 차세대 기술로 통칭된다. 핀펫기술은 전류가 흐르는 통로가 윗면-좌측면-우측면의 3면으로 이뤄지고, GAA기술은 윗면-좌측면-우측면-아랫면의 4면으로 이뤄진다.

□ 특허청(청장 김용래)이 주요 5개국 특허를 분석한 결과 그동안 반도체 미세화 공정기술의 주력이었던 핀펫(FinFET) 기술 특허가 지난 2017년부터 하락세로 전환됐고, 게이트올어라운드(GAA) 기술 특허가 증가세를 보이고 있는 것으로 나타났다. [붙임1]

ㅇ 핀펫 기술은 2017년 1,936건으로 정점을 찍었고 18년 1,636건, 19년 1,560건, 20년 1,508건(예상치)으로 감소세를 보이고 있다.

ㅇ 반면 핀펫보다 진보된 차세대 반도체 공정 기술로 손꼽히는 게이트올어라운드(GAA) 관련 특허는 매년 30% 가까이 증가세를 보이며 같은 기간 173건, 233건, 313건, 391건(예상치)으로 증가했다.

□ 핀펫기술 다출원 순위는 TSMC(臺, 30.7%), SMIC(中, 11%), 삼성전자(8.6%), IBM(美, 8.1%), 글로벌파운드리(美, 5.4%) 등 순으로 나타났다. 핀펫 기술은 대만, 중국, 한국, 미국 기업들이 경쟁하는 모습을 보였다. [붙임2]

□ GAA 기술 다출원 순위는 TSMC(臺, 31.4%), 삼성전자(20.6%), IBM(美, 10.2%), 글로벌파운드리(美, 5.5%), 인텔(美, 4.7%) 등 순이다. 대만, 한국 기업이 주도하고 있고 미국 기업이 추격하는 모양새다. [붙임2]

【 글로벌 기업 GAA 특허동향 】

□ GAA를 활용한 초미세 공정기술은 ❶TSMC와 ❷삼성전자의 경쟁이 더욱 치열해질 것으로 예상된다.

ㅇ 삼성전자는 내년 3나노 공정부터 GAA 기술을 세계 최초로 적용할 계획이다. TSMC는 2023년 2나노 공정부터 이 기술을 도입할 예정이라고 발표한 상태다.

ㅇ 핀펫 기술분야에서 2위를 기록했던 SMIC(중국의 대표 파운드리 기업)는 순위권에서 밀려났다. 향후 첨단 반도체 분야에서 미국, 한국, 대만의 경쟁속에 중국과의 격차는 더욱 벌어질 것으로 전망되는 이유다.

□ 특허청 반도체심사과 방기인 사무관은 “현재 5나노 이하 공정 기술로 반도체 칩을 제조할 수 있는 기업은 세계에서 TSMC와 삼성전자밖에 없다”며 “하지만 최근 인텔의 파운드리 사업진출, 바이든 정부의 반도체 집중투자 등을 고려하면 최첨단 반도체에 대한 기술경쟁은 더욱 심화될 것”이라고 전망했다.

ㅇ 이어서 “결국 누가 얼마나 빨리 기술혁신에 성공하고 강한 지재권으로 후발주자의 진입을 차단할 수 있느냐가 경쟁에서 우위를 점하는 지름길이다”라고 덧붙였다.