[디지털투데이 양대규 기자] TSMC가 최근 대만에서 열린 행사에서 새로운 5나노(nm) 파운드리 공정 프로세스에 대한 로드맵을 발표했다. 앞서 삼성전자 역시, 5nm 미세 공정을 위한 6nm 공정 계획을 밝히며, 글로벌 파운드리 업계 1, 2위인 두 업체의 미세화 공정 진행에 반도체 업계의 시선이 주목된다.

전문가들은 삼성전자와 TSMC가 EUV(극자외선) 기술을 도입하며, 5nm의 초미세 공정에 대한 로드맵을 발표할 수 있다고 본다. 기존 불화아르곤(ArF)보다 파장의 길이가 짧은 EUV 광원을 사용한 노광 기술은 보다 세밀한 반도체 회로를 구현할 수 있다. 그로 인해 회로를 새기는 작업을 반복하는 멀티 패터닝(Multi-Patterning) 공정을 줄여 성능과 수율을 높일 수 있다.

25일 EE타임즈에 따르면, TSMC는 3월 5nm 공정의 리스크 생산을 시작했으며, 현재 대량 생산 중인 7nm 공정 제품보다 밀도가 80% 더 높고, 속도 15%, 전력 효율 30% 증가한다. 새로운 eLVT 트랜지스터를 사용하면 속도 상승이 25%까지 가능하다. 또한, 내년에 시작할 5nm+의 리스크 생산은 동일한 설계를 사용해, 5nm 공정보다 속도는 7%, 전력 효율은 15% 증가한다.

최근 새롭게 발표한 6nm은 5nm와 7nm의 과도기 공정이라고 말할 수 있다. 5nm의 성능에는 못 따라가지만, 7nm에 비해 전력 효율이 18% 늘었으며, EUV를 사용한 7nm+에 비해 8% 증가했다. 6nm 공정은 7nm와 같은 설계를 사용한다.

TSMC는 2019년 3분기부터 대량 생산을 시작할 첫 번째 EUV 공정인 7nm+에 대해 ‘몇 개의 중요한 레이어’에서 EUV 노광방법을 사용한다. 6nm는 하나 추가한 EUV 레이어를 사용하며, 5nm는 더 많은 레이어를 추가한다.

TSMC의 최신 EUV 기계 도입은 올해 말까지 300W, 2020년에는 350W를 넘어설 것으로 예상하고 있는 280W의 안정적인 광원을 지원한다. 가동률은 작년 70%에서 최근 약 85%로 증가했으며 내년에는 90%를 기록해야 한다.

삼성전자 '파운드리', 5nm 개발, 7nm 출하, 6nm 양산

16일 경쟁업체인 삼성전자도 5nm 공정을 개발했으며, 이달 안에 7nm 제품을 출하하고, 올해 내에 양산을 목표로 6nm 제품 설계를 완료하는 등 초미세 공정에서 기술 리더십을 강화하고 있다고 밝혔다. 삼성전자의 7nm 이하 미세공정은 모두 EUV 기술을 기반으로 하고 있다.

삼성전자가 이번에 개발한 5nm 공정은 셀 설계 최적화를 통해, 기존 7nm 공정 대비 로직 면적을 25% 줄일 수 있으며, 20% 향상된 전력 효율 또는 10% 향상된 성능을 제공한다. 또한, 7nm 공정에 적용된 설계를 활용할 수 있다.

삼성전자도 7nm와 6nm 파운드리 공정에서 양산을 본격화하고 있다. 삼성전자는 올해 초 업계 최초로 EUV 공정을 적용한 7nm 제품 양산을 시작했으며, 이달 중에 본격 출하할 계획이다. 과도기 제품인 6nm 공정 기반 제품에 대해서는 대형 고객과 생산 협의를 진행하고 있으며, 제품 설계가 완료되어(Tape-Out) 올해 하반기 양산할 예정이다.

일부 전문가들은 TSMC와 삼성 양쪽의 중간 노드는 건너뛰는 것이 좋을 수도 있다고 경고한다. 헨델 존스 국제비즈니스전략 사장은 "5nm와 3nm에 집중해야 하며, 선택 영역 내에서 6nm와 4nm 등 일부 다른 옵션은 무시해야 한다"며 “새로운 IP 블록을 개발하고 검증하는 비용을 고려할 때 초기 버그를 방지하기 위해 주조 공장이 새로운 노드에서 10만 개의 웨이퍼를 생산할 때까지 기다려야 한다”고 강조했다.

대만 시장조사기관 트렌스포스가 발표한 2018년 전 세계 파운드리 업체 순위에 따르면, TSMC는 70억 달러(약 8조 원)의 매출로 1위를 유지했다. 시장 점유율은 48.1% 점유율을 기록했다. 삼성전자가 28억 달러(약 3조 원)로 19.1%를 차지하며, 2위를 기록했다.

24일 삼성전자는 2030년까지 시스템 반도체 분야 연구개발과 생산시설 확충에 133조 원을 투자하겠다고 밝혔다. 이 중 60조 원은 파운드리 사업을 위한 생산시설 확충에 사용될 전망이다. 삼성전자는 2030년까지 메모리 반도체뿐만 아니라 시스템 반도체 분야에서도 글로벌 1위를 달성하겠다고 강조했다.

이에 삼성전자는 화성캠퍼스 신규 EUV 라인을 활용해 생산량을 증대하고, 국내 신규 라인 투자도 지속 추진할 계획이다. 최신 파운드리 생산시설인 화성캠퍼스 S3 라인에서 EUV 기반 최첨단 공정 제품을 생산하고 있으며, 현재 건설 중인 화성캠퍼스 EUV 전용 라인은 2020년부터 본격 가동된다.