삼성 파운드리의 미래, GAA(게이트 올 어라운드)

3 나노 구현에 필수적인 공정 기술 GAA(게이트 올 어라운드)

출처 : Gadget seoul

단채널 효과(Short Channel Effect), 자열효과(Self Heating Effect), 기생 전류(Overlap Capacitance), 임팩트 이온화(Impact Ionization), 양자화 효과(Quantization Effect), 전자 포화(Current Saturation)와 같은 문제들을 어떻게 해결하느냐가 파운드리 산업을 이야기하며 우리가 주목해 볼 기술과 관련된 이야기이다. 

HKMG 공정

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위의 단어들은 문제들을 해결하는 방법이자 파운드리 기업들의 기술 발전의 기간들을 담고 있는 단어들이다. 

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HKMG(High-k Metal Gate)는 반도체 최신 공정과 관련한 주도권을 인텔이 쥐고 있던 시대를 상징하는 단어이다. 공정 미세화로 채널 길이가 줄어들면서 전자들의 누설이 생기고 누설로 인해 더 많은 전력이 소비되고 발열이 심해지는 문제들이 연이어 발생한다. 누설 전류와 같은 공정 미세화 관련한 문제를 기존의 실리콘 산화막을 유전율이 더 높은 High k라는 신물질로 대체 함으로써 공정 발전을 이어 갈 수 있었던 것인데 산화막을 High k로 바뀌게 되면서 게이트 재질 역시 폴리 실리콘 재질에서 메탈로 다시 바뀌게 되었다. 시장에서는 이 시기 2000년대 후반 인텔이 바로 High k 기술을 통해 그들의 발목을 잡던 CPU의 발열 이슈로부터 어느 정도 해방되었다는 점도 함께 정리하면 좋을 내용이다. 

파운드리 공정이 10 나노 대로 진입하게 되면서 채널의 길이는 더 짧아지고 이제 High k 만으로는 버틸 수가 없는 시기가 찾아오게 되는 데 이때 등장한 이름이 핀펫(Finfet) 이 되겠다. 

Finfet 공정

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간단히 정리해 보면 High-k 신물질이 가진 높은 유전율을 통해 누설 전류에 대한 해답을 찾은 방법이었다면 핀펫(Finfet)은 채널과 게이트가 닿는 면적을 늘려서 누설 전류를 막는 방법이 되겠다. 싱글 게이트에서 더블 게이트로 발전하며 채널과 게이트 사이의 면적은 증가하였지만 어느 시점부터 더블 게이트보다 더 강력한 해결책이 필요해졌고 채널의 양측들을 감싸는 더블 게이트를 넘어 채널의 삼면을 감싸는 새로운 기술인 핀펫을 통해 메모리 업계는 발전을 이어 나갔다. 그리고 오늘의 주인공(GAA)이 바로 이와 같은 발전 흐름에 연장선상에 놓여 있다. 

GAA(게이트 올 어라운드) 공정

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7 나노 5 나노를 넘어 3 나노의 벽을 넘을 때쯤 다시 반도체 업계가 직면하게 될 핀펫의 한계, 공정 미세화의 한계를 돌파하기 위한 새로운 이름 GAA(게이트 올 어라운드)가 된다. 게이트 올 어라운드를 설명하기 위해 핀펫의 이야기로 되돌아와서 이 모든 고민의 핵심은 게이트와 채널 사이의 표면적이 넓이가 된다. 문제는 핀펫의 시대를 지나고 있는 현재 공정이 미세화 될수록 핀의 상단 면적이 줄어들기 때문에 전체 표면적 확보를 위해 높이가 높아져야 한다. 그렇게 얇고 높게 세워진 구조로 핀의 형태로 변하게 되고 에칭 한계에 도달하는 시기가 찾아오게 된다. 바로 이때가 5 나노 부근이 되다. 핀펫에서 다시 한번 구조적 진화를 통해 전체 표면적을 확보할 수 있는 게이트 올 어라운드가 3 나노를 넘기 위한 제반 기술로 나타나게 된 것이다. 7 나노를 넘는 순간부터 파운드리 시장에 두 개의 업체가 남게 되었지만 시장은 그러한 이유로 이 7 나노 벽을 돌파하지 못한 나머지 기업들이 그대로 몰락해 버릴 것이라고는 생각하지 않는다. 

이러한 부분은 5 나노를 넘어 3 나노 시대에도 마찬가지 일 것이다. 바로 그래프에 나와있는 이유들 앞으로 새롭게 등장할 수많은 IOT 제품들은 무조건 최신 공정에서 생산된다기보다는 전력 효율과 가격 관점에서 가장 효율적인 공정에서 생산될 것이기 때문에 모든 반도체가 반드시 최신의 공정이 필요한 것은 아니라는 명제는 이 IOT 시대를 앞두고 더욱더 설득력을 얻고 있다. 이 게이트 올 어라운드를 두고 제기되는 허위는 바로 이와 같은 점들을 지적한다.

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미세 공정 단계가 발전해 가며 이토록 가파르게 증가하는 칩 디자인 비용은 핀펫에서 게이트 올 어라운드에 구조적 전환기에 다시 한번 급격한 상승 곡선을 그리게 될 것이기 때문에 칩의 디자인 비용을 두고 고민할 이 팹리스 업체들과 마찬가지로 부담스러운 투자 비용과 늘어난 공정으로 인한 생산 캐파의 하락을 감내해야 하는 파운드리 기업들이 양 진영에서의 각자의 고민들이 있을 수밖에 없고 이 중간 지대에는 이미 규모의 경제를 달성한 차상위 공정들 다시 말해 더 싼값에 적어도 몇 년간은 충분한 수준의 성능의 칩이 생산이 가능한 이 대안들이 시장에 현존하는 상황이다. 하지만 그럼에도 이 파운드리 시장에서의 공정 미세화 싸움이 마치 승자의 저주와 같은 이야기로 끝나서는 안되기 때문에 게이트 올 어라운드로의 이행을 준비하고 있는 파운드리 기업들의 전략은 단순히 더 훌륭한 기술을 제시하는 것을 넘어서 반드시 코스트 관점에서의 당위성을 마련해야 한다. 

더 낮은 비용으로 게이트 올 어라운드를 구현하고 마침내 게이트 올 어라운드와 3 나노 기술이 완성되었을 때 더 많은 팹리스 기업들이 최신 공정을 선택할 수 있도록 말이다. 

멀티 브리지 채널에 주목하라. 

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기본적으로 현재 이 게이트 올 어라운드와 관련해 시장의 파운드리 기업들 중 가장 명확한 비전을 가지고 있는 업체는 삼성전자가 되겠고 삼성이 제시한 게이트 올 어라운드 비전 속에 앞서 이야기하는 비용 문제와 관련된 해답들도 함께 제시되고 있다. 게이트 올 어라운드와 같은 새로운 세대의 공정의 비용 문제와 관련해서 기존의 공정들을 얼마큼 그대로 활용할 수 있는지에 따라 설계 비용이 크게 좌우되기 때문에 직전 공정과 이 새로운 게이트 올  어라운드 공정 간의 호환성이 아주 중요한 도움이 되겠는데 삼성의 3년 후 게이트 올 어라운드 공정의 경우 전세대 공정과 호환성이 높다. Back end와 Mid end의 경우에는 모든 공정들의 호환이 가능하다. 같은 디자인으로 공유하기 때문에 기존의 활용되던 ip 들 역시 새로운 3 나노 공정에서 모두 이어서 활용할 수 있다. 따라서 공정 세대 전환에 따른 설계 비용에 대한 고민에 빠진 팹리스 업체들에게 5 나노 이후의 시간들에 대한 장기 전략을 구사하며 향후 파운드리 파트너십을 구축할 대상으로서 삼성은 매력적인 후보가 될 것이다. 또 한 가지 함께 이야기 나눠 볼 만한 부분은 멀티 브리지에 대한 이야기이다. 칩을 디자인함에 있어 특정 회사의  파운드리 공정을 사용하더라도 목적에 따라 필요한 소자의 특성이 모두 다르다.

이때 퍼포먼스를 이 채널의 개수를 통해 조절을 하게 되는 데 핀펫은 문제가 있다. 이렇게 단일 게이트의 폭이 고정되어 있기 때문에 예를 들어 2.1 개만큼의 채널 개수가 필요한 경우에도 3개의 핀을 사용해야 하고 1.1개만큼 필요한 상황에서도 두 개의 핀을 사용해야 하는 것이다. 이것을 핀펫의 폭 양자화라고 한다. 반면 게이트 올 어라운드는 박막 형성 과정에서 이 채널의 폭과 개수에 대한 컨트롤이 가능하기 때문에 발주자의 요구 조건에 맞는 소자의 제작이 용이하다. 게이트 올 어라운드에서는 바로 층의 에칭 과정에서 층의 두께나 층의 배열을 추가함으로써 채널의 폭과 개수를 컨트롤할 수 있게 되는 것이다. 멀티 브리지의 두 번째 장점은 바로 이렇게 층이나 배열을 추가하는 과정 중에 채널들  역시 수직으로 쌓아 올려지는 구조이기 때문에 채널의 수가 계속 늘어나도 개별 팩 구조가 차지하는 하단부의 면적은 늘어나지 않는다는 점이다. 핀펫의 경우에는 측면으로 계속해 채널들이 늘어나는 구조로 채널의 개수를 증가할 수밖에 없기 때문에 불가피하게 하단부의 면적이 늘어나고 소형화에 약점을 가지고 있다. 반대로 게이트 올 어라운드의 경우 수직으로 올라가는 구조이기 때문에 하단부의 면적은 일정하게 유지되는 상황에서 채널 수의 양적 확대를 이어갈 수 있다. 

삼성 파운드리의 비전

비용의 관점에서 이야기해보면 핏펫 가진 설계와 생산에서의 비율을 게이트 올 어라운드를 통해 개선할 수 있다는 것이다. 바로 이 이야기가 삼성이 제시하는 3 나노 이후의 삼성 파운드리의 비전이다. 최신 공정에는 아주 일부의 수요자들이 있고 비용이 계속해 기하급수적으로 증가할 것이다. 다음과 같은 존재들을 근거로 향후 IOT 시대에는 충분한 수준의 미세화를 달성하고 수율이 확보되어 가격 경쟁력이 높은 최선단 공정들의 수요가 집중될 것이기 때문에 무리한 투자가 요구되는 3 나노 이후의 공정들의 미래를 마치 불투명한 비즈니스인 것으로 평가되어서는 안 된다. 최근에 TSMC 호조를 삼성 파운드리의 위기로 연결 짓는 이야기들이 시장에 팽배하다. 하지만 이후 TSMC에 생산의 한계가 찾아와 리드 타임이 계속 길어지게 될 때 삼성의 미래 비전 제시 게이트 올 어라운드 멀티 브리지 채널 패스는 매ㆍ우 중요한 의미를 가진다. 결국 TSMC 가 안정적인 생산을 담보하기 어렵게 되는 순간부터 이 팸리스 기업들에게 있어 유일한 대안은 삼성. 장기적인 관점에서 삼성은 매력적인 선택지가 될 것이다.