TSMC, 1나노 반도체 기술 난제 해결…"삼성에 또 앞섰다"

by배진솔 기자
2021.05.20 11:44:10

[이데일리 배진솔 기자] 세계 최대 파운드리(반도체 위탁생산)업체인 대만의 TSMC가 1나노미터(nm·10억분의 1m) 제조 공정 난제를 해결하면서 삼성전자보다 초미세공정 경쟁에서 한 발짝 앞서게 됐다. 아직 양산에 돌입한 건 아니지만 TSMC가 초미세 공정 영역에서 압도적인 선두를 차지하고 있다는 것을 상징적으로 보여주면서 파운드리 패권 굳히기에 나섰다는 평가가 나온다.

(사진=Hexus)

20일 헥서스 등 외신에 따르면 TSMC는 대만 국립 대학교(NTU)와 매사추세츠 공과 대학(MIT)과 함께 2차원(2D) 소재를 활용한 1나노 공정을 가능하게 하는 기술을 개발했다. 이 연구 결과는 과학 분야 국제학술지 ‘네이처’에 ‘반금속 및 단층 반도체 사이의 매우 낮은 접촉 저항’이라는 제목으로 지난 12일(현지시간)게재됐다.

연구 논문에 따르면 반도체의 핵심 재료인 실리콘을 반금속 원소인 비스무트(Bi)와 결합해 양자 한계에 가까운 낮은 저항을 달성할 수 있는 2D 소재로 대체했다. 과학자들은 2차원 소재가 실리콘의 물리적 한계를 대체할 가능성이 높다고 기대하고 있지만 2차원 소재의 고저항·저전류 등 문제를 극복하기 위해 애써왔다.

이번 논문 결과로 비스무트와의 결합으로 높은 접촉 저항과 낮은 전류 전달 능력이라는 고유한 특성을 가진 2차원 소재의 한계를 극복하고 반도체 효율을 최고 수준으로 높일 수 있다고 설명했다. 보도에 따르면 “이들은 공정 단위가 낮아질수록 실리콘 사용이 한계에 도달하는 것을 극복하기 위해 약 18개월동안 2차원 소재 연구 개발에 착수했다”며 “고저항·저전류의 2차원 소재 특성의 어려움을 이번 연구 결과를 통해 해결했다”고 말했다. 그러면서 이를 통해 ‘무어의 법칙’을 돌파할 수 있고 인공지능·전기차 등 사용과 1나노 이하 반도체 생산을 달성할 전망이라고 했다.

현재 초미세 공정 영역으로 평가받는 7나노 이하 반도체 양산이 가능한 업체는 전 세계에서 TSMC와 삼성전자뿐이다. 두 회사 모두 현재 5나노 제품을 양산하고 있다. 반도체는 나노 단위인 회로의 선폭이 좁을수록 저전력·고효율 칩을 만들 수 있어 초미세공정 경쟁이 치열하다.

반도체 업계에선 삼성전자와 TSMC 중 누가 먼저 3나노 양산을 시작하는지 주목하고 있었다. 3나노 공정으로 제작된 반도체는 5나노 대비 칩 면적은 35% 줄이면서, 성능과 배터리 효율은 각각 15%와 30% 올릴 수 있는 것으로 알려져 있다.

이에 TSMC는 현재 3나노 공정 양산에 박차를 가해 내년 말 양산에 돌입할 것으로 보인다. 최근에는 120억달러(약 14조원)를 투자해 미국 애리조나주 피닉스에 5나노 공정 생산 라인을 증설하고 있고 여기에 추가로 3나노 이하 최첨단 공정을 갖춘 생산 라인 5개를 증설해 총 6개의 신규 라인을 구축할 계획을 밝혔다.

삼성전자도 내년까지 3나노 양산에 돌입할 것이라고 밝힌 바 있다. 그러나 이번에 TSMC가 1나노 핵심 기술 개발에 다시 한번 성공하면서 삼성전자의 발등에 불이 떨어진 상황이다.

삼성전자는 여전히 파운드리에선 글로벌 경쟁사인 TSMC와 격차가 큰 상황이다. 시장조사업체 트렌드포스에 따르면 지난해 글로벌 파운드리 시장 점유율은 TSMC가 54%로 압도적인 1위를 차지했고, 2위인 삼성전자는 17%로 TSMC의 3분의 1에도 못미치고 있다.

이종호 서울대 반도체공동연구소 소장은 “TSMC가 기술력과 자금력에서 경쟁사인 삼성전자보다 여전히 앞서고 있다는 것을 보여주기 위해 1나노 반도체 공정기술 개발이라는 상징적인 논문을 낸 것”이라며 “반도체 헤게모니(패권)겨루기 형식으로 보인다”고 말했다.