'3나노 반도체' 진검승부…삼성·TSMC, 불붙은 양산 경쟁

초미세공정 싸움 격화
TSMC, 장비설치 본격화
삼성 "내년 양산…공정개발"
인텔도 2023년 생산계획 밝혀

수율 안정화가 승패 갈라
TSMC·인텔은 2나노도 추진
삼성전자는 아직 언급 없어

사진=게티이미지뱅크

세계 파운드리(반도체 수탁 생산) 1위 기업인 TSMC가 3㎚(나노미터·1㎚=10억분의 1ｍ) 반도체 양산을 위한 장비 설치에 들어갔다. 목표는 내년 양산이다. 삼성전자도 최근 콘퍼런스콜을 통해 2022년 3㎚급 1세대 반도체 양산 계획을 밝혔다. 인텔까지 초미세 공정 반도체 양산에 뛰어들면서 세계 반도체 기업 간 경쟁이 불 붙고 있다. 누가 먼저 가격 경쟁력과 균질한 성능을 갖춘 3㎚ 반도체를 대량으로 내놓느냐에 따라 세계 파운드리 패권 구도가 달라질 수 있다는 관측이 나온다.

3㎚ 선두 달리는 TSMC

대만 매체 디지타임스는 4일 “TSMC가 대만 타이난에 있는 ‘팹18’ 공장에 3㎚ 공정 장비 설치에 나섰다”고 보도했다. 또 공정 생산량은 3000~5000웨이퍼로 추산된다고 덧붙였다.

‘㎚’는 반도체 회로 선폭의 단위다. 선폭이 작을수록 반도체 성능은 올라가고 전력 효율도 좋아진다. 현재 양산되는 반도체 가운데 5㎚급이 가장 미세한 공정으로 만들어진다. 세계에서 TSMC와 삼성전자만이 5㎚ 반도체를 양산하고 있다. 하지만 TSMC가 3㎚급 반도체 장비 설치에 본격 나서면서 삼성전자를 반보 앞서게 된 것으로 평가받는다.

삼성전자의 추격도 만만치 않다. 삼성전자는 지난달 2분기 실적 발표 자리에서 “2022년에 3㎚ 1세대 공정을 양산할 계획”이라며 “2023년에는 3㎚ 2세대 양산을 목표로 차질 없이 공정을 개발하고 있다”고 밝혔다. 1세대와 2세대는 성능과 소비전력 등에서 차이가 있다.

인텔도 3㎚ 반도체 양산에 가세했다. 팻 겔싱어 인텔 최고경영자(CEO)는 지난달 온라인 기술 로드맵 발표 행사에서 내년 7㎚, 2023년 3㎚, 2025년 2㎚ 반도체 생산 계획을 밝혔다.

진짜 승부는 ‘수율’

TSMC와 삼성전자, 인텔 등 세계 내로라하는 반도체 기업들이 3㎚ 반도체 양산에 뛰어들었지만 진짜 승부는 지금부터라는 분석이 나온다. 3㎚ 반도체를 양산한다 하더라도 얼마나 안정적인 수율을 가져가느냐에 따라 승패가 갈릴 수 있기 때문이다.

반도체는 미세공정에 들어갈수록 품질 관리가 어려워진다. 선폭이 작아지는 만큼 작은 패턴 변화에도 반도체 수율이 큰 영향을 받는다. 수율이란 한 웨이퍼 안에서 결함 없는 제품을 생산하는 비율이다. 수율이 좋다는 건 그만큼 웨이퍼 한 장에서 균질하게 얻을 수 있는 반도체 칩 수가 많아진다는 뜻이다. 원가가 절감되기 때문에 반도체 기업의 수익성도 좋아진다. 반도체 초미세공정의 기술적 한계에 근접하면서 수율 확보가 이전보다 훨씬 더 어려워졌다는 것이 업계의 설명이다.

반도체업계 관계자는 “양산을 시작한다고 하더라도 수율이 안정화되는 데까진 보통 3~4년 걸린다”며 “이 기간을 누가 얼마나 단축하느냐에 따라 고객사의 행보도 달라질 것”이라고 말했다.

3㎚ 양산이 가시권에 들어온 가운데 2㎚ 반도체 경쟁도 초입에 들어갔다. 대만 정부는 지난달 대만 신주시 바오산 인근 TSMC의 2㎚ 반도체 생산시설에 대한 건설 계획을 승인했다. 부지 규모는 20만2342㎡가량이다. 업계에서는 2024년부터는 2㎚ 반도체 양산이 가능할 것으로 내다보고 있다. 이미 고객사도 확보한 것으로 알려졌다. 인텔 또한 “2024년 2㎚, 2025년 1.8㎚ 반도체를 생산해 글로벌 기술 리더십을 확고히 하겠다”고 선언했다.

업계에서는 삼성전자도 늦기 전에 2㎚ 반도체 양산을 위한 대규모 투자에 뛰어들어야 한다고 보고 있다. 반도체업계 관계자는 “이미 TSMC와 인텔은 2㎚ 반도체 생산 계획과 함께 고객사 확보에 나섰다”며 “삼성전자의 의사결정이 더 늦어지면 주요 고객사들을 뺏길 수 있다”고 지적했다.

박신영 기자 nyusos@hankyung.com