삼성전자, 3나노 수율 확보에 사활···TSMC 연내 양산 늦춰질 수도

삼성 2분기 양산 목표인 3나노 GAA 수율 10~20% 불과

시장선 "올해 3나노 외부 고객 주문 어렵다" 평가

TSMC, 하반기 3나노 준비···양산 차질 가능성도 제기

삼성전자가 올해 상반기로 계획한 3나노미터(㎚·1㎚는 10억분의 1m) 반도체 양산 일정이 하반기로 늦춰질 수 있다는 전망이 나왔다. 수율이 여전히 반도체 업체 목표치에 크게 못 미친다는 것이다. 최근 파운드리 1위 업체 TSMC는 시장에서 제기한 3나노 수율 불안정을 해소하고 하반기 양산하겠다는 의지를 보였다.

19일 반도체 업계에 따르면 삼성전자가 올 2분기 양산을 계획하고 있는 3나노 GAA(Gate All Around) 공정 수율은 아직 목표보다 훨씬 낮은 것으로 알려졌다. 삼성 파운드리사업부의 3나노 GAA 공정 수율은 10%~20%에 불과해 수율 개선을 위해 경영진이 노력하고 있다는 관측이다.

삼성은 4나노 공정 생산 수율이 TSMC의 절반인 30%~35%에 그쳐 만족스럽지 못한 상황이다. 여기에 3나노 수율을 조기 끌어올리지 못하면 TSMC와의 격차 좁히기에 나서는 파운드리 사업이 힘겨운 싸움이 될 수 있다는 우려가 나온다. 선단 공정 기술 영역에서 경쟁사를 앞서나가야 추후 고객사 유치가 탄력받을 수 있어서다.

시장에서는 삼성이 자체 개발한 칩 제조에 삼성의 1세대 3나노 GAA 공정이 우선 활용될 것으로 보는 분위기다. 당장 수율이 낮은 상황에서 3나노 GAA 공정을 외부 고객들에 의해 채택될 가능성은 낮다는 것이다. 대신 삼성전자가 내년에 양산하는 2세대 3나노 GAA 공정부터는 엔비디아, 퀄컴 등 외부 고객들의 칩 설계 준비가 될 것이란 평가가 나온다.

문제는 3나노 GAA의 낮은 수율이다. 이를 조기 해결하지 못하면 올 하반기로 양산 시기가 늦춰질 수도 있다. 업계 한 관계자는 "상반기 삼성과 TSMC는 3나노 양산은 힘든 상황"이라며 "양산을 시작했다고 해도 당해 주력 공정은 될 수 없고 수율 등 고려하면 내년, 또는 2024년은 돼야 주력 공정이 될 것"이라고 말했다.

앞서 삼성전자는 지난해 10월 '파운드리 포럼 2021'에서 GAA 기술 기반 3나노 및 2나노 공정 양산 계획과 핀펫(FinFET) 구조의 17나노 신공정 개발 등 새로운 기술 전략을 소개했다. 올 상반기 중 세계 최초로 3나노 공정에 GAA 기술을 도입하고 2025년에는 2나노 공정까지 적용해 양산하겠다는 구체적인 계획을 내놨다.

GAA 기술은 전력 효율, 성능, 설계 유연성 측면에서 공정 미세화를 지속하는데 필수적인 기술이다. 기존 핀펫보다 칩 면적은 줄이고 소비 전력은 감소시키면서 성능은 높인 신기술이다.

삼성전자가 신공법 GAA를 TSMC보다 먼저 도입해 양산하게 되면 기술력이 앞선다는 상징적인 의미를 갖게 된다. 4나노 공정에서 TSMC보다 수율이 낮아 일부 빼앗긴 파운드리 고객사를 되찾을 수 있는 반격 카드라는 점에서 최시영 사장 등 파운드리사업부 경영진은 수율 개선에 총력전을 펼치고 있는 것으로 알려졌다.

이런 시기에 TSMC의 파운드리 전략도 삼성 안팎에선 관심이 커졌다. TSMC는 수율이 낮아 당초 해를 넘겨 3나노를 양산할 거란 업계 관측이 나왔다. 그럼에도 TSMC는 지난 14일 실적 발표 컨퍼런스콜에서 "하반기 반드시 3나노 공정에서 반도체를 양산하겠다"고 발표했다.

TSMC는 컨퍼런스콜에서 "3나노 공정은 고성능컴퓨터(HPC)와 스마트폰 칩셋에서 폭넓게 활용될 것으로 예상한다"고 설명했다. TSMC는 3나노 기술을 이용해 제조한 웨이퍼를 월 3만~3만5000개 가공할 계획으로 알려졌다. 애플 칩 제조 파트너인 TSMC는 내년에 아이폰15에 탑재되는 칩을 3나노에서 양산할 것으로 전해졌다.

TSMC는 3나노 공정이 5나노 기술 대비 처리 성능은 10~15% 높이고, 전력 소모량은 25~30% 줄일 수 있다고 밝혔다. TSMC는 2025년 양산 계획을 세운 2나노 공정 개발도 진행 중이다.

물론 일각에선 TSMC가 연내 3나노 양산에 나설지는 알 수 없다는 관측도 나온다. 지난해 초 TSMC는 3나노 공정을 2022년 상반기 양산하겠다고 밝혔으나 낮은 수율로 인해 올 하반기로 양산 시기를 늦췄다.

업계 관계자는 "TSMC 3나노 양산 계획은 하반기 가봐야 알 수 있을 것"이라며 "삼성전자는 1분기 컨퍼런스콜에서 3나노 GAA 양산 시기에 대한 언급이 나올 수도 있다"고 말했다.