삼성, 파운드리 내년 단독 2위…'7나노·FD-SOI' 투트랙

[아이뉴스24 김문기기자] 삼성전자가 지난 5월 시스템LSI부문으로부터 독립시킨 파운드리 부문 역량 강화에 나선다. 내년 글로벌 반도체 파운드리 단독 2위가 목표다. 향후 1위인 대만 TSMC까지 잡겠다는 포부다. 이를 위해 고성능 로직 반도체를 위한 미세공정화와 사물인터넷(IoT), 오토모티브 등에 대응하기 위해 FD-SOI, 8인치팹을 강화하는 투트랙 전략을 전개한다.

삼성전자는 11일 삼성동 그랜드 인터콘티넨탈 호텔에서 삼성 파운드리 포럼 코리아 2017을 개최하고 국내 고객과 파트너들에게 최첨단 파운드리 솔루션을 공개했다. 지난 5월 미국 포럼에 이어 올해 두 번째 열리는 포럼에는 국내 팹리스 및 IT 기업고객 130여 명이 참가했다.

삼성전자는 메모리 시장에서 압도적 1위를 수성하고 있다. 미세공정화에 따른 안정적 수율을 보이고 있는 D램과 경쟁사 대비 빠르게 진입한 3D 낸드플래시 양산 덕분이다. 메모리 대비 비메모리 영역은 추월해야할 경쟁사들이 많다. 팹리스 역할을 담당하는 시스템LSI와 생산 담당의 파운드리 사업력의 역량 강화가 필요한 시기다.

시장조사업체 IHS마킷에 따르면 지난해말 전세계 파운드리 시장 점유율에서 대만 TSMC가 50.6%로 독보적인 1위에 군림하고 있다. 미국 글로벌파운드리(GF)가 9.6%, 대만 UMC가 8.1%를 기록해 2, 3위에 안착했다. 삼성전자는 비슷한 수준인 7.9% 점유율로 4위까지 치고 올라왔다.

삼성전자는 지난 5월 파운드리 사업을 키우기 위해 시스템LSI 내 위치했던 파운드리팀을 독립 사업부로 격상시켰다. 내년 단독 2위 달성뿐만 아니라 향후 1위 기업인 TSMC 자리까지도 위협하겠다는 포부다.

이상현 삼성전자 파운드리사업부 마케팅팀장(상무)는 "매출 기준으로 파운드리 업체 중 TSMC가 1위다. UMC, 글로벌파운드리가 우리와 2위에 올라있다. 내년이 되면 단독 2위로써 다른 기업과의 격차를 벌릴 것"이라며, "나중에 TSMC까지 따라 잡을 수 있도록 노력하겠다"고 밝혔다.

삼성전자는 지난 2005년 경기도 기흥에 S1라인을 구축하면서 파운드리 사업을 본격화했다. 2009년에는 반도체R&D센터를 구축해 메모리와 시스템LSI 연구를 진행했다. 2011년 32나노미터(nm) HKMG MP 공정 최초 양산, 2015년 핀펫(14나노) 최초 도입, 2016년에는 8인치 파운드리를 운용했다. 지난해말에는 퀄컴과의 협력으로 10나노 핀펫 공정 양산을 전세계 최초로 시작했다.

현재 파운드리 사업이 전개되고 있는 곳은 기흥 S1과 미국 오스틴 S2다. 올해는 경기도 화성 S3 증설을 통해 차세대 비메모리 반도체 양산에 나선다. S3라인에서는 차기 미세공정 수요를 담당할 것으로 알려졌다. 기존 S1과 S2 라인은 추가 증설없이 중저가 제품 수요에 탄력적으로 대응할 것으로 보인다.

◆ 삼성 파운드리 사업 키워드 '턴키'

과거 반도체 기업들은 종합반도체업체(IDM)의 형태를 유지했다. 설계 디자인과 제조공정 및 후공정을 모두 관할했다. 반도체 공정을 위한 투자가 지속되면서 IDM을 유지하기가 부담스러워졌다. 이에 따라 반도체 생산측면에서 디자인과 제조공정, 후공정으로 분화됐다.

전용주 삼성전자 파운드리사업부 마케팅팀 부장은 "팹리스는 디자인에 따른 노하우를 갖춘 대기업뿐만 아니라 작은회사들도 두루 참여하고 있다. 대표적으로 퀄컴을 꼽을 수 있다. 후공정을 전문적으로 하는 곳도 있다"며, "최근 (반도체 생산이) 점점 복잡해지면서 모두가 나뉘면 협업이 어려워지는 측면이 있다. 제조공정과 후공정을 하나의 업체가 담당하는 쪽으로 가고 있다. 삼성전자도 제조공정과 후공정까지 한다. 어떤 곳에서는 디자인까지도 커버한다"고 말했다.

삼성전자는 파운드리 사업 목표를 '턴키(turn-key)'라는 한 단어로 표현한다. 예를 들어 건설업자가 집을 다 짓고 나서 그 집 문을 열 수 있는 열쇠만 고객에게 전달해주는 형태를 말한다. 고객이 필요로 하는 로직 반도체가 있다면, 삼성전자가 알아서 맞춤형으로 제작해 더 이상 손을 댈 필요가 없이 만들겠다는 전략이다.

전 부장은 "고객에게 좀 더 많은 가치를 주기 위한 삼성전자의 파운드리 전략은 턴키 솔루션으로 설명할 수 있다. 예전 IDM과 비슷하지만 파운드리 특성을 최대한 살리는 쪽으로 비즈니스하고 있다"고 강조했다.

◆ 풀 EUV 7나노 공정 양산 세계 최초 도전

삼성전자는 고성능 비메모리 생산을 위해 미세공정을 서두른다. 연말 8나노 양산에 돌입, 내년에는 극자외선노광장비(EUV)를 사용해 7나노 양산을 시작할 계획이다. 이후 2020년까지 6나노와 5나노, 4나노까지 이어진다. 6나노는 삼성전자의 스마트 스케일링 솔루션을 적용해 7나노 대비 집적도 향상과 초저전력 특성을 구현한다. 4나노에서는 핀펫 구조를 바꾼 게이트올어라운드펫(GAAFET)을 적용한다.

삼성전자는 EUV없이 최대의 효과를 거둘 수 있는 한계로 8나노 공정을 준비하는 동시에 7나노 도입도 서두른다. 네덜란드 장비업체인 ASML와 협력으로 오는 3분기까지 EUV 설치를 완료한다. 빠르면 올해말부터 7나노 양산에 돌입하겠다는 포부다.

이 상무는 "7나노 공정은 ASML과 협업해서 간다. EUV 소스파워를 250W까지 맞추면서 양산 준비 단계까지 와 있다"라며, "7나노부터 5나노까지는 풀EUV로 나간다. 풀EUV 7나노 양산은 우리가 첫번째가 될 것"이라고 자신했다. 경쟁사인 TSMC가 최초 7나노 양산을 기존 방식과 EUV를 혼재해 사용할 것이라는 점을 고려한 발언으로 풀이된다.

지난해말 양산을 시작한 10나노 공정은 고도화시켜 수명을 길게 가져가겠다는 전략이다. 올해 연말 10나노 2세대 공정(LPP)을 도입하고, 내년에는 3세대 공정(LPU)까지 나아간다. 통상적으로 공정이 업그레이드될수록 성능을 높이면서도 생산원가를 낮춰 견조한 수익을 거둘 수 있다. 수율 안정화에도 기여한다.

선단공정에 따른 파운드리 사업 적용분야도 넓힌다. 이 상무는 "고객군이 상당히 다양하지만 모바일군이 많았다. IoT나 오토모티브 등으로 폭을 넓히고 있다. 최근 GPU나 네트워크, 다수 고객들의 칩 생산 비중이 늘면서 모바일에 대한 의존도도 낮아졌다"며, "시장조사, 고객 미팅, 연구개발 등을 포함해서 로드맵을 수립했다. 대형 고객들만을 품는 것이 아니라 퓨어 파운드리로 가면서 하나하나 실행해 나가고 있다"고 말했다.

◆ 사업 다각화 위한 'FD-SOI·8인치' 공정도 '집중'

삼성전자는 파운드리 사업 다각화를 위해 완전공핍형실리콘-온-인슐레이터(FD-SOI) 공정에도 힘을 쏟는다. 복잡한 고성능 비메모리 대비 좀 더 단순한 사물인터넷이나 오토모티브 분야 등에 대응해 다수의 고객사를 유치하겠다는 전략이다.

삼성전자는 지난 2014년 ST마이크로일렉트로닉스가 보유한 28나노 FD-SOI 공정 기술을 이전받는 계약을 체결했다. FD-SOI는 산화절연층이 형성된 특수 웨이퍼를 사용해 누설 전류를 감소시켜 속도 및 소비전력을 개선한 공정이다. 특수 웨이퍼를 사용해 기존 웨이퍼 대비 비싸지만 공정을 약 15% 줄여 칩 원가를 낮출 수 있다는 장점을 갖추고 있다.

삼성전자는 28나노 FD-SOI 공정으로 NXP반도체 I.MX7를 양산하고 있다. 삼성전자는 고객군을 첨차적으로 넓혀가고 있다고 설명했다.

이와 함께 삼성전자는 18나노 FD-SOI도 도입한다. 28나노 공정에 eMRAM과 RF 기능을 통합하는 플랫폼으로 탁월한 성능과 저전력을 실현이 기대된다.

FD-SOI 공정은 삼성전자뿐만 아니라 글로벌파운드리가 뛰어든 바 있다. 최근 GF는 중국과 합작으로 100억달러(한화 약 11조1천400억원)을 투자해 중국 청두에 반도체 공장을 설립한다. 2019년 양산이 목표다. 기존에는 독일 드레스덴 1공장에서 22나노 FD-SOI 공정을 적용했다. 이 곳에서는 연구개발을 통해 12나노 FD-SOI 공정을 준비하고 있다. TSMC는 FD-SOI 공정에 대응하기 위해 22나노 공정을 추가했다.

삼성전자는 65나노에서 180나노까지 소화할 수 있는 8인치 공정에도 힘을 쏟는다. 가격 효율성이 높은 중저가칩 생산에 유리하다.

특정고객을 위한 후공정 기술도 보유하고 있다. 팬아웃 타입의 지문인식, AP와 메모리 사이에 발열문제를 해결한 패키지온패키지타입, 서버나 네트워크에 사용되는 아이-큐브 등을 갖추고 있다.

한편, 삼성전자는 파운드리 사업부가 기존 시스템LSI내 속해 있어 고객사들이 기술 유출로 꺼렸다는 점에 대해서 "우리 계열사들이 있어 꺼린다는 말들이 있었지만, 근본적으로 문제가 있었다면 우리의 파운드리를 사용하지 않았을 것이다. (파운드리 사업부) 독립과 관계없이 기술유출 문제는 없다"며, "현재도 (고객사들이) 쓰고 있다. 다양한 고객사들과 더 많은 관계를 맺고 있다"고 강조했다.