반도체 초미세공정기술이 진화하고 있다. 반도체 초미세공정을 주도했던 핀펫(FinFET)에 이어 차세대 기술로 게이트올어라운드(GAA)가 새롭게 부상하고 있다. 세계 반도체 제조업체들의 GAA기술 선점경쟁이 치열하다.

특허청(청장 김용래)이 미국 유럽 일본 한국 중국 등 주요 5개국 특허청에 2001~2020년까지 출원된 특허를 분석한 결과다.

분석 결과, 그동안 반도체 초미세공정기술 주력이던 핀펫 출원이 2017년부터 하락세로 전환됐다. 반면 GAA 증가세를 보이고 있는 것으로 나타났다.

핀펫기술은 2017년 1936건으로 정점을 찍은 후 2018년 1636건, 2019년 1560건, 2020년 1508건(예상치)으로 감소세를 보이고 있다.

현존하는 최고 성능을 가진 것으로 평가받는 반도체는 아이폰12에 탑재되는 M1칩과 갤럭시S21에 탑재되는 엑시노스칩이다. 각각 TSMC와 삼성의 핀펫 기반 5나노 공정기술로 제작됐다.

핀펫기술 다출원 순위는 대만 TSMC(30.7%), 중국 SMIC(11%), 한국 삼성전자(8.6%), 미국 IBM(8.1%), 미국 글로벌파운드리(5.4%) 등 순이다. 핀펫기술은 대만 중국 한국 미국 기업들이 경쟁하는 모습을 보였다.

앞으로 인공지능 등 기술분야에서 처리해야 할 데이터 양은 급증할 것으로 예상된다. 많은 양의 데이터를 처리하기 위해 현재 5나노 기술보다 더 미세한 3나노 공정기술이 필요하다. 나노(nm·나노미터)는 반도체 회로 선폭의 단위다. 선폭이 작을수록 칩 크기는 작아지고, 소비전력은 감소하며, 처리 속도는 빨라진다. 이러한 이유로 기존 7나노보다 5나노 공정기술로 제조된 반도체 칩의 성능이 크게 향상됐다.

핀펫기술은 전류 흐르는 통로가 3면(윗면-좌측면-우측면)으로 이뤄졌다. GAA기술은 4면(윗면-좌측면-우측면-아랫면)으로 이뤄진다. 반도체 업계에서 GAA를 핀펫보다 진화된 차세대 반도체 공정기술로 꼽는 이유다.

GAA 관련 특허출원은 매년 30% 가까이 증가세를 보이고 있다. 2011년 27건에 불과했던 출원은 2017년 173건으로 100건을 넘어섰다. 이후 233건(2018년) 313건(2019년)으로 급속히 늘고 있다. 2020년은 391건으로 예상된다.

GAA 다출원 순위는 TSMC(31.4%), 삼성전자(20.6%), IBM(10.2%), 글로벌파운드리(5.5%), 인텔(4.7%) 등 순이다.

GAA기술을 대만과 한국 기업이 주도하고 있고 미국기업이 추격하는 모양새다. 특히 TSMC와 삼성전자의 경쟁이 더욱 치열하다.

삼성전자는 내년 3나노 공정부터 GAA기술을 세계 최초로 적용할 계획이다. TSMC는 2023년 2나노 공정부터 이 기술을 도입할 예정이라고 발표한 상태다.

핀펫분야에서 2위를 기록했던 SMIC(중국 파운드리기업)는 10위권에서 밀려났다. 향후 첨단 반도체 분야에서 미국 한국 대만의 경쟁속에 중국과의 격차는 더욱 벌어질 것으로 해석되는 대목이다.

현재 5나노 이하 공정기술로 반도체 칩을 제조할 수 있는 기업은 세계에서 TSMC와 삼성전자 밖에 없다. 하지만 최근 인텔의 파운드리사업 진출, 바이든정부의 반도체 집중투자 등을 고려하면 최첨단 반도체에 대한 기술경쟁은 더욱 심화될 것으로 전망된다.

특허청은 "결국 누가 얼마나 빨리 기술혁신에 성공하고 강한 지식재산권으로 후발주자 진입을 차단할 수 있느냐가 경쟁에서 우위를 점하는 지름길"이라고 전했다.