반도체 미세화 공정기술, 새로운 변화가 시작된다-핀펫(FinFET) 지고, 게이트올어라운드(GAA) 뜬다

반도체 미세화 공정기술, 새로운 변화가 시작된다-핀펫(FinFET) 지고, 게이트올어라운드(GAA) 뜬다

담당부서 반도체심사과작성일 2021-07-20

 "반도체  미세화  공정기술, 새로운  변화가  시작된다

핀펫(FinFET)  지고,  게이트올어라운드(GAA)  뜬다"

"# 애플의 아이폰 12와 삼성의 갤럭시 S21 출시로 스마트폰 시장의 경쟁이 뜨겁다.

❶아이폰12에  탑재되는  M1칩과  ❷갤럭시  S21에  탑재되는  엑시노스칩은  각각 TSMC와 삼성의 핀펫(FinFET) 기반 5나노* 공정 기술로 제작돼 현존하는 최고의 성능을 가진 것으로 평가된다.

* 나노(nm·나노미터)는  반도체 회로 선폭의 단위다.  선폭이 작을수록  칩 크기는  작아지고, 소비전력은  감소하며,  처리  속도는  빨라진다.  이러한  이유로  기존  7나노보다  5나노  공정 기술로 제조된 반도체 칩의 성능이 크게 향상됐다.

#  앞으로  인공지능  등  기술분야에서  처리해야  할  데이터양은  급증할  것으로 예상된다.  많은  양의  데이터를  처리하기  위해서  현재의  5나노  기술보다  더 미세한 3나노 공정 기술이 필요하다. 이에 따라 핀펫보다 진화된 반도체 미세화

공정기술 경쟁도 치열해질 것으로 예상된다."

"□  반도체  미세화  공정  기술은  어디까지  진화할까?  반도체  미세화 공정기술을  주도했던  핀펫(FinFET)  기술이  지고,  게이트올어라운드 (GAA)  기술이  새롭게  뜨고  있다.

*  GAA기술은 반도체 업계에서 '핀펫(FinFET)' 다음 차세대 기술로 통칭된다. 핀펫기술은 전류가 흐르는 통로가 윗면-좌측면-우측면의 3면으로 이뤄지고, GAA기술은 윗면-

좌측면-우측면-아랫면의 4면으로 이뤄진다."

"□  특허청(청장  김용래)이  주요  5개국  특허1)를  분석한  결과  그동안

반도체 미세화 공정기술의 주력이었던 핀펫(FinFET)  기술 특허가 지난

2017년부터  하락세로  전환됐고,  게이트올어라운드(GAA)  기술  특허가

증가세를  보이고  있는  것으로  나타났다.  [붙임1]"

1)  분석대상  :  미국,  유럽,  일본,  한국,  중국  특허청에  2001~2020년까지  출원된  특허(‘21.5.31.까지  공개)

"ㅇ 핀펫  기술은  2017년  1,936건으로  정점을  찍었고  18년  1,636건,  19년 1,560건,  20년  1,508건(예상치)으로  감소세를  보이고  있다.

ㅇ 반면  핀펫보다  진보된  차세대  반도체  공정  기술로  손꼽히는  게이트 올어라운드(GAA)  관련  특허는  매년  30%  가까이  증가세를  보이며

같은  기간  173건,  233건,  313건,  391건(예상치)으로  증가했다."

"□   핀펫기술   다출원  순위는  TSMC(臺,   30.7%),   SMIC(中,   11%),   삼성전자 (8.6%),   IBM(美,   8.1%),   글로벌파운드리(美,   5.4%)   등   순으로   나타났다. 핀펫 기술은 대만,  중국,  한국,  미국  기업들이  경쟁하는  모습을  보였다.

[붙임2]"

"□    GA       기술   다출원    순위는    TSMC(臺,    31.4%),    삼성전자(20.6%), IBM(美,   10.2%),   글로벌파운드리(美,   5.5%),   인텔(美,   4.7%)   등  순이다. 대만,  한국  기업이  주도하고  있고  미국  기업이  추격하는  모양새다.

[붙임2]"

【 글로벌 기업 GAA 특허동향 】

 

"□  GAA를  활용한  초미세  공정기술은  ❶TSMC와 ❷삼성전자의 경쟁이 더욱 치열해질 것으로 예상된다.

ㅇ  삼성전자는  내년  3나노  공정부터  GAA  기술을  세계  최초로  적용할 계획이다.  TSMC는  2023년  2나노  공정부터  이  기술을  도입할  예정 이라고 발표한 상태다.

ㅇ 핀펫 기술분야에서 2위를 기록했던 SMIC(중국의 대표 파운드리 기업)는 순위권에서  밀려났다.  향후  첨단  반도체  분야에서  미국,  한국,  대만의 경쟁속에 중국과의 격차는 더욱 벌어질 것으로 전망되는 이유다."

"□ 특허청  반도체심사과  방기인  사무관은  “현재  5나노  이하  공정  기술로 반도체  칩을  제조할  수  있는  기업은  세계에서  TSMC와  삼성전자 밖에   없다”며   “하지만   최근   인텔의   파운드리   사업진출,  바이든 정부의   반도체   집중투자   등을   고려하면   최첨단   반도체에   대한 기술경쟁은  더욱  심화될  것”이라고  전망했다.

ㅇ  이어서  “결국  누가  얼마나  빨리  기술혁신에  성공하고  강한  지재권 으로  후발주자의  진입을  차단할  수  있느냐가  경쟁에서  우위를  점

하는  지름길이다”라고  덧붙였다."

※        FinFET과  GAAFET  특허출원  동향

붙임:  

붙임1

핀펫(FinFET)과 GAAFET 특허출원 동향

 

"FinFET과  GAAFET의  IP5 출원동향2)

"

2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 "2020

(예측)*"

"FinFET

(증감율)" 316 643 1019 990 1419 1746 1936 1639 1560 1508

6% 103% 58% -3% 43% 23% 11% -15% -5% -3%

"GAAFET

(증감율)" 27 24 43 38 70 92 173 233 313 391

170% -11% 79% -12% 84% 31% 88% 35% 34% 25%

*  2020년  출원은  특허공개기간(출원후  1년6개월)을  고려하여  선형회귀법으로  예측

"기술별  출원 국가 동향

"

미국 중국 한국 일본 유럽 총합계

"Finfet

(비중)" 6832 4830 1271 518 345 13796

49.5% 35.0% 9.2% 3.8% 2.5% 100.0%

"GAAFET

(비중)" 869 142 221 25 33 1290

67.4% 11.0% 17.1% 1.9% 2.6% 100.0%

"합계

(비중)" 7701 4972 1492 543 378 15086

51.0% 33.0% 9.9% 3.6% 2.5% 100.0%

"2)  조사  개요

▪ 대상국가  :  미국,  유럽,  일본,  한국,  중국  등  전세계  주요  5개  특허청

▪ 기간  :  2001년~2020년에  출원  (2021.5.31.까지  공개  기준)

▪ Datebase  :  더웬트이노베이션(https://www.derwentinnovation.com/)"

붙임2

기술별 다출원 기업 순위

 

(IP5  전체)  상위  10개  주요  출원인

FinFET GAAFET

 

순위 출원인 국가 건수 비중 순위 출원인 국가 건수 비중

1 TSMC 대만 4235 30.7% 1 TSMC 대만 405 31.4%

2 SMIC 중국 1521 11.0% 2 삼성전자 한국 266 20.6%

3 삼성전자 한국 1185 8.6% 3 IBM 미국 131 10.2%

4 IBM 미국 1112 8.1% 4 글로벌파운드리 미국 71 5.5%

5 글로벌파운드리 미국 741 5.4% 5 인텔 미국 60 4.7%

6 UMC 대만 669 4.8% 6 도쿄일렉트론 일본 33 2.6%

7 인텔 미국 474 3.4% 7 중국과학원 중국 26 2.0%

8 중국과학원 중국 263 1.9% 8 퀄컴 미국 24 1.9%

9 퀄컴 미국 228 1.7% 9 IMEC "벨기

에" 22 1.7%

10 르네사스 일본 159 `1.2% 10 어플라이드머티리얼즈 미국 20 1.6%

*  GAAFET의  경우,  SMIC는  14위(0.6%)  차지

붙임3

국가별 다출원 기업 순위

 

(국가별  :  미국)  상위  5개  주요  출원인

FinFET GAAFET

 

순위 출원인 국가 건수 비중 순위 출원인 국가 건수 비중

1 TSMC 대만 2029 29.7% 1 TSMC 대만 282 32.5%

2 IBM 미국 923 13.5% 2 삼성전자 한국 133 15.3%

3 글로벌파운드리 미국 597 8.7% 3 IBM 미국 127 14.6%

4 UMC 대만 526 7.7% 4 글로벌파운드리 미국 69 7.9%

5 삼성전자 한국 525 7.7% 5 인텔 미국 34 3.9%

(국가별  :  중국)  상위  5개  주요  출원인

FinFET GAAFET

 

순위 출원인 국가 건수 비중 순위 출원인 국가 건수 비중

1 TSMC 대만 1643 34.0% 1 TSMC 대만 43 30.3%

2 SMIC 중국 1119 23.2% 2 삼성전자 한국 36 25.4%

3 삼성전자 한국 285 5.9% 3 중국과학원 중국 15 10.6%

4 중국과학원 중국 208 4.3% 4 창신메모리 중국 7 4.9%

5 인텔 미국 173 3.6% 5 인텔 미국 6 4.2%

(국가별  :  한국)  상위  5개  주요  출원인

FinFET GAAFET

 

순위 출원인 국가 건수 비중 순위 출원인 국가 건수 비중

1 TSMC 대만 535 42.1% 1 삼성전자 한국 95 43.0%

2 삼성전자 한국 319 25.1% 2 TSMC 대만 80 36.2%

3 인텔 미국 50 3.9% 3 인텔 미국 10 4.5%

4 도쿄일렉트론 일본 33 2.6% 4 어플라이드머티리얼즈 미국 5 2.3%

5 SK하이닉스 한국 32 2.5% 5 KAIST 한국 5 2.3%

기술 설명

붙임  4

 

 

기술설명

 

"◆  FinFET  :  Fin(상어지느러미) + FET(Field Effect  Transistor :  전계 효과 트랜지스터),  두 용어를 합친  것으로  기존  평판(Planar)  FET에서  반도체  선폭의  미세화  공정에  따른  누설전류 등의  문제를  해결하기  위해  도입된  3차원  FET이며,  2011년  인텔이  22나노  공정  기술로 최초 적용하여  현재까지  22나노  이하의 대부분의  첨단  반도체 공정기술에  활용

◆  GAAFET   :  FinFET의  기존  3차원  구조에  더해  전류가  흐르는  통로인  채널의  아랫면까 지  모두  게이트가  감싸(Gate-All-Around)  전류  흐름을  보다  세밀하게  제어할  수  있는 기술로,  현재  FinFET이  가지는  3nm  이하의  공정  한계를  극복할  수  있는  차세대  파운 드리  게임  체인저로  인지된  기술"

 

반도체  트랜지스터  구조의  차이

 

[도면 출처 : 삼성전자]