중국, 구형 DUV 노광장비로 3나노 벽 넘나…실상은 5나노 수준에 머물러

미국 수출 규제로 첨단 극자외선 노광기 도입이 막힌 중국이 구형 심자외선 장비로 3나노미터급 성능 경로를 이론적으로 제시하는 트랜지스터 구조를 개발했다. 다만 트랜지스터 제조 이후 단계인 중공정 배선 기술의 한계로, 실제 달성이 가능한 집적 밀도는 5나노미터급 수준에 머문다는 분석이 나온다.
기술 매체 Wccftch는 9월 17일(현지시각) 중국과학원이 새로운 게이트올아라운드 트랜지스터를 개발했다고 보도했다. 게이트올아라운드는 전류가 흐르는 통로를 모든 방향에서 감싸는 구조로, 기존 핀펫 방식보다 전류 흐름을 훨씬 정밀하게 제어한다. 핀펫이 손가락 두 개로 호스를 집는 방식이라면, 게이트올아라운드는 손 전체로 호스를 쥐는 방식에 해당한다.


중국과학원 연구팀은 개발된 트랜지스터의 온오프 전류비가 50만 배를 넘는다고 주장한다. 스위치를 켰을 때 흐르는 전류가 껐을 때보다 50만 배 이상 크다는 뜻으로, 누설 전류를 거의 차단하면서 우수한 전기 제어 성능을 보여준다.
심자외선 노광기는 멀티패터닝과 이머전 기술을 조합해도 7나노미터 공정이 상한선으로 평가받아 왔다. 중국과학원은 새로운 소자 구조를 통해 이 구형 장비로도 3나노미터급 성능에 도달하는 이론적 경로를 열어놓았다.

새로운 트랜지스터는 소자 배치 간격인 핀 피치를 넓히면서도 성능을 유지할 수 있는 여유를 제공한다. 이 특성을 활용하면 중국 최대 파운드리 SMIC가 반도체 논리 셀의 높이를 5트랙 구성에서 4트랙 구성으로 줄이는 것이 이론적으로 가능하다는 분석이다.

Wccftech 보도에 따르면, 이 논리 셀은 137.8 MTr/mm² 수준의 집적 밀도를 달성해 대만 TSMC의 5나노미터 공정과 유사한 수준을 형성한다.


반도체 공정 전문가 'aog T'는 트랜지스터 자체의 성능 개선이 공정 전체의 한계를 완전히 해소하지는 못한다고 분석한다.
트랜지스터와 외부 회로를 금속 선으로 잇는 중공정 단계와 최하위 금속 배선층 형성은 여전히 심각한 병목으로 작용한다. 트랜지스터 구조를 바꾼다고 해서 미세한 구멍을 뚫고 금속을 채우는 공정의 난도가 낮아지는 것은 아니며, 게이트 간격인 폴리 피치 역시 중공정의 복잡도에 따라 결정된다. 이러한 구조적 제약으로 인해 새로운 소자 구조를 적용하더라도 실제 대량 생산에서의 집적 밀도는 5나노미터급 수준에 머물 가능성이 크다.


이러한 국면은 글로벌 성숙 공정 생태계에도 간접적인 파급 경로를 형성한다. 화웨이는 미세 공정 장비 제약을 설계 혁신으로 우회하기 위해 차세대 인공지능 반도체 어센드 960 시리즈에 로직폴딩 기술을 도입하고 있다.

로직폴딩은 논리 회로를 수직으로 적층해 단위 면적당 연산 밀도를 높이는 방식이며, 화웨이는 이를 통해 당초 예정됐던 일정을 앞당겨 어센드 960DT는 2027년 1분기에, 어센드 960PR은 2027년 3분기에 각각 선보일 계획인 것으로 알려졌다.
글로벌 가치사슬 관점에서 관련 기업들은 중국의 GAA 소자 자립화 시도가 향후 성숙 공정 및 팹리스 시장의 가격 경쟁력에 미칠 영향을 예의주시하고 있다. 다만, 중공정 및 장비 제약이라는 본질적 한계가 단기간에 해소되지 않을 경우, 중국의 첨단 칩 자급화 속도는 예상보다 완만해질 수 있으며 글로벌 공급망 재편 속도 역시 제한적인 수준에 머물 전망이다.

중국 반도체 산업은 소자 구조 혁신과 설계 혁신이라는 두 갈래 경로를 동시에 모색하는 형국이다. 중공정 배선 기술과 패터닝 장비의 한계를 얼마나 현실적으로 극복하느냐가 실질적인 5나노미터 이하 진전을 가늠할 핵심 변수가 될 것으로 보인다.


김주원 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com