반도체 파운드리(Foundry) 산업은 설계된 반도체 칩을 실제로 제조하는 역할을 수행하는 고도의 기술 산업입니다. 특히 초미세 공정으로 갈수록 제조 난이도는 기하급수적으로 높아지며, 각 단계별로 요구되는 설비, 공정 조건, 노광 기술, 수율 관리 능력도 달라집니다. 파운드리 기술은 단순히 선폭(공정 노드)의 크기만 줄이는 것이 아니라, 회로 집적도, 전력 효율, 열처리, 패키징 등 전반적인 시스템 기술이 복합적으로 작용하는 분야입니다. 본문에서는 파운드리의 기술 난이도를 주요 노드별로 구분해 설명하며, 각 단계에서 요구되는 기술 요소와 시장의 흐름까지 체계적으로 정리합니다.
14나노 이상 공정: 성숙 공정으로 분류되는 기술
14나노, 28나노, 45나노 등은 일반적으로 ‘성숙 공정(mature node)’이라 불리며, 기술적으로 안정화되어 양산성과 수율 확보가 비교적 수월한 단계입니다. 이들 공정은 스마트폰 보급 초기나 PC, 서버용 프로세서 시장에서 광범위하게 사용되었으며, 현재는 IoT 디바이스, 자동차 반도체, 가전제품 등에 적용되고 있습니다. 대표적인 예로 28nm 공정은 비용 대비 성능이 우수하여, 여전히 많은 아날로그 및 전력 반도체 분야에서 채택되고 있습니다. 성숙 공정은 고가의 EUV 장비 없이도 제조가 가능하며, 공정 조건이 안정되어 있어 수율 관리와 생산 계획 수립이 용이합니다. 설비 투자 부담이 비교적 적고, 재고 관리 및 제품 개발 사이클이 짧아 중소형 고객사에 적합합니다. TSMC, 삼성전자, 글로벌파운드리(GlobalFoundries) 등이 해당 공정에서 다양한 제품 포트폴리오를 보유하고 있으며, 특히 아날로그 IC, 디스플레이 구동 칩, 마이크로컨트롤러(MCU) 생산에 최적화되어 있습니다. 그러나 이 구간의 파운드리는 경쟁이 치열하고 가격 압박이 크기 때문에 기술력보다 원가 경쟁력이 중요하게 작용합니다.
7~5나노 공정: 고성능 제품 중심의 고난이도 영역
7나노부터는 고성능 고집적 반도체 제조를 위한 기술이 본격적으로 적용되며, 이때부터 공정 난이도가 급격히 상승합니다. 대표적으로 FinFET(핀펫) 구조가 도입되며, 평면 트랜지스터가 아닌 입체 구조로 전류 흐름을 제어해 전력 효율을 높이는 방식이 채택됩니다. 7nm 공정은 현재 모바일 SoC, 고성능 CPU, GPU, AI 반도체 등에서 널리 사용되며, 글로벌 IT 기업들이 TSMC와 삼성전자를 통해 해당 공정에서 제품을 생산하고 있습니다. 이 구간부터는 리소그래피 공정에서 EUV(극자외선) 노광 장비의 도입이 부분적으로 시작되며, 마스크 수가 증가하고 패터닝이 복잡해지기 때문에 전체 공정 시간이 길어지고 수율 확보도 어려워집니다. 특히 5nm에서는 EUV 사용 비중이 증가하며, 노광 공정 안정성, 레지스트 품질, 패터닝 정렬 정밀도 등이 중요한 변수로 작용합니다. 또한 트랜지스터 간 간섭(crosstalk), 누설 전류, 게이트 전압 불안정 등도 동시에 관리해야 하며, 설계 기술력과 공정 최적화 능력이 동시에 요구됩니다. 7~5nm 파운드리에서는 수율이 기업의 수익성과 직결되기 때문에 초기 공정 안정화 속도가 시장 점유율 확보의 관건이 됩니다. 삼성전자와 TSMC는 이 구간에서 기술력을 집중하며, 모바일 애플리케이션 프로세서(AP), AI 프로세서, 네트워크 칩 등 고부가가치 제품을 중심으로 경쟁하고 있습니다. 특히 TSMC는 애플의 A 시리즈 칩을 통해 초기 7nm, 5nm 공정 시장을 선점했으며, 삼성은 자사 엑시노스와 외부 고객사 수주를 통해 해당 시장에 대응하고 있습니다.
3나노 이하 공정: GAA 기반 초고난도 차세대 기술
3나노 이하의 공정부터는 파운드리 기술이 완전히 새로운 패러다임으로 진입합니다. 기존의 FinFET 방식으로는 더 이상 전력 효율과 성능 확보에 한계가 있기 때문에, 삼성전자를 중심으로 GAA(Gate-All-Around) 트랜지스터 구조가 도입되고 있습니다. GAA는 채널 전체를 게이트가 감싸는 구조로, 전류 제어 능력이 향상되고 전력 소모가 줄어들어 초미세 공정에서 매우 유리한 기술입니다.
3nm 공정은 아직 공정 안정화와 수율 확보에 시간이 필요한 단계로, 삼성전자는 2022년부터 GAA 3nm 공정 양산을 시작했으나, 수율과 고객사 확보 측면에서 TSMC 대비 제한적인 성과를 보여주고 있습니다. 반면 TSMC는 3nm에서도 FinFET 기반 공정을 유지하다가, 향후 2nm부터 GAA를 도입할 계획이며, 이를 통해 수율 안정성과 기술 전환의 리스크를 줄이겠다는 전략을 펼치고 있습니다. 3nm 이하 공정에서는 트랜지스터 외에도 배선 재료, 절연층, 열 관리 기술, 패키징 기술까지 복합적으로 발전해야 하며, 공정 난이도는 반도체 역사상 가장 높은 수준으로 평가받습니다. 공정 편차, 공정 장비 간 정렬 오차, 레이아웃 컴플라이언스 등 극복해야 할 과제가 많아 소수의 글로벌 파운드리 기업만이 이 영역에서 경쟁할 수 있습니다. 또한 설계 툴, 시뮬레이션 기술, 오류 검증 자동화 등 지원 생태계의 수준도 함께 발전해야 실질적인 양산이 가능해집니다. 향후 2nm, 1.4nm, 그리고 1nm 이하 공정은 아직 연구개발 단계이며, 소재 혁신(탄소나노튜브, 2차원 반도체), 새로운 패터닝 방식(High-NA EUV), 고성능 HBM 메모리와의 통합 등 복합 기술의 결합이 요구되는 초고난이도 영역입니다. 이처럼 파운드리 산업은 단순한 선폭 축소를 넘어 시스템 전체 기술의 통합과 융합을 요구하는 첨단 제조 산업으로 진화하고 있습니다.