반도체 산업탐구: 반도체 수요와 공급의 변화 trend - 4

5.3. 비메모리 강화를 위한 방향

 

한국 비메모리는 상대적으로 대만, 미국 대비 크게 열위다. 구조적으로 성장하고 있는 Foundry 시장에 대한 적극적인 대응이 메모리에 쏠려 있는 한국 반도체에 당면 과제 중 하나다. Foundry 경쟁력을 위해서는 ① 전공정 기술, ② 후공정 기술, ③ 고객 대응 능력 등 크게 세가지가 필요하다. 이때 삼성전자의 전공정 기술 확보와 함께, 후공정 또는 IP 관련 밸류체인 강화가 동반되어야 한다.

 

 

5.3.1. Foundry 시장의 구조적 성장

 

비메모리는 메모리와 다르게 분업화되어 있다. Fabless(설계), Foundry(전공정 팹 제조), OSAT(후공정) 등으로 나뉜다. 비메모리 시장을 인텔 진영(IDM, 설계+제 조)과 비인텔 진영(설계, 전공정, 후공정 분업)으로 이분화시킬 수 있다.

 

인텔의 모바일 혁명, 4차 산업혁명에 미흡한 대응으로, 비인텔 진영의 급격한 성장이 진행 중이다. 비인텔 진영의 설계 경쟁력 강화는 그대로 Foundry, OSAT 업체들에게 연결된다. Nvidia와 AMD는 4차 산업혁명을 향한 설계 기술을 장악 하고 있다. ARM은 모바일 기기에서 PC, 서버 등으로 영역을 확장하고 있다. 애플 뿐만 아니라 구글, 테슬라 등도 자체 반도체 칩 설계를 개발 중이다.

 

 

게다가 최근 인텔은 자사 설계 제품을 TSMC로 Foundry 외주화하기로 결정했다. 전공정 팹 일부를 타사 설계 제품을 대응할 Foundry 용도로 사용하기로 결 정했다. Foundry 시장의 구조적인 성장이 지속될 전망이다.

 

 

 

 

5.3.2. 한국의 Foundry 업체는 삼성전자, SK하이닉스, DB하이텍

 

한국에는 Foundry 업체로 삼성전자, SK하이닉스, DB하이텍이 있다. 삼성전자는 5nm에 이어 4nm 양산을 시작했다. 캐파, 매출, 기술력 모두 TSMC에 이어 전 세계 2위다. 올해 3nm GAA 공정까지 양산을 시작할 계획이다. 최첨단 전공정 기술을 확보한 상태로, TSMC에 이어 고객들의 발주 고민에 2순위다.

 

SK하이닉스와 DB하이텍은 12인치 제조 팹은 아직 없으며, 8인치 팹만 보유하고 있다. 4Q21 기준 SK하이닉스는 100K/월을 확보한 상태로, 키파운드리 팹을 확보하여, 향후 200K/월 수준까지 캐파를 확대할 계획이다. DB하이텍은 138K/월 의 캐파를 확보한 상태로 점진적인 캐파 증가를 진행 중이다.

 

 

비메모리 칩 성능 개선은 일반적으로 속도 상승, 전력 소모량 감소, 기타 성능 개선 등을 목표로 한다. 이를 위한 Foundry 업체들의 핵심 역량은 ① 전공정 기 술, ② 후공정 기술, ③ 고객 대응 능력 등 크게 세가지다. 한국은 후공정과 고객 대응을 향한 IP 관련 밸류체인 또는 주변 환경에서 대만 대비 크게 열위다. 전공 정 기술만 TSMC를 혼자 이긴다고 시장 장악력에서 TSMC를 이길 수 없을 것 이다. 한국 비메모리는 후공정 또는 IP 밸류체인 강화가 반드시 필요하다.

 

 

5.3.3. Foundry 핵심 역량 - ① 전공정기술

 

설계 업체들이 Foundry 업체들에게 더 짧은 선폭의 공정기술을 요구하는 이유는 Transistor 사이 전자 이동 거리가 짧으면 반도체 속도가 빨라지기 때문이다. 짧은 선폭을 전공정 기술로 구현할 수 있는 Foundry 업체가 고객의 선택을 받기 유리하다. 다만, 선폭을 미세화하는 과정에서 누설 전류 등 부작용이 발생하기 때문에, Foundry 업체들 간 기술 격차가 존재한다. 전공정 기술에서 TSMC가 1 위, 삼성전자가 2위로 평가받고 있다. 물리적인 선폭 기준으로는 삼성전자가 TSMC에 거의 대등한 수준까지 따라온 것으로 평가 받고 있다.

 

삼성전자는 10nm 공정까지 TSMC와 대등한 전공정 기술을 확보했었다. 다만, 7nm 공정에서 EUV 적용을 선택한 삼성전자는 EUV 없이 개발한 TSMC보다 늦었다. ASML의 EUV 장비 개발 및 공급 시점이 생각보다 늦어졌기 때문이다. 그러나 5nm 공정부터 삼성전자가 TSMC와 거의 대등한 시점에 양산을 시작했다. 또한 최근에는 갤럭시S22에 탑재될 AP를 4nm 공정으로 제작하고 있다.

 

 

반도체 핵심 소자인 Transistor를 구현할때, Foundry 전공정에 요구되는 것은 처리 속도를 증가시키고, 소비 전력을 감소시키는 것이다. Transistor의 선폭이 좁아 지면, 누설전류(Leakage Current)가 발생하여 Short Channel Effect가 발생한다. 누설 전류가 발생할 경우, 발열 등으로 전력 소모량이 많아진다. Foundry 업체들 은 HKMG(High-k Metal Gate)와 FinFET 공정을 적용하여 기술을 개발해 왔다. 14nm 선폭부터 적용되어 온 FinFET 공정이 4nm 미만 선폭에서는 한계를 보일 것으로 판단된다.

 

 

그래서 Foundry 업체들은 4nm 미만 선폭에서 GAA(Gate All Around) 공정을 적용할 계획이다. 삼성전자는 3nm 선폭부터, TSMC는 3nm 또는 2nm부터 GAA 공정을 적용할 계획이다. GAA 공정 기술 개발을 먼저 성공하는 업체가 대 형 고객들에게 수주를 선점할 전망이어서, GAA가 본격적용될 2023년이 Foundry 내 High-end 시장에 변곡점이 될 가능성 높다.

 

GAA를 적용하는 이유는 FinFET과 동일하다. 두 공정 모두 Transistor의 전류가 이동하는 소스와 드레인 사이에 구조를 개선하여 접촉 면적을 늘리고(속도를 증가시키고), 쥐어 짜게 만들어 누설 전류를 최소화시키는 접근이다. GAA는 FinFET보다 전류가 이동하는 접촉 면적이 더 넓고 전류가 흐르는 채널 4면을 Gate가 둘러싸고 있다. FinFET보다 채널 조정 능력을 추가적으로 개선시킨 방법이다.

 

 

GAA는 Transistor 구조를 전면적으로 변경하는 것이기 때문에, 공정기술상 많은 어려움이 등장할 것으로 전망된다. 구조 변화로 인해 Vth(Threshold Voltage) 등 Transistor Engineering이 매우 어려워진다. 최적의 Transistor 조건을 찾기 위해 상당한 연구개발 기간이 필요하다.

 

삼성전자는 GAA 기술을 오랜 기간 준비해 온 것으로 파악된다. 삼성전자가 많 은 난제들을 해결하고 공정 기술 개발에 성공할 경우, 대형 고객들의 수주를 선 점하거나 TSMC와 이원화할 수 있는 기회가 될 수 있다.

 

 

5.3.4. Foundry 핵심 역량 - ② 후공정기술

 

비메모리 시장에서 후공정은 OSAT(Outsourced Semiconductor Assembly and Test) 업체들이 담당하고 있다. 패키징, 테스트 등 후공정 기술은 난이도와 성능 개선 기여도가 상대적으로 전공정 대비 낮다. 그래서 Foundry 업체들은 전문 OSAT 업체들에게 후공정을 외주로 맡기고 있다.

 

 

그런데 F/O(Fan Out)과 TSV(Through Silicon Via) 등 신규 후공정 기술 도입으로, 후공정으로도 큰 폭의 반도체 성능 개선이 가능해 졌다. 실제로 현재 애플이 자사 AP인 A시리즈 칩 제작을 TSMC에 100% 의존하고 있는 이유에 TSMC의 F/O 제작 능력이 가장 크게 작용하고 있는 것으로 파악된다.

 

향후 Foundry 업체들은 직접 F/O 또는 TSV 등 후공정 기술을 내재화하여 부가 가치를 상승시킬 수 있다. Foundry 업체들이 후공정 기술에 직접 관여하여, 수주 경쟁에 기회로 활용하거나 더 높은 가격을 책정 받을 수 있다.

 

 

삼성전자는 TSMC 대비 불리한 포지션이다. TSMC는 대만 OSAT 밸류체인과 후공정 기술 개발 로드맵을 공유하고, 서로 의지하고 있다. 그러나 삼성전자의 후공정 밸류체인은 상대적으로 빈약하다. 삼성전자가 전공정 기술 하나만으로 경쟁력을 내세우기엔 TSMC 대비 환경이 열악하다. 비메모리 후공정 밸류체인 강화가 반드시 필요하다.

 

 

 

 

5.3.5. Foundry 핵심 역량 - ③ 고객 대응 능력

 

Foundry 경쟁력을 위해 우선적으로 필요한 것은 팹 제조 능력이겠지만, 고객의 입장을 이해하고 대응해 줄 수 있는 역량도 필요하다. Foundry 업체들도 고객에 유기적으로 대응하기 위해 자체적으로 IP 또는 셀라이브러리를 보유하고 있다. Fabless 업체는 Foundry 업체로부터 IP 또는 셀라이브러리를 제공받아 설계하고, DB를 Foundry 업체에게 다시 보내게 된다. Foundry 업체는 설계 DB를 Fab에서 제작 후 Fabless 업체에게 보내고, Fabless 업체는 세트업체에게 판매한다.

 

 

이때 다양한 IP 또는 셀라이브러리를 보유하고 있는 Foundry 업체들은 고객 주문에 유기적으로 빠르게 대응할 수 있다. 고객이 칩 제작을 요구할 때, 다른 기술력 또는 조건이 동일할 경우 납기 대응력이 높은 Foundry 업체를 선택하는 것은 당연할 수 밖에 없다. Foundry 업체들 중에서 TSMC가 IP 보유에서 절대적으로 앞서 있는 것으로 파악된다. TSMC는 GUC 등 주변 밸류체인 업체들과 긴밀하게 관계를 형성하고 있다.

 

 

 

출처: 신한금융투자, TSMC, 삼성전자, bloomberg, Quantiwise, Forveros, AMD, TSMC, 언론자료

 

뜨리스땅

 

 

https://tristanchoi.tistory.com/201

반도체 기술 탐구: 후공정의 중요성 확대