반도체산업은 IoT(Internet of Things), 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS: Advanced Driver Assistance Systems), 인공지능(AI) 등 디지털 기술이 급격히 진전됨에 따라 호황이 이어지고 있다.
또 반도체 프로세스가 미세화되며 일부 메이저가 회로 선폭 3나노미터 그레이드를 2022년부터 양산하겠다고 공표하는 등 급격한 변화가 찾아올 가능성이 제기되고 있다.
물론, 3나노미터 실현은 아직 불가능하고 기술발전 수준을 지나치게 낙관시하고 있다며 비판하는 전문가도 나타나고 있다.
하지만, 현재의 10나노미터 프로세스를 더욱 미세화하기 위해서는 제조장치 뿐만 아니라 관련 화학제품, 실리콘(Silicone) 웨이퍼, 포토마스크(Photomask) 등 제조와 관련된 모든 소재를 쇄신해야 하기 때문에 3나노미터 실현이 당장 이루어지지 않더라도 다양한 방면에서 개발 경쟁이 치열해질 것으로 예상된다.
3나노미터, 2022년 실현될까?
반도체 위탁생산 메이저인 타이완 TSMC는 2017년 20조원 이상을 투입해 선폭 3나노 프로세스를 실현하겠다고 발표했다.
Tainan 공업단지에 10조원 가량을 투자해 공장을 신규 건설하고 2022년부터 생산에 돌입하며 최첨단 기술을 통해 삼성전자보다 앞서 스마트폰 용도를 중심으로 최신 어플리케이션 프로세서 수주를 확보할 계획이다.
반도체 위탁생산 사업은 생산기술, 생산능력이 성패를 좌우하고 있다.
TMC보다 후발로 반도체 위탁생산 시장에 진출한 삼성 역시 메모리 사업에서 축적한 노하우를 활용해 미세화를 시도하고 있다.
3나노 개발 경쟁에서는 TSMC가 선행하고 있으나 차이가 크지 않아 2018년 말 선폭 7나노 프로세스 양산이, 2019년 이후에는 5나노 양산이 실현될 것으로 예상된다.
리소그래피 공정은 ArG(불화아르곤) 액침노광기에 따른 다중노광 방식을 취하고 있으나 7나노 시대부터는 EUV(극자외선) 프로세스가 본격화될 것으로 예측된다.
처음에는 트랜지스터의 미세화에 필요한 4층 정도를 EUV 노광으로 형성하고 이미 샘플 출하가 시작되고 있는 5나노에서는 15층 이상부터 EUV 노광이 사용될 것으로 예상된다.
벨기에 마이크로일렉트로닉스연구개발기구(IMEC)도 차세대 반도체 프로세스 개발에 적극 나서고 있다.
EUV 리소그래피는 선폭 6-7나노 프로세스에서 시작될 것으로 예측되며 포토레지스트가 감광하는 수요처 광량을 제어해 패턴형태의 혼란(LER/LWR)을 억제하거나 투명성을 높이기 위해 포토마스크 개발이 필요해지고 있다.
나아가 3나노 세대에 진입하면 트랜지스터의 배리어에 루테늄(Ruthenium)을 사용하는 등 신소재 도입도 본격화될 것으로 예상된다.
또 어플리케이션으로 중앙연산장치(CPU)와 화상처리장치(GPU), 메모리, 아날로그 디바이스 등 서로 다른 디바이스를 1개의 칩으로 통합하고 ADAS, 심층학습(딥러닝) 기능 도입으로 소형화 및 저소비 전력화가 실현될 것으로 예측되고 있다.
Toshiba, 첨단기술 도입 앞장서고…
반도체 메모리산업에서는 EUV 프로세스 도입이 진행되고 있으며 IoT, AI 진전을 타고 빅데이터 생성, 빅데이터 저장 및 처리를 위한 서버, 스토리지용 3차원(3D) 낸드플래시 메모리 수요가 신장하고 있다.
현재 삼성과 Toshiba가 기술, 생산능력 면에서 우위를 차지하고 있으나 Toshiba Memory와 미국 WD의 협업관계가 원래대로 돌아가며 일본이 앞장설 것으로 예상된다.
3D 낸드는 셀 적층 수가 100층 이상으로 늘어나면 관통 부분(Through-Via)이 겹쳐 정밀도에 문제가 생기기 때문에 엣칭이 완성도를 좌우하는 것으로 파악된다.
Toshiba의 플래시메모리 자회사 Toshiba Memory는 데이터 센터, 자동차, 스마트공장 등의 용도 확대에 맞추어 신뢰성이 높고 코스트 경쟁력이 우수한 메모리를 생산하는데 주력하고 있다.
특히, 자동차 탑재 용도는 자율주행 기술의 진전 등으로 고성장이 기대된다.
HDD(하드디스크드라이브)에서 SSD(반도체스토리지)로 전환이 이루어지고 있다는 점도 고려해 현재의 96층 3D낸드를 200층까지 고밀도화하는 방안을 검토하고 있다.
아울러 기억방식을 현재 주류를 이루고 있는 2비트/셀에서 4비트/셀로 변경함으로써 극적인 저코스트를 실현할 계획이다.
코스트다운을 위해 세계 최초로 첨단 프로세스 기술을 신규 공장에 적용하는 움직임도 확산되고 있다.
Toshiba Memory는 일본 Iwate에 3D 낸드 전용공장을 건설하고 있으며 캐논(Canon)과 공동개발하고 있는 나노인프린트(NIP) 프로세스를 도입할 가능성도 제기되고 있다.
만약 NIP를 적용한다면 컨택트 형성을 활용할 것으로 예상된다.
프로세스 미세화에는 EUV 노광기가 가장 적합하며 레지스트 충진시간이 필요한 NIP에 비해 생산성이 높으나 EUV 노광기는 벤더가 1사로 한정돼 있고 1대당 백억엔 이상이 투입돼 공급체제가 불안정하기 때문에 Toshiba까지 돌아가기에는 시간이 상당히 소요될 것으로 판단된다.
이에 따라 진공환경을 필요로 하지 않는 등 코스트 메리트가 큰 NIP가 주목받고 있으나 실현은 간단하지 않을 것으로 예상된다.
Toshiba는 차별화를 위해 대용량화와 저소비 전력화, 고도화를 모두 이룬 1TB 패키지도 연구개발(R&D) 테마 가운데 하나로 주목하고 있다.
현재의 플래시 메모리는 성능을 향상시키기 위해 구조상 한계가 있으나 신형 불휘발성 메모리로 ReRAM(저항변화메모리), 스핀주입형 자기저항 랜덤 액세서 메모리(STT-MRAM) 개발도 진행하고 있다.
일본, 관련소재 개발 경쟁 “박차”
반도체 프로세스에 최첨단 기술을 도입하기 위해서는 소재 관련기술의 정립이 요구된다.
3나노 프로세스에 사용하는 EUV 레지스트는 EUV 노광기의 광원성능이 안정되면서 20밀리줄 이하 등 단번에 높은 감도를 요구하는 풍조에서 선상도 중시로 옮겨가고 있다.
레지스트 역시 화학증폭형이 정착될 것이 확실시되고 있다.
일본 JSR은 경쟁기업보다 앞서 EUV 레지스트를 생산하고 있으며 7나노 칩 생산을 위해 ArF4 회로광이 아니라 처음부터 EUV를 사용하는 등 EUV 프로세스 확대를 기대하고 있다.
벨기에 IMEC와 협업해 고가의 평가장비를 이용할 수 있다는 강점도 갖추고 있다.
기존의 레지스트 사업은 메모리용을 포함해 예상 이상으로 호조를 지속하고 있으며 반도체 후공정 소재도 호조를 이어가고 있다.
Tokyo Ohka Kogyo는 Kanagawa에 최첨단 ArF 반도체 노광기를 도입하는 등 첨단기술 개발에 주력하고 있으며 총 100억엔을 투입해 실험동도 함께 갖추고 있다.
반도체 생산기업과 동일한 측정기기 등을 갖추어 선폭 3나노 세대 레지스트를 개발하고 비감광성 소재 개발을 시도하고 있다.
미세화와 함께 3D 낸드플래시 메모리용으로 수요가 기대되는 후막 레지스트 개발도 추진하고 있다.
Shin-Etsu Chemical은 실리콘 웨이퍼 메이저로 레지스트 사업에서도 약진하고 있다.
타이완에 구축한 신규공장에서 다층소재를 통한 생산체제를 운영하고 있으며 시기를 보고 레지스트 생산을 시작할 계획이다.
틈새 수요가 발생할 수 있는 최첨단 분야에서 글로벌 Top을 목표로 하고 있는 Fuji Film Electronic Materials, 종합화학기업 가운데 유일하게 본격적으로 반도체 레지스트 공장을 보유한 Sumitomo Chemical 모두 반도체 및 플랫패널디스플레이(FPD) 소재의 수익성이 높은 것으로 파악된다.
양사 모두 수요 호조에 맞추어 설비투자를 긍정적으로 검토하고 있다.
감광소재 메이저인 Toyo Gosei는 EUV 레지스트용 관련제품 출하가 반도체 메이저가 시험 생산라인을 활발히 가동할 것으로 예상되는 2019년부터 본격화될 것으로 판단하고 수요 확보에 나서고 있다.
광산발생제(PA)도 ArF용에 비해 구조가 복잡해지고 있으나 수지와 감광재 양쪽을 보유하고 있다는 점이 강점이며 시장이 확대되고 있는 고순도 용제 생산도 긍정적으로 검토하고 있다.
산업가스도 고도화 본격화…
반도체 프로세스 미세화 및 고도화에 따라 소재가스 산업도 고도화되고 있다.
특히, 3D 낸드플래시 메모리용 수요가 급증하고 있는 엣칭가스는 적층한 셀에 도통을 취하는 스루홀 형성 용도에서 높은 정밀도가 요구되고 있다.
풍부한 라인업으로 소재가스 사업의 매출이 시장전망치 이상으로 확대되고 있는 Showa Denko, 경쟁기업에는 없는 독자제품으로 차별화를 시도하고 있는 Nippon Zeon 등 일본기업들은 연구개발에 주력하고 있다.
엣칭가스 수요는 3D 낸드플래시의 셀 적층 수가 Toshiba, 삼성전자의 대용량화를 통해 20층대, 40층대, 더 나아가 현재는 96층으로 100층 가까이로 늘어나고 앞으로 200층대에 달할 것으로 예상됨에 따라 4-6배 폭증할 것으로 예상되고 있다.
Showa Denko는 소재가스 매출을 5년 동안 2배로 늘리겠다는 목표를 세우고 있으나 4년 사이에 이미 달성한 것으로 파악된다.
앞으로도 성장세가 더욱 가속화될 것으로 기대되며 연평균 성장률 20%대를 유지할 것으로 예측되고 있다.
독자적인 포트폴리오를 통해 얻은 호조로 과거 선택과 집중을 중시한 성과로 평가되고 있다.
반도체 생산기업마다 제조 프로세스가 서로 달라 각각에 맞추어 다른 사양을 갖춘 맞춤형 포트폴리오로 경쟁력을 향상시키고 있다.
플래시메모리 뿐만 아니라 로직 IC용 엣칭가스를 갖추고 있다는 것도 강점으로 작용하고 있다.
배선폭 및 배선 간격이 미세화될수록 스루홀 구경을 세밀하고 바르게 내야 하기 때문에 C4F6, 고순도 브롬수소(HBr) 등을 사용하고 있다.
가장 효율이 높은 것은 C와 F의 비율이 동등한 C6F6이나 공급이 어려워 개발이 진행되고 있다.
Nippon Zeon은 Showa Denko와는 반대로 포트폴리오가 풍부하지는 않으나 높은 선택성, 낮은 데미지, 친환경성이 높은 Zeorora(C5, F8)가 실리콘 산화막 엣칭 용도로 호조를 나타내고 있다.
다수의 생산기업들이 생산하는 C4F6와 같이 가격경쟁에 시달릴 일도 없으며 3D 낸드플래시 메모리용으로 수요가 계속 신장할 것으로 예상된다.
<강윤화 선임기자: kyh@chemlocus.com>
