반도체는 어떻게 만들어질까?

‘파운드리’는 반도체 제조를 전문으로 하는 기업을 말합니다. 엔비디아(Nvidia), AMD, 애플, 인텔과 같은 미국 반도체 기업이 설계와 디자인을 해서 넘기면 파운드리 업체가 반도체의 공정을 담당하죠. 대표적인 파운드리 업체로는 TSMC(Taiwan Semiconductor Manufacturing Company), 삼성전자 있습니다. TSMC는 1987년, 대만에 세워진 최초의 파운드리 회사로 지난해 4분기 기준 세계 파운드리 시장에서 약 60%의 점유율을 차지하고 있습니다. 삼성전자는 약 13%^*로 그 뒤를 잇고 있죠. 출처: CounterPoint Research, 미래에셋자산운용

고성능 반도체(시스템 반도체)는 AI뿐만 아니라 자율주행, 데이터 센터에 중추적 역할을 합니다. 우리 생활과 밀접한 분야에서 고성능 반도체가 필요하고 → 반도체 수요가 늘어나면 → 반도체 공정을 담당하는 파운드리 업체 역시 바빠질 겁니다. 또한 고성능 반도체는 메모리 반도체보다 더 섬세한 기술력이 필요하죠. 때문에 반도체를 설계하는 기업들과 더불어 반도체를 제조하는 파운드리 기업들이 수혜를 볼 것으로 기대됩니다.

출처: 미래에셋자산운용

핵심은 더 작게, 더 완벽하게 만드는 것

파운드리 산업의 경쟁력은 두 가지입니다. 1)얼마나 더 작은 반도체를 2)결함없이 만드는가. 반도체가 더 작아야 하는 이유는 이익과도 연결되기 때문인데요. 반도체를 만들 때 ‘웨이퍼'라는 얇은 원판을 사용합니다. 같은 크기의 원판 위에 반도체를 50개 만드는 기업과 100개 만드는 기업이 있다면 당연히 100개 만드는 기업이 훨씬 많은 이익을 내겠죠?

또한 더 많은 반도체가 집약적으로 들어가면 집적도가 높아지는데요. 집적도는 1개의 반도체 칩에 몇 개의 소자가 들어가 있는지를 나타내는 정도입니다. 즉, 집적도가 높아지면 작은 소자들이 더 빽빽하게 들어가 있기 때문에 신호가 전달되는 속도는 빨라지고, 소모하는 전력은 줄어듭니다.

파운드리 분야의 강자는?

파운드리 분야의 강자는 단연 TSMC입니다. 2022년 4분기 기준 TSMC의 파운드리 시장 점유율은 60%입니다. AI, 자율주행 등에 탑재되는 반도체를 만든다면 대부분의 일감을 받아 갔다는 것이죠.

출처: CounterPoint Research, 미래에셋자산운용

현재 파운드리 산업 내 기술력 경쟁은 5나노에서 3나노^*로 이동했습니다. 파운드리 업계 1·2위인 TSMC와 삼성전자가 치열한 경쟁을 벌이고 있는데요. 실제 제품이 나와봐야 알겠지만, 미국 반도체 기업 퀄컴(Qualcomm)은 최근 3나노 AP 파운드리 전량을 TSMC에게 맡겼다고 합니다.

선 폭을 3나노미터(㎚)로 만드는 기술. 나노미터(㎚)는 반도체의 공정기술 첨단화 여부를 가리키는 단위로 1㎚는 10억분의 1m를 뜻한다. 선폭이 7㎚→5㎚→3㎚로 한 단계씩 진화할수록 반도체 칩의 크기가 작아지며 전력 효율성이 20%씩 증가하는 것으로 알려져 있다.

올해 4월에 발표한 실적발표에서도 TSMC는 시장의 예상을 깨고 1월 매출이 증가하는 모습을 보여줬습니다. 엔비디아와 AMD등의 반도체 기업에서 머신러닝 연산을 위한 프로세서 긴급 주문이 증가하면서 예상치를 뒤엎은 거죠.

하지만 최근 발표한 TSMC 3월 매출은 전년 대비 역성장하는 모습을 보였는데요. 전년 동월 대비 월 매출이 줄어든 적은 2019년 5월 이후 처음이었기에 아직 반도체의 겨울은 진행 중이라는 점을 시사했습니다. 매출 부진의 이유는 경기 둔화 우려와 주요 고객사인 애플과 AMD의 주문 감소가 꼽혔습니다.

반도체를 만드는 8개 과정에 함께 하는 파트너들

복잡한 반도체 제조 과정을 파운드리 업체 혼자 하는 것은 아닙니다. 반도체를 만들 때는 ‘8대 공정'과정을 거치는데요. 아래 이미지와 같이 8개의 공정 과정에 함께하는 밸류체인 업체들도 동반 성장할 가능성이 높습니다.

예를 들어 반도체 제조사의 러브콜을 많이 받아 '슈퍼 을(乙)' 이라는 별명을 가지고 있는 ASML은 전 세계에서 유일하게 극자외 광원을 이용한 노광장비를 생산합니다. 반도체 이미지를 검색하면 여러 가지 회로가 복잡하게 그려져 있는걸 보신 적 있을 겁니다. 그 선들을 그리는 역할을 ASML이 합니다. 균일하게 펴진 웨이퍼 위에 세상에서 가장 얇은 붓으로 아주 정밀하게 선 그림을 그리는 기술을 보유한 기업이죠.

또한 웨이퍼 위에 원하는 반도체를 제작하기 위해 회로 패턴을 그려 넣는 과정이 ‘포토 공정’인데요. 구깃구깃한 종이에 붓으로 아무리 그림을 잘 그려봐야 소용이 없겠죠? 이 포토 공정에서 포토레지스트를 균일하게 도포시키는 도포 현상 장치 대표 업체인 도쿄 일렉트론도 파운드리 공정에 꼭 필요한 장비 업체입니다.

반도체 패턴 부분 이에의 불필요한 부분을 제거하는 ‘식각 공정’에선 플라스마 식각 시스템을 제공하는 램 리서치가 업계를 이끌어 갑니다. 식각이 끝나면 ‘증착 공정’이 필요한데, 사실 반도체는 맨눈으로 보이지 않지만 누네띠네처럼 수많은 층으로 이뤄져 있습니다. 미세한 층들이 하나하나 탑처럼 쌓여 반도체 소자를 이룹니다. 이런 미세한 층들을 쌓아 올리는 과정을 잘하는 대표 기업은 어플라이드 머티어리얼즈(Applied Materials)입니다.

마지막으로 반도체를 외부로부터 보호하고 전기적으로 연결하는 ‘패키징 공정’이 필요한데, 다양한 패키징 타입에 사용할 수 있는 장치를 제공하는 KLA과 같은 기업이 있습니다.

반도체 공정과정을 간단히 살펴보기는 했지만, 반도체 수요가 늘어난다는 것은 해당 반도체 공정을 담당하는 파운드리 업체, 그리고 관련 장비 기업들까지 수혜가 이어진다는 것을 의미합니다. 앞으로 변해갈 IT 패러다임에 맞춰 성장이 기대되는 파운드리 산업에 관심을 가져보면 좋을 것 같습니다.

Edit 이지영 Graphic 조수희 함영범

– 해당 콘텐츠는 2023. 5. 8. 기준으로 작성되었습니다.

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