반도체 쉽게 이해하기

 

22년 4월 기준으로 반도체 섹터를 공부한 내용입니다.

반도체를 아예 모르시는 분들도 이해가 쉽도록 표현을 해보았습니다.

 

 

반도체는 미래의 쌀이라고 한다. 당연히 우상향한다고 보지만, 삼성전자와 같은 종합반도체 회사에 투자하면 너무 무거워 왠지 답답하다. 그렇다고 수백개의 회사중에 슈팅을 줄 종목을 가려내는 것도 사실상 다른 섹터의 종목 풀에 비해 그 확률이 떨어진다. 하지만, 우리나라는 반도체 제국이고 그에 따른 시장의 변화를 모르면, 세상 돌아가는 판도를 모르는 꼴이된다. 기본적인 사항을 알아간다는 생각으로 공부해 보자.

 

반도체 이해하기는 여러곳에 소개된 적이 있지만, 너무나 길고 복잡해서 한번 보고나면 쉽게 잊혀지고 늘 새롭다.

 

다음과 같은 체계로 순서대로 살펴보고, 쉽게 이해할 수 있도록 하자.

 

① 반도체 분류와 분야 구분

② 반도체는 어떠한 과정으로 만들어지는가?

③ 그에 따른 반도체 제조분야, 소재, 장비에 따른 종목을 살펴보자.

 

※ 반도체 공정에 대해서는 깊게 들어가서 공부하면 당연히 좋겠지만,

- 너무 디테일한 세부적인 기술은 계속해서 바뀌고, 그 트렌드를 쫓아가기도 어려울 뿐더러

새로운 기술과 그에 따른 회사의 진행현황을 일반 투자자들이 쉽게 접근하기 어려운 단점이 있다.

- 따라서, 큰 카테고리의 공정을 이해하고, 어느 부문이 주목받고 있는지, 어느 부문이 시장이 큰지를 보자.

그 부문에 좋은 종목이 보이면 집중 분석해서 지켜보는 것이다.

 

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■ 반도체 분야별 구분

- 종합반도체(IDM: Integrated Device Manufacturer): 설계, 제조를 모두 다.

- 파운드리(Foundry): 제조 전문 (주로 시스템 반도체)

- 펩리스(Fabless): 설계 전문 (Fab만 없는 경우가 대부분, 생산 받아온 칩을 상품화해서 최종 판매까지)

- 칩리스(Chipless): 펩리스 설계 칩을 제조용 칩으로 디자인

※ 똑똑한 순서: 칩리스 ≥ 펩리스 > IDM > 파운드리

 

■ 메모리 반도체와 비메모리 반도체의 비교

- 메모리 반도체

▷ DRAM: 임시저장장치. 삼성전자, SK하이닉스, 마이크론의 주력제품

▷ NAND: 영구 저장장치. SSD, USB에 사용

- 비메모리 반도체

▷ 시스템 반도체: 계산 목적의 반도체, CPU, GPU, AP, DDI등

※ CPU: Central Processing Unit. 중앙처리장치

※ GPU: Graphics Processing Unit, 그래픽 가드에 들어가는 메인 연산칩

※ AP: Application Processor, 휴대폰에 들어가는 CPU

※ DDI: 디스플레이 구동칩, Display Driver IC

▷ 광소자 반도체: 이미지센서, LED

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■ 반도체 공정

웨이퍼 제조 이후에는 정해진 순서는 사실상 없고, 각 과정을 서로 넘나들며 제작이 된다.

 

① 웨이퍼제조 (반도체 회사는 사서 쓴다)

반도체 집적회로란, 다양한 기능을 처리하고 저장하기 위해 많은 소자를 하나의 칩 안에 집적한 전자부품.

웨이퍼라는 얇은 기판 위에 다수의 동일 회로를 만들어 반도체 집적회로가 탄생. 피자의 도우 역할.

- 단결정 성장: 모래에서 추출한 실리콘을 녹여 고순도로 정제된 실리콘 용액을 회전,

한 방향의 단결정 규소봉으로 성장시킴. 단결정이어야 반도체 공정 효율이 좋다.

- 잉곳 절단: 단결정이 성장으로 만들어진 실리콘 기둥인 잉곳을 절단

- 웨이퍼 표면 연마: 연마를 잘하고 매끄러울수록 당연히 좋다(노광공정 時 투사가 용이)

단결정이어야 반도체 공정의 효율이 좋다. 잉곳을 잘라 원반모양 웨이퍼를 만든다.

 

잉곳 만들기 → 잉곳 절단 → 웨이퍼 표면 연마 순서. 오른쪽이 잉곳(Ingot)

 

② 전공정

- 산화 공정(Oxidation)

  

- 모든 공정의 가장 기초적인 단계. 보호막 역할을 하는 산화막을 만드는 것.

- 웨이퍼에 절연막 역할을 하는 산화막(SiO₂, 유리)을 형성해 회로와 회로사이에 누설전류가 흐르는 것을 차단

- 또한 이온주입공정에서 확산 방지막 역할, 식각공정에서 잘못 식각되는 것을 막는 식각 방지막 역할도 함

- 게이트와 채널의 접촉 차단 역할도.

 

 

- 노광 공정(Stepping, Photo)

 

 

 

- 산화막 위에 감광액(Photo Resist) 을 뿌리고 노광장비(Stepper)를 사용해 회로 패턴이 담긴 마스크에 빛을

통과시켜 웨이퍼에 회로를 찍어냅니다. 이 과정을 노광(Stepper Exposure)이라고 함

- 이후 현상(Develop) 공정은 웨이퍼에 현상액을 뿌려 가며 노광된 영역과 노광 되지 않은 영역을 선택적으로

제거해 회로 패턴을 형성하는 공정

- EUV 노광기 회사인 ASML이 바로 이 노광과정의 노광기를 만드는 회사임. 대당 1500~2000억.

연간 55대 생산 가능. UV노광보다 EUV(Extreme Ultra Violet, 극자외선)노광이 미세 패턴에 유리.

(우측 그림에서 맨 아래층에 대한 이야기다)

10나노 미만 반도체 회로도 여러번이 아닌 한번의 노광으로 가능. EUV는 자연계 모든 물질에 흡수되는 성질이

있어 특수 거울에 반사되도록 만들어야 함. 일본 캐논, 니콘은 개발 포기.

- 5나노 이하의 미세 패턴은 EUV만이 유일한 답. 향후 10년간 반도체 투자는 EUV 노광기 중심으로 돌아갈 것

※ EUV장점: 다중 패터닝으로 공정 Tact 감소, 이에 따른 원가 감소, 정렬 오차 감소, 패턴 정확도 상승

 

 

- 식각 공정(Etching)

 

포토공정이 끝나면 필요한 회로 패턴을 제외한 나머지 부분을 제거하는 공정. 식각 반응을 일으키는 물질의 상태에 따라 습식(wet)과 건식(dry)으로 나뉨

 

- 습식 식각(Wet Etching): 용액을 이용 화학적인 반응을 통해 식각하는 방법

- 건식 식각(Dry Etching): 기체, 이온 등을 이용해 특정 부위를 제거하는 방법

비용이 비싸고 방법이 까다로운 단점이 있으나, 최근 나노 단위 고집적화에 따라

회로선폭 역시 미세해지고 있고, 수율 향상의 방법으로 건식이 확대 중

최근에는 회로의 집적을 위해 DRY에 의한 가스식각이 두드러지고 있다. 폭을 좁히는

대신, 전자를 최소한의 일정부분은 가둬놔야 기록이 저장이 되는데, 이렇게 되면 폭을

좁히는 대신 키가 커지게 되는 것이다.

 

 

 

- 증착 공정(Deposition)

 

- 반도체 칩에는 미세하고 수많은 층(layer)이 존재하여 마치 고층 빌딩처럼 높고 견고하게 쌓임

- 이러한 구조를 위해서는 웨이퍼 위에 단계적으로 박막을 입히는 증착, 회로를 그려 넣는 포토, 불필요한 부분을

선택적으로 제거하는 식각을 반복 (Depo → Photo → Etch의 반복)

- 현재 반도체 공정에서는 화학적 기상증착방법(CVD)를 주로 사용

- CVD는 사용하는 외부 에너지에 따라 열, 플라즈마, 광 CVD로 세분화. 특히 플라즈마 CVD는 가장 많이 이용

- 증착공정을 통해 형성된 박막은 크게 회로들 간 전기적인 신호를 연결해주는 금속막(전도)층과 내부 연결층을 전기적으로 분리하거나 오염원으로부터 차단시켜주는 절연막층으로 구분

 

 

- 이온주입공정(Ion Implantation)

 

- 반도체는 전기적인 성질을 가지게 하는 공정이 수반되어야 함

- 도체와 부도체의 성질을 동시에 가진 반도체에서 이온주입공정(Ion Implantation)은 실리콘 웨이퍼에 반도체의 생명을 불어넣는 작업. 순수한 반도체는 규소로 되어있어 전기가 통하지 않으나 불순물을 넣어줘 전류를 흐르게 하는 전도성을 갖게 되는 것

- 이때 불순물을 이온(Ion)이라고 하는데, 이온을 미세한 가스입자로 만들어 원하는 깊이만큼 웨이퍼 전면에 균일하게 넣어줌

- 자주 쓰이지 않는 편.(반도체는 구조를 만드는 것이 오래 걸리고 중요함)

- 회사는 4개社 정도이며 전체 장비 中 비중이 그닥 크지 않다.

 

 

- 금속배선공정

 

 

 

- 포토, 식각, 이온주입, 증착 공정을 반복하면 웨이퍼 위에 수많은 반도체 회로가 만들어지는데,

- 이 회로가 동작하기 위해서는 외부에서 전기적 신호를 가해주어야 함. 신호가 잘 전달되도록 반도체 회로 패턴에

따라 전기길(금속선)을 연결하는 작업이 금속 배선 공정

- 맨 밑 소자층을 아치형으로 연결하는 금속 배선 깔기. 이 역시 노광, 증착, 식각의 연속이다.

- 대표적인 반도체용 금속 배선 재료인 알루미늄은 산화막(Silicon Dioxide)과의 부착성이 좋고 가공성이 뛰어남.

하지만 알루미늄(Al)은 실리콘(Si)과 만나면 서로 섞이려는 성질을 가지고 있고, 이 때문에 실리콘 웨이퍼의 경우

알루미늄 배선 과정에서 접합면이 파괴되는 현상이 생길 수 있습니다. 이러한 현상을 방지하기 위해 알루미늄과

웨이퍼 접합면 사이에 장벽(Barrier) 역할을 하는 금속을 증착하는데, 이것이 베리어 메탈(Barrier Metal).

이중으로 박막을 형성해 접합면이 파괴되는 것을 막을 수 있음.

 

 

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② 후공정

아래부터는 이제 공장을 떠나 후공정으로 들어간다.

 

수많은 제조공정을 거친 반도체 칩은 마지막 절차인 테스트를 통해 양품, 불량품을 선별하게 되는데,

- EDS공정(Electrical Die Sorting): 웨이퍼 완성 단계에서 이루어짐

- 패키징공정(Pakaging): 조립공정을 거친 패키지 상태에서 이루어짐

 

 

- EDS 공정(Electrical Die Sorting)

 

 

- 웨이퍼 상태 반도체 칩의 양품/불량품 선별

- 불량 칩 중 수선 가능한 칩의 양품화

- FAB 공정 또는 설계에서 발견된 문제점의 수정

- 불량 칩을 미리 선별해 이후 진행되는 패키징공정 및 테스트 작업의 효율 향상

 

 

- 패키징 공정(Packaging)

반도체 공정 마지막으로 제품으로 태어나기 위한 단계

- 웨이퍼절단 → 칩 접착 → 금선 연결 → 성형 → 패키지 테스트

 

- 반도체를 외부환경으로부터 보호하고, 전기적으로 연결

- 전공정을 통해 완성된 웨이퍼의 반도체 칩은 낱개로 하나하나 잘라내는데, 이렇게 잘린 칩을 베어칩(bare chip) 또는 다이(die)라고 함. 이 상태의 칩은 외부와 전기신호를 주고받을 수 없으며, 외부 충격에 의해 손상되기 쉬운데, 반도체 칩, 즉 집적회로(IC)가 기판이나 전자기기에 장착되기 위해선 그에 맞는 포장이 필요.

- 이와 같이 반도체 칩이 외부와 신호를 주고 받을 수 있도록 길을 만들어주고 다양한 외부환경으로부터 안전하게 보호받는 형태로 만드는 과정을 ‘패키징(Packaging)’이라고 함.

1. 웨이퍼절단: 웨이퍼를 다이아몬드 톱이나 레이저 광선을 이용해 절단

2. 칩 접착: 리드프레임이나 PCB로 옮겨줌. 리드프레임, PCB는 은 반도체 칩과 외부 회로 간 전기신호를 전달하고, 외부 환경으로부터 칩을 보호, 지지해주는 골격 역할

 

 

 

3. 금선연결: 반도체의 전기적 특성을 위해 기판 위에 올려진 반도체 칩의 접점과 기판의 접점을 가는 금선을 사용하여 연결하는 공정

 

 

 

 

4. 성형: 열, 습기 등의 물리적인 환경으로부터 반도체 집적회로를 보호하고, 원하는 형태의 패키지로 만들기 위한 성형(Molding) 공정. 금선 연결까지 끝난 반도체 칩을 화학 수지로 밀봉하는 공정을 거치면 우리가 흔히 보는 반도체가 됨

 

 

 

5. 패키지 테스트: 일상 생활 속에서 만나볼 수 있는 반도체의 모습이 완성. 완제품 형태를 갖춘 후에 검사를 진행하기 때문에 ‘파이널 테스트(Final Test)’라고도 함.

 

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- 종목 살펴보기에 앞서, 집중해야하는 공정을 본다면,

장비보다는 소재에 집중하는 트렌드이며, 공정에 있어서는 다품종, 소형화 시스템 반도체 생산에 따라

전공정보다는 후공정에 보다 큰 주목을 받고 있는 듯하다.

 

 

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※ 아래 회사분류는 박찬일저 '2021 상장기업 업종 지도'를 참조하였습니다.

 

■ 구분에 따른 회사 분류

▷ 제조에 따른 분류

- 처음부터 끝까지 척척 다하는 종합 반도체 회사(IDM): 삼성전자, SK하이닉스

 

- 남이 맡긴 위탁 생산만 하는 파운드리: DB하이텍, (like TSMC)

- 유통만 하는 회사: 유니퀘스트, 에이디칩스, 유니트론텍

- IDM에서 생산만 뺀, 즉 FAB이 없는 펩리스 (우리나라 펩리스는 아직 수준이 굉장히 낮은 편)

(IDM에서 생산만 100% 위탁시키고 마케팅과 기술개발만 집중하여 파운드리의 거액의 투자비를 절감)

 

☞ 통신용(5G): 아이엔씨

☞ 차량용: 엔씨엔, 텔레칩스

☞ 휴대폰용 AP IC(Application Processor, 휴대폰 칩): 다믈멀티미디어

☞ DDI(디스플레이 구동칩, Display Driver IC): 실리콘웍스, 아나패스

☞ IP벤더(반도체 지적 재산권, 펩리스에 필요한 IP를 공급): 칩스앤미디어

☞ 센서용: 픽셀플러스, 오디텍

☞ MCU(Micro Controller Unit, 대부분의 전자제품의 두뇌역할을 하는 핵심칩): 어보브반도체

☞ AF Driver(카메라): 동운아나텍(아날로그 반도체를 설계하는 펩리스회사)

☞ DRAM: 피델릭스, 제주반도체

☞ 칩리스(본인 회사의 제품이 없고 오로지 설계만 함): 에이디테크놀로지(TSMC와 거래)

※ IC: Integrated circuit, 집적회로, 기판에 반도체 부품의 삽입에서 배선까지 집약적으로 제조한 것

※ 칩리스: 팹리스 업체는 칩(반도체)은 설계해서 위탁(파운드리)하는데, 칩리스회사는 위탁생산도 하지않고

반도체설계를 지적재산권(IP)형태로 만들어 IP(Intellectual Property)에 대한 라이센스를 받아 매출을 올림

※ 똑똑한 순서: 칩리스 ≥ 펩리스 > IDM > 파운드리

 

 

■ 소재에 따른 회사 분류

- 웨이퍼

☞ 슬러리: 케이씨텍, 솔브레인, 나노신소재

☞ 패드: SKC

☞ 세라믹: SKC솔믹스

- 세정

☞ 과산화수소: 한솔케미칼

- 증착

☞ 가스: 후성, 하나머티리얼즈, 원익머트리얼즈, SK머트리얼즈

- Photo

☞ 감광액: 동진쎄미캠, 이엔에프테크놀로지, 경인양행

☞ 마스크: 에스앤에스텍

☞ 펠리클: 에프에스티

- 식각

☞ 석영유리: 원익QnC

☞ ring: 티씨케이, 하나머티리얼즈, 윌덱스

☞ 가스: 후성, 하나머티리얼즈, 원익머트리얼즈, SK머트리얼즈

☞ 식각액: 솔브레인, 동진쎄미캠, 램테크놀러지, 이앤에프테크놀로지, 천보

- 패키징

☞ 리드프레임: 해성디에스

☞ 솔더블: 휘닉스소재, 덕산하이메탈

☞ 몰딩: 에스모 머티리얼즈

☞ 금속배선: 엠케이전자

- 테스트

☞ 소켓: 마이크로컨텍솔, 리노공업, 오킨스전자, ISC

☞ 프로브카드: 티에스이, 마이크로프랜드

 

■ 장비에 따른 회사 분류

- 산화: AP시스템, 에스티, 원익IPS

- 포토: 코디엠

- 식각: 피에스케이, 테스, 에프에스티, 에이피티씨

- 세정: 캐이씨텍, 제우스, 코미코, 디바이스이엔지

- 증착: 원익IPS, 주성엔지니어링, 테스, 유진테크, 뉴파워프라즈마, 포인트엔지니어링

- 패키징: 한미반도체, 하나마이크론, 시그네틱스, 아이에이네트웍스

- 디스펜서: 프로텍

- 웨이퍼범핑: SFA반도체, 네패스. 엘비세미콘

- 테스트

☞ 시스템 반도체: 테스나, 아이텍, 네패스아크

☞ 메모리반도체: 네오팩트, 원팩, 에이타세미콘, 에이팩트

☞ 장비: 테크윙, 제이티, 유니테스트, 엑시콘, 디아이, 고영, 미래산업, 와이아이케이, 네오셈

- 룸설비: 엔브이에이치코리아, 신성이엔지, 한양이엔지, 성도이엔지, 원방테크, 우진아이엔에스, 케이엠, 시스윅,

엑사이엔씨

 

 

가장 주목을 받고 있는 소재관련주들을 전부 다 스크리닝해보면 다음과 같다.

단순히 매출액증가율과 간단한 기본정보만 보면 원익머트리얼즈, 동진쎄미캠, 덕산하이메탈이 눈에 들어온다.

 

 

- 원익머트리얼즈가 좋아보이긴 하지만, 가스사업에서의 추가적인 모멘텀이 없다면 매력적이지 않다고 본다.

(변화하는 특수가스 시장에서의 新가스 생산이라던지, 신성장사업 추가라던지)

- 오히려 23年 컨센서스는 제사된바 없지만 EUV라는 강력한 한방이 있는 동진쎄미캠, 고속성장중인 덕산하이메탈이 더 눈에 들어온다. 판단은 각자에게 맡긴다.

 

소재별로 매출 비중이 높은 순은 다음과 같다.

※ 단, 업종 지도에 따른 소재 관련 종목들만 비교했을때의 결과이며,

동진쎄미캠과 솔브레인의 사업 중첩 항목은 중복되어 반영된 결과이니 참고 정도만 해두자.

 

주요 기업으로 본 반도체 공정별 매출 비중

 

반도체 소재 기업들을 살펴보니 공통점이 몇가지 보이는데,

- 보통 섹터분석을 해보면 돈을 못 버는 기업들이 많은데, 이 섹터는 그렇지 않다. EPS가 없는 기업이 없다.

베버리힐스같은 부자동네에 온 기분이 든다.

- 포토쪽은 22년 전망치(컨센서스)가 하나같이 없다. 투자의견이 없다는 걸로 보아, 이유를 살펴봐야할 듯.

 

 

끝으로, 아래 리서치를 보면 올해와 내년까지 반도체와 디스플레이 업황은 좋아질 것으로 보인다.

단, 반도체 소재 부문은 그대로 인걸로 보아 원자재수급 이슈가 장기화되지 않을까 생각해본다.