‘미세공정’ 기술 확보가 관건, 7나노 시대 본격 시작
[테크월드=이나리 기자] 시스템 반도체 분류에 속하는 파운드리는 반도체 설계만 전담하고 생산은 외주를 주는 업체로부터 반도체 설계 디자인을 위탁 받아 생산하는 기업을 말한다. 이런 사업 구조에서 파운드리는 설계를 받아 작업만 수행하는 특성상 보안과 신뢰가 선행돼야 한다. 또 반도체 산업은 파운드리 산업이 안정적으로 뒷받침돼야 팹리스 업체들도 시설투자에 대한 부담 없이 연구·개발에 투자를 집중하면서 발전할 수 있는 구조로 형성됐다.
파운드리 시장은 4차 산업혁명, 사물인터넷(IoT), 자율주행차, 인공지능(AI) 시장이 빠르게 성장하면서 주문형반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)의 니즈가 증가함으로써 높은 성장률을 보이고 있다. ASIC는 고객 또는 파트너사의 요구대로 특수한 기능의 회로를 설계해 생산하는 특정 용도의 반도체로, 다품종 소량생산을 추구하기 때문에 파운드리에 최적화 돼 있다.
시장조사기관 IHS마킷에 따르면 전 세계 파운드리 시장 규모는 2016년 569억 달러(약 63조 9300억 원)이고, 2021년에는 831억 달러(93조 3380억 원)로 증가할 것으로 전망했다. 이 기간 파운드리 시장의 연평균 성장률은 7.8%로 메모리 반도체 D램(7.3%)이나 낸드 플래시(7%)보다 높은 수치다. 이에 따라 메모리 반도체 분야에서 선두를 달리고 있는 한국은 뒤늦게 파운드리 산업을 키우려고 뛰어들었고, 중국 또한 정부 주도하에 공격적인 투자를 단행하고 있다.
파운드리는 크게 자체설계 없이 위탁생산만을 하는 순수(Pure-Play) 파운드리와 자체설계 제품의 생산과 함께 위탁생산도 병행하는 IDM(Integrated Device Manufacturer) 파운드리로 나뉘며, 현재 순수 파운드리 업체가 전세계 파운드리 시장의 80% 이상을 차지하고 있다.
파운드리 산업에서 점유율 1위인 대만의 TSMC는 매출 288억 달러, 50.6% 점유율로 전체 시장의 절반 이상을 차지하며 독주하고 있다(IHS, 2016년 기준). 이는 전체 반도체 업계에서 대만의 영향력이 높다는 것을 뜻한다.
2위인 미국의 글로벌파운드리(GF)는 매출 54억 달러, 점유율 8%를 기록했고, 3위 대만의 UMC는 매출 46억 달러, 점유율 7.9%, 4위 한국의 삼성전자는 파운드리 부분에서 매출 45억 달러(점유율 7.9%), 5위 중국의 SMIC 매출 28억 달러(점유율 4.9%) 순으로 뒤를 잇고 있다. 여기서 주목해야 할 점은 파운드리 시장에서 1위인 TSMC와 2위인 글로벌파운드리의 점유율 격차가 무려 40% 차이를 나타낸다는 것이다.
TSMC는 공정기술을 상품으로 해 생산하는 최초의 수탁생산 전문회사로, 사업 초기부터 규모의 경제를 형성하고 투자와 회수의 선순환에 성공적으로 진입했으며, 지속적인 대규모 생산시설 투자를 바탕으로 파운드리 시장의 점유율을 크게 높였다. IDM으로 반도체 사업을 하고 있던 UMC도 제품과 설계 부분을 과감히 분사시키고 파운드리로 진로를 바꾼 뒤, 현재 세계 2위의 파운드리 업체로 성장했다.
국내의 경우에는 삼성전자를 제외하고 파운드리 시장에서 아직 갈 길이 멀다. 순수 파운드리 업체인 동부하이텍의 파운드리 매출은 7억 달러(점유율 1.2%)로 업계 11위, 메그나칩은 3억 달러(점유율 0.5%)로 20위, SK하이닉스는 1억 달러(점유율 0.2%)로 27위에 불과해 파운드리 시장에서 경쟁력이 미미한 수준이다.
‘미세공정’ 기술 확보가 관건, 7나노 시대 본격 시작
파운드리 시장에서 경쟁력을 위해서는 미세공정 기술을 확보하는 것이 핵심이다. 미세공정이 중요한 이유는 반도체 회로의 선폭 크기를 작게 할수록 똑같은 크기의 웨이퍼에서 더 많은 반도체를 만들 수 있어서 생산성은 높아지고 가격은 저렴해지기 때문이다.
현재 파운드리 업계는 10나노미터(nm) 공정에 성공했으며, 7나노 공정 시대를 앞두고 있다. 삼성전자는 파운드리 사업에서 32나노(2010년), 14나노(2015년), 10나노(2016년) 공정을 세계 최초로 양산하는 데 성공했지만, 7나노에서는 TSMC가 개발 완료를 먼저 선언하면서 TSMC와 삼성간의 경쟁구도가 형성됐다.
7나노 공정 이하부터는 현재 파운드리 장비로는 생산이 불가능하기 때문에 파운드리 업계는 신형 EUV(Extreme Ultraviolet) 노광 장비를 도입하려는 움직임이 일고 있다. EUV 장비가 양산에 투입되면 기존의 노광 장비인 DUV(Deep Ultraviolet)의 한계를 뛰어 넘어 7나노 이하 미세 공정을 제조할 수 있으며, 더 나아가 High-NA(Numerical Aperture) EUV 장비를 통해 3나노까지 무리 없이 미세 공정을 적용할 수 있게 된다.
이에 따라 삼성전자는 7나노 공정에 대비하기 위해 EUV 장비 도입을 서두르고 있다. SK하이닉스 또한 파운드리 사업 확대에 발맞춰 미세공정화를 준비 중이며, 오는 2019년 EUV 도입을 계획하고 있는 것으로 알려졌다. 반면 TSMC의 경우에는 검증된 이머전(Immersion, 액침) 불화아르곤(ArF) 노광 기술이 더 낫다고 판단하고, 더블(DPT)이나 쿼드러플패터닝(QPT)을 적극적으로 활용하는 방식을 선택했다.
무엇보다 파운드리 시장은 미세공정을 위한 기술개발과 적극적인 시설투자로 경쟁력을 확보하고, 모바일 AP 고객사 확보와 더불어 새롭게 떠오르고 있는 4차산업, 인공지능 분야에서의 새로운 파트너를 확보하는 것에 승부가 달렸다.
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