반도체 주식투자를 위한 기본 지식 1편

<반도체의 개념>

– 반도체 : 원래는 전기가 통하지 않지만 빛이나 열, 또는 불순물을 가해주면 전기가 통하고 조절도 할 수 있는 물질. 순수한 반도체에 불순물을 주입하면 전류를 증폭시키거나 스위치 역할을 하는 등의 전자소자로서의 특성이 생김으로써 전자제품을 작동시킴.

– 반도체의 활용 : 전자산업과 정보통신산업에서 생산하는 모든 재화와 서비스의 핵심 부품으로 활용됨. (반도체의 별명 : ‘산업의 쌀’)

– 반도체의 중요성 :
– >근거 1 : 오늘날의 지구촌은 IT 발전으로 인하여 공장들의 자동화가 진행되었던 ‘3차 산업혁명’과 제조업과 정보통신기술(ICT)을 융합해 작업 경쟁력을 제고하는 ‘4차 산업혁명’의 중간 과도기에 놓여 있음.

(참고) 4차 산업혁명의 예 : 로봇, 인공지능, 빅데이터, 가상현실, 클라우드 컴퓨팅 시스템 등

– >근거 2. 반도체는 전자산업과 정보통신 산업의 핵심부품임.

– >결론 : 일상생활에서 전자제품과 정보통신기술을 빼고는 정상적인 생활을 영위할 수 없는 시대적 흐름에 따라 반도체는 세계 경제의 주된 성장 동력원이 될 것임.

<반도체의 특징>

특징 1. 반도체의 원료는 규소(Si = 실리콘), 실리콘의 산화물인 산화실리콘이 화학적으로 안정적인 물질이기 때문

특징 2. 반도체의 4대 경쟁력 : 용량, 가격, 납기, 환경경쟁력 (오늘날 제일 중요한 것은 환경경쟁력)

특징 3. 일정 온도 범위 내에서 오히려 저항률이 감소함.

특징 4. 반도체의 저항률은 전자의 주입이나, 재료의 순도, 제조 또는 가공방법 등의 변수에 따라 도체나 절연체보다 심하게 변함.

특징 5. ‘성능=가격’공식이 성립하지 않음.

(참고) 무어의 법칙 : 반도체의 용량이 18개월마다 두 배로 발전함.
황의 법칙 : 반도체의 용량이 1년마다 2배로 발전함.

<반도체 산업의 특징>

특징 1. 반도체 산업 = 타이밍 산업 (철저하게 나중에 나온 제품이 먼저 나왔던 제품을 대체하는 특징이 있음.)

Ex) 70년대 미국 주도, 80년대 일본 주도, 90년대 한국 주도

특징 2. 전자제품의 핵심 부품이 되는 반도체 수요는 이를 사용하는 전자 및 정보통신산업의 경기에 영향을 받을 수 밖에 없음.

특징 3. 반도체 사이클 : (장기) 반도체 산업은 3~4년을 주기로 호황과 불황을 반복함. (단기) 하반기에는 비수기, 상반기에는 성수기

– 반도체 공급업체들은 수요를 단기간에 맞추기가 쉽지 않음. (반도체산업이 대규모 장치산업이고 이를 위한 생산량을 늘리는 데 시일이 걸리는데 이 때 공급 부족이 나타나면서 가격이 급등하고 업계는 호황을 누림.)

– 이러한 상황을 잘 아는 기업들은 경쟁적으로 설비를 늘리고 시장점유율 경쟁을 벌이므로 서로 비슷한 시기에 공급을 증가시키면 공급 과잉으로 인한 가격하락과 불황을 초래함.

특징 4. 반도체 산업은 첨단 정보기술 개발과 함께 지속적인 대규모 투자가 필요한 하이테크 장치산업임. 공정의 미세화로 인해 기존의 생산라인에서 새로운 제품을 생산할 순 없음.

특징 5. 반도체 기술의 발전이 모든 반도체 업체에 이로운 영향을 주지는 않음.
Ex) 기술의 발전으로 인한 반도체 생산량 증가 -> 반도체 공급량 증가, 생산원가 하락 -> 기술경쟁에서 뒤떨어지는 기업은 경쟁력 상실

(참고) 반도체 산업은 전자, 전기, 물리, 화학 금속 등 기초과학 분야부터 기계, 자동화, 생산기술에 이르기까지 모든 첨단기술을 필요로 함.

<웨이퍼와 개념>

– 웨이퍼 : 반도체 재료로 쓰이는 원반형의 실리콘 (크기가 중요함, 현재 사용하는 것은 8인치이며 12인치까지 늘리려고 함.)

<웨이퍼의 단위와 부분 명칭>

– 캐리어 : 웨이퍼를 담는 용기로 25장을 담을 수 있는 홈이 있음.

– 런 : 웨이퍼를 가공하기 위해서 25장을 하나의 단위로 묶은 것, 로트 : 웨이퍼의 한 묶음

– 칩, 다이 : 웨이퍼에서 잘라낸 각가의 반도체 조각

– 절단선 : 아무런 유니트나 회로가 없는 지역으로, 웨이퍼를 각각의 칩으로 나누기 위해 절단하는 영역

– TEG(Test Elements Group) : 공정 중에 품질을 테스트할 수 있도록 웨이퍼마다 만들어놓은 특이한 패턴의 칩

– 외곽 다이 : 웨이퍼 가장자리에 있는 미완성 칩(작은 웨이퍼에 큰 다이를 만든다면 웨이퍼의 손실률도 그만큼 커지므로 보다 큰 직경의 웨이퍼를 이용하여 반도체를 생산하는 것이 유리함.)

플랫존 : 웨이퍼의 구조를 구별하기 위해 결정에 기본을 둔 것(웨이퍼의 결정구조는 육안으로는 식별이 불가능함) 이 영역을 기준으로 수직과 수평의 절단선을 형성함.

<반도체 제조과정-18단계와 8단계>

<18단계, 전공자 수준 (이해가 어려울 시 아래의 8단계를 봐주시면 됩니다.)>

1.
단결정 성장 : 반도체의 원료인 규소를 정제하는 과정. 먼저 실리콘을 뜨거운 열로 녹여 고순도의 실리콘 용융액으로 만들고 이것을 균일한 둥근 막대기 모양의 단결정으로 식힌다.
2.
규소봉 절단 : 성장된 규소봉을 프링글스처럼 균일한 두께로 얇게 잘라냄. 봉의 지름이 웨이퍼의 크기를 나타내며, 반도체 공정 기술이 발전하면서 점차 웨이퍼가 커지고 있음.
3.
웨이퍼 표면 연마 : 잘라낸 한 면을 거울처럼 반짝이게 갈아냄. 이것이 바로 반도체 칩의 원료인 실리콘 웨이퍼로 갈아낸 면에 회로 패턴을 만들어 넣게 됨.
4.
회로 설계 : CAD(컴퓨터를 이용한 설계 시스템) 시스템을 사용하여 전자 회로를 설계함.
5.
마스크 제작 : 전자빔 설비를 이용해 설계된 회로 패턴을 유리판 위에 그려 넣어 마스크를 만듦.
6.
산화 공정 : 고온(800~1200도)에서 산소를 실리콘 웨이퍼 표면과 화학 반응시켜 얇고 균일한 실리콘 산화막을 형성시킴
7.
감광액 도포 : 먼저 웨이퍼에 감광물질을 고르게 발라 웨이퍼 표면을 마치 사진 필름과 같은 상태로 만듦.
8.
노광 : 웨이퍼 위에 마스크를 놓고 빛을 쪼여주면 회로 패턴을 통과한 빛이 웨이퍼에 회로 패턴을 그대로 옮김.
9.
현상 : 여기에 필름을 인화할 때와 같은 화학 처리를 해주면 웨이퍼에 사진 필름과 같이 회로패텀이 그려짐.
10.
식각 : 회로패턴을 형성하기 위해 불필요한 부분을 제거함.
11.
이온 주입 : 회로 패턴과 연결된 부분에 미세한 가스 입자 형태의 불순물을 주입함. 웨이퍼 내부에 침투한 불순물은 전자 소자의 특성을 가지도록 만들어줌.
12.
화학 기상 증착 : 가스 사이의 화학 반응으로 혀성된 입자들을 웨이퍼 표면에 증착하여 절연 막이나 전도성 막을 형성함.
13.
금속 배선 : 웨이퍼 표면에 형성된 각 회로를 연결해주는 알루미늄 배선을 만들어줌.
14.
웨이퍼 뒷면 연마 : 웨이퍼의 뒷면을 연마하여 얇게 만들어 준다.
15.
웨이퍼 절단 : 레이저나 공업용 다이아몬드 톱으로 웨이퍼를 집적회로 칩 단위로 자른다.
16.
칩 자동 선별 : 웨이퍼에 형성된 집적회로 침들의 전기적 동작 여부를 컴퓨터로 검사하여 불량품을 찾는다.
17.
금선 연결, 성형 : 집적회로 칩 내부의 외부 연결 단자와 리드프레임을 매우 가는 금선으로 연결한 후 집적회로 칩, 리드 프레임, 연결 금선 등을 보호하기 위해 화학수지로 밀봉한다. 우리가 흔히 보는 반도체의 검은 몸통이 이 화학수지임.
18.
최종 검사 : 성형된 칩의 전기적 특성 및 기능을 컴퓨터로 최종 검사하는 공정으로 최종 합격된 제품들은 제품명과 회사명을 푯한 후 입고 검사를 거쳐 최종 소비자에게 판매된다.

<8단계, 일반인 수준>

1.
웨이퍼 제작 : (웨이퍼란 반도체의 기본 재료로 규소(Si, 실리콘)나 갈륨비소(GaAs, 갈륨아세나이드)를 이용해 만든 원기둥을 원형 판모양으로 얇게 잘라 만든 것. (비용적 측면과 전기적 요소를 고려해 주로 Si가 쓰임.)
2.
산화공정(Oxidation) : 웨이퍼를 산화(어떤 원자, 분자, 이온 따위가 전자를 잃는 일)시켜 웨이퍼 표면에 산화막(SiO2)를 만드는 과정. 산화막을 만드는 이유(확산공정에서의 보호막 역할, 표면의 보호 및 안정화 역할, 표면의 전기적인 절연 및 유전 역할, 소자간의 격리 역할, 표면의 불순물을 제거하는 역할), 주로 고온에서 웨이퍼상에 산화막(SiO2)을 형성하는 열산화 방법을 이용함.
3.
포토공정(Photo Lithography) : 빛을 이용하여 회로 패턴이 담긴 마스크(회로를 나타내는 판)상을 비춰 웨이퍼 표면에 원하는 회로를 그려내는 작업. (필름에 형성된 상을 인화하는 것과 같은 원리)
4.
식각공정(Etching) : 웨이퍼에 그려진 회로 패턴 가운데 불필요한 부분을 선택적 으로 제거하는 과정 (3.에서 그린 회로그림을 따라 들어갈 전기적 특성을 띄게 하는 물질의 자리를 파내는 과정.)
5.
박막, 증착 공정(Thin film, Deposition, 전기적 특성을 갖게 하는 공정) : 박막이란 반도체를 이루는 여러 회로를 구분하고 보호하는 균일한 얇은 막을 형성시키는 것. 증착이란 웨이퍼 위에 전기적 특성을 띄는 물질을 박막으로 밀착시키는 방법.
6.
금속화과정(Metallization, 금속 배선 공정) : 산화, 포토, 식각, 증착 과정을 통해 만든 소자들을 상호 연결하여 회로 패턴을 따라 전류가 흐를 수 있도록 금속선을 이어주는 과정.
7.
EDS(Electrical Die Sorting) : 웨이퍼 상태에서 여러 검사를 통해 각각의 칩들의 상태를 확인하는 과정
8.
패키징(Packaging) : 반도체 칩을 탑재될 기기에 적합한 형태로 만드는 과정

(참고) 원하는 집적회로를 만들고자 2.~5.의 과정을 반복하고 완료된 후 6.~8.의 과정을 진행함.

<반도체 품질검증>

– 품질검증 : 반도체가 쓰이는 각종 환경에서 정상적으로 동작하는지 검사하는 작업, 사용처에 따라 3등급으로 구분해 진행됨. 각각에 대해 30~40가지의 각종 한계 조건에서 성능을 테스트함.
– 3등급은 일상핼활에 많이 사용되는 제품, 2등급은 산업용, 1등급은 탱크, 로켓 등 무기나 인공위성, 초대형 시스템에 들어가는 반도체에 해당함.

– 성능테스트에서 가장 기본은 온도에 대한 적응력임. (고온 테스트는 반도체를 1000시간 동안 150도의 고온에 넣어둔 후 작동 여부를 검사함. 저온 테스트는 영하 65도의 저온에서 1000시간을 지낸 후 작동 여부 검사함.)

– 압력 테스트에서는 반도체를 압력밥솥과 비슷한 기구에 10일간 넣은 후 정상적인 동작 여부를 확인함. (상대습도 100%와 121도 고온의 악조건을 10일간 견뎌야 함) 그래봤자 3등급임.

– 1등급을 받기 위해서는 방사능, 정전기, 염분 등의 추가적인 악조건을 이겨내야 함.(검사과정은 두 달)

<반도체 사업의 형태>

1. 반도체 팹 사업 = 웨이퍼 가공 사업 (팹 사업 : 반도체 제조를 하는 사업)

2. 반도체 조립 사업 : 웨이퍼 절단 -> 리드와 패드를 본딩 -> 그 위에 플라스틱으로 덮어씌워 습기와 기계적 충격으로부터 보호하는 몰딩

3. ASIC 사업(=주문형 반도체 사업, Applicatioin Specific Integrated Circuit Business) : 시스템 회사에서 범용 반도체 칩이 아닌 자기들만이 필요한 반도체 칩의 설계 및 제조를 디자인 센터 또는 디자인 하우스에 의뢰하여 반도체 칩을 개발하는 사업, Cf) 시스템 IC = ASIC 칩

4. COT 사업(Customer Owned Tooling Business) : 팹 회사가 자신들의 팹에서 제조되는 트랜지스터의 특성, 기생 소자들의 특성, 그리고 디자인 룰 등 팹 정보를 고객에게 공개하는 사업

5. 파운드리 사업 : 반도체 제조 라인, 즉 팹을 소유하고 있으면서 자신은 설계를 하지 않고 남들이 설계한 반도체를 제조만 해 주는 사업(셀 라이브러리와 IP를 고객에게 제공해줌)

6. IP(Intellectual Property) 사업 : 반도체 관련 회사에 IP를 제공하는 사업
(IP : 스텐다드 셀들이나 이보다 좀 더 규모가 큰 회로 집단+그 외 특허권이나 저작권)

(참고) 필라델피아 반도체지수 : 국내 반도체 업체 주가에 영향을 미침.

<반도체 회사의 종류>

1. 종합 반도체 회사 : 설계, 제조, 테스트, 판매까지 전 과정을 총괄하는 회사

2. 파운드리 회사 : 팹을 보유하고 반도체를 제조 및 조립, 테스트까지 하는 회사

3. 반도체 조립 회사 : 반도체 조립과 테스트를 하는 회사(=어셈블리 회사 = 패키지 회사)

4. 팹리스 회사 : 반도체 설계와 판매만 수행하는 회사

5. 디자인 하우스 : P&R과 레이아웃 검증을 하는 회사(업무 수행에 사용되는 소프트웨어가 매우 고가임, 즉 많은 자본이 필요함)

6. IP 회사 : IP를 설계하여 팹에 IP를 팹, 팹리스, 시스템 회사에 제공하는 회사

7. 마스크 하우스 : 마스크 제작을 해 주는 회사

8. EDA 회사 : 반도체 설계에 사용되는 여러 가지 툴을 제공하는 회사 Ex) 제조 공정을 시뮬레이션하는 툴, 트랜지스터를 모델링하는 툴 등

9. 테스트 하우스 : 웨이퍼 테스트와 최종 테스트를 하는 회사

10. 장비 회사 : 반도체 제조 장비와 설계에 필요한 워크스테이션 등을 전문적으로 제공하는 회사

11. 웨이퍼 회사 : 자연 상태의 실리콘을 녹여서 순도를 매우 높인 실리콘 기둥을 만들고, 그 기둥을 약 1mm 두께로 얇게 썬 다음 원판 모양으로 만들어 팹에 제공하는 모양

(참고) 반도체 칩 하나를 기획해서 그것이 매출로 나타나기까지는 약 2년이라는 시간이 소요됨.

<반도체 종류>

1. 표준형 반도체와 주문형 반도체
(주문형 반도체 : 비메모리 반도체(연산, 제어장치)의 일종으로 특정한 응용 분야와 특정한 기기를 위해 주문 제작하는 집적회로(다품종 소량 생산 방식))

2. 정보 저장 기능 여부(있으면 메모리 반도체, 없으면 비메모리 반도체)
– 메모리 반도체 : 정보를 저장하고 필요할 때 불러 사용하는 반도체 (Ex) PC, TV, 디지털카메라
– 비메모리 반도체(=시스템 LSI) : 논리와 연산, 제어기능을 수행하는 반도체 (EX) 스마트폰, PC, 차량용 반도체

3. 메모리 반도체는 전체 반도체 시장의 약 25%를 차지하는데, 특성에 따라 D램, S램, 플래시 등으로 나뉨. D램이 전체 메모리 시장의 약 54%를 차지하고 있음.

4. CIS (CMOS Image Sensor) 반도체 : 렌즈를 통해 들어오는 빛을 받아 디지털 전기 신호로 바꿔주는 역할을 하는 반도체

5. 시스템온칩 : 여러 가지 핵심 반도체 제품을 하나의 반도체로 통합한 것 (IT제품의 경박단소화, 다기능화와 어울려 각광받고 있음.)

6. 모바일 반도체 : 주로 휴대형 IT기기에 탑재되는 반도체로, 제품의 크기와 전력 소모를 대폭 줄인 것이 특징임.
(Ex. 저전력 SD램, 모바일 프로세서, 플래시메모리, CIS, 스마트 카드 등)

<비메모리 반도체 시장에서의 제품군>

1. 마이크로컴포넌츠(전자제품 두뇌 역할) = CPU

2. 로직(제품 특정 부분을 제어)

3. 아날로그(음악과 같은 아날로그 정보를 다룸)

4. 개별소자(신호 증폭이나 스위치 역할)

5. 광학 반도체(빛을 전기신호로 바꿔주는 기능)

<반도체는 먼지와의 전쟁>

첨단 반도체를 생산하는 라인은 초청정 환경을 유지해야 하므로 항상 깨끗해야 함.

생산라인의 청정도 : 클래스(Class)
(숫자가 클수록 안 좋은 것임. 예를 들어 클래스10이라고 하면 1입방피트(가로, 세로, 높이가 각각 30cm)에 먼지가 10개 있다는 의미)

<스택과 트렌치>

– 스택 : 반도체의 소자를 위로 쌓아 올려서 집적도를 높이는 방식(속을 볼 수 있기 때문에 불량발생시 해결하는 데 유리함)

– 트렌치 : 반도체의 소자를 아래로 파고 내려가면서 집적도를 높이는 방식(속을 볼 수 없기 때문에 불량발생시 해결하기가 어렵지만 칩을 작게 만드는 데는 유리함)

<수율의 개념>

– 수율 : 결함이 없는 합격품 비율 (1%만 떨어져도 하루에 수억원대 손해가 발생하며 수율이 떨어지는 기업은 반도체 산업 경쟁에서 도태됨)

– 반도체 제품은 머리카락 두께의 수백 분의 1에 해당하는 미세한 회로로 구성되어 있기 때문에 결함이 발견되면 사실상 수리가 불가능함.

– 반도체 기업들은 ‘수율’을 대외비 1호 항목으로 분류하고 외부에 공개하지 않음. 수율을 역으로 환산하면 생산량뿐만 아니라 제품 원가도 파악할 수 있기 때문.

– 수율이 50%는 넘어야 성공. 이 때 대량생산 돌입. 60~70%까지 오름. 선두권 D램 제조업체들은 70% 이상의 수율을 기록하고 있음. 80%이상은 ‘골든 수율’이라 부르는데 전 세계 업체 가운데 극히 일부만 이 수준에 도달함.

– 수율 증가의 요인 : 생산 라인 근로자의 숙련도와 정서적 안정이 중요함. (기업탐방시 사내문화나 직원들의 만족감, 사내 교육과정과 편의시설 등의 복리후생이 잘 갖추어져있는지를 보아야 할 것)

<표준화 경쟁>

– 반도체 제품 표준화 : 새로운 제품에 대한 외형, 성능, 특성 등을 일정한 규격으로 정하는 것(시장을 먼저 차지하면 초기의 고부가가치 시장을 독점할 수 있음.)

– 표준 제안과 결정은 반도체 제품과 관련한 국제전기전자표준협회인 제덱(JEDEC : Joint Electron Device Engineering Council)을 통해 진행됨(275개 회사에 회원 1800명)

– 특정 회사 표준이 공식 표준으로 선정되면 신제품 초기시장 선점이라는 과실을 독점하게 됨.

<패키지>

– 반도체 패키지 : 반도체에서 칩을 제외한 나머지 요소를 지칭하는 말. 반도체의 ‘몸’에 해당함.

– 다중칩 패키지(MCP:Multi Chip Package) : 반도체 칩을 2개에서 많게는 4~8개까지 하나로 묶는 것. (IT제품이 점점 소형화되면서 중요성이 증가하고 있음. 개별 반도체가 차지하는 면적을 절반에서 4분의 1 수준까지 줄일 수 있음.) 반도체 칩을 작게 만드는 것보다 훨씬 비용이 적게 듬.

– 최근에는 SIP(System In Package) 기술(D램뿐 아니라 플래시와 CPU 등 핵심 반도체 칩을 하나로 묶어 패키지화하는 기술)이 활발하게 진행되고 있음.

<반도체 현물가격과 고정거래가격>

– 고정거래 시장 : 반도체를 생산하는 업체가 컴퓨터를 만드는 세트 업체와 기본 공급계약을 맺은 상태에서 장기간에 걸쳐 대량으로 물량 거래되는 것

– 고정거래 가격 : 고정거래 시장에서 2주 단위로 조정되는 가격

– 현물시장 : 반도체를 필요로 하는 중소기업이나 개인 소비자와 중소 유통업체간에 거래되는 시장

– 보통 고정거래 가격이 현물 가격에 비해 5~10% 높게 형성됨(고정거래시 믿을 수 있는 업체로부터 물량을 안정적으로 공급받는 것에 대한 프리미엄이 있기 때문)

– 현물시장을 통해 거래되는 D램 제품은 전체 D램 시장의 5~15%. 그럼에도 현물가격은 향후 고정 거래가격에 영향을 주며 반도체의 경기를 미리 파악할 수 있는 중요한 판단 근거가 됨.

<나노 기술>

– 90년대에 등장한 나노 기술은 100나노미터(1나노미터=10억분의 1미터, 사람 머리카락 지름의 10만분의 1) 이하 크기에서 조작하는 기술

– 나노기술은 물질을 원자나 분자 단위에서 조작하기 때문에 이를 이용하면 새로운 소재 개발과 유전자 조작에서 일대 변혁이 예상됨.(인텔이나 삼성전자는 90나노급 기술을 적용하고 있음)

– 나노 기술의 확보는 미지의 영역을 개척하는 차원이 아니라 미래 생존과 직결된 문제임.

– 반도체 기술 : 전자회로는 실리콘판에다 만드는 기술임. 회로의 선폭이 얇을수록 동일 실리콘판에 더 많은 전자회로를 만들 수 있음. -> 제품의 생산원가를 낮춰 가격 경쟁력을 확보할 수 있음. (용량이 큰 첨단 반도체 생산 가능)

– 나노 기술 이용시 현재의 기가 비트급보다 1000배 이상 용량을 늘린 테라(10의 12제곱) 비트급의 집적도를 가진 반도체 제조 가능
Ex. 손톱만한 칩 1개에 도서관의 모든 도서 정보 저장가능, 인간처럼 생각하는 IoT 구현, 3차원 가상현실 현실화

<솔루션 비지니스>
솔루션 비지니스 : IT 제품에 들어가는 핵심 부품을 한 업체가 일괄적으로 공급하는 것

솔루션 비지니스가 활발해진 이유는 모바일 신제품 출시 주기가 짧아졌기 때문 -> 세트 업체와 부품 업체간 협력을 통해 신제품 개발 기간을 단축하는 일이 중요해짐

솔루션 비지니스의 장점 : 한 업체에서 솔루션 형태로 공급된 반도체 칩은 유기적인 동작 효율이 좋음. 부품업체 입장에서도 한 거래처에 마케팅을 집중함으로써 마케팅, 유통비용을 절감 가능함.

Cf) (전체 반도체 시장 규모에서) 메모리 : 비메모리 = 20 : 80