지능화, 선폭 미세화, 3D 적층화 이슈 토대로 10대 기술 선정

반도체 분야의 유망 기술은 무엇일까.
 
반도체 분야의 지능화, 선폭 미세화, 3D 적층화 이슈를 토대로 10대 유망 기술 분야를 전망해 보았다. 지능화 이슈는 IT산업의 발달과 융합으로 인한 반도체 수요 확대와 관련 있는 △자율주행용 시스템반도체 △파워 반도체 △신경모사와 같은 차세대 프로세서 아키텍처 등을 꼽을 수 있다. 

선폭 미세화 이슈는 D램이 23nm에서 20nm로, 낸드 플래시가 14nm에서 12nm로 미세화되는 트렌드를 반영한 △STT-MRAM △DSA 공정 및 소재 △임프린트 블랭크 마스크/몰드 △건식 식각장비 △건식 세정장비 등이 유망한 분야로 선정됐다. 

또한 적층을 통한 고집적을 실현하는 3D 적층화 이슈에 따라 △고선택비 하드마스크 공정, 장비, 소재와 △TSV공정, 장비, 소재 등도 유명 기술에 포함됐다.

유망 기술로 선택한 10대 기술의 주요 내용을 살펴보면 다음과 같다.

자율주행용 시스템 반도체, 파워 반도체 등 포함

자율주행용 시스템반도체는 운전자의 개입 없이 주변 환경을 인식하고 제어하여 주행하기 위한 기술로 최근 특허 출원이 증가하고 있으며 주요 출원인의 톱 5의 점유율이 30%를 차지할 정도로 기술 장벽이 높다. 하지만 자율주행 기술은 IT+SW기술을 바탕으로 하기 때문에 IT강국, 한국에도 기회가 많은 분야이다. 최근 삼성전자가 자동차 전장시장 진입을 공식적으로 발표한 이유도 여기에 있다. 이미 GM, 벤츠, 도요타 등이 2020년 상용화를 선언했고 국내 완성차 업체도 해외 부품을 적용하여 자율주행 기술 개발을 진행 중이다.  

파워(Power) 반도체는 전자기기, 자동차, 전력망 등의 전력절감에서 결정적 역할을 하는 반도체로 한국의 특허 출원 집중도가 높고 해외 출원도 활발한 상황이다. 주요 출원인 점유 감소로 인한 IP장벽도 낮아지고 있다. 향후 스마트기기, 사물통신, 전기자동차 등 차세대 성장동력 선점을 위한 핵심 기술이기도 하다.

신경모사와 같은 차세대 프로세서 아키텍처는 인간의 뇌와 유사하게 정보를 처리하는 기술로 스스로 상황을 인지하고 학습하며 판단하는 인공지능의 기능이 가능하다. 미국 특허 출원인의 출원 점유율이 63%로 기술 개발이 활발하지만 그만큼 기술 진입 장벽이 높다. 이에 기술 개발 초기 단계로 정부 주도의 적극적인 R&D가 필요한 분야이다. 인공지능 분야가 확대되면서 기술적 파급효과가 클 것으로 전망된다.

STT-MRAM은 자성체인 자기접합터널에 전류를 흘려보내 전자회전을 발생시키고 저항값 크기에 따라 데이터 기록을 보존하는 비휘발성과 안정성을 갖춘 이머징 메모리이다. 특히 초저전력, 초고속으로 작동 가능해 DRAM의 뒤를 잇는 차세대 메모리의 대표주자로 각광받고 있다. Avalanche Tech는 STT-MRAM 개발을 완료하여 업계 최초로 시제품 생산을 시작했다.

DSA 공정 및 소재는 10나노 이후 초미세 반도체 제조공정의 핵심 기술로, 블록 공중합체를 웨이퍼 상에 도포, 가열하면 미세 패턴이 형성되는 자가 정렬 현상을 이용했다. 최근 다양한 기술이 등장하여 2017~2018년에 양산 라인 적용이 예상된다. 현재 활용중인 다중 패터닝 방식의 공정 수 증가로 인한 원가 상승을 개선할 수 있다. ASML, 글로벌파운드리가 활발한 활동을 하고 있다.

임프린트 블랭크 마스크/몰드 기술은 나노패턴 형성에 유리하고 대량생산이 가능한 기술로 미세 구조물이 형성된 스탬프를 기판 위에 눌러 패턴을 형성하는 방식이다. 일본이 64%의 특허 점유율을 보유하고 있어 기술 주도권을 선점했지만 최근 새로운 몰드 및 이형층 제조 개발 등 기술 개발 시도가 활발해지고 있다. 임프린트 리소그래피 기술은 다양한 R&D를 통해 차세대 리소그래피기술로 부상하고 있다. 최근 국내의 대학 및 연구소를 중심으로 개량기술에 대한 R&D가 활발하게 진행되고 있다. 

반도체 분야 10대 유망 기술
-자율주행용 시스템반도체
-파워 반도체
-신경모사와 같은 차세대 프로세서 아키텍처 
-STT-MRAM
-DSA 공정 및 소재
-임프린트 블랭크 마스크/몰드
-건식 식각장비
-건식 세정장비
-고선택비 하드마스크 공정, 장비, 소재와
-TSV공정, 장비, 소재 등

건식 식각장비는 웨이퍼 위에 형성된 패턴대로 필요한 부분을 선택적으로 깎아내는 장비로 미세화, 소형화를 위한 핵심 기술이다. 이 기술 또한 일본 국적 출원인 점유율이 47%이지만 한국이 차지하는 점유율도 30%로 IP경쟁력이 점차 증가하고 있다. 램리서치, 어플라이드 매터리얼, 도쿄일렉트론 등 해외 기업 시장 점유율이 86%이지만 국내에서도 적극적 R&D를 통해 경쟁력 확보에 노력하고 있다. 

건식 세정장비는 건식 식각 기술을 이용, 웨이퍼 표면에 불필요한 부분을 제거하여 습식 세정의 문제점인 폐수 발생 최소 및 처리 비용을 절감한다. 이 또한 해외기업의 특허 장벽이 존재하나 최근 삼성, 한국기계연구원, 테스 등 한국 특허 출원인의 특허 비중이 증가하는 추세다. LED 관련 산업이 증가함에 따라 시장 수요도 높아지고 있어 국내 기업의 지속적 관심이 요구되고 있다. 

고선택비 하드마스크를 형성하는 기술(공정, 장비, 소재)은 3D 낸드 플래시와 같이 On Stack이 계속 증가함에 따라 다층 절연막의 식각시 견딜 수 있다. 기존의 하드마스크에서 새로운 하드마스크로 세대 교체가 진행 중이며 최근 들어 AMAT 등과 같은 다국적 기업에서도 새로운 하드마스크의 적용을 공개했다. 

끝으로 TSV(Through Silicon Via) 공정 장비 소재 기술도 유망한 반도체 기술로 선정됐다. TSV는 상단칩과 하단 칩의 구멍을 전극으로 연결하는 기술로 패키지 크기를 소형화하고 전력소비를 줄이는데 효과적이다. 관련 기술들에 대한 연구개발이 활발하며 최근 D램/낸드에 적용됐고 삼성전자, SK하이닉스, TSMC, IBM 등에서 R&D가 활발하다. 

한국반도체산업협회의 이민영 본부장은 “그 동안 우리나라의 반도체 산업이 비약적으로 발전할 수 있었던 이유는 정부의 적극적인 투자, 대기업의 투자, 우수한 인력 배출이 뒤받침 되었지만 현재는 정부와 대기업의 투자 축소, 이공계 기피현상에 따른 전문 인력 부족으로 산업이 어려움을 겪고 있다”고 말했다.

이 본부장은 이어, “현재 국내 반도체 산업이 메모리와 비메모리, 대기업과 중소기업 등 편집중된 산업구조와 취약한 산업 기반에다 IT굴기를 외치는 중국의 거센 추격을 받고 있어 대내외적으로 힘든 상황”이라며, “하지만 이런 때 특허를 통해 고부가가치 기술을 선점하고 우리가 집중할 수 있는 유망 기술을 도출하여 전략적인 투자를 해야 한다”고 말했다.