어플라이드 머티리얼 즈 기술력 - eopeullaideu meotilieol jeu gisullyeog

신규 IMS 시스템 2종 포함 3D GAA 트랜지스터를 위한 광범위한 기술 포트폴리오 공개

[인더스트리뉴스 최종윤 기자] 어플라이드머티어리얼즈(Applied Materials)가 고객들이 EUV(극자외선)로 2D 공정미세화를 지속할 수 있게 하는 혁신기술과 차세대 3D GAA(Gate All Around) 트랜지스터 제조를 위한 기술 포트폴리오를 발표했다.

새롭게 부상한 GAA 트랜지스터는 3D 설계 기술과 DTCO 레이아웃 혁신으로 2D 공정미세화를 보완해, 2D 공정미세화 한계 속에서도 로직 집적도를 빠르게 높일 수 있다. [사진=어플라이드머티어리얼즈]

반도체 제조사들은 트랜지스터 집적도를 높이기 위해 두 가지 상호보완적 방법에 집중하고 있다. 그 중 하나는 전통적인 무어의 법칙에 기반한 2D 공정미세화로, EUV 리소그래피와 재료공학을 사용해 선폭을 축소하는 것이다. 다른 하나는 설계 기술 공동최적화(DTCO)와 3D 기술로 로직 셀 레이아웃을 효율적으로 최적화해 리소그래피 선폭 변화에 구애받지 않고 집적도를 높이는 것이다.

후면 배전망과 GAA 트랜지스터를 포함하는 후자 방법은 전통적 2D 공정미세화의 한계로 향후 몇년 간 로직 집적도 향상에 있어 그 역할이 더욱 커질 것으로 전망된다. 이 기술들을 병행해 사용하면 반도체 제조사는 PPACt(전력‧성능‧크기‧비용‧시장출시기간)가 향상된 차세대 로직 칩을 더욱 쉽게 개발할 수 있다.

어플라이드 머티어리얼즈 프라부 라자(Prabu Raja) 반도체 제품 그룹 부사장 겸 총괄 매니저는 “어플라이드는 고객을 위해 PPACt를 실현하는 기업이 되는 것이 전략”이라며, “우리는 고객들이 EUV로 2D 공정미세화를 지속할 수 있는 7개의 혁신 기술을 공개했다”고 말했다.

이어 그는 “GAA 트랜지스터는 현재의 핀펫(FinFET) 트랜지스터와는 근본적으로 다른 방식으로 제작된다”면서, “어플라이드는 이상적인 GAA 게이트 산화물과 메탈 게이트 구현을 위한 2종의 새로운 IMS(Integrated Materials Solutions)를 개발했으며, 에피택시(epitaxy) 공정, 원자층 증착, 선택적 박막 제거 공정 등 광범위한 GAA 제조용 제품 라인을 발표했다”고 말했다.

2D 공정미세화 확대

EUV 리소그래피의 출현으로 반도체 제조사들은 선폭을 줄이고 트랜지스터 집적도를 높일 수 있게 됐다. 그러나 EUV를 통한 공정미세화를 지속하기 위해 증착, 식각, 계측 공정에서 새로운 방식을 찾아야 하는 과제를 안게 됐다.

EUV 레지스트 개발에 이어 웨이퍼에 패턴을 형성하기 위해서는 하드마스크나 여러 희생 레이어들의 증착 및 식각이 필요하다. 이때 사용되는 희생 레이어들은 일반적으로 스핀온(spin-on) 방식으로 증착된다. 어플라이드가 새로 공개한 EUV용 ‘스텐사 어드밴스드 패터닝 필름(Stensar Advanced Patterning Film)’은 어플라이드의 ‘프리시전 CVD(Precision CVD)’ 시스템을 통해 증착된다. 어플라이드의 CVD 필름은 스핀온 증착과 다르게 EUV 하드마스크 레이어 두께와 식각 특성을 조절할 수 있다. 반도체 제조사가 이 필름을 사용하면 웨이퍼 전체에 완벽에 가까운 EUV 패턴 전사 균일도를 구현할 수 있다.

어플라이드는 ‘Sym3 Y’ 식각 시스템도 소개했다. Sym3 Y 식각 시스템을 사용하면 고객들은 동일 챔버에서 박막의 식각 및 증착이 가능해 웨이퍼를 식각하기 전에 EUV 패턴을 개선할 수 있다.

Sym3 챔버는 EUV 레지스트 물질을 완만하게 제거한 다음 ‘확률적 오류’로 발생한 패턴 가변성을 보상하여 평준화하는 고유의 방식으로 박막을 재증착한다. 개선된 EUV 패턴은 수율을 높이고 반도체의 전력과 성능을 증대시킨다. 이 같은 어플라이드 Sym3 기술을 바탕으로 메모리 분야를 넘어 로직과 파운드리 분야에서도 빠르게 성장하고 있다. 현재 어플라이드는 D램 메모리 시장에서 컨덕터 식각 시스템 분야의 1위 공급업체다.

이와 더불어 어플라이드는 ‘프로비전(PROVision) 전자빔(eBeam)’ 계측 기술을 선보였다. 이 기술은 전체 웨이퍼에 걸쳐 멀티레이어 칩 내부를 자세히 측정할 수 있기 때문에 EUV 패턴 선폭을 정밀하게 계측한다. 다른 계측 기술로는 진단이 불가능한 ‘엣지 배치 오류’를 해결할 수 있어 고객에게 도움을 주고 있다. 어플라이드의 전자빔 시스템 수익은 2021년 약 두 배로 증가하여 전자빔 기술 분야 선두 공급업체가 됐다.

3D GAA 트랜지스터 엔지니어링

새롭게 부상한 GAA 트랜지스터는 3D 설계 기술과 DTCO 레이아웃 혁신으로 2D 공정미세화를 보완해, 2D 공정미세화 한계 속에서도 로직 집적도를 빠르게 높일 수 있다. 또한, 재료공학의 혁신으로 GAA 트랜지스터의 전력과 성능도 동시에 향상되고 있다.

기존 핀펫에서 트랜지스터의 전기적 경로를 형성하는 수직 채널은 리소그래피와 식각으로 형성되는데, 이 과정에서 고르지 않은 채널 너비가 발생한다. 이 같은 불균일한 채널 너비는 전력과 성능에 악영향을 끼쳐 고객들이 GAA로 전환하는 주된 이유가 된다.

GAA 트랜지스터는 핀펫 트랜지스터를 90도 회전해 채널을 수직이 아닌 수평으로 바꾼 모습과 유사하다. GAA 채널은 에피택시와 선택적 박막 제거 공정으로 형성된다. 고객들은 이 기술로 배선폭과 균일성을 정밀하게 엔지니어링 해 최적의 전력과 성능을 구현할 수 있다.

에피택시 시스템은 어플라이드가 창립 후 최초로 생산한 제품으로 지금까지 시장 선두 지위를 지키고 있다. 어플라이드는 2016년 ‘셀렉트라(Selectra)’ 시스템을 출시하며 선택적 박막 제거 기술을 개척하고 시장을 선도해 왔고, 고객이 사용 중인 어플라이드의 챔버는 1,000개가 넘는다.

GAA 트랜지스터 제조의 주된 어려움은 채널 사이 공간이 약 10nm에 불과하고, 아주 작은 공간 내 채널 4면 모두에 멀티레이어 게이트 산화물과 메탈 게이트 스택을 증착해야 한다는 점이다.

어플라이드는 게이트 산화물 스택을 위해 ‘IMS’ 시스템을 개발했다. 게이트 산화물 두께가 얇아질수록 구동 전류와 트랜지스터 성능이 높아진다. 하지만 동시에 누설 전류 또한 높아져 전력 낭비와 발열이 발생한다.

어플라이드가 새로 출시한 IMS 시스템은 산화물 두께를 종전 대비 1.5 옹스트롬(원자 사이의 거리를 재는 데 쓰이는 길이의 단위, 1옹스트롬=0.1나노미터)까지 줄였다. 이를 통해 반도체 업체는 게이트 누설 증가 없이 성능을 높이거나, 성능은 그대로 유지한 채 게이트 누설을 10분의 1 이상 줄일 수 있다. 이 IMS 시스템은 원자층 증착(ALD)과 열처리 공정, 플라즈마 처리 공정, 계측을 하나의 고(高)진공 시스템으로 통합했다.

어플라이드는 GAA 메탈 게이트 스택 엔지니어링을 위한 IMS 시스템도 선보였다. 고객이 이 시스템을 이용하면 게이트 두께를 조절해 문턱 전압을 튜닝할 수 있다. 이를 통해 각종 모바일 디바이스부터 고성능 서버에 이르는 다양한 분야에서 필요한 컴퓨팅 성능을 구현할 수 있다. 이 IMS 시스템은 고도의 진공 상태로 공정을 수행해 대기에 노출되어 생기는 오염을 최소화한다.

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<앵커>

뉴욕증시 A to Z, 조연 기자와 함께 합니다.

오늘 이야기 해 볼 종목, 어떤 기업입니까?

<기자>

최근 미국은 물론이고, EU까지 반도체칩법 제정하면서 압도적인 투자에 나서고 있죠. 그야말로 반도체 패권 전쟁이 치열한데, 여기서 수혜가 기대되는 종목은 어딜까요? 물론 삼성전자나 인텔, TSMC 반도체 기업들이 있겠습니다만, 누가 이기든 이 회사들에게 제품을 파는, 바로 반도체 제조 장비 기업들입니다.

글로벌 반도체 장비 기업의 3대장이 있는데, 이 중에 저희가 `갑도 이기는 슈퍼 을`이라 불리는 ASML을 다룬 적이 있죠. ASML이 독보적인 기술력을 가진 기업이었다면, 오늘 가져온 기업은 다양한 제품군으로 시장을 압도하는 글로벌 반도체 장비 매출 1위 기업입니다. 티커명 AMAT, 어플라이드 머티리얼즈에 대해서 이야기 나눠보겠습니다.

<앵커>

반도체 장비 3대장이 누군가요?

<기자>

어플라이드 머티리얼즈와 ASML, 그리고 램리서치입니다.

매출 기준으로는 어플라이드 머티리얼즈가 1위, 시총 기준으로는 ASML이 1위입니다. 여기에 도쿄일렉트론까지 4대 기업으로도 분류되는데, 이들이 전 세계 반도체 장비 시장 60% 이상을 차지하고 있습니다.

<앵커>

각자 잘하는 분야가 다르죠?

<기자>

네. 반도체 생산과정은 크게 8가지의 공정으로 나뉘는데요. 여기서 흔히 앞, 전공정이 기술력을 요합니다. 국내 기업들도 이 부분은 대부분 외국 장비에 의존하고 있는데요. 노광장비는 ASML이 사실상 장악하고 있는 부분이고, 램리서치의 경우 식각장비에서 높은 점유율을 나타내고 있습니다.

어플라이드 머티리얼즈는 증착 공정에서 두드러지는데, 증착 뿐만 아니라 산화, 식각, 이온주입, CMP, 금속 배선 등 전반적으로 반도체 공정에 사용되는 많은 장비를 생산해내고 있습니다. 제품 종류만 90개에 달합니다.

<앵커>

식각은 반도체 회로(웨이퍼)에서 불필요한 부분을 부식시켜서 깎아내는 작업이고,

증착은 반도체의 표면에 얇은 막을 덮는 공정이죠. 그중에서도 어플라이드 머티리얼즈는 증착에 강점이 있다는 것인데,

그런데 이 기업이 성장해 온 방식이 단순히 기술경쟁력 만이 아니었다면서요?

<기자>

1967년, 그러니까 설립된지 55년이 된 기업인데요. 두가지 눈에 띄는 점이 있는데요.

먼저 첫번째는 공격적인 인수합병을 통해서 성장해 왔다는 점입니다. 전공정에 걸쳐진 다양한 제품군을 내놓을 수 있었던 것도 바로 M&A 덕분이죠.

이 회사의 코어가 되는 시작점은 1980년대 만들어진 프리시전 5000이라는 화학기상증착 장비인데, 증착공정에 혁신을 이룬 장비(현재 미 워싱턴에 있는 스미스소니언 박물관에 전시)였습니다. 어플라이드 머티리얼즈는 반도체 뿐 아니라 디스플레이 증착 분야에서도 1위입니다. 다만 디스플레이의 경우 업황이 좋지 않아 매출 규모가 줄었습니다.

1996년 이스라엘 오팔 테크놀로지스, 오봇 인스트루먼츠 두 회사 인수를 시작으로, 고속 계측 시스템, 검사 기술, 레이저빔 리소그래피 기술, 레이저 세정 기술 등을 확보하고, 2011년에는 베리언 세미컨덕터라는 이온주입 장비 공급 업체를 인수했습니다. 지금의 CEO가 바로 베리언 세미컨덕터 CEO 출신이죠. 태양광 장비 업체도 공격적으로 인수해 최대 태양광 장비업체로 올라서기도 했구요.

그리고 2013년에는 앞서 얘기했던 4대 반도체 장비회사, 도쿄일렉트론과 합병을 추진했지만 독점 우려로 무산됐고, 최근에는 2019년 일본 히타치 그룹에서 분사된 코쿠사이 일렉트릭 코퍼레이션 인수를 통해 증착장비시장의 점유율을 키우려 했는데 이 역시 중국의 반대로 역시 무산됐습니다.

<앵커>

최근 엔비디아의 ARM 인수합병도 무산됐죠. 반도체 산업이 M&A로 크던 시대는 끝난 것 같은데,

그렇다면 나머지 하나 눈에 띄는 점은 뭡니까?

<기자>

아시아 시장에 대한 진출이 빨랐습니다. 그래서 지금까지도 아시아 마켓 매출 비중이 큰데요.

1979년에 일본에 법인을 설립했고, 일본에 기술센터, 중국에서 서비스센터를 가장 먼저 개설한 최초의 글로벌 반도체 장비회사입니다. 대만에는 1989년, 그리고 한국에는 1993년에 법인이 설립되면서 아시아 시장 공략을 확대했습니다.

이 같은 아시아 집중도는 지금까지도 이어지는데요. 아시아 매출 비중이 80% 이상입니다. 중국이 29%, 대만이 26%, 일본 12% 한국이 최근 줄어들어서 9%를 차지하고 있습니다.

최대 고객사는 TSMC와 인텔입니다. 많은 분들이 아시는 것처럼 TSMC와 인텔이 대규모의 투자 계획을 지난해 밝혔었죠. TSMC는 올해에만 400~440억달러(약 48~52조원) 설비 투자를 예고했고, 인텔은 앞으로 10년간 1000억달러(약 120조원)을 들여 전 세계에서 가장 큰 반도체 제조 단지를 만들겠다고 했습니다. 이에 대한 수혜를 어플라이드 머티리얼즈가 톡톡히 누릴 것이란 전망이 나오고 있습니다.

<앵커>

그런데 어플라이드 머티리얼즈 지난 분기에는 실적발표하고 주가가 떨어졌어요.

요즘 반도체 주문이 폭주하는 시기인데 왜 떨어진겁니까?

<기자>

수요에는 문제가 없죠. 관건은 수요를 충족시키기에 충분한 공급을 갖고 있느냐 인데, 반도체 장비 역시 이 공급망 병목 현상, 부품 부족에 시달리고 있기 때문입니다.

지난 분기 실적은 매출이 31% 증가하고 영업이익률이 33%에 육박하는 등 전체적으로 나쁘지 않았는데, 시장의 기대에 미치지 못하며 당일 주가가 20% 넘게 급락했었습니다.

이때 게리 디커슨 CEO는 "특정 실리콘 부품들이 부족 현상을 겪고 있다며, 공급 부족이 없었다면 3억달러 매출이 더 증가했을 것"이라고 설명했었는데요. 지난달에 앞서 실적 발표한 램리서치도 공급망 여파를 피하지 못해서, 이번주 발표하는 어플라이드 머티리얼즈 어닝에 시장이 주목하고 있습니다.

16일 장 마감후 발표 예정인데, 월가에서는 긍정적으로 전망하고 있습니다. 주당순이익 $1.85로 전년대비 33.1% 성장을 전망하고 있는데, 이는 지난 한달 동안 0.28% 더 상승한 수치입니다. 어플라이드 머티리얼즈 실적에 대한 시장의 기대가 더 높아졌다는 뜻이겠죠.

시티그룹은 올해 반도체 섹터 톱픽으로 어플라이드 머티리얼즈를 꼽았고, 제프리스는 목표주가는 197달러, 미즈호는 178달러로 상향했습니다. 현재 주가 133달러 선인데요. 평균 월가 IB들의 목표가가 180달러, 현재가 대비 35% 추가 상승을 전망하고 있습니다.

<앵커>

마지막으로 호재와 악재를 간단하게 짚어 볼까요?

<기자>

회사 주가를 길게 보면 팬데믹 기간 2020년 하반기부터 급격히 올랐습니다. 여기에 반도체 장비의 리드 타임이 1년 수준으로까지 길어지고 있어서 당분간 장비 쟁탈전에 가격 경쟁력 부분도 더 공고해질 것이란 전망입니다. 물론 M&A를 통한 시장 지배력 확대 전략은 앞으로 어려워지겠지만, 최근 어플라이드 머티리얼즈는 장비판매 이외의 유지/보수 구독사업모델을 내놓았거든요. 이를 새로운 먹거리로 내놓는 모습입니다.

또 다른 호재는 바로 미 정부의 전폭적 지지 인데요. 바이든 대통령이 행정명령을 통해 가장 먼저 챙긴 산업도 바로 바로 반도체였죠. 바이든 대통령이 역점을 둔 520억달러 규모의 반도체 산업 육성 관련 법안이 지난주 미 하원을 통과했습니다. 이제 상원으로 송부돼 올 1분기 중 최종 통과될 전망인데, 반도체 제조시설의 설립, 증설, 현대화 등에 대폭적인 금융 지원에 나서는 만큼 혜택이 기대됩니다.

악재로는 앞서 언급한 부품 부족현상과 러시아-우크라이나 이슈가 반도체 섹터 전체를 누르고 있다는 점입니다. 반도체 주요 원자재 중 하나인 네온의 90%가 우크라이나에서, 또 다른 원자재, 팔라듐은 35% 가량이 러시아로 부터 공급되는데, 백악관이 이미 미 반도체 기업들에게 다른 공급처를 확보하라는 주문까지 한 것으로 보도되었죠. 장비 기업들에 직접적인 영향은 아니지만, 한 섹터로 움직이다 보니 당분간 주가를 누르는 악재로 작용할 것이란 분석입니다.

<앵커>

네. 뉴욕증시 A to Z, 조연 기자였습니다.