창신의 최근 4F² 기술 발표에대한 생각

※주의: 기술에 관한 조금 세부적인 내용이 있음. 이번 건은 기술적 이해가 중요해서. 

목차

[A]   큰 흐름부터 잡기

A-1   4F²란 무엇인가

A-2  기술의 상업적 의미

A-3  각 회사 기술 연구개발 현황

A-4  정리

[B]    디램의 집적

B-1   디램 셀 구조

B-2   디램을 집적하는 이유

B-3   집적의 두가지 방식

B-4   집적은 공급량을 증가시킨다

[C]    왜 4F² 인가?

C-1   한계에 근접해가는 미세화

C-2   중국은 더 어렵다

C-3   둘은 동시에 가능하다

C-4   왜 여태 안했나

[D]    그래서 4F² 기술이란?

D-1   f4는 세운다

D-2   f4는 득실이 있다

D-3   f4는 노광보다 다른 공정이 중요해진다

[E]    그래서 경제적으로 어떤 의미를 갖나?

E-1   중국이 euv없이도 집적할수 있는 길

E-2   치킨게임의 가능성을 증가시킴

E-3   메모리 공급량을 증가시킴

E-4   병목은 분산됨

E-5   삼닉도 함: 시나리오

E-6   대중국 규제

E-7   한국 소부장은?

[F]   최종정리

[A]

창신이 4F² 기술로 삼닉을 바짝 추격했다고 한다. 조사해보니 단순 이론으로만 그친게 아니고

실제 소자까지 만들어서 작동까지 확인하는 상당히 실증적인 진전이 있었음.

따라서 이 기술이 무엇이고 얼마나 중요한것인지 경제적으론 어떤 의미인지를 이해할 필요가 존나 있음.

A-1:  4F²란 무엇인가?

아주 쉽게말해서 디램 셀(정보를 저장하는 최소 단위)을 좁고 높게 만들어서 웨이퍼 면적당 비트를 늘리는것임.

노광장비를 통한 미세화가 회로를 더 미세하게 그려서 면적당 비트를 높인것이라면, 이 기술은 셀 구성요소를

수직으로 쌓아서 면적을 줄이는것임.

셀 하나를 면적 6에 만들던걸, 4의 면적에 만들어서 6F² -> 4F² 라고 함. 이론적으로는 웨이퍼 면적당

비트가 50% 증가하는것이고, 원가율은 33% 하락하는것임.

A-2:  기술의 상업적 의미

웨이퍼당 비트 생산량이 증가한다. 웨이퍼당 비트 생산량 증가는 메모리제조에서 원가율이 낮아지는것을 의미함.

메모리반도체 제조는 막대한 자본이 드는 고정 설비를 요구하므로, 시간당 비트 생산량을 최대한 높여야 이익이 커짐.

위에서 이야기했듯 기하학만 가지고 따졌을땐 원가율이 33% 하락할수 있음. 물론 실제로는 이렇게 되진 않음. 밑에서 더 설명함.

A-3:  각 회사의 연구 진행 상황

현재 공개된 내용과 내부 진척 정도가 크게 다르지 않다는 전제하에, 삼>>닉>창 으로 파악됨. 

마론은 공개한 자료가 거의 없음. 2000년대 초반부터 관련 특허를 내왔지만 최근 몇년 공개하는 자료나 전략로드맵은

주로 미세화쪽에 더 치우쳐져 있는듯 함. 정보가 부족해서 마이크론의 수준은 판단 불가.

그냥 어디까지나 대략 감잡는 용도로 숫자로 나타내보자면

양산 수준이 100점이라 한다면, 삼전은 45, 하닉 40, 창신 30 정도일까.

삼전은 이미 16기가바이트 실제 칩을 구현하고 읽고쓰기를 성공한바 있으므로 확실히 가장 앞선 상태임.

그러나 이게 바로 양산으로 이어질수 있단 의미는 아님.

A-4:  정리

▶4F²기술은 비트 집적도를 미세화가 아닌 수직적층으로 높이는 기술이다.

▶집적도가 높아지므로 원가율이 하락한다. = 마진 증가, 동일 캐파에서 비트 공급량 증가.

▶연구개발 수준은 삼>닉>>창 순서로 보이며 마론은 알수없음.

[B]  디램의 집적

기본적으로 4F² 는 디램을 더 집적하기 위한것임. 따라서 왜 집적하는지를 알아야함.

그걸 알기 위해선 먼저 디램 셀의 대략적 구조부터 알아야한다.

B-1:  디램 셀의 구조

아래 사진은 대략적인 디램 셀의 구조임. 

갑자기 복잡해보이지만 걱정할거 없다.

커패시터는 전하를 저장하는 공간임. 바로 저기에 데이터가 충전된 전기의 형태로 저장됨.

비트라인은 커패시터에 저장된 값을 읽는 회선임.

액티브 에어리어는 트랜지스터가 있는곳임. 트랜지스터는 비트라인과 커패시터를 잇거나 끊는 스위치임.

워드라인은 트랜지스터를 켜거나 끄는 신호를 보내는 선임.

핵심은 데이터를 저장하는 공간, 스위치, 그리고 데이터를 읽는 선과 스위치를 조작하는 선 등

많은 구조물이 필요하단것임. 저게 다 갖춰져야 하나의 셀이 됨. 

그리고 저런 구성요소는 전부 전기화학적 과정을 거쳐서 만들어짐. 

반도체 제조는 기계 제조와는 매우 다름. 일반적인 공구보다 훨씬 작은 규모로 형상을 만들어야 하므로

빛과 화학물질로 물질 표면에 그림을 그리고, 물질을 달라붙게 하고, 깍아내는 방식으로 만들어짐.

라카칠 할때 페인트가 묻지 않아야 하는 부분은 테이프 붙이고 하는거랑 비슷함.

그걸 한장 그리고, 씻어내고 또한장 그리고 하는걸 계속 반복해서 

2d를 누적해서 3d형상을 만든다.

그렇기 때문에 복잡하고 미세한 구조를 만들기가 어려운거고, 첨단 정밀장비와 복잡한 공정이 많이 필요한것임.

B-2: 디램을 집적하는 이유

같은 웨이퍼에서 더 많은 비트를 생산할수 있기 때문임.

웨이퍼당 비트 생산량이 많아지면 어떻게될까? 일단 웨이퍼라는 원재료당 비트(제품) 생산량이 많아지니 원가율이 하락함.

그러나 이건 작은 효과임. 정말 중요한건 고정비 대비 매출이 증가한단것임.

반도체 제조는 엄청나게 비싼 공장이 필요함. 공장을 한번 지어놨으면, 거기서 최대한 많은 반도체를 생산해야 이익이 증가함. 

변동비보다 고정비가 훨씬 크기 때문이지.

시간당 더 많은 비트 생산량은 공장 고정비 대비 더 많은 매출을 의미하므로, 원가율이 낮아지는것, 마진이 높아지는것과 같은 의미임.

때문에 메모리 제조사들은 끝없이 집적도를 높여왔음.

B-3: 집적에는 두가지 방식이 있다

첫번째는 미세화임. 두번째는 수직화임. 

미세화는 익히 들어봤을 노광장비를 통해 더 가는 선을 그려 면적당 많은 셀을 만드는것임.

이때 단순히 노광장비로 선을 얇게 그린다고 장땡이 아니다. 선이 얇은만큼 깊이는 깊음.

즉 폭은 좁고 높이는 높은 벽같은 선을 만드는것임. 그리고 이 선은 주변 선과 신호 간섭을 일으키면 안되고

절연이 잘 되어있어야 하므로, 형상이 매우 중요함. 깊어도 삐뚤빼뚤하면 의미가 없음.

첨단 반도체의 미세화는 이 깊은 선을 얼마나 깔끔한 형상으로 일정하게 뽑아내느냐가 핵심이고,

그 과정은 화학적 처리의 수없는 반복이라 바로 여기서 반도체 제조업의 교과서에 없는 암묵지, 기술해자가 발생하는것.

B-4: 집적은 공급량을 증가시킨다

같은 캐파에서 집적도가 향상되면 공급량은 증가함. 즉 비트 공급량이 두배 증가한다고 해서

웨이퍼, 장비, 소모성 재료 사용과 발주가 두배 증가하는건 아님. 공장을 두배 짓는것도 아니고.

공급량 증가의 상당부분은 캐파 증가가 아니라 미세화 증가로 이루어짐.

(이게 메모리 공급량 증가랑 소부장 수혜를 동일시하면 안되는 이유중 하나임.)

아무튼 비트 공급량이 증가하니까, 메모리 제조사에게 있어 집적은 원가율을 낮추는 좋은 효과와

공급량이 증가하는 나쁜 효과가 동시에 발생함.

[C] 왜 4F² 인가?

C-1: 한계에 근접해가는 미세화

미세화가 극한에 이르면 선끼리의 거리가 너무 가까워져서 물리적인 한계에 근접하게 됨.

회선끼리 너무 가까워지면 점점 절연, 신호간섭 차단이 어려워지고 공정난이도는 급상승함.

양자터널링같은 현상이 발생하고, 공학적 한계를 넘어 물리학적 한계에 가까워지지.

여전히 연구자들은 다양한 방법으로 문제를 극복하고 미세화를 이어나가고 있지만

이미 메모리반도체의 미세화 성장 수준은 둔화되고 있음.

미세화가 점점 어려워지기 때문에 4F² 나 3D디램(또 3D낸드) 같은 기술이 필요해지는것임.

C-2: 중국은 미세화가 더 어렵다

중국은 노광장비 규제때문에 미세화쪽으로 발전하기 어려운 상황에 있음. 멀티패터닝이란 기술로 극복하려 하지만

멀티패터닝은 공정이 복잡해져서 원가율이 높아짐. 이게 중국이 현재 메모리반도체에서 과거의 다른 제조업처럼 

저가공세 가격경쟁 싸움을 걸수 없는 이유임. 원가율이 중국이 훨씬 높기 때문임. 때문에 중국은 미세화에서 어려운만큼

수직화 계열을 통해서 집적도를 높이려 하고 있음.

C-3: 미세화와 수직화는 동시에 적용가능

둘은 배치되거나 서로를 대체하는 기술이 아님. 동시에 적용 가능함.

더 미세하게 만들고, 더 수직으로 만들면 더 집적할수 있는것임.

C-4: 그럼 왜 여태 안했나?

더 어렵기때문임. 중요하고 복잡한 구성요소를 깊숙한 밑층에 만들어야 하는만큼 공정이 복잡해지고 더 높은 정밀도,

특히 초고종횡비가 필요함. 또한 셀이 더 촘촘해지므로 비트라인이 더 가까워져 간섭이 일어남. 

게다가 수직 트랜지스터는 주변 기판과 전리적으로 더 분리되면서 전하가 축적되어 전기적 성질이 달라짐. 누설전류가 증가하지.

(Floating Body Effect) 이걸 해결하기 위해 새로운 트랜지스터 구조나 back gate같은 추가 절연 구조, 또는 반도체 소재 연구가 필요함.

전반적으로 새로운 소재와 소자 연구, 그리고 복잡한 형상에 의한 추가 공정 복잡도 때문에

작동하는 시제품 제조도 어렵지만, 양산은 그 이상으로 어렵고 경제성을 장담할수 없음.

면적당 셀 갯수를 높여서 면적당 비트생산량을 높였지만, 만드는데 더 오래 걸리거나 복잡도 때문에 수율이 낮으면

최종적인 시간당 비트생산량 개선은 그다지 높지 않거나 심지어 마이너스일수도 있음.

결국 메모리 집적은 원가율을 낮춰 더 많은 마진을 먹으려고 하는것이므로, 집적을 할수 있어도 집적을 하는데 드는 비용, 시간이

더 많아서 비트생산량이 떨어지면 아무 의미가 없는것임. 

언제나 그렇지만 기술적 우월성과 경제적 우월성은 구분해야 한단거지. 지금까지 4f는 기술적으로 더 우월한것이지만, 경제적으론 열등한것이었음.

[D]  그래서 4F² 기술이란?

D-1:  4F² 는 구성요소를 세운다.

지금까지는 주로 노광장비에 기반해서 더 미세한 회선을 그리는 방식으로 집적을 해 왔음.

4F² 나 3d디램같은 기술은, 노광장비에 의한 미세화와는 다른 집적 방식임.

4F²에서는 트랜지스터를 눕히지 않고 세운다. 비트라인도 밑층으로 집어넣는다.

이렇게 구성요소 일부를 더 깊은 밑층에 구현해서, 면적당 셀을 늘리는것임.

아까 본 디램 셀의 구조를 떠올려보자.

대략 비트라인과 트랜지스터를 더 밑층으로 집어넣는게 4F² 임.

D-2:  4F²는 득과 실이 있다

위에서 어느정도 설명한 내용임. 구성요소를 수직으로 세우므로, 면적당 셀이 증가해 비트생산량이 늘어나지만

공정복잡도가 증가하므로 기술적 난도가 높아짐. 이것은 수율 문제로 이어짐. 결국 생산량이 높아도 양품수율이 낮으면

실제 매출은 하락하는것임. 따라서 이런 기술은 집적도 그 자체만 봐선 안되고 최종적인 양품 수율을 봐야함. 그것만이 의미있음.

D-3:  4F² 에서는 노광보단 다른 공정이 중요해짐

대략적으로 

1. 식각

수직 채널 형성임. 가늘고 긴 실리콘 구조의 형상, 균일도가 핵심. 핵심장비는 고정밀 플라즈마식각장비.

앞서 이야기했듯 수직화는 본질적으로 구성요소를 더 깊고 높고 폭은 좁게 만드는것이라, 

마치 잘 드는 칼로 미세한 칼자국을 깊게 새기는것과 같음. 이때 만들어지는 회선, 커패시터 등은

극도로 납작하면서도 정확한 형상을 가져야함. 램리서치는 향후 3D 디램에서는 200:1수준의 미친 종횡비와

극도로 작은 식각 기울기 오차가 필요할거라 전망하고 있음. (대체 메모리반도체가 기술력 좆도 필요없는 산업이란건 누구주장임?)

물론 현재의 4f가 저정도 종횡비를 요구한단건 아니지만, 본질은 비슷함. 아주 깊고 좁은 형상을 새기는데 그걸 '화학 작용' 으로 해야함.

2. 증착

홈만 판다고 끝이 아님. 그게 회선이든 커패시터든 전기가 흐르는 요소가 되므로, 그 홈에다가 여러층의 절연막과 금속막을 입혀야한다.

나노미터 수준으로 얇은 막을 균일하게 성장시키기는게 기술적 난제임.

특히 저온 선택적 에피택시(Epitaxy) 는 증착중에서도 4f에서 특기할만한 중요한 공정임. 4f에선 수직 트랜지스터 아래쪽 특정한 실리콘 영역에만

결정질 반도체를 성장시켜 전기적 접합부를 만들 필요가 있음. 쉽게말해 깊숙한곳에서 자기만의 특수한 역할을 하는 실리콘 영역이 필요하단거지.

더 자세한 내용은 AMAT에서 낸 자료가 있으니 참고(https://ir.appliedmaterials.com/static-files/e8307fb9-c40b-4fee-abf9-3209c76ab08d)

전반적으로 노광장비에 의한 미세화보다 장비의존도가 낮은 병목이 크게 많아지고, 핵심 장비가 ASML 한개 회사에서 여러 회사에 분산됨.

또한 핵심장비의 기술적 난도는 EUV보다 낮아서, 중국이 국산화를 하기 좀 더 쉬움.

[E] 그래서 경제적으로 어떤 의미를 갖나?

E-1:  4f는 중국이 euv없이도 집적도를 높일수 있는 기술이다

원가율을 낮추고 마진율을 높이며

동일 캐파에서 더 많은 비트를 생산하게 만드는 기술이기도 하다.

euv부재는 중국 반도체가 한국에대해 열위에 있는 핵심 이유인데, 4f는 그걸 어느정도 극복할수 있단것임.

따라서 경쟁 측면에서 4f는 중국이 한국을 추격하기 힘든 미세화를 대신하는 우회로가 될것임.

4f나 3d디램 기술이 발달할수록, euv 유무에 의한 우위는 희석됨(완전히 사라지진 않음).

즉 수직화 계열이 발달할수록, 미국형님의 중국 노광장비 규제만 믿어왔던 시나리오는 수정해야한단것임.

E-2:  중국의 원가율이 낮아지면 치킨게임 시나리오는 현실성을 갖는다

중국이 원가율에서 한국 메모리를 이길수 없는게 현재 메모리에서 치킨게임이 발생할수 없는 이유중 하나임.

자기 원가율이 훨씬 높은데 치킨게임을 걸면 자기가 먼저 목이 졸리니까. 그러나 4f같은 기술로 원가율을 낮추면

일단 최소한의 치킨게임 성립 조건은 갖추게 됨. 원가율이 크게 차이가 나지 않거나 자신이 더 낮아야 한단 조건.

E-3:  4f는 비트공급량을 늘린다

내가보기엔 이게 가장 중요한 함의임. 여태 내가 중국 메모리의 부상에도 불구하고 메모리 공급부족이 완화되지

않을거라고 판단한 이유중 하나는, 중국의 비트 생산량이 공장 캐파에 비해 낮기때문임. 삼닉마가 공장을 1단위 추가로 지으면

비트가 1 더 생산된다 할때, 중국은 공장을 1 추가로 지으면 비트는 0.8정도 증가하는 상황임 현재.

그러나 수직화 기술로 캐파대비 비트생산량이 증가한다면, 전세계 메모리 공급량 증가 속도는 내가 예상한것보다 더 빨라질것임.

즉 이건 경쟁 문제가 아니란것임. 중국도 한국도 미국도 다 수직화에 성공해서 비트생산량이 늘어나면

공급량이 크게 증가하게되는데, 만약 그게 수요를 앞선다면 메모리가격은 크게 떨어질수 있으니까.

E-4:  병목은 분산된다

첨단로직칩과 첨단메모리 미세화는 노광이 핵심병목이었고, 그건 ASML의 장비로 가능했음.

4f에선 병목이 더 여러 공정에 분산되며, 장비도 여러 회사에 분산됨.

또한 장비 의존도가 높은 공정보다, (hbm본딩처럼) 제조사 역량이 더 중요한 공정이 더 많아짐.

이는 삼닉 입장에선 미국의 규제에대한 의존도가 낮아진다는 좋은 의미와 

중국 역시 euv에서보다 미국 규제에 덜 아프게 맞는다는 나쁜 의미가 동시에 있는것임.

E-5:  그러나 어쨌든 삼닉도 저 기술을 한다

그리고 그건 원가율을 낮춘다. 그러니 시나리오는 6개 경우의수를 생각할수 있음.

1. 중국이 먼저 수직화 성공, 메모리 공급은 여전히 부족: 삼닉마는 잘 벌지만 중국의 마진이 더 높아짐.

2. 중국이 먼저 수직화 성공, 메모리 공급 과잉: 메모리 가격은 하락하기 시작하며 삼닉은 중국보다 더 손해를 봄.

3. 삼닉이 먼저 수직화 성공, 메모리 공급은 여전히 부족: 삼닉의 이익은 오히려 지금보다 더 증가함.

4. 삼닉이 먼저 수직화 성공, 메모리 공급 과잉: 메모리 가격은 하락하기 시작하며 창신은 불리한 치킨게임 상황에 처하게됨.

5. 모두 수직화 성공, 메모리 부족: 모든 메모리사는 지금보다 더 높은 마진율을 달성.

6. 모두 수직화 성공, 메모리 공급과잉: 치킨게임

투자자 입장에선 3,5가 베스트지. 그 다음은 1과 4인데, 만약 다시 가혹한 다운사이클이 온다면, 다시한번 삼닉은

치킨게임으로 다른 메모리기업을 죽일수 있을지도 모름. 얼마나 다운사이클이 가혹하냐, 그리고 중국 정부가 얼마만큼

대가를 치르며 적자를 메꿔줄수 있느냐가 핵심이겠지.

E-6:  대 중국 규제는?

4f를 하기 위한 기술과 장비, 재료에 대해서도 미국은 규제를 하고 있고, 더 할 예정임. 따라서 4f에서도 여전히 한국과 미국은 중국보다

유리한 위치에 있다 할수 있음. 그러나 노광장비 미세화 만큼의 유리함은 아님. 

E-7:  한국 소부장은?

미세화에선 노광장비가 핵심이고 그건 ASML이 독점임. 그러나 수직화에선 더 여러 공정에 병목이 분산되고,

의외로 한국 기업도 꽤나 하는듯함. 일단 AI가 언급하는건 주성,원익IPS,세메스,피에스케이,유진테크 등인데, 내가 이건

제대로 조사해본건 아니니 각자 알아서 하고. 그러나 어디까지나 노광장비해 비해 해외기업과의 격차가 작다는거지

한국 기업이 우위란건 아님. 여전히 가장 고급 장비는 AMAT, 램리서치, 도쿄일렉트론, ASM(ASML아님) 등 해외 기업이 만듬.

이게 한국 소부장에게 어떻게 작용할진 모르겠음. 왜냐면 말했듯 집적 자체가 메모리사의 마진을 높이는 방법이기 때문임.

일반적인 제조업의 증설은 Q를 늘리는거라 설비 증설의 수혜를 받는 장비, 건설, 인프라 기업이 돈을 벌지.

근데 반도체의 Q증가는 (캐파증가*집적도증가)로 이루어짐. 반도체기업이 수율을 잘 뽑고 장비값은 후려치면

아무리 Q사이클이라도 이익 성장률이 반도체기업이 더 높을수 있음. 그리고 실제로 여태 계속 그래왔음. 적어도 지난 1년간은.

[F]  정리

1. f4는 집적의 두가지 방법중 하나.

2. 집적은 마진율을 높이고 공급량도 늘림. 

3. 중국은 노광장비 규제로 미세화를 통한 집적에 어려움을 겪고 있으므로 수직화 집적은 그 돌파구가 됨

4. 수직화에 필요한 장비도 미국이 규제하지만, 노광장비보다 국산화, 접근이 쉬움

5. 삼닉은 여전히 미세화, 수직화 양쪽에서 유리하지만, 수직화에선 미세화에서만큼 유리하진 않음

6. 장기적으로는 미세화는 물리적 한계에 먼저 도달할것이고 수직화가 중요해질것

7. 공정과 장비 병목은 미세화와 달리 분산되고, 제조사 역량이 더 중요해짐

8. 4f기술에서도 삼닉은 창신보다 앞서있음

9. 메모리 수요가 계속 성장해 공급을 앞선다면 4f는 지금보다 더 높은 마진율을 가능케할수 있음

10. 메모리 수요가 그다지 성장하지 않고 4f에 의한 공급은 증가된다면 메모리가격은 하락할수 있음

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• 아크로4F^2 기술로인해 창신이 가격에서 경쟁력을 확보한다면 치킨게임으로 이어질 우려가있는거네 삼닉이 주주환원을 안하겠구나.... 대X창 예정 - dc App
• 마약과다복용개추드립니다. 다만 EUV도 없고 NAV도 15년 이상된 장비만 갖고있는 CXMT가 과연 4F2 수율을 맞출 수 있을지 의문이네요. 아무리 석박사급 넘쳐나도 물리적으로 해결할 수 있을지 의문.
• ㅇㅇ삼전도 28년 예정인데, 올해말에 바로 전환한다고 하는거 보면 반도체 굴기때매 무리하는거 같음. gaa 먼저 도입했다가 수율 박살나고 점유율 줄어든 삼파랑 비슷하게 가지 않을까
• 미야코증권그래서 삼닉 30 200 오나요?