"차세대 메모리 개발 적기, 앞으로 5년...혁신 소재 개발 시급"

SEMI, 19일 전자 재료 컨퍼런스 'SMC Korea 2020' 개최

현재 반도체 업계는 D램과 낸드플래시 미세화의 한계에 도달했다. D램은 낸드플래시와 비슷한 특성을 갖춘 적층형 D램에 대한 연구·개발을, 낸드플래시는 메모리 성능향상을 위한 소자개발 및 새로운 아키텍처를 위한 기술개발이 필요한 시점이다. - 황철성 서울대 교수.

최근 반도체 시장에서는 앞으로 인공지능과 관련된 반도체가 어떻게 성장할 것이냐가 최대 관심사다. 향후 인공지능을 적용한 반도체 시장은 50% 이상 성장할 것으로 전망된다. 소프트웨어부터 하드웨어에 이르기까지 다양한 비즈니스 기회가 생겨날 것이다. - 김대현 PwC 컨설팅 이사.

앞으로의 반도체 산업 발전을 위해서는 소재 업체와 반도체 칩셋 제조업체의 협력이 매우 중요하다. 소재 자체의 품질은 물론 품질을 관리하고, 빅데이터와 머신러닝을 이용해 제조공정에서 이상 유무를 체크할 수 있는 형태의 협력이 필요하다고 본다. - 박형순 SK하이닉스 수석.

반도체 미세화의 한계로 소재의 품질이 더욱 중요해지고 있다. 제조 과정에서 발견하지 못한 품질 이슈는 엄청난 피해를 야기할 수 있다. 원재료 수급부터 사용에 이르기까지 공급망을 체계적으로 관리할 수 있는 객관적인 지표가 필요하다고 본다. 삼성전자는 자체적으로 종합품질지수를 만들고, 매년 협력사들과 소통하면서 이를 고도화하고 있다. - 최삼종 삼성전자 그룹장.

국제반도체장비재료협회(SEMI)가 19일 개최한 전자 재료 컨퍼런스 'SMC Korea 2020'에서는 최근 반도체 업계의 화두인 '초미세 공정'의 난제를 해결하려는 방법으로, 신소재 개발 및 디지털 인프라를 활용한 업무 프로세스 혁신 등이 제시됐다.

특히, 황철성 서울대 재료공학부 석좌교수는 이날 기조연설에서 한국 반도체 기업들이 강점을 지닌 메모리 반도체(D램, 낸드플래시) 시장에서 주도권을 지속 이어가기 위해 당장 혁신 소재 및 새로운 아키텍처(설계구조)에 기반한 차세대 메모리 개발에 나서야 한다고 강조해 눈길을 끌었다.

삼성전자 반도체 공장의 제조 공정 모습. (사진=삼성전자)

황철성 교수는 "D램의 경우, 2017년부터 미세공정화가 늦춰지면서 이제는 구조나 소재를 바꿔야 하는 시기를 맞이한 것 같다"며 "(반도체 업계도) 현재의 D램 구조가 한계에 도달했다고 보고, 페로브스카이트 등의 신소재 적용이나 구조 측면에서 적층형 D램에 대한 적용을 모색하고 있다. 지금까지의 기술 트렌드를 보면 대략 2025년에는 한계를 극복할 수 있는 시기가 도래할 수 있다고 보여지고, 이에 지금부터 적층형 D램에 대한 연구·개발에 나서야 한다고 본다"고 강조했다.

또 "낸드플래시 미세화 추세 역시 2013년과 2014년 사이에 24단 3D 낸드플래시가 처음 등장했지만, 실제 이에 대한 연구·개발은 5년 전부터 이뤄진 것을 보면 앞으로의 한계까지 남은 시간은 6~7년에 불과하다"며 "적층형 낸드플래시의 한계는 400~500층 사이로 예상, 이를 극복하기 위해 새로운 이온 물질 및 소자개발, 차세대 메모리 기술들을 적층형 아키텍처에 적용하는 기술개발이 필요한 시점이다"라고 덧붙였다.

김대현 PwC 컨설팅 이사는 국내외 대표 반도체 기업이 인공지능 기술과 네트워크 인프라를 통해 연구·개발부터 제품 양산에 이르는 업무 프로세스를 성공적으로 혁신하는 최근의 디지털 트랜스포메이션(DX) 사례를 들어 이목을 끌었다.

디지털 트랜스포메이션이 반도체 업체의 혁신 기술 개발을 위한 업무 프로세스로 주목받고 있다. (사진=이미지투데이)

김대현 이사는 "최근 글로벌 반도체 기업들은 인공지능 기술을 통해 고객의 수요를 미리 파악, 이에 맞는 제품을 개발하는 전략을 수립하는 부분부터 연구·개발 과정에서도 데이터와 연계해 이를 분석하는 움직임(디지털 R&D)이 늘고 있다"며 "머크의 경우, OLED 재료 분야에 진출하기 위해 인공지능 기술로 타깃 시장을 확정하고 이에 맞는 소재를 개발, 현재는 여기서 나아가 시장 저변을 확장하는 데 데이터를 활용하고 있다"고 소개했다.

또 "글로벌 화학업체들의 경우, 연구·개발 부서 연구원들에게 디지털 노트를 지급해 아이디어 스케치까지 모두 데이터화될 수 있도록 지원하고, 각 팀이 함께 아이디어를 개발하는 형태로 디지털 R&D를 실현하고 있다"며 "국내의 경우, 소재 기업들이 엔터프라이즈 데이터 플랫폼 도입을 늘리며, 연구·개발부서와 소통할 수 있는 채널을 확대하는 추세로, 이 채널을 통해 맞춤형 데이터 분석부터 생산관리시스템(MES), 연구·개발, 양산을 연계하는 시스템을 구성하고, 이러한 시스템을 통해 데이터를 분석할 수 있는 체계를 구축 중"이라고 전했다.

박형순 SK하이닉스 수석은 반도체 미세화의 한계 극복을 위해 진행 중인 디지털 트랜스포메이션 추진 사례와 함께 이를 해결하기 위한 혁신 소재개발 방향을 밝혀 주목을 받았다.

박형순 수석은 "공정 미세화로 인한 난이도가 증가하면서 장비 및 소재의 미세한 차이에도 공정 이상이 일어날 수 있고, 이를 해결하기 위해서는 빅데이터를 활용한 알고리즘 업데이트가 필요하다"며 "칩메이커와 BP사는 물론 장비업체 간의 협력이 매우 중요하고, 나아가 소재에서도 메인 업체와 서브 업체까지 철저한 품질관리(QC)가 이뤄져야 한다. SK하이닉스는 여러 국내 업체와 주기적으로 협력의 장을 마련해 이와 관련된 논의를 활발히 진행 중으로, BP사들의 역량이나 집중하는 부분들에 대해 소통하면서 함께 발전할 수 있도록 노력할 방침"이라고 강조했다.

ASML의 EUV 노광장비. (사진=ASML)

혁신 소재개발 동향과 관련해서는 "반도체 업계의 기술 트렌드는 크게 D램 미세화, 낸드 고적층화, 생산형 향상 등으로 꼽을 수 있는데 D램 미세화 측면에서는 멀티패터닝 증가에 따른 ArF(불화아르곤) 이머전 장비의 비용 효율화를 위한 혁신 소재개발이 필요하고, EUV(극자외선) 장비 역시 생산성을 높일 수 있는 포토레지스트 개발과 재료혁신이 필요하다"며 "낸드는 고적층화에 따른 종횡비(aspect ratio) 증가로 공정난이도(에칭)가 높아지는 것에 대응해 신뢰성을 높일 수 있는 새로운 프리커서 및 하드마스크 개발이 필요하다. 현재 ALD(원자층 증착)을 활용하고 있지만, 종횡비가 너무 커서 100% 구현이 어렵다는 한계가 있다"고 전했다.

최삼종 삼성전자 그룹장은 삼성전자가 반도체 품질 향상을 위해 내부에서 모색 중인 품질관리 가이드라인을 소개해 눈길을 끌었다.

최삼종 그룹장은 "삼성전자가 생각하는 반도체 소재 품질의 개선 미션은 제품에 아주 적합한 소재들이 선제적으로 디자인되고, 항상성 있게 적기에 공급돼야 한다고 정의하고 있다"며 "(공정의 미세화로 인해) 최근 소재 신뢰성 문제는 대기의 온도나 습도, 보관 방법 등의 미세한 변화가 제품에 영향을 미치는 수준으로, 단순히 소재의 물리적 개념이 아닌 보다 발전된 품질에 대한 개념으로 접근이 필요하다. 삼성전자는 자체적인 종합품질지수를 통해 이를 평가하고, 개선하는 작업을 진행 중이다"라고 설명했다.

지난해 4월 열린 삼성전자 '시스템 반도체 비전 선포식' 현장. (사진=삼성전자)

이어 "품질경영시스템 규격도 기존 ISO 9001에서 IATF 16949 표준에 따라 진행, 이밖에 다양한 통계적 기법을 통해 실질적인 빅데이터를 어떻게 활용할 것인지 고심하고 있고, 일례로 7Q라는 새로운 기법을 통해 절차부터 프로세스, 속도 등을 포함한 업무 시스템을 표준화하고 있다"며 "또 미세한 품질변화가 신규 제품에 엄청난 영향을 미칠 수 있는 만큼 앞으로는 하나의 통합 시스템으로 관리하고, 쌍방 소통할 수 있는 방향을 모색하고 있다. 파트너사와 소통해 효율적으로 데이터를 취급할 수 있는 방안도 연구하고 있다"고 덧붙였다.