[반도체 산업 기초 정리] 설계부터 검사까지, 밸류체인 완벽 해부!

반도체 산업 기초 내용

 

안녕하세요, 혁쌤입니다!

오늘은 전 세계 경제와 기술 패권의 핵심, 반도체 산업의 기초 개념을 정리해보려 합니다. 특히 반도체 밸류체인 전반을 쉽게 이해할 수 있도록 설계 → 제조 → 패키징 → 검사 공정과, 이와 연결된 소재·부품·장비(소부장) 산업까지 폭넓게 설명드릴게요.

 

I. ✅ 반도체 산업 개괄

 

산업 내 밸류체인에 따른 구분은 다음과 같습니다.

구분	내용	주요 기업
IDM	설계 + 공정 + 후공정	삼성전자, SK하이닉스, Micron, Intel
설계(팹리스)	회로 및 반도체 기능 설계	엔비디아, 퀄컴, AMD
제조(파운드리)	설계된 회로를 실제로 웨이퍼에 구현 수율 확보가 핵심	TSMC, 삼성전자, 인텔
패키징(후공정)	칩을 보호하고 연결하는 구조 형성	ASE, Amkor Technology
디자인하우스	반도체 제조용 설계 도면 제작	GUC, 가온칩스, 에이직랜드, 에이디테크놀로지

 

구분	설계	웨이퍼 생산	패키징	판매, 유통
IDM	O	O	O	O
IP기업	O	-	-	-
팹리스	O	-	-	O
디자인하우스	O(부분)	O(부분)	-	-
파운드리	-	O	O	-
OSAT	-	-	O	-

1. 반도체 구분

 

반도체는 크게 메모리 반도체와 비메모리 반도체(시스템 반도체)로 구분됩니다.

• 메모리 반도체: 정보를 저장 (예: DRAM, NAND)
• 비메모리 반도체: 정보를 처리 (예: CPU, GPU)

 

가. 메모리 반도체

메모리 반도체는 데이터를 기억하는 장치입니다. 국내 반도체 산업은 메모리 중심으로 성장을 지속해왔습니다. 대표적인 예가 삼성전자와 SK하이닉스죠. 메모리반도체는 소품종 대량생산되는 특징이 있기 때문에 재고 축적과 그에 따른 주기(Cyclical)가 있는 특성이 있습니다. 전원 차단 시 데이터 저장 가능 여부에 따라 DRAM 과 NAND로 구분됩니다. 

 

A. DRAM

DRAM은 데이터를 빠른 속도로 읽고 쓸 수 있는 반면, 지속적으로 전기를 공급해야 데이터가 보존됩니다. 사람(CPU)가 사용하는 책상으로 비유를 할 수 있는거죠.

 

- 주요 수요처는 AI 용 서버, 스마트폰으로 구분할 수 있습니다.

- 삼성전자(43%)와 하이닉스(34%)가 도합 70% 이상의 시장점유율을 가져가는 과점 시장으로 볼 수 있습니다.

- 최근 기술 발전 트렌드는 미세화로, 18nm -> 16nm -> 15nm -> 14nm -> 12.8nm 등 계속 작아지고 있습니다.

 

약 2년 전부터 핫한 HBM이 DRAM에 포함됩니다. 

 

B. NAND

NAND는 DRAM에 비해 속도가 느리지만, 전기 공급 여부와 관계없이 데이터가 유지돼요. 사람이 책상에서 하던 일을 보관하는 서류함 정도로 생각하면 좋을 것 같습니다.

 

- 주요 수요처는 스마트폰, PC, AI 서버 등입니다.

- 삼성전자, Kioxia, SK하이닉스, Micron 등 DRAM과는 달리 경쟁 시장으로 볼 수 있습니다. 그렇기 때문에 DRAM 대비 수익성이 낮다는 특성이 있죠.

- 최근 기술 발전 트렌드는 고층화입니다.

- NAND 제품은 HDD(대용량)와 SSD(빠른 속도, 내구성)

 

나. 비메모리 반도체

비메모리 반도체는 메모리 반도체 이외의 제품을 통칭하는 말로, 논리/연산/제어 등 복합적인 기능을 수행하는 반도체로 다품종 소량생산되는 특징이 있습니다. 그렇기 때문에 분업화에 대한 필요성도 높습니다. 비메모리 반도체는 크게 CPU, GPU, AP 3가지로 구분됩니다. 

 

구분	특성	용처
CPU (Central Processing Unit)	컴퓨터 중앙처리 장치로, 복잡한 데이터 처리 용이	데이터센터, PC
GPU (Grpahics Processing Unit)	그래픽 처리 장치, 간단한 데이터 처리 용이	게임용 PC, AI 서버
AP (Application Processor)	SoC로, CPU + GPU가 하나의 칩에 통합	스마트폰

참고) 비메모리 반도체 생태계에 분포되어있는 회사는 다음과 같습니다.

 

구분	팹리스	디자인하우스	파운드리	OSAT
국내	엔비디아, AMD, 퀄컴, 브로드컴	GUC, AIchip, Global Unichip	TSMC, UMC, SMIC	ASE, AMKOR, SPIL
해외	넥스트칩, 텔레칩스, 칩스앤미디어, 제주반도체, 동운아나텍	가온칩스, 에이디테크놀로지, 에이직랜드	DB하이텍, 삼성전자, SK하이닉스	네패스, 두산테스나, 하나마이크론, SFA반도체

A. AI Chip

AI  Chip은 제일 뛰어난 GPU라고 생각하시면 편해요. 그런 맥락으로 엔비디아가 엄청난 매출 증가 폭을 보여줬죠. AMD, Intel이 엔비디아의 뒤를 잇고 있으나, 매출액 기준 점유율은 엔비디아가 90%를 상회하는 압도적인 지배력을 과시하고 있어요. 

주요 수요처는 빅테크 업체들입니다. AI의 기능이 다양해짐에 따라 AI Chip 수요가 폭발적으로 증가한거죠.

 

한 산업 내 독점적 지위를 가진 공룡이 나타나면 폐해가 있죠. 바로 배째라는 식의 장사가 이어질 수 있다는 겁니다. 수요처인 빅테크 입장에서 엔비디아의 칩은 비싸고 오래걸리기 때문에, 자신의 입맛에 맞는 칩을 설계해 파운드리에서 생산하고 있습니다.

 

Ex) Google - TPU, AWS - Tranium, Tesla - Dojo 등

 

 

2. 제작과정 모아보기

구분	주요 역할	핵심공정
팹리스	회로 설계	RTL → GDS 파일 출력
파운드리	회로 제조	노광, 식각, 이온주입, 증착, 평탄화
OSAT	조립 및 검사	다이싱, 본딩, 몰딩, 테스트

 

① 팹리스(Fabless) – 반도체 회로 설계

‘팹리스’는 반도체를 설계만 하고 생산은 외부에 위탁하는 걸 말합니다.
이 단계에서는 실제 실리콘 위에 회로를 새기기 전, 다음과 같은 과정을 거칩니다.

🧠 팹리스 공정 상세

1. 제품 기획 및 아키텍처 구성
   • 어떤 기능을 가진 반도체를 만들 것인지 결정
   • 소비 전력, 처리 속도, 통신 방식 등 요구 사양 설계
2. RTL(Register Transfer Level) 설계
   • 하드웨어 기술언어(HDL)로 회로의 동작을 논리적으로 표현
   • 기능 시뮬레이션 진행
3. 합성(Synthesis)
   • RTL 코드 → 실제 게이트 수준 회로로 변환
   • 논리 합성 도구를 사용하여 최적화된 논리 회로 생성
4. 배치 및 배선(Layout & Routing)
   • 각 소자(트랜지스터 등)를 웨이퍼 상에 배치
   • 신호가 오가는 배선도 결정
5. 검증(Verification)
   • 실제 제조 전에 기능·전력·타이밍 등을 사전에 시뮬레이션
   • P&R 검토 및 DRC, LVS 검증
6. GDSII 파일 생성
   • 최종 설계 데이터를 Mask용 GDS 파일로 출력
   • 파운드리(제조) 단계에 넘김

 

② 파운드리(Foundry) – 회로를 실리콘에 구현하는 제조 단계

파운드리는 설계 데이터를 기반으로 실제 실리콘 웨이퍼 위에 회로를 구현하는 공정입니다. 

 

🏭 파운드리 공정 상세

1. 웨이퍼 준비
   • 단결정 실리콘을 얇게 절단한 웨이퍼(12인치 기준) 사용
2. 산화(Oxidation)
   • 웨이퍼 표면에 산화막(SiO₂)을 형성하여 절연층 생성
3. 포토 공정(Photolithography)
   • 마스크를 통해 빛을 쪼여 회로 패턴 전사
   • 포토레지스트(PR) 감광제 도포 → 노광(Exposure) → 현상(Develop)
4. 식각(Etching)
   • 노출된 산화막 또는 금속층 등을 화학적/물리적으로 제거
   • 건식 식각(Dry), 습식 식각(Wet) 등으로 구분
5. 이온 주입(Ion Implantation)
   • 웨이퍼에 불순물 주입 → 트랜지스터 특성 부여
6. 증착(Deposition)
   • 절연막/금속막 등을 웨이퍼 표면에 증착
   • CVD, PVD, ALD 방식 사용
7. 평탄화(CMP, Chemical Mechanical Polishing)
   • 표면을 매끄럽게 다듬어 다음 층 쌓기 용이하게 함
8. 반복 공정
   • 수십~수백 회 반복하여 여러 층 회로를 형성
9. E-Test(Wafer Probe Test)
   • 생산된 웨이퍼 단위로 전기적 특성 테스트 진행
   • 이상 유무 판단

 

③ OSAT (Outsourced Semiconductor Assembly and Test) – 후공정: 조립 및 검사

제조된 칩은 전자기기와 연결되기 위해 패키징 및 최종 검사 과정을 거쳐야 합니다.

📦 OSAT 공정 상세

1. 다이싱(Dicing)
   • 웨이퍼에 있는 개별 칩(Die)을 절단
2. 본딩(Bonding)
   • 다이를 기판(Substrate) 위에 부착
   • 전기 신호를 연결하는 금속선(Wire) 또는 범프(Bump)를 연결
3. 몰딩(Molding)
   • 외부 충격·습기로부터 칩을 보호하는 플라스틱 재료로 밀봉
4. 리드프레임 및 볼 배치(Ball Placement)
   • 전자기기와 연결될 수 있도록 패키지 하단에 전도성 볼이나 핀 부착
5. 패키지 테스트(Final Test)
   • 실제 동작 테스트 → 전기적 기능, 소비전력, 신호 지연, 결함 여부 확인
6. 출하(Shipping)
   • 검수 완료된 제품만 고객사 납품

 

📝 정리하며

반도체는 AI, 스마트폰, 자동차, 국방, IoT 등 거의 모든 산업의 핵심 인프라입니다. 기초 지식을 바탕으로 밸류체인 구조와 각 공정의 역할을 이해하면, 관련 기업들의 주가 흐름이나 산업 이슈도 훨씬 명확하게 볼 수 있습니다. 앞으로 이 시리즈를 통해 반도체를 완벽분석해보도록 하겠습니다! 감사합니다.