이석희 SK하이닉스 대표이사 사장이 극자외선(EUV)을 이용한 첨단공정에서 D램 생산을 준비하고 있다.

내년부터 D램시장이 본격적으로 호황을 맞이할 것으로 예상되는 만큼 이 사장이 극자외선 공정의 경쟁력을 얼마나 끌어올리느냐에 따라 SK하이닉스의 향후 메모리반도체사업 실적이 달라질 것으로 전망된다.
 

25일 SK하이닉스에 따르면 2021년 초 4세대 10나노(1a)급 D램을 생산하는 것을 목표로 이천사업장 M16공장에 극자외선 공정 기반 생산라인을 구축하고 있다.

M16공장은 올해 말 완공될 것으로 예정됐다.

극자외선 공정은 웨이퍼에 반도체 회로를 그리는 노광 공정에서 불화아르곤(ArF)레이저 등 기존 광원보다 파장이 짧은 극자외선을 이용해 더 미세한 회로를 구현하는 기술을 말한다.

반도체는 회로 폭이 가늘어질수록 성능과 전력 효율 등이 향상된다.

극자외선 공정은 이전에는 시스템반도체에만 쓰였는데 최근 메모리반도체로 적용폭이 넓어지고 있다. 삼성전자가 그 대표주자다. 

삼성전자는 8월부터 평택사업장에서 극자외선 기반 3세대 10나노(1z)급 모바일D램을 생산하기 시작했다. 3월에는 극자외선 공정에서 만들어진 1세대 10나노(1x)급 DDR4 D램 모듈 100만 개 이상을 글로벌 고객사에 공급해 평가를 마쳤다.

삼성전자에 이어 D램시장 2위인 SK하이닉스도 극자외선 공정 채비에 분주하지만 아직 갈 길이 멀다. 특히 극자외선 공정 전용 노광장비를 확보하는 일이 쉽지 않다.

극자외선 노광장비는 네덜란드 반도체장비기업 ASML에서 독점적으로 생산된다. 대당 1500억~2천억 원에 이를 만큼 비싼 데다 연간 생산수량도 적다. 2019년 출하량은 26대에 그쳤다.

앞서 삼성전자는 반도체 위탁생산(파운드리)사업을 하며 대만 파운드리기업 TSMC를 상대로 치열한 수주경쟁을 벌여 극자외선 노광장비를 상당 부분 차지했다. 반면 SK하이닉스는 극자외선 공정에 뒤늦게 진입하는 만큼 장비 보유량이 많지 않다.

유안타증권이 조사한 반도체기업별 극자외선 노광장비 보유현황을 보면 삼성전자는 17대, TSMC는 37대, 인텔은 13대를 들고 있다. SK하이닉스 보유량은 2대에 불과하다. 

물론 삼성전자 장비가 모두 메모리반도체에만 사용되는 것은 아니다. 삼성전자는 현재 D램 생산에 극자외선 장비 2대를 투입하고 있고 내년에도 2대만을 더 추가할 것으로 알려졌다. 

언뜻 SK하이닉스와 큰 차이가 없는 것처럼 보인다. 하지만 삼성전자는 SK하이닉스와 달리 D램과 파운드리 생산라인에서 극자외선 공정을 공유해 비싼 장비를 도입하는 데 따른 고정비 부담을 줄일 수 있는 것으로 분석된다.

SK하이닉스는 초기 극자외선 공정 적용에 따른 수율(생산품 대비 양품 비율) 부담도 이겨내야 한다. 극자외선 공정에서는 이전과 다른 장비, 다른 소재를 사용해야 하기 때문에 높은 수율을 내기까지 적지 않은 시간이 필요한 것으로 여겨진다.

도현우 NH투자증권 연구원은 “삼성전자의 공격적 1z 극자외선 도입은 득보다 실이 클 수 있다”며 “새로운 장비 도입으로 투자비용이 늘어나는 데다 수율상 손해가 나타날 수 있다”고 말했다.

삼성전자는 그나마 파운드리사업을 통해 극자외선 공정을 운영한 경험이 많지만 SK하이닉스는 그렇지 못하다는 점에서 더 불리한 위치에 있다는 해석이 가능하다.

이재윤 유안타증권 연구원은 “2022년 하반기부터 극자외선 기반 D램이 글로벌 시장 주류로 안착하면서 삼성전자와 후발업체들의 기술격차는 재차 확대될 것으로 예상된다”고 말했다.

이석희 사장은 이런 문제들을 해결하기 위해 2019년 초부터 SK하이닉스 사내 연구기관 미래기술원 산하에 극자외선 공정을 전문적으로 연구개발하는 태스크포스(TF)를 운영하며 극자외선 공정의 경쟁력 강화에 힘을 쏟고 있다.  

또 극자외선 장비 구매도 지속해서 추진하는 것으로 파악된다.

이재윤 연구원에 따르면 SK하이닉스는 2021년 극자외선 장비 1대를 추가해 장비 보유량을 3대로 늘린다는 계획을 세웠다. 극자외선 공정 안정화에 1~2년을 들여 2022년 하반기부터 일부 D램 양산을 시작할 수 있을 것으로 전망됐다.

이 사장은 극자외선 공정 추진에 관한 시장의 우려를 가라앉히기 위해 실적발표에서 직접 관련 내용을 밝히기도 했다.
 

그는 3분기 SK하이닉스 실적 콘퍼런스콜에서 “이천 M16공장에는 극자외선 전용 청정실(클린룸)이 마련돼 있고 장비도 예정대로 입고될 것으로 보인다”며 “극자외선 장비에 관한 역량은 이미 연구소에 있는 장비를 통해 충분히 확보된 상태”라고 말했다.

D램 수요가 늘고 성능이 고도화하는 가운데 SK하이닉스 등 메모리반도체기업들의 극자외선 공정 경쟁력은 갈수록 중요해지고 있다.
 
증권업계 분석을 종합하면 2021년부터 한동안 글로벌 D램시장이 큰 폭으로 성장할 것이라는 의견이 지배적이다. 

삼성전자와 SK하이닉스가 기존 D램 생산라인을 이미지센서용으로 전환해 D램 공급이 줄어드는 반면 데이터센터기업 쪽에서는 서버 증설에 따른 D램 수요가 늘어날 공산이 크기 때문이다. 

인텔은 기존보다 성능이 개선된 서버용 중앙처리장치(CPU)를 내년 출시하는 것으로 알려졌다. 이에 따라 데이터센터기업들은 데이터센터 서버 교체 및 확대를 준비하고 있다.

송명섭 하이투자증권 연구원은 “4분기부터 메모리반도체 고객사들의 서버용 D램 재고는 축소되는 것으로 판단된다”며 “서버용 D램 출하비중이 유지되면 2021년의 D램 수급은 5.0%의 공급부족으로 전환될 것”이라고 내다봤다.

D램의 새로운 규격인 DDR5 제품 수요도 2021년부터 본격적으로 발생해 D램시장 성장에 기여할 것으로 예측된다. DDR5 D램은 이전 규격 DDR4 D램과 비교해 데이터 전송속도는 2배가량 빨라지면서도 전력 소비는 20%가량 줄어든다.

박유악 키움증권 연구원은 “DDR5 D램은 2021년 PC용 D램 10%, 서버용 D램 15%를 차지할 것”이라며 “D램산업은 2021년 상반기 공급부족에 진입한 뒤 2022년까지 2년 동안 장기호황을 이어갈 것으로 보인다”고 말했다. [비즈니스포스트 임한솔 기자]