[필독] 반도체 산업 리포트 : 2023년 기대되는 신규 장비와 소재

 

 

 

 

반도체산업 - 2023년 기대되는 신규 장비와 소재 (NH투자증권)

 

 

 

2023년 하반기 반도체 업황 개선 예상
4Q21부터 시작된 메모리 반도체 다운 사이클은 2Q23에 저점을 찍고 3Q23부터 개선될 것으로 예상. 과거 경험상 주가는 업황에 6개월가량 선행하므로 반도체 관련 업체들의 주가 바닥은 4Q22가 될 것으로 전망. 이를 감안하면 현재는 반도체 업황 둔화를 이유로 주식을 매도해야 하는 것이 아니라 매수 관점에서 접근해야 할 시점. 반도체 장비와 소재 업체들도 유사한 주가 흐름을 보일 것으로 예상. 2Q23 업황 저점 예측은 수요보다는 공급 요인에 기인. 부진한 업황을 해소하기 위해 삼성전자, SK하이닉스, Micron, Kioxia 등 주요 업체들이 2023년 투자를 크게 줄여 공급을 감소시키는 전략을 시행할 것. 업체별로 신규 Capa 관련 Capex를 최소 전년 대비 50%에서 80% 가까이 줄일 계획. SK하이닉스와 Micron은 2023년 투자를 50% 줄이기로 했고 Kioxia는 NAND 생산량을 30% 줄이기로 함.


하이브리드 본딩, SiC, ALE, ASE 등 장비와 기술에 주목
향후 3D NAND 집적도 향상 관련해서는 적층 수 증가보다는 피치 축소와 소재 변경에 기술이 집중될 것, ASD, ALE 등 차세대 장비 양산 도입, SiC 반도체 확산, 3D 패키지의 대세화 등도 트렌드. 이로 인해 장기적 수혜가 가능한 업체로는 파크시스템스, 한미반도체, 솔브레인, LX세미콘 등이 있음. 현재 업계는 25nm 피치의 3D NAND 공정을 개발 중임. 이를 위해 새로운 소재가 필요. 최근 식각 허용 오차가 1nm 수준까지 줄어들어 ALE의 필요성이 증가. ASD는 현재 적용 중인 Cu 외에 향후 Co, Ru, Mn, W 등 물질에도 적용 예상. 범프 사이즈 10㎛ 이하에 적용되는 하이브리드 본딩은 2022년부터 양산에 적용되기 시작. 습식 레지스트를 대체할 건식 레지스트 공정 양산이 2023년 시작될 전망.

 

 

 

1. 메모리 반도체 업황은 2023년 하반기 개선

 

1) 메모리 다운 사이클 저점은 2023년 상반기 4Q21부터 시작된 메모리 반도체 다운 사이클은 2Q23에 저점을 찍고 3Q23부터 개선될 것으로 예상함.

 

2) 과거 경험상 주가는 업황에 6개월가량 선행하므로 반도체 관련 업체들의 주가 저점은 4Q22가 될 것으로 보임.

 

3) 이를 감안했을 때 현 시점은 반도체 업황 둔화를 이유로 관련 업체 주식을 매도하는 것이 아니라 매수 관점에서 접근해야 할 시점임.

 

4) 2Q23 업황 저점 예측은 수요보다는 공급에 기인하며, 일반적인 업황에서 3~4주 정도를 유지하는 DRAM, NAND 재고가 현재 12주를 상회하고 있음.

 

5) 3Q22 -20% 수준을 기록한 DRAM ASP는 4Q22에도 -19% 수준을 기록하고 1Q23에도 -10% 정도를 기록할 것으로 예상됨.

 

 

6) NAND는 대부분의 업체들이 이미 수익성을 내지 못하고 있고 영업이익이 적자전환 상태임.

 

7) DRAM도 2Q23까지 가격 반등이 일어나지 않고 두 자릿수 하락이 지속된다면 일부 업체들의 영업이익은 적자전환 될 것으로 예상됨.

 

8) 이에 삼성전자, SK하이닉스, Micron, Kioxia 등 주요 메모리 반도체 업체들이 둔화된 업황을 개선시키고자 2023년 공급을 크게 줄이는 전략을 수립했음.

 

9) 먼저 이들은 웨이퍼 Capa 투자를 크게 축소할 예정이며, 업체별로 최소 전년 대비 50%에서 80% 가까이 신규 Capa 관련 Capex를 줄일 계획임.

 

10) SK하이닉스는 2023년 투자를 50% 이상 줄이기로 했으며, DRAM과 NAND에 대한 투자를 모두 줄이고 공정 전환을 위한 투자 역시 축소하기로 했음.

 

11) 또한 SK하이닉스는 재고가 많은 레거시 제품 위주로 감산도 진행하기로 했으며, Micron 역시 2023년 Capex를 30% 줄이고 장비 투자는 50% 줄이기로 했음.

 

12) EUV 도입 및 하반기 팹 건설을 제외한 실제 Capex는 더 낮아질 것으로 예상되며, Micron은 투자를 줄여 1bnm DRAM, 232단 NAND의 램프업도 늦어질 것으로 전망함.

 

13) DRAM, NAND 모두 가동률을 한 자릿수 중반까지 줄이고 있는 상황이며, 가동률 축소는 재고가 많은 제품 위주로 진행 되었음.

 

14) Kioxia는 10월부터 요카이치와 키타카미 팹의 NAND 웨이퍼 투입량을 30%가량 줄였으며, 보통 업체가 공급을 줄이기로 결정하면 6개월 이후부터 실제 수급에 본격적으로 반영되기 시작함.

 

 

15) 2022년 글로벌 DRAM 신규 Capa는 전년 대비 100K 증가했으며, 2021년에는 135K 증가했고 2023년 업체들의 투자 축소로 Capa 증가는 45K에 불과할 전망임.

 

16) 구체적으로 삼성전자 30K, SK하이닉스 10K, Micron 5K로 예상하며, 2022년에 판매되지 않고 넘어온 재고를 감안한 2023년 DRAM 출하량 증가는 9%에 불과할 것임.

 

17) 재고를 뺀 순수한 생산량 증가는 거의 없는 수준이며, 이는 통계를 집계한 2000년 이후 가장 낮은 수치임. 

 

18) 2022년 글로벌 NAND 신규 Capa는 전년 대비 110K 증가했으며, 2021년에는 180K가 증가했음.

 

19) 2023년은 DRAM과 마찬가지로 업체들의 투자 축소로 Capa 증가가 50K에 불과할 것이며, 구체적으로 삼성전자 10K, SK하이닉스 0K, Kioxia/WD 10K, Micron 0K, YMTC 30K로 예상함.

 

20) NAND 일부 업체들의 수익성이 3Q22부터 적자 전환되어 투자 축소와 감산은 DRAM보다 더욱 큰 폭으로 진행될 것으로 예상함.

 

 

21) 현 상황이 이어질 경우 4Q22부터는 삼성전자도 NAND 부문에서 적자가 예상되어 일부 투자 축소 및 감산을 진행할 수밖에 없을 것으로 예상함.

 

22) 현재까지 삼성전자는 이번 사이클을 NAND 시장 점유율을 크게 늘릴 기회라고 생각해 투자 축소 및 감산 계획은 없다고 밝히고 있음.

 

23) 반도체 장비 투자와 소재 사용량도 반도체 업황과 유사한 흐름을 보일 것으로 보이며, 2022년 상반기까지 양호했던 장비 업체 실적과 수주는 3Q22부터 크게 줄어들 것으로 예상함.

 

24) 메모리 출하량이 감소하면서 소재와 부품 사용량도 감소할 것이며, 이들의 장비 수주와 출하량은 메모리 수급이 개선되기 시작할 3Q23 정도부터 반등할 것으로 예상됨.

 

 

25) 반도체 수요는 3Q23에 회복이 시작될 것으로 예상하며, 2023년 수요 회복에 있어 의외로 스마트폰의 기여가 클 것으로 전망됨.

 

26) 스마트폰 수요는 최근 4년 동안 감소했으나 아무리 스마트폰의 혁신 부재로 새로운 특장점이 소비자들을 자극하지 못한다 하더라도 교체 수요로 이어질 것으로 예상됨.

 

27) 스마트폰의 평균 교체 주기는 아이폰 36개월, 안드로이드 33개월이며, 2022년 스마트폰 수요에 부정적 영향을 끼친 러-우 전쟁 및 중국 코로나19 락다운 등 이슈도 2023년까지 이어지지는 않을 것으로 예상됨.

 

28) 2022년 스마트폰 수요는 12.6억대로 전년 대비 9.3% 감소할 것으로 예상됨.

 

 

29) 시장 참여자 대다수는 데이터센터 투자 동향이 경기 상황과 신제품 CPU 모멘텀에 좌우된다고 생각하나, 실제로 이는 하이퍼스케일러가 보유한 데이터센터의 서버 peak 가동률에 따라 좌우되는 경향이 큼.

 

30) 투자를 많이 해 서버 가동률이 떨어지면 투자가 둔화되고 반대의 경우는 투자가 증가하며, 과거 데이터를 분석했을 때 이 주기는 보통 1년 내외임.

 

31) 3Q21부터 데이터센터 투자가 증가했고 3Q22부터 감소하기 시작했으며, 과거 사이클을 감안했을 때 다시 증가할 것으로 기대되는 시점은 3Q23임.

 

32) 현재 주요 데이터센터 가동률은 월 평균 기준 peak 기준 82% 정도이고 3Q21에는 90%까지 증가했었으며, 보통 peak 가동률이 90%에 근접하기 시작하면 다시 투자가 늘어남.

 

 

 

 

2. 3D NAND는 스택 수 증가보다 피처 스케일링이 중심

 

1) 반도체 장비 업황은 반도체 수급 개선과 함께 2023년 하반기부터 본격적으로 개선될 것으로 예상됨.

 

2) 다음 업사이클과 함께 주목받을 것으로 예상되는 차세대 공정 트렌드는 다음과 같음.

 

3D NAND의 고적층화 속도 둔화
피치 축소와 셀 소재 변경에 기술 집중
CXL 메모리 컴퓨팅 아키텍처의 확산
이미 양산이 진행 중인 STT-MRAM의 채택 애플리케이션 확대
ASD(Area Selective Deposition), ALE(Atomic Layer Etching) 장비 양산 도입 시작
2.5D와 3D 패키지의 대세화

 

3) 이로 인한 장기적 수혜가 기대되는 업체로는 국내에서는 솔브레인, 파크시스템스, 한미반도체와 해외에서는 KLA, Lam Research 등이 있음.

 

 

4) 2013년 24단으로 시작해서 현재 176단까지 양산화가 이루어진 3D NAND는 200단 이상에서는 적층 수를 늘리는 속도가 느려지고 피처 스케일링이 가속화되는 방향으로 집적도가 높아질 것으로 예상함.

 

5) 적층 수가 많아지면 채널 홀의 HAR(종횡비)가 너무 높아져 이를 해결 하기위해 더블 스택, 트리플 스택 등 대체 공정이 필요해짐.

 

6) 결국 프로세스가 추가되며 비트당 비용이 증가하게 되며, 피처 스케일링은 레이어 개수를 늘리지 않고도 더 많은 수의 셀을 적층할 수 있어 집적도를 향상시킬 수 있음.

 

7) 여기에 크게 세 가지 방법이 있으며, 첫째는 슬릿(워드라인 사이의 간격) 사이의 오버 헤드를 줄이는 것이며, 둘째는 필러의 간격을 줄여 슬릿 당 필러 수를 늘리는 것임

 

8) 셋째는 필러의 CD(Critical Dimension)을 줄이는 것으로 슬릿 감소는 높은 종횡비의 재료 제거 및 증착 공정의 요구 사항 고도화를 필요로 함.

 

9) 필러 CD 감소 역시 선택적 소재 제거 및 등각 증착 정밀도를 높이기 위한 장비 성능 향상을 필요로 함.

 

10) 최근 imec은 10nm 게이트 길이를 가진 25nm 피치의 3D NAND 공정에 대해 발표했으며, 공정 구현을 위해서 2nm 두께의 Al2O3 고유전 레이어를 게이트 쪽이 아닌 메모리 홀 내부에 배치했음.

 

11) Al2O3 레이어는 상부 및 하부 IGS(Inter Gate Spacing)에도 증착했으며, ONO(Oxide Nitride Oxide) 레이어는 6nm 두께로 LPCVD 장비를 사용해 증착했음.

 

12) High-K ONO 스택은 기판과의 원활한 접촉을 위해 기판 바닥까지 이방성 에칭을 통해 형성했으며, 이후 비정질 실리콘 레이어를 15nm 두께로 증착하고 어닐링 공정으로 결정화시켜 11nm 두께로 축소했음.

 

13) 홀 하부의 소스 접합은 45초 간 1,050도의 고온 어닐링 공정을 통해 형성했으며, 폴리실리콘 게이트를 제거하고 형성된 공동에는 ALD 장비를 통해 TiN 을 증착했음.

 

14) 게이트 평면은 계단식 식각 공정을 통해 형성하고 450도, 5atm의 고압 어닐링 공정을 통해 결함을 수정했음.