▲ 반도체 전공정 소재시장 규모 (단위:십억달러, 자료:SEMI, 가트너, 우리투자증권 리서치센터).

최근 반도체 구조가 기존 2차원 구조에서 3차원 구조로 급속히 전환되며 소재의 수요도 늘고 있는 가운데 특수가스 및 케미칼의 시장 성장세가 주목을 받고 있다.

우리투자증권 리서치센터의 이세철 애널리스트에 따르면 반도체 공정 미세화가 기술적으로 한계에 다다르면서 이를 극복하기 위해 수직적층 공정이 도입되고 있다. 단층으로 배열된 셀을 3차원 수직으로 쌓으면 셀간 간섭현상과 전력소비가 대폭 줄어들고 쓰기 속도는 빨라진다. 특히 공정 미세화에 필요한 막대한 장비가격 절감효과가 크다.

삼성전자는 지난 10년간 연구개발 끝에 세계 최초로 수직 공정을 적용한 3D V-NAND(3차원 수직구조 낸드)를 선보였으며 올 상반기 중국 시안공장에서 3D V NAND 양산에 들어간다. SK하이닉스와 도시바, 마이크론 등도 올해나 내년경 제품을 양산할 예정이다.

이와 같은 공정전환의 핵심은 소재이기 때문에 세계 반도체 소재 시장도 크게 성장 할 것으로 기대되고 있다. 반도체소재 시장은 2013년 기준 479억달러로, 이중 반도체 전공정(웨이퍼 가공 및 팹 공정) 소재시장은 244억달러로 후공정(조립 및 검사)소재 시장 보다 약 10억달러 앞지르고 있다. 그러나 반도체 공정 단계가 늘어나면서 2016년엔 전공정 소재시장이 315억달러로 후공정 소재시장 보다 80억달러 높아질 것으로 예측되고 있다.

이중 CVD(화학기상증착) 및 Dry Etch에 들어가는 특수가스 시장의 성장세가 주목된다. 이 시장은 2013년 37억달러에서 2016년 64억달러로 연평균 14% 증가할 것으로 전망되고 있다. 또한 같은기간 전공정내에서 차지하는 비중도 전체 15%에서 20%로 늘어날 것으로 기대되고 있다.

CVD공정에서는 웨이퍼 표면에 원료 가스를 공급해 열과 플라즈마로 산화학과 금속막을 증착시키는 PE CVD(플라즈마 화학기상증착)방식 사용이 증대되면서 관련 소재 수요 확대가 예상된다.

3D NAND 공정을 살펴보면 PE CVD로 절연(Oxide)막질과 질화물(Nitride Film)막질을 ONO 구조로 만드는데, 질화물막 형성에는 SiH₄(모노실란) 또는 Si₂H6(디실란)과 NH₃(암모니아)가 필요하며 절연막 형성에는 SiH₄ 또는 Si₂H6과 N₂O(아산화질소)가 필요하다.

Dry Etch 공정에서는 식각에 쓰이는 CF₄(사불화탄소)와 C₄F8(옥타플루오로시클로부탄) 가스 사용이 늘어날 전망이다.

Wet Etch 공정에서는 고선택비 인산액인 H₃PO₄가 필요하다. 클리닝 공정이 확대되면서 산화력이 강하고 기존 클리닝 제품의 제조원료로도 사용되고 있는 과수(H₂O₂)의 수요도 증가할 것으로 예측되고 있다.

이처럼 반도체 소재의 중요성이 높아지면서 산업 벨류체인간 협력 강화도 요구되고 있다. 반도체 소재를 사용하는 공정과 장비간 궁합이 매우 중요하며 소재 보관 문제로 국산화도 매우 중요하다.

한 반도체 소재업계 관계자는 “반도체 소재를 수요처에 적용하는데 평가기간이 1년 이상 소요되기 때문에 최근 IT제품에 신기술 적용주기가 빨라지면서 소재기업들은 개발과 테스트에 어려움을 겪고 있다”며 “반도체산업에서 소재 국산화의 중요성이 커지고 있는 만큼 정부의 지원과 실질적인 대·중소기업 동반성장 노력이 필요하다”고 밝혔다.