반도체 수율이란 무엇일까?
똑같은 칩을 만들어도 회사마다 실력이 다른 이유
반도체 뉴스를 보다 보면 이런 표현을 자주 볼 수 있습니다.
“수율이 올라갔다.”
“수율 확보가 중요하다.”
“첨단 공정의 수율이 아직 낮다.”
처음 들으면 수율이 도대체 무슨 뜻인지 알기 어렵습니다.
하지만 개념 자체는 아주 간단합니다.
수율은 쉽게 말하면
만든 반도체 가운데 정상적으로 사용할 수 있는 제품이 얼마나 되는지 나타내는 비율
입니다.
예를 들어 반도체를 100개 만들었는데 그중 90개가 정상이라면 수율은 약 90%라고 생각할 수 있습니다.
왜 이 숫자가 그렇게 중요할까요?
이번 글에서는 수율이 무엇인지부터 반도체 회사의 이익과 경쟁력에 어떤 영향을 주는지 아주 쉽게 알아보겠습니다.
수율을 한 문장으로 설명하면?
수율은
생산한 제품 가운데 정상적으로 사용할 수 있는 제품의 비율
입니다.
아주 단순한 예를 들어보겠습니다.
쿠키를 100개 구웠습니다.
그런데 10개가 타버렸습니다.
판매할 수 있는 쿠키는 90개입니다.
그렇다면 정상 제품 비율은 90%입니다.
반도체도 이와 비슷합니다.
웨이퍼 위에 수많은 칩을 만들지만 모든 칩이 정상적으로 작동하는 것은 아닙니다.
웨이퍼 한 장을 피자로 생각해보자
커다란 피자 한 판이 있다고 생각해보겠습니다.
피자 위에 같은 크기의 네모난 조각을 여러 개 만들었다고 해봅시다.
각각의 조각이 반도체 칩 하나라고 생각하면 됩니다.
웨이퍼도 비슷합니다.
둥근 웨이퍼 위에 같은 설계의 칩을 여러 개 만듭니다.
그런데 제조가 끝난 뒤 검사해보면 모든 칩이 정상인 것은 아닙니다.
어떤 칩은 정상이고,
어떤 칩은 작은 결함 때문에 사용할 수 없습니다.
예를 들어 칩을 100개 만들었다면?
웨이퍼 한 장에서 반도체 칩 100개를 만들었다고 해보겠습니다.
그중
90개가 정상이고
10개가 불량이라면
수율은 약 90%입니다.
반대로
60개만 정상이고
40개가 불량이라면
수율은 약 60%입니다.
두 경우를 비교하면 차이가 매우 큽니다.
왜 반도체는 불량이 생길까?
반도체는 매우 작은 세계에서 만들어집니다.
그래서 우리가 보기에는 아무것도 아닌 작은 문제도 반도체에서는 큰 결함이 될 수 있습니다.
예를 들어
먼지,
미세한 흠집,
회로 위치의 오차,
물질 두께의 차이,
노광 오류,
식각 오류,
불순물
등이 문제가 될 수 있습니다.
먼지 하나가 왜 그렇게 큰 문제일까?
운동장 한가운데 작은 모래알 하나가 떨어져 있다고 생각해보겠습니다.
사람이 운동하는 데는 큰 문제가 없습니다.
하지만 자동차보다 훨씬 작은 장난감 자동차가 움직이는 도로 위에 같은 모래알이 있다면 어떨까요?
엄청나게 큰 장애물이 될 수 있습니다.
반도체 회로는 매우 작기 때문에 미세한 먼지 하나도 회로를 끊거나 연결을 망가뜨릴 수 있습니다.
그래서 반도체 공장이 매우 깨끗해야 하는 것입니다.
반도체 공장에서 방진복을 입는 이유
반도체 공장 사진을 보면 직원들이 머리부터 발끝까지 특별한 옷을 입고 있습니다.
이를 흔히 방진복이라고 합니다.
사람의 몸에서는 계속 작은 먼지가 나옵니다.
머리카락,
피부 조각,
옷에서 나오는 섬유,
침방울
같은 것들입니다.
반도체 공장에서는 이런 작은 먼지조차 문제가 될 수 있습니다.
그래서 클린룸을 매우 깨끗하게 유지하고 사람도 방진복을 입습니다.
수율이 높으면 무엇이 좋을까?
가장 큰 장점은 같은 비용으로 더 많은 정상 제품을 얻을 수 있다는 것입니다.
예를 들어 웨이퍼 한 장을 가공하는 데 1,000만 원이 들었다고 가정해보겠습니다.
A 회사는 100개의 칩 중 90개가 정상입니다.
B 회사는 100개의 칩 중 50개만 정상입니다.
둘 다 같은 돈을 썼지만 판매할 수 있는 제품 수가 크게 다릅니다.
정상 칩 한 개의 비용을 생각해보자
아주 단순하게 계산해보겠습니다.
웨이퍼 한 장 제조비가 1,000만 원이라고 가정합니다.
A 회사는 정상 칩 100개를 얻었습니다.
그러면 칩 하나당 제조비를 아주 단순하게 나누면 10만 원입니다.
B 회사는 정상 칩 50개만 얻었습니다.
같은 1,000만 원을 사용했지만 정상 칩 하나당 비용은 20만 원이 됩니다.
즉 수율이 낮으면 정상 제품 하나를 만드는 비용이 크게 올라갈 수 있습니다.
빵집으로 생각하면 더 쉽다
빵집 두 곳이 있습니다.
두 가게 모두 밀가루와 전기료로 하루에 100만 원을 사용합니다.
A 빵집은 빵 100개를 만들고 95개를 판매할 수 있습니다.
B 빵집은 빵 100개 중 40개가 타버려 60개만 판매할 수 있습니다.
어느 가게가 돈을 벌기 쉬울까요?
당연히 A 빵집입니다.
반도체도 같습니다.
그래서 수율은 회사의 이익과 연결된다
반도체 공장은 엄청난 비용이 들어갑니다.
공장 건설,
EUV 장비,
식각 장비,
증착 장비,
재료,
전기,
물,
인력
등 많은 비용이 필요합니다.
그런데 만들어낸 반도체의 절반을 버려야 한다면 수익성이 크게 떨어질 수 있습니다.
반대로 같은 공장에서 정상 칩을 더 많이 만들어내면 비용을 더 효율적으로 사용할 수 있습니다.
수율이 낮으면 칩 가격이 올라갈 수도 있다
어떤 칩을 100만 개 공급해야 한다고 생각해보겠습니다.
수율이 높으면 적은 수의 웨이퍼로도 100만 개를 만들 수 있습니다.
하지만 수율이 낮으면 더 많은 웨이퍼를 생산해야 합니다.
그러면
재료비,
장비 사용시간,
전기,
공장 가동시간
이 더 많이 필요합니다.
결국 생산비가 올라갈 수 있습니다.
수율이 중요한 두 번째 이유는 생산량
AI용 반도체가 갑자기 많이 필요해졌다고 생각해보겠습니다.
고객은 10만 개를 주문했습니다.
그런데 공장은 칩을 만들 수는 있지만 수율이 너무 낮습니다.
그러면 고객이 원하는 수량을 제때 공급하기 어려울 수 있습니다.
따라서 수율은 단순히 비용뿐 아니라 생산능력과도 연결됩니다.
공장 크기가 같아도 생산량이 달라질 수 있다
A 공장과 B 공장이 같은 수의 웨이퍼를 처리한다고 해보겠습니다.
A 공장 수율은 90%.
B 공장 수율은 60%.
A 공장은 같은 웨이퍼 수로 더 많은 정상 제품을 얻습니다.
즉 공장 크기와 장비 수가 같더라도 실제 판매할 수 있는 반도체 생산량은 달라질 수 있습니다.
그래서 고객도 수율을 중요하게 생각한다
반도체를 주문하는 회사 입장에서도 수율은 중요합니다.
예를 들어 어떤 스마트폰 회사가 새로운 칩 1,000만 개가 필요하다고 해보겠습니다.
제조기업의 수율이 안정적이지 않다면
필요한 수량을 맞출 수 있을까?
납기가 늦어지지는 않을까?
칩 가격이 올라가지는 않을까?
라는 걱정이 생깁니다.
그래서 고객사는 단순히
“가장 작은 공정을 가진 회사가 어디인가?”
만 보는 것이 아닙니다.
안정적으로 대량생산할 수 있는지도 매우 중요합니다.
수율은 반도체 회사의 신뢰와도 연결된다
스마트폰을 출시하기로 한 날짜가 정해져 있다고 생각해보겠습니다.
그런데 핵심 반도체 공급이 늦어지면 스마트폰을 만들 수 없습니다.
그래서 고객 입장에서는
성능,
가격,
공정 기술
뿐 아니라
원하는 수량을 약속한 날짜에 공급할 수 있는가
도 중요합니다.
수율이 안정적이면 고객에게 더 신뢰를 줄 수 있습니다.
첨단공정에서는 왜 수율이 특히 어려울까?
반도체를 더 작게 만들수록 제조 난이도가 크게 올라갑니다.
예를 들어 굵은 펜으로 큰 글씨를 쓴다고 생각해보겠습니다.
조금 흔들려도 글자를 읽을 수 있습니다.
하지만 아주 가는 바늘 끝으로 쌀알에 글자를 쓴다면 어떨까요?
아주 작은 흔들림도 큰 실수가 됩니다.
첨단 반도체도 비슷합니다.
3나노·2나노에서는 작은 오차가 더 중요해진다
회로가 작아지면
노광 위치,
식각 깊이,
물질 두께,
전기적 특성
등을 더욱 정밀하게 관리해야 합니다.
예전 공정에서는 문제가 되지 않았던 작은 차이가 첨단공정에서는 불량으로 이어질 수 있습니다.
그래서 새로운 공정을 처음 시작하면 수율을 안정화하는 데 시간이 걸릴 수 있습니다.
새 공정을 만드는 것과 잘 만드는 것은 다르다
어떤 회사가
“우리는 2나노 반도체를 만들었습니다.”
라고 발표했다고 생각해보겠습니다.
이것은 중요한 기술 성과입니다.
하지만 상업적인 성공을 위해서는 질문이 하나 더 필요합니다.
“그 반도체를 정상 제품으로 얼마나 많이 만들 수 있는가?”
입니다.
한두 개의 반도체를 성공적으로 만드는 것과 수백만 개를 높은 수율로 생산하는 것은 완전히 다른 문제입니다.
연구실과 공장은 다르다
학교 과학실에서 특별한 빵 하나를 아주 정성스럽게 만들었다고 생각해보겠습니다.
한 개 만드는 것은 성공했습니다.
그런데 하루에 똑같은 빵 100만 개를 만들어야 합니다.
모든 빵의 맛과 크기가 같아야 합니다.
이것은 훨씬 어려운 문제입니다.
반도체도 같습니다.
연구개발 성공과 대량생산 성공은 다릅니다.
그래서 ‘양산’이라는 말도 중요하다
반도체 뉴스에서 양산이라는 단어도 자주 등장합니다.
양산은 쉽게 말하면
제품을 실제 판매할 수 있을 만큼 대량으로 안정적으로 생산하는 것
입니다.
새로운 공정으로 시험용 칩을 만드는 것과 실제 고객에게 공급할 칩을 대량생산하는 것은 다릅니다.
높은 수율은 안정적인 양산을 위해 매우 중요합니다.
수율은 어떻게 높일까?
반도체 회사는 불량이 생기는 원인을 계속 찾아냅니다.
예를 들어 특정 공정에서 불량이 많이 발생한다고 해보겠습니다.
그러면 엔지니어들은
온도를 바꾸거나,
가스 양을 조절하거나,
노광 조건을 수정하거나,
장비 상태를 개선하거나,
공정 순서를 바꾸는
등 여러 방법을 시험합니다.
반도체 공장은 거대한 실험실과도 같다
반도체 생산에서는 엄청나게 많은 데이터가 발생합니다.
각 장비의
온도,
압력,
시간,
가스 양,
웨이퍼 위치,
검사 결과
같은 정보를 계속 기록합니다.
그리고
“어떤 조건에서 불량이 많이 생겼을까?”
를 분석합니다.
문제의 원인을 찾으면 공정을 수정합니다.
이 과정을 반복하면서 수율이 점점 올라갈 수 있습니다.
AI도 수율 개선에 사용될 수 있을까?
그렇습니다.
반도체 공장에는 엄청난 양의 데이터가 있습니다.
사람이 모든 데이터를 직접 확인하기 어렵습니다.
AI는 이런 데이터를 분석해
이상한 패턴을 찾거나,
불량 가능성이 높은 공정을 예측하거나,
장비 이상을 미리 발견하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
그래서 AI는 반도체에서 사용하는 제품일 뿐 아니라 반도체를 만드는 과정 자체에도 활용되고 있습니다.
칩이 크면 수율에 불리할까?
일반적으로 같은 제조 조건이라면 칩 면적이 커질수록 결함을 만날 가능성이 커질 수 있습니다.
운동장에 돌멩이가 몇 개 떨어져 있다고 생각해보겠습니다.
작은 종이 한 장을 운동장에 놓으면 돌멩이를 피할 가능성이 높습니다.
하지만 매우 큰 천을 깔면 어디선가 돌멩이를 만날 가능성이 높아집니다.
반도체 칩도 비슷한 생각으로 이해할 수 있습니다.
고성능 GPU가 어려운 이유 중 하나
AI용 GPU는 매우 복잡합니다.
많은 트랜지스터가 들어가고 칩 크기도 커질 수 있습니다.
칩이 커지면
웨이퍼 한 장에서 만들 수 있는 수가 줄고,
결함 하나가 칩에 들어갈 가능성도 커질 수 있습니다.
그래서 고성능 GPU를 만드는 것은 매우 어려운 작업입니다.
그러면 칩을 여러 개로 나누면 되지 않을까?
바로 이런 생각에서 Chiplet 기술이 중요해졌습니다.
거대한 칩 하나를 만드는 대신 작은 칩 여러 개를 만든 뒤 서로 연결하는 것입니다.
작은 칩은 제조와 수율 측면에서 장점이 생길 수 있습니다.
물론 칩들을 매우 빠르게 연결하는 새로운 기술이 필요합니다.
이 내용은 뒤에서 첨단 패키징과 함께 자세히 배우게 됩니다.
메모리 반도체에서도 수율이 중요할까?
물론입니다.
DRAM,
NAND,
HBM
같은 메모리 반도체도 정상 제품을 얼마나 많이 만들어내는지가 중요합니다.
특히 HBM처럼 여러 개의 메모리를 쌓아 만드는 제품에서는 여러 단계가 모두 성공해야 합니다.
HBM은 왜 수율 관리가 더 어려울 수 있을까?
아주 단순한 예를 들어보겠습니다.
정상적인 메모리 칩 여러 개를 층층이 쌓아 HBM 하나를 만든다고 생각해보겠습니다.
아래층은 정상,
두 번째도 정상,
세 번째도 정상인데
마지막 층에 문제가 생기면 전체 제품의 가치에 영향을 줄 수 있습니다.
그래서 고성능 메모리에서는 각각의 칩 품질과 패키징 기술까지 모두 중요합니다.
삼성전자와 TSMC 경쟁에서 수율이 자주 나오는 이유
두 회사는 첨단 반도체 생산 분야에서 경쟁합니다.
고객사가 새로운 고성능 반도체를 맡기려고 할 때는 단순히 공정 이름만 보는 것이 아닙니다.
예를 들어
3나노인가?
2나노인가?
뿐 아니라
성능은 어떤가?
전력 사용량은 어떤가?
가격은 어떤가?
수율은 안정적인가?
대량생산이 가능한가?
도 함께 봅니다.
그래서 파운드리 경쟁을 이해하려면 수율을 반드시 알아야 합니다.
수율 숫자를 볼 때 주의할 점
반도체 기사에서
“수율이 70%다.”
같은 숫자를 볼 수 있습니다.
하지만 모든 수율 숫자가 같은 뜻은 아닐 수 있습니다.
어떤 제품을 기준으로 했는지,
어떤 공정인지,
어느 생산 단계인지,
시험생산인지 대량생산인지
에 따라 상황이 달라집니다.
또 회사가 수율을 항상 자세하게 공개하는 것도 아닙니다.
따라서 시장에서 나오는 추정 수치를 볼 때는 출처와 조건을 확인해야 합니다.
수율 100%가 가능할까?
이론적으로 모든 제품이 정상이라면 가장 좋겠지만 실제 첨단 제조에서는 항상 다양한 변수가 존재합니다.
중요한 것은 무조건 100%를 만드는 것보다
생산비와 품질, 공정 난이도를 고려했을 때 경제적으로 충분히 높은 수율을 안정적으로 유지하는 것
입니다.
제품에 따라 필요한 기준도 달라질 수 있습니다.
높은 수율을 만드는 것이 왜 회사의 기술일까?
좋은 반도체 설계가 있다고 해보겠습니다.
좋은 EUV 장비도 있습니다.
좋은 웨이퍼도 있습니다.
그렇다고 자동으로 수율이 높아지지는 않습니다.
수많은 장비와 재료를 아주 정밀하게 관리하고,
문제가 생기는 원인을 빠르게 찾아내고,
공정을 계속 개선해야 합니다.
이 경험이 오랜 시간 쌓여야 합니다.
그래서 반도체 제조에서는 공정 경험과 노하우가 매우 중요합니다.
최고의 주방과 최고의 요리사는 다르다
최고급 주방장비를 갖춘 식당이 있다고 생각해보겠습니다.
하지만 요리 경험이 부족하면 최고의 음식을 만들기 어렵습니다.
반대로 숙련된 요리사는 장비와 재료의 작은 차이까지 이해하고 조절합니다.
반도체도 비슷합니다.
비싼 장비뿐 아니라
장비를 이용해 안정적으로 좋은 제품을 만드는 경험
이 경쟁력이 됩니다.
수율이 좋아지면 시간이 지나면서 가격도 낮아질 수 있다
새로운 반도체 공정을 처음 시작할 때는 제조가 어렵고 불량이 많을 수 있습니다.
하지만 엔지니어들이 문제를 해결하면서 수율이 올라갑니다.
그러면 같은 웨이퍼에서 얻는 정상 칩의 수가 증가합니다.
정상 칩 하나당 비용도 줄어들 수 있습니다.
그래서 새로운 공정이 시간이 지나며 안정되면 생산성이 개선될 수 있습니다.
수율 학습 곡선이란 무엇일까?
새로운 일을 처음 배울 때를 생각해보겠습니다.
처음 자전거를 타면 계속 넘어집니다.
하지만 연습하면 넘어지는 횟수가 줄어듭니다.
반도체 공정도 비슷합니다.
처음에는 불량이 많이 발생할 수 있지만 경험과 데이터를 쌓으면서 점점 개선됩니다.
이를 넓게 수율 학습이라고 생각할 수 있습니다.
반도체 회사가 새 공정을 빨리 시작하는 것도 중요한 이유
새로운 공정을 빨리 시작하면 그만큼 먼저 많은 데이터를 얻고 문제를 해결할 기회를 가질 수 있습니다.
하지만 너무 서두르면 낮은 수율 때문에 큰 비용이 발생할 수도 있습니다.
그래서 반도체 회사들은
기술 개발 속도
와
안정적인 양산
사이의 균형을 맞춰야 합니다.
결국 수율은 ‘얼마나 잘 만드느냐’를 보여준다
반도체 산업에서는 가장 작은 공정을 발표하는 것도 중요합니다.
하지만 실제 사업에서는
그 공정으로 좋은 칩을 얼마나 안정적으로 많이 만들어낼 수 있는가
가 매우 중요합니다.
그래서 수율은 반도체 제조기업의 실력을 이해할 때 꼭 알아야 하는 핵심 개념입니다.
오늘 내용 한눈에 정리하기
오늘은 일곱 가지만 기억하면 됩니다.
첫째, 수율은 생산한 반도체 가운데 정상 제품이 나오는 비율입니다.
둘째, 수율이 높으면 같은 웨이퍼에서 더 많은 정상 칩을 얻을 수 있습니다.
셋째, 수율이 높으면 정상 제품 하나당 생산비를 낮추는 데 도움이 됩니다.
넷째, 수율은 생산량과 고객에게 제때 제품을 공급하는 능력에도 영향을 줍니다.
다섯째, 미세공정으로 갈수록 작은 오차가 중요해져 수율 확보가 어려워질 수 있습니다.
여섯째, 새로운 공정은 개발에 성공하는 것뿐 아니라 높은 수율로 대량생산하는 것이 중요합니다.
일곱째, 삼성전자와 TSMC 같은 제조기업의 경쟁력을 볼 때 수율은 매우 중요한 요소입니다.
이제 반도체 회사들이 서로 무슨 일을 하는지 알아볼 차례
우리는 지금까지
반도체가 무엇인지,
트랜지스터가 어떻게 작동하는지,
CPU와 GPU가 무엇인지,
메모리 반도체가 무엇인지,
웨이퍼와 노광,
EUV,
미세공정,
수율
까지 배웠습니다.
이제 반도체가 어떻게 만들어지는지에 대한 기본 지도가 거의 완성되었습니다.
하지만 세계 반도체 산업을 이해하려면 새로운 질문이 필요합니다.
NVIDIA는 반도체 회사인데 왜 자체 공장이 없을까요?
TSMC는 왜 다른 회사가 설계한 칩을 대신 만들어줄까요?
삼성전자는 왜 메모리도 만들고 파운드리도 할까요?
ASML은 칩을 직접 만들지 않는데 왜 그렇게 중요한 회사일까요?
이를 이해하려면 반도체 회사를 역할별로 나누어 보는 것이 중요합니다.
다음 글에서는
「반도체 회사의 종류 총정리｜설계·제조·메모리·장비 회사는 무엇이 다를까」
를 통해 NVIDIA, TSMC, 삼성전자, SK하이닉스, ASML 같은 기업들이 반도체 산업에서 각각 어떤 일을 하는지 한눈에 이해해보겠습니다.
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