보수적으로 보더라도, 현재 8인치(200mm) 웨이퍼의 공급망 상황은 상당히 심각합니다!

하지만 이는 결코 새로운 문제가 아닙니다. 대만의 시장 조사 회사인 트렌드포스는 2020년 11월 보도자료에서 "8인치 웨이퍼 생산 능력 측면에서 2019년 하반기부터 심각한 공급 부족 문제가 발생해 왔다"고 밝혔습니다.

게다가 설상가상으로 2021년 3월에는 르네사스 일렉트로닉스 나카 공장에서 화재가 발생했습니다. 르네사스의 이 공장이 많은 모델을 공급하고 있다는 점이 문제를 더욱 악화시키고 있습니다.

위와 같은 배경을 고려할 때, 여러 요인이 복합적으로 얽혀 있습니다. 하지만 가장 큰 원인은 단연 코로나19입니다. 코로나19 팬데믹으로 인해 헤드폰, 컴퓨터, TV, 디스플레이, 휴대폰 등 각종 전자제품의 수요가 급증했습니다.

자동차 역시 위의 범주에 속하지만, 사람들은 여전히 ​​2021년에 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19)의 여파에서 자동차 시장이 회복되기를 기대하고 있습니다. 오늘날 다양한 제품들이 여러 기능을 하나로 통합한 SoC(시스템 온 칩) 모델을 채택하고 있습니다. 따라서 많은 제품에 디지털-아날로그 혼합 신호(혼합 신호 칩)를 탑재해야 합니다. 이러한 제품의 주요 용도는 PMIC(전력 관리 IC), CMOS 이미지 센서, 지문 인식 센서, 자동차 엔진/섀시 제어, 디스플레이 드라이버 IC, 서브기가헤르츠 무선 통신 칩 등입니다. 일반적으로 이러한 제품들은 180nm 및 350nm 공정에 적합하며 8인치 웨이퍼에서 생산됩니다.

즉, 이러한 혼합 신호 칩(Mixed Signal Chip) 및 전력 반도체에 사용되는 제품에 대한 수요 증가로 인해 8인치 웨이퍼의 생산 능력이 부족해졌습니다.

8인치 웨이퍼 공급 제한의 영향을 받는 파운드리는 생산 능력을 확장할 가능성이 높습니다. 파운드리는 수직 통합 제조업체(IDM: Integrated Device Manufacturer)의 8인치 웨이퍼 생산 설비 및 생산 라인을 인수할 수도 있습니다. 예를 들어, 최근 보도에 따르면 대만의 UMC는 일본 반도체(구 도시바 반도체 제조 회사)의 8인치 생산 라인 인수를 논의 중인 것으로 알려졌습니다.

제조업체 정보 없음
트렌드포스의 보고서에서 지적했듯이, 2019년 하반기부터 시작된 심각한 반도체 공급 부족의 원인은 현재까지도 8인치 웨이퍼 생산 설비를 생산할 수 있는 제조업체가 거의 없어 반도체 생산 설비 가격이 계속 상승하고 있기 때문입니다.    

TSMC는 8인치 및 12인치 웨이퍼 공정을 사용합니다. (사진 출처: eetimes)게다가 8인치 웨이퍼 가격은 12인치 웨이퍼보다 훨씬 저렴합니다. 따라서 파운드리 업체들은 일반적으로 8인치 생산 능력을 확장하는 것이 비용 효율적이지 않다고 판단합니다. 그 결과, 일련의 연쇄 반응이 발생했습니다. 예를 들어, 일부 파운드리 업체들은 고객에게 8인치 웨이퍼 가격을 인상했습니다.  
다시 말해, 8인치 웨이퍼 상황에 대해서는 "공급망 혼란"이라기보다는 "제조업체 공급 부족"이라고 하는 것이 더 적절할 것입니다. 12인치 웨이퍼의 일부는 "이동"되고 있습니다.
12인치(300mm) 웨이퍼 파운드리의 경우, TSMC와 글로벌파운드리스를 비롯한 여러 기업들이 생산 능력 확대를 위해 적극적으로 투자하고 있습니다. 하지만 8인치 웨이퍼의 경우에는 뚜렷한 진전이 보이지 않습니다.  
8인치 웨이퍼 생산 능력에 개선이 없기 때문에 일부 제조업체는 기존의 180nm 및 350nm 8인치 생산 라인에서 12인치 웨이퍼로 전환하고 있습니다. 또한 많은 파운드리에서 12인치 웨이퍼 기반 130nm 공정을 제공할 수 있으므로 이를 2차 또는 1차 공급원으로 활용할 수 있습니다. 따라서 이는 공급망의 지리적 다양성을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 180nm 및 130nm 공정 기술의 특징
180nm 공정과 130nm 공정은 유사한 점이 있지만 차이점도 있습니다. 가장 큰 차이점은 트랜지스터의 문턱 전압 강하 정도입니다. 핵심 공급 전압은 1.8V~1.5V 또는 최저 1.2V까지 낮출 수 있습니다. 또한 5V/3.3V IO 전압을 지원하는 다양한 공정 기술 옵션이 있으며, 이러한 공정 특성은 아날로그/RF 설계에 매우 중요한 수동 부품에 대해 매우 유사합니다.    

혼합 신호 ASIC 및 기타 제품에 사용되는 주요 노드 기술 비교 차트 (사진 출처: eetimes)

12인치 웨이퍼 기술은 여러 가지 장점을 가지고 있습니다. 기존 기술에서 알루미늄을 사용하던 것과 달리 구리를 사용할 수 있기 때문에 허용 전류 밀도가 더 높고, 전자기 이동 저항도 우수합니다. 또한, 금속층 수가 더 많고 트랜지스터 크기가 더 작습니다. 따라서 트랜지스터 밀도와 배선 밀도를 높여 칩 크기를 줄이고 성능을 향상시킬 수 있습니다.  
또한, 대부분의 180nm 공정 기술과 대부분의 130nm BCD(Bipolar-CMOS-DMOS) 공정 기술은 STI(Shallow Trench Isolation)와 같은 기능을 지원할 수 있습니다. 따라서 대부분의 350nm 기술에서 사용되는 LOCOS(Local Oxidation of Silicon) 절연과 비교하여 더 높은 밀도, 래치업 방지 기능 등을 구현할 수 있습니다. 결과적으로 회선 성능 및 안정성 향상 효과를 얻을 수 있습니다.  
현재 130nm BCD 공정은 상당히 성숙되어 있어 다양한 공정 기술의 옵션으로 활용될 수 있습니다. 예를 들어, 다양한 레벨의 고전압 트랜지스터, 비휘발성 저장 반도체, MIM(금속-절연막-금속) 커패시터, 제너 다이오드/쇼트키 다이오드 등에 적용 가능합니다. 따라서 복잡한 아날로그/RF 기능을 SoC 솔루션에 통합할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 이점도 제공할 수 있습니다. 8인치 웨이퍼 또한 여러 가지 장점을 가지고 있습니다.
8인치 웨이퍼는 또한 여러 가지 장점을 가지고 있습니다. 예를 들어, 350나노미터에서 제조된 8인치 웨이퍼는 가격적인 이점이 있습니다.  
이유는 다음과 같습니다. 생산 설비의 감가상각이 이루어졌고, 생산 공정이 상대적으로 단순하기 때문입니다(레이어 수가 적음). 또한, 일부 아날로그 회로는 새로운 공정에서 성공적으로 소형화되지 못할 수 있으므로, 동일한 수준의 반도체 칩이라도 130nm 공정 칩의 가격이 350nm 공정 칩보다 높을 수 있습니다. 그러나 부품 부족으로 제품 생산이 불가능해지는 경우는 대부분 단순한 반도체 칩 가격 차이 문제가 아니라 매우 심각한 상황으로 이어집니다.  
또한, 현재 사람들의 관심은 여러 파운드리들이 8인치에서 12인치로 전환하고 있지만, 어느 제조업체도 공식적인 발표를 하지 않았다는 점에 있습니다. 혼합 신호 ASIC 분야에 숙련된 제조업체들이 열심히 노력하고 있지만, 우선 회로도와 IC 데이터시트의 포트 구성부터 살펴봐야 할 것입니다.  
ASIC 재설계에 필요한 투자 측면에서, 8인치 공급망에서 발생했던 것과 같은 문제를 피하기 위해 다른 제품들도 함께 조정해야 합니다.  
130nm 공정은 미세한 크기 덕분에 비용 증가 없이 "Arm Cortex-M" 시리즈 코어와 통합할 수 있습니다. 저가형 CPU에 필요한 칩 면적은 불과 몇 제곱밀리미터에 불과하며, 64kbit/128kbit SRAM을 고효율로 통합하는 것도 가능합니다.  
오늘 공개된 자료에 따르면, ASIC 설계부터 양산, 인증 획득까지 걸리는 기간은 (복잡성에 따라) 14개월에서 24개월 정도입니다. 초기 프로토타입 실리콘은 1년 이내에 완성될 것으로 예상됩니다. 자동차용 제품의 경우, 사양서 작성부터 PPAP(생산 부품 승인 절차)까지 (복잡성에 따라) 약 24개월에서 36개월이 소요됩니다. 130nm ASIC의 일반적인 예산은 (실제 복잡성과 IP 내용에 따라) 미화 60만 달러부터 시작합니다. AEC-Q100을 기준으로 할 경우, 비용은 약 400만 달러입니다. 현재 130nm 공정(12인치 웨이퍼)용 마스크 툴 비용은 20만 달러 미만으로, 전체 비용에서 차지하는 비중이 미미합니다.  
많은 혼합 신호 장치는 공급이 부족한 8인치 웨이퍼로 제조됩니다. 8인치 웨이퍼 생산 라인에 대한 투자가 부족하기 때문에(낮은 투자 수익률로 인해) 공급망 문제는 앞으로도 계속될 것입니다.  
 

이러한 반도체 공급 부족은 어느 정도 "경고"라고 볼 수 있습니다. 현재 8인치 웨이퍼를 사용하는 기업들은 미래 수요를 우선적으로 고려해야 합니다. 또한, 주력 생산 기지든 제2 공급업체(Second Source)든 모든 공정이 완료되기 전에 충분한 시간을 확보해야 합니다.

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