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AMD의 인공지능(AI) 반도체인‘MI300./사진 제공=AMD

SK하이닉스와 삼성전자를 비롯한 메모리반도체 제조사들이 '꿈의 패키징' 기술로 불리는 '하이브리드 본딩' 기술 도입을 앞두고 있다.반도체 칩을 수직으로 쌓는 3차원(3D) 적층을 위한 핵심 기술로,차세대 고대역폭메모리(HBM)와 고단층 3D 낸드플래시 등 여러 응용 분야에 걸쳐 적용이 예상된다.

3D 집적 기술은 회로의 미세화만으로는 달성하기 어려운 성능 향상을 위해 중요한 기술이다.하이브리드 본딩이 고안된 계기 역시 제한된 공장에서 반도체의 집적도를 극대화하기 위해서다.반도체를 위아래로 연결하고 전기가 통하는 금속(구리)은 금속끼리,절연체는 절연체끼리 결합하는 두 가지 다른 결합 방식을 사용하기 때문에 '하이브리드'라는 이름이 붙었다.

전공정을 마친 반도체원판(웨이퍼) 표면의 절연층에 전기적 연결을 형성하기 위한 금속 배선을 형성하고,공정의 정밀도를 높이기 위해 표면을 평탄화한다.이후 두 웨이퍼를 정확하게 정렬한 뒤 접착시키고,메가 다운로드 추적열처리를 거쳐 결합을 완료한다.통상 HBM을 제조할 때는 웨이퍼에서 각 다이를 분해한 다음 다른 웨이퍼에 접합하는 '다이투웨이퍼(D2W)' 방식이 활용된다.3D 낸드플래시나 이미지센서(CIS)를 제작할 때 주로 쓰이는 방식은 웨이퍼를 통째로 결합하는 '웨이퍼투웨이퍼(W2W)' 방식이다.

하이브리드 본딩의 응용 분야는 최근 들어 크게 확대되는 추세다.여러 메모리반도체를 결합하거나 연산반도체에 메모리반도체를 붙이는 방식도 연구되고 있다.기존에는 CIS에 제한적으로 활용된 기술은 메모리반도체,HBM과 3D 낸드플래시 등으로 영역을 늘릴 것으로 보인다.

HBM에서는 제한된 패키지 높이 내에서 더 놓은 단수를 구현하기 위해 층간 간격을 극단적으로 줄이는 하이브리드 본딩이 핵심 기술로 주목받고 있다.16단,메가 다운로드 추적20단 이상으로 단수가 높아지는 HBM4부터 기본 본딩 방식과 함께 하이브리드 본딩이 본격적으로 활용되기 시작할 것으로 예상된다.

삼성전자는 세메스와 베시,SK하이닉스는 한미반도체와 한화정밀기계,메가 다운로드 추적ASMPT 등 기업과 하이브리드 본딩 전용 장비 개발을 추진하고 있다.현재 HBM 제조를 위해 삼성전자는 '열업착(TC) 기반 비전도성접착필름(NCF)'을,SK하이닉스는 '어드밴스드 매스리플로우(MR) 몰디드언더필(MUF)'이라는 다른 공법을 쓴다.두 회사는 우선 하이브리드 본딩으로의 급격한 전환보다는 기존 공법을 기반으로 제한적인 수준으로 하이브리드 본딩을 적용하는 방안을 고려하고 있다.

장비 업계 관계자는 "2025년 말까지는 하이브리도 본딩 기술 개발을 완료한다는 목표"라며 "첨단 메모리반도체 기업들의 경우 하이브리드 본딩과 동시에 차세대 열압착(TC) 본딩 등 기존 결합 방식을 HBM 제조에 모두 활용할 것"이라고 말했다.

HBM에 이어 당장 메모리반도체에 하이브리드 본딩 적용 가능성이 높은 분야는 낸드플래시다.이미 중국의 메모리반도체 제조 업체 YMTC가 3D 낸드플래시를 생산하는데 '엑스태킹'이라는 이름으로 활용해 왔다.더 높은 단수를 구현하기가 용이하다는 장점이 있지만,메가 다운로드 추적원가경쟁력이 크게 떨어진다는 점 때문에 다른 기업들은 도입을 꺼려왔다.YMTC가 생산하는 200단 이상 낸드플래시는 데이터가 저장되는 셀 부분과 셀을 운영하는 주변 회로인 페리페럴 부문을 각각의 웨이퍼 2장에 만들고 합치는 방식으로 완성된다.삼성전자와 SK하이닉스 등은 비슷한 기술력을 갖춘 낸드플래시를 만드는데 웨이퍼 한 장만을 쓴다.

일본 키옥시아 역시 차세대 3D 낸드플래시 생산에 하이브리드 본딩을 적용한다.YMTC는 셀 부분의 웨이퍼를 2장으로 늘려,페리 부분을 담당하는 1장까지 총 석 장의 웨이퍼를 들여 낸드플래시를 만드는 차세대 엑스태킹 기술을 활용할 계획이다.

삼성전자와 SK하이닉스 역시 300단을 뛰어넘는 고층 낸드플래시에 하이브리드 본딩을 적용할 가능성이 높다.이때는 오스트리아 EV그룹이 만드는 전용 하이브리드 본딩 장비나 TSMC,아데이아 등이 독점한 특허에 드는 높은 비용을 감축하는 노력이 선행돼야 할 것으로 보인다.

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