비싸고 어려운 하이브리드 본딩…전공정·후공정 R&D 필수

[이데일리 김응열 기자] 현재 삼성전자와 SK하이닉스가 하이브리드 본딩의 기술 개발 현황을 구체적으로 공개한 적은 없습니다. 다만 SK하이닉스는 올해 2분기 실적발표 컨퍼런스콜을 진행하면서 HBM4부터 하이브리드 본딩을 적용할지 검토하고 있다고 했습니다.

삼성전자는 도입 일정에 관해 구체적으로 언급한 적이 없습니다. 지난 4월 광주국립아시아문화전당에서 열린 ‘한국마이크로전자및패키징학회 2024 학술대회’에서 하이브리드 본딩을 적용한 16단 HBM 시제품을 만들었다고 밝힌 정도입니다. 두 회사 모두 12단 HBM4까지는 기존 방식을 유지할 것으로 예상되나 16단 제품부터는 하이브리드 본딩을 도입할 가능성이 열려있습니다.

삼성전자 평택 공장과 SK하이닉스 이천 본사. (사진=삼성전자, 연합뉴스)

하이브리드 본딩은 분명히 혁신적인 기술이고 필요성이 큽니다. 그러나 양산하기에는 기술 난도가 너무 높습니다. 각 D램 칩을 붙이기 전 웨이퍼 연마 과정에서 구리 및 유전체 표면에 불순물이 존재해서는 안 됩니다. 불순물은 수율 확보에 부정적 영향을 미칩니다. 이에 세정 공정이 필수입니다. 또 구리에 형성하는 홈이 너무 깊게 파이지 않도록 연마 작업인 CMP 공정을 정교하게 진행해야 합니다. 그렇다고 이 홈, 즉 디싱이 거의 없는 수준으로 CMP 공정 시간을 짧게 가져가면 추후 열 처리 과정에서 구리가 과팽창돼, 인접한 유전체의 결합력을 떨어트릴 수 있습니다.

과팽창 우려가 있는 만큼 유전체와 구리를 웨이퍼에 채울 때 적절한 비율을 잘 찾아야 합니다. 구리 팽창으로 칩을 연결하니 구리 품질도 중요하겠죠. 발열을 줄이기 위해 붙이는 수만 개의 더미 범프 역할을 대체할 방법 역시 찾아야 합니다.

기술 난도가 높다는 건 공정 시간이 늘고 생산 단가가 오른다는 뜻입니다. 안정적인 수율 확보도 쉽지 않습니다. 이런 탓에 업계에선 하이브리드 본딩을 적용해 제품을 만들 경우 기존 TC-NCF나 MR-MUF 방식보다 3~4배 비쌀 것으로 보고 있습니다.

(그래픽=김일환 기자)

하이브리드 본딩의 성공적 도입을 위해서는 충분한 연구개발(R&D)이 선행돼야 합니다. 우리 기업들은 이미 R&D 투자를 공격적으로 진행하고 있습니다. 삼성전자는 지난해 반도체 불황에도 R&D 투자에 각각 28조3400억원을 썼습니다. 전년도인 2022년 24조9192억원 대비 13.7% 증가한 규모입니다.

SK하이닉스는 지난해 R&D에 4조1884억원을 썼습니다. 지난해는 1~3분기 기록한 영업손실로 인해 적극적으로 R&D 금액을 늘리기 어려웠고 이에 전년도인 2022년 4조9053억원보다 소폭 줄었습니다. 그러나 매출액 대비 R&D 비중으로는 2022년 11%에서 지난해 12.8%로 늘었습니다.

하이브리드 본딩을 구현하려면 우수한 장비도 필요합니다. CMP 장비와 플라스마 조사에 필요한 장비는 어플라이드 머티어리얼즈(AMAT)라는 미국 기업이 잘 만듭니다. 구리와 유전체를 정밀하게 붙이는 장비는 네덜란드 반도체 장비회사 베시(BESI)가 세계에서 유일하게 만들고 있습니다.

국내 반도체 장비업계에서도 시장에 진출하기 위해 하이브리드 본딩 장비 개발에 매진하고 있습니다. 한화정밀기계는 국내 전공정업체인 제우스와 하이브리드 본딩 장비를 준비 중입니다. TC본더로 유명한 한미반도체는 2026년 하이브리드 본더를 내놓는 등 HBM 기술 흐름에 맞춰 새로운 장비를 갖춘다는 청사진을 소개한 바 있습니다.

네덜란드 반도체 장비 기업 베시의 하이브리드 본딩 장비 Datacon 8800 CHAMEO advanced. (사진=베시)