[칩톡]'D램 휘어짐 방지'…초격차로 '고대역폭 메모리' 주도

D램 여럿 쌓아 완성한 AI용 고성능 메모리
TSV 공정으로 데이터 전송 통로 수 확 늘려

삼성은 TC-NCF, 하이닉스는 MR-MUF
칩 공간 없애는 '하이브리드 본딩' 주목

올해 메모리 반도체 시장에서 가장 주목받은 키워드는 '고대역폭메모리(HBM)'이다. 내년에도 HBM 인기는 계속될 것으로 보인다. 인공지능(AI) 효과로 HBM을 찾는 곳이 많아지면서 내년까지 수요가 공급을 초과할 것이라는 전망이 잇따르고 있다. HBM 시장에서 90% 넘는 점유율을 자랑하고 있는 삼성전자, SK하이닉스 기대감이 큰 이유다.

AI용 고성능 메모리 반도체인 HBM은 'High Bandwidth Memory'의 약자다. 여기서 대역폭(Bandwidth)은 일정 시간에 전송할 수 있는 데이터 처리량을 말한다. 대역폭이 높을수록 더 많은 데이터를 빠르게 전송할 수 있다. HBM은 여러 개 D램을 수직으로 쌓으면서 칩들 사이에 미세한 구멍을 뚫어 데이터 전송 통로(I/O) 수를 획기적으로 늘린 덕분에 처리 속도를 끌어올릴 수 있었다.

이때 활용된 기술이 '실리콘관통전극(Through Silicon Via·TSV)'이다. TSV는 실리콘 웨이퍼를 관통하는 미세한 구멍을 뚫은 뒤 전도성 물질을 채워 전극(전기가 드나드는 곳)을 형성하는 기술이다. 이때 구멍을 뚫어 마련한 전극이 곧 I/O 역할을 한다. 기존 기술로는 I/O 수를 늘리는 데 한계가 있지만 TSV 공정을 거치면 그 수를 확 늘릴 수 있다. 실제 HBM의 I/O 수는 기존에 쓰이던 D램(32개)보다 32배나 많은 1024개다.

HBM은 2013년 처음 개발된 뒤 10년간 국내 메모리 업계 주도하에 기술 발전을 이뤄왔다. 그간 1세대(HBM)-2세대(HBM2)-3세대(HBM2E)-4세대(HBM3) 제품이 나왔으며 곧 다음 세대 제품도 상용화된다. 삼성전자는 HBM3 끝에 플러스(Plus)를 붙인 HBM3P를, SK하이닉스는 익스텐디드(Extended)를 붙인 HBM3E를 양산할 예정이다.

주목할 점은 양사가 HBM 생산 과정에서 칩을 쌓기 위해 활용하는 기술이 다르다는 것이다. 삼성전자는 'TC-NCF(Thermo Compression Non Conductive Film)'를, SK하이닉스는 'MR-MUF(Mass Reflow Molded Underfill)'를 활용한다. TC-NCF는 칩 사이에 얇은 비전도성 필름(NCF)을 넣은 뒤 열로 압착하는 방식을 말한다. 열을 가하면 NCF 필름이 녹으면서 접착제 역할을 하고 칩 사이 공간도 메우게 된다.

반면 MR-MUF는 오븐과 같은 역할을 하는 공간에 쌓은 칩들을 넣은 뒤 열을 가해 납땜을 하는 1차 작업을 거친다. 이후 칩 사이에 액체 형태의 보호재를 주입해 공간을 채운 뒤 굳히는 과정으로 마무리한다. SK하이닉스는 MR-MUF를 자체 개발하는 과정에서 일본 소재 기업인 나믹스와 협력했다. 나믹스에서 보호재로 쓰는 에폭시몰딩컴파운드(EMC)를 공급받아 기술을 완성했고, HBM2E부터 활용하고 있다.

양사는 현재 각사의 기술을 고도화하며 HBM 제품 수준을 높이고 있다. 삼성전자는 독자 개발한 NCF 기술 단계를 높이는 과정에서 NCF 소재를 새롭게 개발, HBM3부터 적용 중이다. 향후 HBM을 만들 때 쌓는 D램 칩 수가 늘면서 생길 수 있는 칩 휘어짐 등의 문제를 해결할 때 NCF 기술이 유용할 것으로 보고 있다. 향후에는 칩과 칩 사이 공간을 완전히 없앤 뒤 바로 접합하는 '하이브리드 본딩(Hybrid Bonding)' 신공정을 선보이겠단 목표도 내놨다.

SK하이닉스는 MR-MUF 최신 기술을 적용해 이전 세대 대비 열 방출 성능을 10% 높인 HBM3E를 개발했다. 현재 고객사에 샘플을 보내 성능을 검증하는 절차를 거치고 있으며 내년 상반기에 본격적으로 HBM3E를 양산할 예정이다. SK하이닉스 역시 향후 하이브리드 본딩을 적용하겠다는 목표다. 다만 해당 공정의 경우 기술 난도가 높다 보니 중장기적인 계획을 두고 개발 중이다.

김평화 기자 peace@asiae.co.kr