어플라이드, "HBM에 하이브리드 본딩 적용 필요"… 폼팩터·열방출 개선 가능
하이브리드 본딩 적용 통해 HBM 8°C 낮춰
삼성·SK HBM 하이브리드 본딩 연구 지속
2024-05-24 노태민 기자
어플라이드머티어리얼즈(어플라이드)가 고대역폭메모리(HBM)를 위한 하이브리드 본딩 기술을 소개했다. 하이브리드 본딩은 범프 없이 칩을 연결하는 기술로, 폼팩터와 열 방출을 개선할 수 있다는 점에서 차세대 본딩 기술로 주목받고 있다.
24일 업계에 따르면 어플라이드가 지난 14일 국제메모리워크숍(IMW) 2024에서 'HBM을 위한 다이 투 웨이퍼(D2W) 하이브리드 본딩의 과제'를 주제로 논문을 발표했다. 어플라이드는 논문을 통해 폼팩터와 열 방출 이슈로 특정 시점에 하이브리드 본딩 기술 적용이 필요하다고 설명했다.
하이브리드 본딩은 각 칩의 유전체(SiO2)와 금속 표면(Cu)을 직접 접합하는 기술이다. 기존 접합 기술과 달리 범프나 언더필 재료(MUF, NCF) 등을 사용하지 않는다. 최근까지 주로 CMOS이미지센서(CIS), 비메모리, 낸드(YMTC의 엑스태킹)에 적용됐으나, HBM 16단 이상 제품에서 적용될 것으로 전망 받고 있다.
삼성전자, SK하이닉스 등 기업들이 차세대 HBM에 하이브리드 본딩 적용을 검토하고 있는 이유는 폼팩터와 열 방출 등 이슈 때문이다. 현재 실리콘관통전극(TSV) 간 연결에는 카파 필러 범프가 사용되는데, 향후 칩 두께 가공에 한계가 오는 시점에 카파 필러 범프가 필요 없는 하이브리드 본딩 기술을 적용해 더 단수를 높이겠다는 컨셉이다. 또 하이브리드 본딩 기술 적용을 통해 코어 다이 D램 두께를 더욱 두껍게 가져갈 수 있다는 이점도 있다.
어플라이드는 논문에서 "HBM 16단의 경우 12단보다 최대 온도가 20°C 이상 상승한다"며 "전력 증가 및 열 저항 증가 때문인데, 하이브리드 본딩 기술을 적용하면 (기존 적층 방식과 비교해) 최대 온도를 약 8°C 낮출 수 있다"고 설명했다.
어플라이드는 HBM에 하이브리드 본딩 기술을 적용하기 위한 기술적 과제로 '화학적기계연마(CMP)', '칩 표면 관리', '얼라인(Align)' 등을 꼽았다. 먼저, CMP를 꼽은 이유는 구리 디싱(Dishing) 현상을 방지하면서, 유전체와 구리를 균질하게 갈아내야하기 때문이다. 디싱은 CMP 과정 중 구리 표면이 오목하게 파이는 현상을 가리킨다. 디싱이 발생하면 최악의 경우 TSV간 연결이 불가능한 경우도 생긴다. 두 번째는 칩 표면 관리다. 어플라이드는 칩을 자르는 다이싱 등에서 오염 물질이 발생해, 적층 시 문제가 발생할 수 있다고 설명했다. 세 번째는 얼라인이다. 범프가 없는 만큼, 기존 적층 방식(TC-NCF, MR-MUF)과 달리 정밀한 TSV간 적층이 필요하다. 칩 하나의 적층이라도 어긋나면 칩이 작동하지 않는다.
다만, 지난 3월 국제반도체표준화기구(JEDEC)에서 HBM4 제품 규격을 775마이크로미터(μm)로 합의하면서, 하이브리드 본딩 기술 적용 시점이 늦어질 수도 있다는 전망도 나오고 있다. 반도체 소자 업계 고위 관계자는 "JEDEC 합의 전에는 폼팩터 이슈 때문에 하이브리드 본딩 적용이 거의 확실시 됐었다"며 "3월 합의 이후에는 폼팩터 문제보다는 열 방출 등 문제 때문에 하이브리드 본딩 적용이 필요하다는 이야기가 나오는데, 이전보다는 필요성이 많이 떨어진 상황"이라고 귀띔했다.
그럼에도 삼성전자와 SK하이닉스는 하이브리드 본딩 기술을 개발 중이다. 삼성전자는 지난 4월 하이브리드 본딩을 적용한 HBM 16단 샘플 데이터를 공개했고, SK하이닉스는 지난해 12월 HBM2E 제품을 하이브리드 본딩으로 제조한 뒤 데이터를 발표했다.
한편, 어플라이드와 베시는 지난 2020년 10월부터 싱가포르에 엑설런스 센터(CoE) 구축해 기술 개발을 진행하고 있다. 어플라이드와 베시의 하이브리드 본딩용 제품 포트폴리오를 살펴보면, 어플라이드는 유전체 증착 장비부터 플라즈마 장비, CMP 장비 등을, 베시는 하이브리드 본딩용 다이 어태치 장비를 생산한다. 지난 1분기에는 삼성전자에 비메모리용 하이브리드 본딩 장비를 공급하기도 했다. 이외에도 한미반도체, 한화정밀기계 등이 하이브리드 본딩 장비를 개발 중이다.
디일렉=노태민 기자 tmnoh@bestwatersport.com
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