마이크로 범프 한계 극복, '초평탄 CMP' 공정으로 수율·성능 동시 확보
SK하이닉스가 고대역폭메모리(HBM) 시장의 기술적 변곡점으로 꼽히는 '하이브리드 본딩(Hybrid Bonding)' 기술 도입을 본격화하며 차세대 AI 메모리 주도권 굳히기에 나섰다.
글로벌 장비사인 어플라이드 머티리얼즈(AMAT)와 BE 세미컨덕터 인더스트리즈(BESI)의 통합 솔루션을 통해 공정 난제를 정면 돌파하고, HBM4를 넘어 HBM5 시대의 대량 양산 체제를 선제적으로 구축한다는 전략이다.
이미지=카운터포인트리서치, BESI
인공지능(AI) 반도체 시장의 폭발적인 성장으로 고성능 메모리 수요가 급증하는 가운데, SK하이닉스가 '포스트 마이크로 범프' 시대를 대비한 하이브리드 본딩 공정 전환에 박차를 가하고 있다.
적층 단수가 높아질수록 물리적 한계에 직면하는 기존 본딩 방식 대신, 금속 단자를 직접 이어 붙이는 차세대 기술을 통해 AI 및 고성능 컴퓨팅(HPC) 시장에서의 기술 격차를 더욱 벌리겠다는 구상이다.
현재 HBM은 12~16개의 D램 다이를 마이크로 범프(Micro Bump)라는 미세한 돌기를 이용해 연결하는 MR-MUF(몰디드 언더필 기반 대량 리플로우) 또는 TC-NCF(비전도성 필름 기반 열압착 본딩) 방식을 사용한다. 하지만 적층 수가 20층 이상으로 늘어나면 범프의 크기로 인해 패키지 높이가 높아지고, 신호 전달 효율과 방열 성능이 저하되는 병목 현상이 발생한다.
하이브리드 본딩은 다이 사이에 범프를 두지 않고 구리(Cu)와 구리를 직접 연결하는 기술이다. 이를 통해 인터커넥트 피치를 10µm 이하로 줄일 수 있으며, 다이 간 간격과 적층 높이를 획기적으로 낮춰 데이터 대역폭과 전력 효율을 극대화할 수 있다.
업계에 따르면 SK하이닉스는 최근 AMAT와 BESI가 공동 개발한 통합 하이브리드 본딩 솔루션 도입을 적극 추진하고 있다. AMAT의 화학적 기계적 평탄화(CMP) 및 소재 공학 기술과 BESI의 초정밀 본딩 기술이 결합된 이 플랫폼은 하이브리드 본딩의 최대 난제인 표면 균일성 확보와 수율 저하 문제를 해결할 핵심 열쇠로 평가받는다.
특히 하이브리드 본딩에서는 원자 수준의 매끄러운 표면을 형성하는 CMP 공정이 핵심이다. 기존 TCB 방식에서는 범프가 미세한 굴곡을 수용했으나, 하이브리드 본딩은 극도의 평탄도가 뒷받침되지 않으면 연결 부위에 보이드(빈 공간)가 생겨 불량으로 이어진다.
SK하이닉스는 통합 장비 도입을 통해 구리 디싱(Dishing), 침식(erosion), 파티클 결함 등을 선제적으로 제어해 제조 안정성을 확보한다는 방침이다.
국제 반도체 표준협의기구(JEDEC)가 HBM 높이 규격을 완화하면서 기존 공정(TCB 등)의 수명이 일부 연장됐으나, 엔비디아를 필두로 한 빅테크 기업들의 고성능 요구는 하이브리드 본딩으로 전환을 재촉하고 있다.
업계에서는 HBM5가 본격적으로 등장하는 2029~2030년을 하이브리드 본딩 양산의 실질적인 전환점으로 보고 있다. SK하이닉스는 차세대 AI GPU 사이클에 맞춰 HBM5 양산 시점에 기술 완성도를 최고조로 끌어올릴 계획이다.
AI 도입 가속화에 따른 메모리 공급 부족 현상이 2030년까지 구조적으로 이어질 것으로 예상되는 가운데, 하이브리드 본딩 기술 선점 여부가 향후 시장 점유율과 수익성을 결정짓는 최대 분수령이 될 전망이다.
카운터포인트리서치 관계자는 최근 보고서를 통해 "SK하이닉스는 고대역폭 메모리 분야에서 독보적인 선두를 유지하고 있으며, 메모리 셀 설계와 백엔드 적층 기술 고도화를 통해 경쟁력을 강화하고 있다"며 "AMAT와 BESI의 통합 솔루션 조기 도입은 향후 대역폭, 지연시간, 전력 등 까다로운 성능 요구를 충족할 수 있는 전략적 우위를 제공할 것"이라고 분석했다.
굿모닝경제 노진우 기자
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