안녕하세요! 최근 SK하이닉스가 HBM4 개발 및 양산 성공을 발표하면서 AI 반도체 시장이 다시 한번 뜨겁게 달아올랐습니다. 많은 전문가와 투자자들의 관심은 단 한 곳으로 쏠렸죠. 바로 ‘이번 HBM4에 꿈의 기술이라 불리는 하이브리드 본딩이 적용되었는가?’ 하는 점이었습니다.
결론부터 말씀드리면, 아직은 아닙니다. HBM4 초기 양산에는 고도화된 기존 기술(MR-MUF)이 적용된 것으로 의심되며, 하이브리드 본딩은 16단 이상의 초고적층 HBM이나 다음 세대를 위한 ‘미래 핵심 기술’로 개발 중인 단계에 있습니다. 하지만 이 기술은 이제 단순한 옵션을 넘어, 반도체 패키징 경쟁력의 핵심 변곡점으로 떠올랐습니다.
저는 기계공학 엔지니어링 경험을 바탕으로 법학을 공부하고, AI 컴퓨팅 석사 과정을 거치며 메모리 반도체 산업의 특허들을 다뤄왔습니다. 이런 경험을 통해 ‘복잡한 기술일수록 더 많은 사람이 이해할 수 있도록 설명해야 한다’는 것을 절실히 깨달았죠. 이 글이 기술과 시장을 잇는 작은 가교가 되기를 바랍니다.
1. 왜 갑자기 ‘첨단 패키징’이 중요해졌을까?
반도체 성능 경쟁의 판도가 바뀌고 있다는 이야기, 많이 들어보셨을 거예요. 이제 칩 내부 회로를 얼마나 잘게 깎느냐를 넘어서, 이제는 여러 칩을 ‘어떻게 잘 연결하고 쌓느냐’, 바로 ‘패키징’으로 그 무게 중심이 옮겨가고 있습니다.
가장 큰 이유는 역시 ‘무어의 법칙’이 예전 같지 않다는 거죠. 회로를 더 작게 만드는 데 드는 비용이나 기술적인 어려움이 너무 커졌어요. 그러니까 차라리 기능별로 최적화된 공정에서 만든 작은 칩들, 요즘 ‘칩렛(Chiplet)’이라고 부르죠. 이걸 따로 만들어서 레고처럼 딱 조립하는 게 성능이나 비용 면에서 더 유리해진 겁니다.
특히 AI나 고성능 컴퓨팅(HPC) 같이 정말 어마어마한 데이터를 처리해야 하는 분야가 커지면서, 이 칩렛들을 얼마나 빠르고 효율적으로 연결하느냐가 성능을 좌우하는 핵심이 된 거죠.
바로 ‘솔더 범프’라는 작은 땜납 볼의 물리적인 크기 한계가 명확해요. 현재 솔더 범프의 간격(피치)은 수십 마이크로미터 수준인데, 이 동그란 볼 자체 크기 때문에 칩 사이에 데이터를 주고받는 통로 수(I/O 밀도)를 획기적으로 늘리기가 어렵습니다. SK하이닉스의 MR-MUF 같은 기술도 있지만, 근본적인 해결책이라기보단 범프 기반 기술의 연장선에 가깝죠.
2. 하이브리드 본딩: 범프를 없앤 ‘직접 연결’
그래서 나온 아이디어가 “이 범프 자체를 아예 없애 버리자!” 였습니다. 이게 바로 하이브리드 본딩의 시작입니다. 핵심은 ‘직접 연결’이에요. 금속 연결 패드(주로 구리)와 그 주변을 감싸는 절연체를 중간 물질 전혀 없이, 웨이퍼나 칩 표면 그 자체를 원자 수준에서 결합시키는 거죠.
과정이 정말 극도의 정밀함을 요구합니다. 먼저 CMP(화학기계적 연마) 공정으로 웨이퍼 표면을 원자 몇 개 높이의 흠집도 용납 안 될 정도로 매끄럽게 만들어요. 그 다음 플라즈마로 표면을 활성화시키고, 초정밀하게 두 표면을 정렬해 상온에서 딱 접촉시키면 분자 사이의 미약한 인력으로 일단 살짝 붙습니다. 그리고 마지막으로 열처리(Annealing)를 해주면, 구리 원자끼리, 절연체 분자끼리 서로 확산하며 아주 강력하고 영구적인 접합이 완성되는 원리입니다.
범프가 없으니 연결 간격을 수백 나노미터 수준까지 줄일 수 있게 돼요. 이건 제곱밀리미터당 수백만 개 이상의 연결 통로(I/O)를 만들 수 있다는 뜻입니다. 연결 길이도 극단적으로 짧아지니 전기적 저항이나 신호 간섭이 확 줄어 속도는 훨씬 빨라지고 전력 소모는 크게 감소하죠. 구리가 직접 붙으니 열을 빼는 데도 유리하고 패키지 전체 두께도 얇아집니다.
3. 나노미터 단위의 전쟁: 넘어야 할 산들
장점은 확실하지만, 현실은 그야말로 ‘나노미터 단위의 전쟁’입니다. 넘어야 할 기술적 난관이 정말 많습니다.
- 표면 평탄도 (Surface Flatness): 원자 몇 개 높이의 요철만 있어도 결합이 안 됩니다. 거의 당구대보다 훨씬 더 매끄러워야 하죠. CMP 공정 관리가 수율의 핵심 과제입니다.
- 표면 청정도 (Cleanliness): 눈에 보이지 않는 나노미터 크기의 입자 하나가 접합 실패로 이어집니다. 그래서 칩을 잘라낼 때 톱날 방식보다 입자 발생이 적은 플라즈마 방식이 선호됩니다.
- 정렬 정확도 (Alignment): 수백 나노미터 피치를 구현하려면 정렬 오차를 수십 나노미터, 즉 머리카락 굵기의 수천 분의 일 수준으로 맞춰야 합니다. 웨이퍼가 공정 중 미세하게 휘는 문제까지 실시간으로 보정해야 하죠.
- 구리 산화 (Copper Oxidation): 표면에 아주 얇은 산화막만 생겨도 결합을 방해하는 가장 큰 골칫거리 중 하나입니다. 진공에서 붙이거나, 산화가 덜 되는 금속으로 코팅하는 등의 방법이 연구되고 있습니다.
- 절연체 소재 (Dielectric Material): 구리와의 열팽창 차이, 초기 결합력, 전기적 특성 등을 고려해 산화규소(SiO2), SiCN, 폴리머 등 용도에 맞는 최적의 소재를 선택하고 공정을 개발해야 합니다.
4. W2W vs D2W: 어디에 어떻게 쓰이나?
하이브리드 본딩은 크게 두 가지 방식으로 나뉩니다. 대량 생산에 유리한 Wafer-to-Wafer (W2W)와 더 정밀하고 복잡한 구조에 쓰이는 Die-to-Wafer (D2W)입니다.
| 구분 | Wafer-to-Wafer (W2W) | Die-to-Wafer (D2W) |
|---|---|---|
| 개념 | 웨이퍼 두 장을 통째로 접합 | 양품 칩(Die)만 골라 웨이퍼에 하나씩 접합 |
| 특징 | 생산성 높음, 공정 비교적 단순 | 불량 칩 제외 가능, 이종 칩렛 결합에 필수 |
| 응용 | CMOS 이미지 센서, 3D 낸드 | HBM, AI 가속기, 로직 반도체(인텔 포베로스 등) |
스마트폰 카메라 화질을 높인 CMOS 이미지 센서는 W2W 방식이 일찍부터 쓰인 성공 사례입니다. 반면, 여러 개의 D램 칩을 수직으로 쌓는 HBM은 양품 칩만 골라 쌓아야 하므로 D2W 방식이 필수적이죠. 마치 고층 빌딩을 한 층 한 층 신중하게 쌓아 올리는 것과 같습니다.
D2W는 W2W와는 차원이 다른 어려움이 있습니다. 바로 ‘누적 수율’ 문제입니다. 예를 들어, 한 층을 쌓을 때 수율이 99%라고 해도 10층을 쌓으면 최종 수율은 0.99^10, 약 90%로 뚝 떨어집니다. 1%의 실패율이 10번 쌓이면 10%의 불량이 되는 셈이죠. 층수가 많아질수록 수율이 기하급수적으로 낮아지기 때문에, 사전에 양품 칩(Known Good Die)을 확실하게 선별하는 과정이 정말 중요합니다.
5. 미래를 향한 전진, 그리고 남겨진 질문
이런 어려움 속에서도 기술은 계속 발전하고 있습니다. D램처럼 열에 약한 칩을 위해 200℃ 이하, 나아가 150℃ 수준에서 본딩하려는 ‘저온 본딩’ 연구가 활발하며, 열팽창 차이로 인한 응력 문제를 해결하기 위해 소재, 공정, 구조 설계 등 다방면에서 노력이 이뤄지고 있습니다.
하이브리드 본딩은 이제 CIS와 HBM을 넘어 인텔의 ‘포베로스’, TSMC의 ‘SoIC’ 같은 로직 반도체와 HPC 분야로 빠르게 확대되고 있습니다. 그야말로 칩의 성능과 밀도를 끌어올릴 핵심 열쇠임에는 틀림없지만, 극복해야 할 과제가 산더미 같은 첨단 기술의 결정체인 셈이죠.
최근에는 성질이 완전히 다른 물질들, 예를 들어 전력 반도체에 쓰이는 탄화규소(SiC)와 일반 실리콘(Si)을 상온에서 직접 붙이는 연구도 있었습니다. 여기서 한 걸음 더 나아가 이런 상상을 해볼 수 있을 것 같습니다. 만약 미래에 정말 어떤 종류의 물질이든, 웨이퍼든 칩이든 상관없이 원자 수준의 정밀도로 자유자재로 붙일 수 있게 된다면 어떨까요? 과연 어떤 새로운 소자가 탄생할 수 있을지, 우리가 지금은 상상하지 못하는 어떤 새로운 기능의 시스템이 가능해질지, 이 질문을 여러분께 남기며 오늘 탐구를 마무리할까 합니다.
