삼성 하이브리드 본딩 기술의 장단점 분석

최근 삼성전자가 하이브리드 본딩 기술을 HBM4에 조기 도입하겠다고 발표를 하였다. 과연 하이브리드 본딩 기술이 무엇인지 알아보고, 이 기술을 사용하면 삼성전자가 9회말 역전에 가능할지 생각해보면 좋겠다. (관련기사는 아래쪽에 첨부)

HCB가 HBM 제조에서 수행할 역할

HBM(High Bandwidth Memory) 제조에서 중요한 기술로, 기존의 범프(bump) 기반 본딩 방식 대비 향상된 성능과 전력 효율을 제공할 수 있습니다. 기존의 마이크로 범프(micro-bump) 방식은 일정한 범프 피치 제한이 있어 집적도를 높이는 데 한계가 있습니다. 그러므로 HCB는 구리-구리(Cu-to-Cu) 직접 본딩을 통해 더 미세한 피치(약 3μm 이하)를 구현하여 더 많은 TSV(Through-Silicon Via)를 연결할 수 있고, 결과적으로, 메모리 대역폭을 더욱 증가시킬 수 있습니다.

마이크로 범프를 사용할 경우, 신호 전달 과정에서 저항과 기생 인덕턴스가 증가하여 전력 손실이 발생할 수 있습니다. HCB 방식은 구리-구리 직접 연결을 통해 저항과 기생 성분을 최소화하여 전력 소모를 줄일 수 있으므로 저전력 특성을 더욱 강화할 수 있습니다.

마지막으로 기존 범프 방식보다 더 짧은 신호 경로를 제공하므로 신호 전송 속도를 높이고, 지연(latency)을 줄일 수 있기 때문에 AI, 데이터센터, 고성능 컴퓨팅(HPC)에서 요구하는 초고속 메모리 전송 속도를 지원하는 데 유리하다고 볼 수 있습니다.

기존 HBM은 TSV를 활용하지만, 범프 본딩 방식으로 인해 다이(die) 간의 연결이 제한적이었으나, HCB를 적용하면 층간 연결성을 개선하고, 칩 스택 간 통합을 더 견고하게 만들어 HBM4와 같은 차세대 메모리 기술 개발에 기여할 수 있습니다.

결과적으로 하이브리드 본딩은 HBM 제조에서 전력 효율성, 데이터 전송 속도, 인터커넥트 밀도 향상 등의 이점을 제공하며, 차세대 HBM 기술(HBM4, HBM Beyond)에서 핵심적인 역할을 수행할 것으로 기대됩니다. 특히, AI 및 고성능 컴퓨팅 시장이 급성장함에 따라 HCB 기술이 적용된 HBM이 더욱 중요해질 전망입니다.

HCB(하이브리드 본딩) 적용 시 먼지(Dust) 문제

HCB 적용시 다량으로 발생되는 먼지 문제는 해결이 가능한지, 어떻게 해결할지도 궁금할 것 같습니다.

하이브리드 본딩(HCB, Hybrid Cu-to-Cu Bonding)은 구리-구리(Cu-to-Cu) 및 산화막(SiO₂) 간의 직접 접합을 활용하는 방식으로, 기존 마이크로 범프(micro-bump) 방식보다 더 정밀한 공정이 필요합니다. 그러나, 본딩 과정에서 미세한 이물질(특히 먼지)이 존재하면 본딩 불량이나 수율 저하가 발생할 가능성이 있습니다.

발생가능한 문제는 본딩 표면 오염, 산화막 문제, 미세입장에 의한 단락/오픈 회로 문제가 있습니다.

먼저 본딩 표면 오염의 경우, 공정 중 발생하는 먼지나 파티클이 Cu-to-Cu 본딩 표면에 남으면 본딩 결함(void)이나 접합 강도 저하를 유발할 수 있습니다.

산화막 문제에서는 공정 중 구리 표면이 공기 중에서 산화되면 접합 강도가 약해질 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 플라즈마 처리, CMP(화학적 기계 연마), 습식 세정 등이 필요합니다.

마지막으로 미세 입자에 의한 단락/오픈 회로 문제에서는 먼지나 공정 잔여물이 본딩 인터페이스에 끼면 TSV(Through-Silicon Via)와 같은 미세 구조에서 신호 간섭을 유발할 수 있습니다.

먼지를 회피할 수 있는 본딩 기술로는 몇 가지가 조사되었습니다.

Direct Bonding with Plasma Activation (플라즈마 활성화 직접 본딩)의 경우에는 플라즈마를 이용해 구리 표면을 활성화시킨 후 진공 환경에서 본딩하면 먼지를 최소화할 수 있는 장점이 있습니다. 구리 산화막을 제거하면서 접합력이 강해져 불량률이 줄어들기 때문에 HBM 제조에서도 적용 가능하며, 먼지가 적은 환경에서 더 높은 접합 신뢰성을 제공할 수 있습니다.

Hybrid Bonding with Self-Cleaning Process (자체 세정 공정을 포함한 하이브리드 본딩)의 경우에는 CMP 후, 플라즈마 처리 및 습식 세정을 강화하여 먼지와 산화막을 최대한 제거하는 방법 입니다. 극한의 클린룸 환경(ISO 1~3 등급)에서 본딩을 진행하여 이물질 발생 가능성을 줄이는 방법이며, 최근 연구에서는 본딩 직전에 자체 세정(self-cleaning) 기술을 적용하는 방식이 제안되고 있다고 합니다.

하이브리드 본딩의 단점

하이브리드 본딩의 단점은 역시나 비용 입니다. 극한의 클린룸 환경을 유지해야하고, 플라즈마 활성화 및 표면 처리 공정이 추가되며, 본딩 장비 및 검사 비용까지도 증가합니다. 무엇보다도 현재 수율이 좋지 않을 경우 수 배가량의 비용이 더 들 수 있습니다.

그럼에도 불구하고 HCB를 해야하는 이유는 이를 통한 전력소모가 절감되고(신호 저항이 낮아 전력 효율이 향상됨), 대역폭이 증가하여(본딩 밀도가 증가하면서 데이터 전송 속도가 개선됨) 완제품의 경쟁력을 높여줄 수 있습니다.

향후 더 나은 제품을 공급하려는 Nvidia 입장에서는 현재 90%에 이르는 영업이익률을 조금 훼손하더라도 차세대 제품을 만들 수 있다면, 삼성전자에 그만큼의 비용 지불은 할 수 있을 것으로 보입니다. 현재 SK하이닉스도 HBM을 통해서 일반D램과 다른 높은 수준의 마진을 챙기고 있으니 타당한 추정이 아닐까 합니다.

삼성전자가 하이브리드 장비를 반입하였고, 도입한다고 했습니다. 성공했고 수율이 충분하다고는 발언하지 않았기 때문에 이런 부분은 유의해야 할 것 같습니다. 하지만 반도체 분야의 글로벌 리더인 삼성전자가 이런 도전을 한다는 것 자체는 그간의 보신주위와 다른 모습이어서 꼭 성공하길 기원해야겠습니다.

주가의 미래는 알 수 없지만, 기술적 분석에 의하면 20일 이평선이 60일 이평선을 돌파하는 골든 크로스가 발생했기 때문에, 상승 초기이거나 크게 손해보지 않을 자리로 보입니다. (어디까지나 개인의견 입니다)