HBM4 판도를 가를 기술은 하이브리드 본딩? | SK하이닉스, 삼성, 마이크론의 새로운 전략

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AI의 발전 속도에 비해이를 구동하기 위한 하드웨어, 즉 반도체의 성능이 따라가기 힘든 상황이죠. 흔히 메모리 워이라고 부르는이 현상은 특히 아무리 똑똑한 두뇌가 있어도 데이터 공급이 느리면 말짱꽝이라는 사실입니다. 그래서이 문제를 해결하기 위해 반도체 업계가 소환한 변기가 SK 하이닉스에서 독보적으로 자해내고 있는 고대폭 메모리 하이밴드위 메모리 HBM인데요. 오늘은 점차 난이도가 훨씬 더 올라가고 있는 HBM과 관련된 이야기와 더불어 메모리 업체들의 HBM 해계모니를 판가할 HBM4에 들어간 기술 또한 층층히 쌓아올리는 디램 다이드를 붙이는 기존 본딩 기술과 앞으로 채용 예정인 하이브리드 본딩 기술이 무엇인지 무엇이 대단하고 무엇이 어려운지를 정리해 보았습니다.

HBM 4의 목표는 아주 단순하고 무식합니다. 더 빠르게 더 많이. 2025년 4월 재기라는 국제 반도체 표준 협의 기구가 확정한 HBM 4 표준은 그야말로 상식을 파괴하는 스펙을 담고 있는데요. 먼저 데이터가 다니는 통로 즉 인터페이스를 기준 1024개에서 2,48개로 정확히 두 배다 넓혀 버립니다.이 넓어진 16차선 도로 위로 데이터를 쏟아부어서 초당 최대 2바라는 경의로운 대역폭을 달성하겠다는 것인데요. 이건 두시간짜리 4K 영화 약 4 마음편을 단 1초 만에 전송하는 그야말로 미친 속도죠. 여기에 디램칩을 무려 16층까지 쌓아 올립니다.

손톱만한 집 위에 16층짜리 초고층 아파트를 짓겠다는 건데 문제가 여기서부터 시작됩니다. 이렇게까지 하는데 기존의 건축 공법으로는 힘들 거라는 전망이 나오고 있는 거죠. 지금까지 HBM을 쌓았는 과정에서 각각의 뒤램 칩들을 쌓아 올려 붙일 때에는 마이크로 범프라는 기술을 썼습니다. 아주 작은 납댐 돌기를 만들어서 칩과 칩을 이어 붙이는 방식인데요.이 마이크로 범프 방식으로는 대표적으로 두 가지가 있습니다. 바로 TCNCF와 MRMUF입니다. 먼저 삼성과 마이크로니 쓰는 TCNCF 방식은 마치 햄버거 패티 사이에 치즈를 한 장씩 끼워 놓고 꾹 누르는 것과 비슷한데요.

집을 쌓 때마다 비전도성 필름이라는 얇은 필름을 한 장씩 깔아주고 뜨거운 도장 같은 걸로 열과 압력을 가해서 꾹 눌러 붙이는 것입니다.이 방식은 칩이 휘는 걸 막아주는데는 유리하지만 공정이 비교적 느리고 열도율이 낮은 필름 때문에 열이 잘 안 빠진다는 단점이 있는데요. 하면 SK 하이닉스가 채택한 MRMUF는 일단 집들을 먼저 붙여 놓고 그 사이에 빈틈의 액체 형태의 특수 접착체 MUF를 한 번에 쫙 주입해서 굳이는 방식이죠. 이렇게 만들면 공정이 빠르고 열을 잘 빼주는 재료를 쓸 수 있어서 열 관리에 훨씬 유리하다는 장점이 있으며 일찍히이 분야로 연구를 놓지 않았던 SK 하이닉스는 MRMUF를 구현하기 위해 필요한 재료 역시도 독점적으로 계약함으로써 다른 경쟁 회사들을 따돌리고 HBM 시장을 장악했죠.

하지만이 두 방식 모두 16단 HBM4 앞에서는 공통적인 한계에 부딪칠 수 있다는 이야기가 나오고 있는데요. 바로 마이크로펌프 그 자체의 한계죠. 첫째는 높이입니다. 제대기 정해 놓은 H4의 최대 높이는 775마로미 머리카락 굵기 정도인데요.이 얇은 공간 안에 칩를 연결하던 범프랑 NCF나 MUF 같은 재료까지 다 넣어야 하는데 기존 8단 12단 할 때 대비해서 물리적으로 불가능에 가까워진 상황이라는 거죠. 둘째는 간격입니다. 데이터 통로가 두 배로 늘었으니 범프도 두 배 더 촘촘하게 박아야 하는 상황. 근데이 범프 간격을 20마로m 이하로 좁히면 서로 들러붙어서 정기적으로 연결되면 안 될 것들이 연결되는 쇼트가 나거나 이와 유사한 패키징의 어려움 때문에 분량이 기존보다 훨씬 더 심해질 수 있다는 것이죠.

10마로미 이하는 사실상 물리적 장벽으로 여겨지기에 현재의 대부분 디램과 랜드 플래시 공정도 10난노 수준대로 보고 있으며 파운드리 로직 반도체의 경우 말은 2단노 3n노 5단노라고들 하지만 실제로는 핀이나 GA와 같은 3차원 4차원 같은 구조를 도입해서 해당 수준급으로 성능이나 전력을 개선한 것이지 물리적으로는 10난호 이하로 내려간 것은 아닙니다. 셋째 열과 신호 16층 아파트 꼭대기에서 불이나면 1층까지 열기가 빠져나오기 힘들겠죠. 습니다. 층수가 높아질수록 NCF나 MUF 같은 언더필 층 때문에 열 저항이 커져서 칩이 타 버릴 수도 있게 되는 것이죠.

게다가 범프를 거치면서 신호가 이동하는 경로가 길어지니 데이터가 손실되고 전력도 더 많이 먹게 됩니다. 그래서 이에 대한 해결책이 바로이 펌프 그냥 없애 버리자. 그렇습니다. 여기서 바로 하이브리드 본딩이 등장합니다. 이건 납댐을 하는게 아닙니다. 두 개의 레고 블락을 별도에 돌기 없이 그냥 블록 자체를 녹여서 하나의 덩어리로 완벽하게 용접해 버리듯이 범프 같은 중간 연결제 없이 칩과 칩에 있는 구리 배선을 그냥 직접 맞대서 붙여 버리는 것이죠. 자, 그럼 기존 방식과 얼마나 달라지는지 숫자로 볼까요? 기존 범프 방식은 연결 간격, 즉 피치가 20마로미 내외가 한개였지만 하이브리드 본딩은 이걸 10마로m 이하 나가 1마로미까지 줄일 수 있습니다.

연결 통로를 수십배 더 촘촘하게 만들 수 있다는 뜻이죠. 16층 아파트 층고가 낮아지면 같은 높이에 20층 아파트를 지을 수가 있듯이 하이브리드 본딩을 쓰면 범프랑 그 사이를 채우던 언더필도 필요 없어지니 집 높이가 줄어들게 되죠. 열 문제는 더 드라마틱하게 해결됩니다. 열을 가두던 주범이 바로 언더필이었는데 이게 사라지고 구리끼리 바로 연결되니까 열이 빠져나가는 고속도로가 뚫리는 겁니다. 연구에 따르면 접합부의 열 저항을 최대 47%까지 줄일 수 있고 수직 열 전도율은 세배까지 높일 수 있다고 하죠. 또한 중간에 거슬리든 범프가 없으니 전기 신호가 최단 거리로 저항 없이 달리게 되며 신호 지연이나 손실이 30%에서 50%까지 줄어드니 더 빠르고 더 안정적이고 전기도 덜 먹는 거죠.

하지만 여러분 이렇게 좋은데 왜 과거에는 안 될 공학 기술이었을까요? 하이브리드 딩은 그냥 후공종 조립 기술이 아닙니다. 반도체 웨이퍼를 만드는 전공정 그것도 최고 수준의 기술과 환경이 필요하죠. 여기에 여섯 가지 지옥의 관문이 있습니다. 첫째, 시내 영역에 도전하는 평탄도 CMP라는 화학적 기계 연마 공정으로 웨이퍼 표면을 원자 수준으로 매끄럽게 만들어야 합니다. 구리 배성과 주변 절염막의 높이 5차를 수n노m 머리카락 굵기에 10만분의 이하로 제어해야 하는데요. 마치 축구장 전체를 먼지 한 털 없이 골처럼 완벽하게 평평하게 만드는 것과 같이 구리 부분이 살짝 파이는 디싱 현상도 완벽하게 보정해야 하죠.

둘째, 바이러스보다 작은 먼지와의 전쟁. 칩을 자르고 가는 과정에서 발생하는 0.1마로미 크기의 이물질 하나만 있어도 접파프의 빈 공간 즉 보이드가 생겨서 바로 분량입니다. 기존 후공정보다 훨씬 더 높은 엄격한 청정도가 여고되죠. 셋째는 정렬. 웨이퍼와 웨이퍼를 붙일 때 100n 이하의 5차로 칩을 웨이퍼에 붙일 땐 로봇이 조고속으로 움직이면서 200nm 이하의 5차로 정확히 내려놔야 합니다. 이건 KTX가 시속 300km로 달리면서 1km 밖에 있는 동정 구멍에 정확히 바늘을 꽂는 것과 같은 정밀도이죠. 넷째 까다로운 열 관리. 기존 TC 본더는 350도 정도의 공원으로 꾹 눌러 붙였지만 하이브리드 본딩은 250도 이하의 비교적 낮은 온도에서 구리 원자들이 스스로 자리를 찾아가며 결정 구조를 이루도록 해야 합니다.

온도가 너무 높으면 이미 만들어진 다른 회로가 망가질 수 있기 때문이죠. 다섯째, 감당 안 되는 비용.이 이 모든 걸 가능하게 하는 장비들은 기존 장비보다 세 배 이상 비싸고 공간도 훨씬 많이 창해져야 합니다. 반도체 공장 앞단에서 나쓰던 초고가 장비들이 뒷단 조립 라인으로 들어오면서 설비 투자 비용 K팩스가 폭증하고 공장 전체를 재설계해야 할 수도 있어요. 마지막 여섯째 감자 칩보다 얇은 웨이퍼 다루기. 16단으로 쌓으려면 디램 다이 하나의 두께가 20마로미 수준까지 얇아져야 합니다. 이건 감자 칩보다도 훨씬 얇고 약해서 작은 열이나 응력에도 쉽게 휘어지고 깨져 버릴 수 있죠.

그래서 특수 캐리어 웨이퍼에 잠시 붙여서 옮기는 등 아기 다루듯이 조심스럽게 핸들링해야 합니다.이 여섯 가지 지옥의 관문 때문에 지금 메모리 3대장 SK하닉스 삼성 마이크론의 전략이 흥미롭게 갈리고 있습니다. 먼저 삼성전자 선재적 도입으로 기술 초격차를 선언했습니다. HBM3 시장에서 잠시 주했던만큼 HBM 4에서는 하이브리드 본딩에 올인돼서 시장의 판도를 한 번에 뒤집다는 공격적인 리프로그 전략인데요. 26년 양산을 목표로 가장 먼저이 신의 기술을 마스터하겠다는 거죠. 경쟁사 대비해서 더 나은 원 공정을 쓰는 디램의 수유를 얼마나 잘 잡을 것일까가 핵심이 되고 있죠.

그러나 파운드리 게이트올 어라운드를 도입해서 3난노를 양산했다고 선언했지만 결과적으로 TSMC의 전세대 세노 핀페에게도 이기기 힘든 현황과 같이 무조건 하이브리드 본딩을 먼저 도입한다고 해서 잘되는 것은 아니며 새로운 설비와 공정을 채택한만큼 더욱더 파이팅해야 하는 상황이죠. 그런데이 하이브리드 본딩과 관련해서 얼마 전까지만 해도 삼성전자는 SK 하이닉스보다 먼저 HBM4의이 기술을 적용 검토한다고 알려졌지만 최근 삼성전자가 밝힌 계획에 따르면 이르면 HBM 4E 7세대 고태역봉 메모리 16단부터 하이브리드 본딩 기술을 적용하겠다는 계획이 밝혀지면서이 기술의 난이도를 짐작할 수 있었죠.

반면 현재 시장 1위인 SK 하이닉스는 아주 영리한 투트랙 전략을 쓰려고 합니다. 일단 주력 제품은 자기들이 가장 잘하는 기존의 MRMUF 기술을 극한까지 업그레이드한 어드벤스드 MRMUF를 적용해 안정적으로 양산하려고 하고이를 통해 수과 원가 경쟁력을 꽉 잡고 가겠다는 거죠. 동시에 하이브리드 본딩은 최고 사용을 원하는 프리미엄 고객용이나 차세대 HBM 4e를 위한 기술로 따로 개발을 하는데요. 안전과 혁신. 두 마리 토끼를 다 잡으며 초격차를 유지할지 아니면 HBM 시장도 마이크론과 삼성전자의 진입에 따라 NBDI의 가격 후려치기에 이익률이 낮아질지를 유심히 봐야 하지만 아직은 하이브리드 본딩을 늘추는 것을 보면 기술력에 자신감이 있다고 이야기하는 듯하죠.

결국 HBM4 시대는 기존 기술의 한계와 하이브리드 본딩이라는 혁신의 가능성이 교차하는 거대한 기술의 변곡점입니다. 16단 HBM4는 기존 공법과 신공법이 맛붙는 첫 번째 전쟁터가 될 것으로 보이는데요. 하지만 확실한 건 20단 이상을 쌓아야 하는 HBM 4E와 HBM 5 시대로 가면 하이브리드 본딩은 더 이상 선택이 아닌 유일한 해법 즉 사실상의 표준이 될 거라는 거죠. 결국 미래 HBM 시장의 패권은 누가 먼저이 여섯 개의 지옥 관문을 통과하고 안정적인 수요를 확보하느냐에 달리게 될 겁니다. 대주 쏟아지는 흥미로운 차세대 메모리 전쟁이 너무 재밌어서 흥분을 감추지 못하고 목소리를 계속해서 높이고 있는 안대 공학 에로였습니다. 니다.