하이브리드 본딩 기술 알아보기 - HBM 제조 기술 SK하이닉스 삼성전자

HBM은 현재 메모리 제품 중 AI 붐을 타고 가장 주목받는 제품이 되었습니다. SK하이닉스가 기술면에서 가장 앞서있는 것으로 알려져 있고, 삼성전자도 뒤처지지 않기 위해 연구 개발에 매진하고 있습니다. 오늘은 HBM을 제조하는 최첨단 기술인 '하이브리드 본딩'에 대해 정리해 보겠습니다.
 

 

하이브리드 본딩이란?

하이브리드 본딩이란 칩과 칩 사이를 직접 연결하는 기술로, 기존의 범프나 접착제 없이 유전체(산화물)와 구리 소재만을 이용해 칩을 직접 붙이는 방식입니다. 이 기술은 두 가지 유형의 계면 사이에 본딩이 동시에 형성되는 것이 특징입니다. 산화물 면과 면 사이의 본딩, 그리고 구리와 구리 사이의 본딩입니다.
 

 
하이브리드 본딩의 주요 특징과 장점에 대해 알아봅시다.

• 높은 집적도: 칩 간 갭을 최소화하여 더 많은 D램을 적층 할 수 있습니다.
• 전기 신호 밀도 향상: 범프 없이 구리 배선의 패드끼리 직접 붙여 신호 밀도를 크게 높일 수 있습니다.
• 열 방출 개선: 기존 열압착(TC) 본딩 대비 열 방출이 개선됩니다.
• 높은 I/O 밀도: 더 작은 footprint로 높은 밀도의 TSV I/O를 구현할 수 있습니다.

 

하이브리드 본딩 공정 알아보기

하이브리드 본딩은 크게 3단계로 이루어집니다.

1. 웨이퍼 다이 표면 준비

• 산화물(SiO2) 면을 먼저 붙이는 pre-bonding 단계
• 표면 평탄화 및 활성화 처리

 

2. 다이와 다이(또는 substrate 웨이퍼) 접착

• 상온에서 약 15N의 낮은 힘으로 SiO2 간 반데르발스 힘에 의한 bonding 생성

 

3. 열처리(Annealing)

• 저온 열처리: 200 ~ 400 °C에서 2시간 정도 진행
• 고온 열처리: 400 °C 이상에서 30분 ~ 2시간 진행

 
 

해결해야 할 문제

• 플라즈마 활성화 최적화: 표면의 산화와 오염을 제거하면서도 과도한 처리로 인한 표면 거칠기 증가 방지
• 본딩 온도 최적화: 저온 본딩 기술 개발을 통한 공정 효율성 제고
• 표면 품질 관리: 유전체 표면의 평탄도 유지 및 구리 dishing 관리

 

 

공정 개발 현황

• SK하이닉스: HBM2E에 하이브리드 본딩을 적용하여 8단 적층 구현을 진행했고, 전기 테스트도 완료한 상태입니다. 12단 HBM제조에 도전하고 있습니다.
• 삼성전자: 16단 이상의 HBM에 이 기술이 필수적이라고 강조하면서, 2025년 HBM4 샘플 개발에 이 기술을 적용하고 있습니다. 2026년 양산 체제를 목표로 개발 진행 중입니다.

 

맺음말

하이브리드 본딩은 HBM제조의 최첨단 공정이므로, 아직 국내 업체를 제외하고는 진행에 대한 정보가 거의 없습니다. 제조에는 관련 장비가 필요하므로, SK하이닉스나 삼성전자와 협력하고 있는 장비업체의 개발 과정도 주의 깊게 지켜보아야 할 것입니다. 반도체 산업은 대한민국 전체 산업에서 매우 중요한 비율을 차지하고 있으므로, HBM 제조에서도 초격차를 이룰 수 있는 환경이 만들어졌으면 하는 바람입니다.
 
 

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