반도체 기술 탐구: SK Hynix의 HBM 패키징 기술, TSV와 MR-MUF

 

1. TSV

 

HBM 기사가 나오면 단골손님처럼 등장하는 기술 용어가 'TSV'이다. TSV는 'Through Silicon Via'의 줄임말로 실리콘(반도체 wafer)를 관통하는 만드는 배선, 즉 '실리콘관통전극'이다.

 

반도체의 집적도를 높이기 위해 HBM은 여러장의 wafer에 반도체를 만들고 이를 적층하는 기술이다. 이렇게 적층된 반도체를 연결하기 위해 기판 역할을 하는 실리콘 wafer 자체를 관통해서 구멍을 뚫고 이 속에 구리(Cu)처럼 전기 신호를 잘 전달할 수 있는 금속 물질을 채우는 기술이다.

 

SK Hynix는 2013년 TSV(Through Silicon Via, 실리콘관통전극) 구조를 적용한 HBM을 세계 최초로 개발 및 양산하는 데 성공했으며, 이후 고용량(High Density) 제품향으로 개발된 3DS 제품의 양산도 진행했다. 2019년에는 HBM2E을 개발하고 10개월 만에 양산에 성공하면서 HBM 시장에서 우위를 선점하였다.

 

 

HBM은 반도체간 연결과 I/O와의 연결을 위해 이러한 TSV를 사용하는데, 아래 그림에서 TSV가 1024개라는 것은, TSV로 칩에 뚫어낸 구멍 수가 1024개라는 뜻이다. 이렇게 1024개 구멍을 내어서 만든 구리 배선, 그리고 각 배선을 또다른 D램 칩의 배선과 정교하게 연결해서 전기가 빠르게 통할 수 있는 고속도로 같은 길을 만드는 것이다.

 

그리고 적층된 반도체들 사이로 TSV를 연결하는 가교 역할을 하는 것이 있는데, 이를 마이크로 범프라고 한다. 1024개의 배선 바깥에 살짝 구리 돌기(Cu Pillar)를 낸 후에, 이 돌기 가장 바깥쪽에 납(솔더)를 얹어서 납땜하는 방법을 쓴다.

 

 

 

2. TC Bonding

 

위에서 설명한 HBM을 만들 때 적층하는 여러 장의 wafer 사이를 무언가로 채워야 한다. 원래 SK Hynix가 사용했던 방법은 TC-NCF(Thermal Compression Non-conductive Film)를 활용한 TC 본딩이라는 공정이었다. 

 

TC 본딩은 'ThermoCompression', 즉 열압착 방식이다. D램 칩 연결할 곳을 겹쳐서 놓은 뒤에, 달아오른(열·Thermo) 다리미 같은 장치로 위 쪽을 눌러서 붙이는 것(압·Compression) 방식이다. 이러한 TC 본딩을 하는 장비를 만드는 업체가 한미반도체이다.

TC 본딩을 할 때에는 D램 칩 사이에 마치 샌드위치처럼 NCF라는 ‘절연 필름’을 덧댑니다. 일정 온도가 넘으면 이 필름이 녹으면서 범프 간 연결을 유도하고, 마치 본드처럼 두 개 칩이 고정될 수 있도록 하면서 칩 사이 공간도 메우게 된다(언더필·underfill이라고 합니다). 이러한 절연 필름은 범프와 배선 외 전기 흐름을 통제하는 절연체 역할도 한다. NCF에는 통상 접착제 소재로 많이 쓰이는 에폭시와 함께 아크릴 등 소재가 섞여있다.

 

 

그런데  이 공정에서 문제를 인지하기 시작합니다. 아무리 기계를 정교하게 조작해서 TC 본딩을 한다고 하더라도 반도체 칩에 가하는 열과 압력을 1024개 범프에 일정하게 전달하는 것이 쉽지 않았다. 전기 신호 전달을 위한 1024개 배선 외에도 곳곳에서 발생하는 열을 흡수하기 위해 칩 아래에 '더미 범프'라는 부수적 요소도 설치해야 했었는데, 이러한 더미 범프까지 늘어나면서 압력과 같은 물리적 에너지를 전체에 골고루 전달하는 것이 어려워졌다.

 

 

또 HBM을 만들기 위해서는 쌓아 올리는 wafer를 얇게 만들어야 전체 높이가 높아지지 않고, 최종 반도체 device의 두께가 두꺼워지지 않는다. 이를 위해서 반도체를 wafer에 형성한 후에 각 층이 되는 wafer의 뒷면을 갈아내는 작업(그라인딩)도 해야 한다. 그런데, 이 때 조금이라도 균일하지 않은 두께로 갈아낸다면 칩 곳곳에 미치는 압력이 또 달라지고 불량률이 높아지게 된다. 게다가 TC 본딩 작업은 칩 하나하나에 압력을 주는 공정이라 한번에 많은 칩을 만들 수 없다는 단점도 있었다.

 

 

 

3. MR-MUF (Mass Reflow Molded Underfill)

 

SK Hynix에서는 이러한 TC 본딩의 문제점을 해결하기 위해 MR-MUF(머프)라는 기술을 사용하게 되었다.

MR은 '매스 리플로'라는 방법인데, ‘리플로(Reflow)’라는 납땜 방법은 마치 쿠키를 구울 때처럼 대형 오븐에 여러 개 칩을 한꺼번에 집어넣은 다음, 한증막같은 오븐 안에서 납이 녹으면서 때우는 방식이다. 이름에 ‘매스’가 붙은 만큼 대량 양산에 상당히 유리하다.

 

사실 MR은 TC-본딩 전에 쓰던 '레거시(옛날)' 방식이었다.

 

배선 간 거리가 좁아질수록 납땜을 할 때 범프들끼리 서로 엉겨 붙는 문제가 심각해지고, 칩이 고열 때문에 휘어버리는 것이 통제하지 못할 수준까지 이르자 필름을 사용한 TC 본딩을 택했던 것이다.

 

최근 SK하이닉스는 매스 리플로에서 발생할 수 있는 각종 단점을 보완했다. 다양한 소재를 개선해서 기존보다 가열하는 온도를 낮추고, 열을 가하는 대신 레이저를 칩에 번쩍 쏴서 공정 시간을 크게 단축한 공정도 개발하였다.

 

이 MR 공정을 하는 이유가 바로 MUF(일명 머프)를 하기 위해서이다.

 

TC 본딩이 NCF라는 필름을 중간에 끼워서 열과 압력으로 ‘샌드위치’ 시키는 방법이라면, MUF는

 

- 칩을 일단 MR 방식으로 납땜을 하고 나서

- 칩 사이사이의 간극을 액체(실리카·에폭시 알갱이로 구성된 소재)로 채우면서 단단하게 굳히는 '언더필' 작업과 동시에

- 이 칩을 보호하는 일종의 껍데기 마감 작업인 '몰딩'을 동시에 하는 방법이다.

 

 

 

그래서 몰디드 언더필(MUF)라고 부른다.

납땜 공간 사이사이를 끈적한 액체로 채우는 작업이라 열과 압력이 각 범프에 미치지 못할 걱정을 안해도 되고요. 사실 기존에는 이 언더필 작업을 캐필러리로 해왔는데, 이 언더필과 함께 마감(몰딩) 작업까지 동시에 해버리니까 공정이 훨씬 간단해져 생산성이 올라가는 장점이 생겼다. 이렇게 MR과 MUF를 합쳐 12단 HBM 패키징 기술을 구현된 것이다.

 

SK하이닉스의 HBM 3세대 제품인 ‘HBM2E’부터 적용돼 작년 연말부터 공급 중인 신제품 ‘HBM3’에도 적용 중인 기술이다. 기존 TC-NCF(Thermal Compression Non-conductive Film) 방식을 사용했으나 5년 이상의 개발 기간을 거쳐 SK하이닉스가 세계 최초로 MR-MUF 기술로 전환했다. 

경쟁사인 삼성전자, 마이크론 등 타 HBM 제조사들은 아직 TC 본딩 방식을 활용하고 있는 것으로 알려져 있다. SK하이닉스는 이 MR-MUF를 일본 소재 회사 나믹스와 협력해서 상당히 만족할 만한 수율과 기술 경쟁력을 확보한 것으로 알려지고 있다.

 

당초 삼성전자 등 경쟁 업체들은 MR-MUF를 적용하는 것은 불가능할 것이라 내다봤다. 하지만 SK하이닉스 PKG개발 조직이 일본 나믹스(NAMICS)란 기업을 통해 소재를 공급받아 개발에 성공했다. 이 같은 소식에 삼성전자 등 주요 D램 업체들은 적잖이 놀란 것으로 전해진다. 삼성전자 역시 현재 MR-MUF 방식을 연구 중인 것으로 전해진다. 

 

SK하이닉스는 5세대 HBM3E는 물론 26년 양산 예정인 HBM4에도 MR-MUF 기술을 유지하겠다는 입장입이다. 이후는 하이브리드 본딩으로 갈 예정이나, 16Hi(16단 적층 제품)를 제외한 8Hi, 12Hi 제품에서는 HBM4 이후로도 계속해서 MR-MUF를 유지할 것이라고 밝혔다.

MR-MUF는 우수한 방열, 품질 우수성, 생산성 향상이 이점으로 이야기 되고 있는데, 앞서 설명했듯이 MR-MUF는 액체 소재로 층간 빈 공간을 Void없이 채우기 때문에 방열 특성이 우수하다. 또 MR-MUF는 상온(25도씨)에서 10N의 아주 작은 압력으로 공정이 진행되기 때문에 웨이퍼 Warpage(휘어짐) 현상을 최소화할 수 있다.

게다가 TC-NCF에서 높은 열을 주고, 열을 식히는 시간이 모두 필요한데, MR-MUF에서는 이 시간을 절약할 수 있어 생산성이 3배 개선됐다고 언급했습니다.

 

기존 TC-NCF방식에서 사용하던 TC Bonder는 기존 Flip Chip Bonder 대비 열과 압력을 주는 모듈을 과다하게 사용한 장비로 근본 원리가 다르지 않기 때문에 MR-MUF로 전용이 가능하다고 설명했습니다.

따라서 기존 TC-NCF 방식 사용 시 투자했던 TC Bonder 장비를 사용해 Capa에 활용할 수 있다. 반면, MR-MUF로 생산성이 높아졌기 때문에 후공정 생산성은 오히려 여유가 있게 되었다. 

 

 

 

4. MR-MUF의 넥스트 레벨, 하이브리드 본딩

MR-MUF 공정도 한계가 있다. 향후 HBM이 발전할수록 정보 입출구(I/O) 역할을 하는 핀 수와 이걸 연결하는 범프 및 더미 범프 수가 계속 늘어날 것이다. 그러다 보면 범프 간격이 갈수록 좁아지고 MUF 공정을 할 때 칩 아래 범프 사이사이로 under fill 물질로 사용되는 액체가 본래 갖고 있는 점도 때문에 제대로 빈틈없이 스며들 수 있는지 여부에 대한 불확실성이 높아진다.

 

그래서 고안되는 방법이 '하이브리드 본딩'이다. 하이브리드 본딩은  주로 대만 파운드리 업체 TSMC의 패키징 기술의 특징이며, 기존에 칩을 연결할 때 솔더볼로 '납땜'을 하던 방식과 달리 칩과 칩을 '포개어버리는' 방식으로 유명하다.

이 기술이 시스템 반도체 뿐 아니라 HBM에도 적용된다면 상당히 큰 기술적 진보를 할 수 있습다. 칩을 연결하기 위해 필요했던 구리 기둥과 솔더볼(납땜)이 아예 사라지기 때문에 두께가 얇아진다다. 더 많은 수의 D램을 적층할 기회가 생기며, 또 여러 장치와 가교 없이 칩을 포개어버리는 것이기 때문에 적층된 D램이 훨씬 유기적으로 정보를 교환할 수 있다.

 

 

하이브리드 본딩은 쉬운 기술이 아니다. 전선 역할을 하는 ‘구리’와 절연체 역할을 하는 산화막(SiO₂), 특성이 다른 물질을 ‘하이브리드’ 방식으로 이어 붙여야 하는 난도 높은 공정이다. 앞으로 SK하이닉스가 이런 난제들을 극복하고 HBM 제조에 하이브리드 본딩을 언제, 어떻게 활용할 것인지 보는 것도 관전 포인트가 될 것이다.

 

 

 

출처: 서울 경제, 인포스탁데일리, 디일렉, SK Hynix 뉴스룸

 

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