[딜사이트 김민기 기자] '퍼스트 무버(First Mover)'

고(故) 이건희 삼성그룹 선대회장이 자주 쓰는 단어 중 하나다. 하지만 최근 SK하이닉스가 HBM(High Bandwidth Memory)에서 세계 최초 타이틀을 거머쥐면서 이 단어를 삼성으로부터 가져왔다. 적어도 현재까지는. 

SK하이닉스와 삼성전자는 차세대 반도체인 HBM 시장을 두고 각자 자사가 독자적으로 개발한 기술을 통해 '퍼스트 무버' 자리를 빼앗기 위해 총력을 기울일 전망이다.

◆HBM 선점한 SK하이닉스

8일 반도체 업계에 따르면 지난해 6월 SK하이닉스는 자사 뉴스룸에서 세계 최초 HBM3 양산 성공을 이끈 개발 주역들을 소개하면서 "아무도 가보지 않은 길을 여는 퍼스트 무버"라는 표현을 썼다.

당시 SK하이닉스의 HBM3 개발 및 양산을 이끈 주역으로 김왕수 PL(IPM기획), 박명재 PL(HBM Design), 김귀욱 PL(Graphic&HBM개발PI), 박진우 PL(WLP PKG제품), 허진원 PL(HBM/Graphics Enablement)이 꼽혔다. 

특히 박명재 PL은 올해 신규 임원 인사에서 1980년생임에도 불구하고 부사장에 승진했다. 2014년 입사 후 8년 만의 임원 승진이다. 그만큼 SK하이닉스에 있어 HBM3 개발은 메모리반도체 선두주자였던 삼성을 제치는 획기적인 일이었다.

4세대 HBM 제품 'HBM3'는 SK하이닉스가 최초로 제안하고 개발에 성공, 양산까지 돌입한 제품이다. SK하이닉스 입장에서는 기념비적인 사건이다. 

박 부사장은 HBM3의 의미에 대해 "무엇보다 SK하이닉스가 1등 기술력을 보여줬다는 데 있다"고 설명했다. 이어 박 부사장은 "난도가 높은 기술인 만큼 많은 팀원이 피땀 흘려 노력한 결과물이 가치를 인정받는 것 같아 기쁘다"며 "업계 최초로 최고 속도, 최고 용량과 성능을 지닌 HBM3 개발로 SK하이닉스가 프리미엄 메모리 시장의 주도권을 더욱 확고히 하길 기대한다"고 자신 있게 말했다.

당분간 HBM 시장에서 SK하이닉스의 선점 효과는 한동안 이어질 것으로 보인다. SK하이닉스는 2021년 세계 최초로 HBM3 개발에 성공하며 회사의 HBM 기술력을 세계 최고 수준으로 끌어올렸고 7개월 만에 고객 인증을 모두 마치고 양산에 돌입했다.

SK하이닉스는 지난해 6월 엔비디아와 HBM3 공급 계약을 체결했으며, 내년 상반기에는 5세대 HBM인 'HBM3E'를, 2026년에는 6세대 'HBM4'를 양산한다는 야심 찬 계획도 내놨다. 

김귀욱 PL은 "SK하이닉스는 HBM2E에 이어 HBM3에서도 가장 먼저 개발과 양산에 성공함으로써 다시 한번 경쟁 우위를 가져올 수 있게 됐다"며 "시장 상황에 따라 다르지만 이러한 선점 효과는 상당기간 이어질 수 있다"고 밝혔다.

◆삼성전자, 최첨단 NCF 소재 개발에 열중

HBM에서 퍼스트 무버 자리를 내준 삼성전자도 4분기부터 본격적으로 HBM3 양산에 들어간다. 최근 2분기 컨퍼런스콜을 통해 HBM3 시제품 출하를 알렸다. 하지만 업계에서는 본격적으로 양산에 들어가려면 4분기는 돼야 할 것으로 바라보고 있다. 

삼성전자 측은 당장 4분기부터 HBM3와 5세대 HBM인 'HBM3P'를 동시에 양산하겠다는 방침이다. 또 내년 HBM 생산능력을 올해 대비 최소 2배 이상으로 늘리겠다고 발표했다. HBM3P를 통해 SK하이닉스에게 빼앗겼던 '퍼스트 무버'를 되찾겠다는 계획이다.

5세대부터 삼성전자는 SK하이닉스와 본격적인 기술 경쟁을 펼칠 전망이다. SK하이닉스가 'MR-MUF(Mass Reflow Molded Underfill)' 기술을 통해 휨 현상을 극복했다면 삼성전자는 'NCF(비전도성 접착 필름)'기술로 반격한다는 계획이다. SK하이닉스 기술의 장점은 열 방출이 잘된다는 점과 공정이 단순하다는 점이고, 삼성전자는 필름으로 쌓다보니 휨 현상이 적고 안정적이라는 점이다. 

통상 HBM은 D램 칩을 쌓을수록 용량이 커진다. 그런데 더 많이 쌓으려면 D램 칩 두께가 필연적으로 얇아지게 된다. SK하이닉스가 발표한 '12단 HBM3'는 기존 8단 제품보다 40% 얇게 만들어 칩 개수는 늘었지만 높이는 기존 제품과 같도록 만들었다.

무엇보다 D램 칩을 붙이는 과정에서 밑으로 압력이 가해진다. 이때문에 웨이퍼의 휨(Warpage) 현상이 생기는데 SK하이닉스가 개발한 신 공정은 칩을 쌓을 때마다 위에 얇은 패드를 가접착해 휘어짐을 예방했다. 이어 칩을 다 쌓은 뒤 포장할 때 액상 재료를 압력으로 흘려 넣어 굳히는 방식으로 생산성을 개선했다. 또 신규 보호재를 사용해 열 방출도 줄였다.

삼성전자는 최첨단 NCF 소재를 개발해 휨 현상을 줄였다. NCF는 칩 전면을 열과 하중을 인가해 본딩(접합), 칩 휘어짐을 용이하게 제어하는 기술이다. 

HBM은 TSV(실리콘관통전극)를 통해 각 D램에 미세한 구멍을 뚫고, 이를 전기적으로 연결하는 구조로 돼 있다. 각 TSV 통로를 전기적으로 연결하는 데에는 작은 돌기 형태의 마이크로 범프가 쓰인다. 

통상 D램 사이에 NCF를 집어넣고, 위에서부터 열압착을 가하는 TC 본딩 공정을 진행한다. 이 때 NCF가 고온에 의해 녹으면서 범프와 범프를 연결하고, 칩 사이를 고정하는 역할을 하게 된다.

삼성전자는 "NCF 기술은 범프 사이를 빈틈 없이 채우는 기술"이라며 "TC 본딩 공정 또한 다년간 양산을 통해 수율과 품질에 문제가 없음이 검증됐다"고 밝혔다. 이어 "특성을 더 개선한 최첨단 NCF 소재를 개발해 현재 양산 중인 12단 HBM3에 적용하고 있다"며 "세계 최초로 7 마이크로 기술을 적용 고객사에 출하 중"이라고 덧붙였다.

◆하이브리드 본딩 기술 개발 총력

결국 차세대 HBM 4·5·6로 넘어가면서 적층 수 증가와 칩 두께 감소에 따른 휘어짐 현상이 강해지는데, 이를 최대한 막고 불량을 줄이는 기업이 향후 기술 경쟁의 우위를 점할 것으로 보인다.

다만 업계에서는 기존 TC 공정에서 한 단계 더 진화한 것이 MR-MUF로 보고 있다. TC공정에서는 칩사이를 메우는 언더필(underfill)을 하고 전체 몰딩하는 식으로 2공정을 쓰는데 MR-MUF는 몰딩과 언더필을 한공정으로 하기 때문이다.

한편 MUF 방식의 경우 범프 피치가 60μm이하가 되면 충진성이 보장되지 않고, 리플로우(Reflow) 공정에서는 칩이 얇아짐에 따라 휨 현상 등 이슈가 있는 것으로 전해졌다. 이에 양 사 모두 칩과 칩을 직접 접착시키고 데이터 통로를 곧바로 연결하는 '하이브리드 본딩(Hybrid bonding)' 기술 개발에 총력을 기울일 전망이다.