AI 시대, 왜 통합 칩렛-웨이퍼 하이브리드 본더가 필요할까?
2025년 10월 2일
이 글은 어플라이드 머티어리얼즈의 이종 집적 사업부문 전략 마케팅의 아물야 아타이데(Amulya Athayde) 수석 디렉터가 작성했다.
반도체 업계는 인공지능의 폭발적인 성장으로 컴퓨팅 수요가 급격히 늘어나면서, 고성능 AI 가속기를 개발하기 위해 이종 집적(Heterogeneous Integration) 기술을 적극 도입하고 있다. 이 기술은 CPU, GPU, 메모리, 입출력, 전력 관리 기능을 단일 패키지 안에 통합하는 방식이다. 즉, 로직, 메모리, 기타 구성 요소를 개별 다이 또는 칩렛으로 분리한 후, 고밀도·저지연·저저항의 인터커넥트를 사용하여 조립하는 방식인 것이다. 이러한 접근방식은 전기적·열적 성능을 향상시키고 전력 소비를 줄일 수 있다.
마이크로범프의 한계
일반적으로 칩렛은 금속 기둥 위에 솔더볼(solder ball)이 얹힌 마이크로범프를 통해 연결된다. 마이크로범프가 장착된 칩렛들은 함께 배치되어 리플로 오븐(reflow oven)에서 가열되며 솔더가 녹으며 상호 연결을 형성한다. 또는 열 압착 접합 방식이 사용되며, 압력과 열을 가해 칩렛을 접합한다. 마이크로범프 인터커넥트는 일반적으로 25~50 마이크론 간격으로 배열되어, 제곱 밀리미터당 수백 개의 인터커넥트를 구현할 수 있다. 범프 설계와 접합 기술을 최적화하면 이 밀도를 제곱 밀리미터당 수천 개까지 높일 수 있으며, 이는 소형 장치 간의 고대역폭 통신에 중요하다.
하지만 마이크로범프는 물리적 및 재료적 한계에 영향을 받는다. 범프 크기를 줄이고 밀도를 높이는 것은 솔더 연결 효과에 따라 달라지며, 솔더가 과도하면 인접 범프 간 브리징이나 단락이 발생할 수 있고, 부족하면 연결 불량이 생길 수 있다. 소형화된 스케일에서는 구리 포스트와 솔더 간의 금속간 화합물 형성이 신뢰성에 영향을 미치며, 이는 열기계적 특성이 달라 균열이나 기계적 고장을 유발할 수 있다.
하이브리드 본딩의 등장
마이크로범프의 한계를 극복하기 위해, 반도체 산업은 하이브리드 본딩 기술을 채택하여 제곱 밀리미터당 10만 개 이상의 다이-다이 인터커넥트를 구현하고 있다. 하이브리드 본딩은 원래 이미지 센서와 메모리를 위해 개발되었으며, 다이 표면을 연결하는 두 가지 유형(절연체 간 본딩 및 구리 간 본딩)으로 형성된다. 이 방법은 열 및 전기 성능을 저하시키는 솔더나 중간 재료의 필요성이 없어져, 안정적이고 저항이 낮은 연결을 구현한다.
하이브리드 본딩이 고성능 컴퓨팅 장치에 처음으로 적용된 사례는 2022년 AMD의 Ryzen 7 시리즈 프로세서로, 외부 메모리 캐시와 로직 CPU의 연결에 사용되었다. 현재 상업용 독립형 본더가 최첨단 로직 파운드리에서 사용되고 있지만, AI 발전 속도에 맞추기 위해 통합 하이브리드 본딩 시스템이 절실히 필요하다.
하이브리드 본딩에는 여러 장점이 있다. 범프와 솔더가 없기 때문에 범프 간격이 줄어들고 수직 공간 활용이 최적화된다. 본딩 구조는 직접 연결을 통해 기생 커패시턴스와 저항을 최소화함으로써 전기적 성능을 향상시키며, 이는 신호 무결성을 개선하고 데이터 전송 속도를 높이며 에너지 소비를 줄이는 데 도움이 된다. 열 전도성이 제한적인 유기 충전재를 사용하는 마이크로범프 기술과 비교할 때, 하이브리드 본딩은 유기 재료를 배제함으로써 보다 효과적인 열 방출을 촉진하고 AI 데이터 센터와 같은 고전력 작업 중 접합부 온도를 낮출 수 있다. 구리-구리의 직접 연결은 취성 금속간 화합물 형성과 관련해, 신뢰성 문제를 해결할 수도 있다.
하이브리드 본딩 공정은 칩렛과 본딩 대상 웨이퍼에 구리 및 절연체 본딩 구조를 형성하는 것으로 시작된다. 이는 화학 기상 증착(CVD)을 사용하여 실리콘 산화물 또는 기타 절연층을 증착한 후, 이를 에칭하고 구리로 채워서 이루어진다. 외부 장치 연결을 위한 구리 본딩 패드는 화학 기계적 연마(CMP)를 통해 평탄한 절연 표면을 만들며, 구리 패드는 나노미터 수준의 정밀도로 표면 아래로 함몰된다. 구리의 평탄도를 유지하는 것이 중요하며, 과도한 함몰은 인터페이스 공극을 유발하고 과도한 돌출은 박리 현상을 초래할 수 있다.
구리 및 절연체 본딩 구조를 형성한 후, 웨이퍼 위에서 개별화된 칩렛은 장치 기판을 포함한 대상 웨이퍼에 하이브리드 본딩할 준비가 된다. 먼저 웨이퍼는 저에너지 플라즈마에 노출되어 절연체 본딩 필름을 활성화시키고, 이후 수처리를 통해 웨이퍼 표면을 수산화 처리한다. 두 웨이퍼는 하이브리드 본더로 이동되어 칩렛이 정확히 정렬되고 대상 웨이퍼와 정교하게 접합된다. 활성화된 표면은 일시적인 본딩을 형성하며, 이후 열 어닐링을 통해 영구적인 절연체 간 공유 결합을 형성한다. 열 어닐링 중 구리 패드는 팽창하여 융합되며, 하이브리드 본딩 공정이 완료된다.
공정 통합의 필요성
하이브리드 본딩의 성능과 신뢰성은 절연체 및 금속의 화학적·물리적 특성, 표면 상태, 정렬 정확도 등 여러 요소에 따라 영향을 많이 받는다. 하이브리드 본딩은 절연체 간 직접 접촉을 요구하기 때문에, 입자, 잔류물, 연마 및 칩 분리 과정에서 발생하는 가장자리 결함 등의 오염은 본딩 품질을 저하시킬 수 있다. 또한, 플라즈마 및 수화 처리로 유도된 본딩 표면의 활성 상태는 시간이 지남에 따라 저하되어 본딩 에너지를 감소시키고 품질이 저하된다.
하이브리드 본딩 공정과 관련된 문제들은 통합 하이브리드 본딩 시스템을 도입함으로써 크게 줄일 수 있다. 하이브리드 본더, 수화 처리, 표면 처리 및 계측 기능 등 모든 핵심 본딩 기능을 하나의 시스템에 통합함으로써, 표면 활성화와 본딩 사이의 대기 시간을 정밀하게 제어할 수 있어 일관성을 확보하고 변동을 최소화할 수 있다. 또한, 웨이퍼 간 이동을 위한 격리된 청정 환경을 제공함으로써 입자 생성과 표면 오염을 줄일 수 있다.
어플라이드 머티어리얼즈는 Besi와 협력하여 업계 최고의 통합 시스템을 공동 개발 중이며, 향후 몇 달 내 진척 상황을 공유할 예정이다. 반도체 산업은 더 진보된 칩렛 본딩을 구현하고 최첨단 AI 가속기 기술의 발전을 촉진하기 위한 통합 시스템이 필요하다.