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한국과학기술기획평가원(KISTEP)이 최근 펴낸 '반도체 기술 수준 심층 분석 보고서'에 국내 반도체 업계가 발칵 뒤집혔다. 이 보고서에 따르면 지난해 기준 한국은 반도체 5개 분야 중 고집적 메모리, 인공지능(AI) 및 전력 반도체, 차세대 센싱 등 4개 분야에서 중국에 뒤처진 것으로 나타났다. 보고서가 공개되자 삼성전자 내부에선 탄식이 쏟아졌다.
첨단 패키징의 핵심 '하이브리드 본딩'
K반도체 위기 신호가 감지되면서 강원신용보증 서울대가 나섰다. 서울대 반도체공동연구소 산하에 첨단패키징센터를 만들기로 한 것이다. 국내에 패키징 전문 연구개발(R&D) 시설이 들어서는 건 이번이 처음이다. 이혁재 서울대 반도체공동연구소장은 8일 한국경제신문과의 인터뷰에서 "반도체공동연구소에 신축 중인 건물이 준공되면 기존 건물을 전부 클린룸으로 전환하고, 여기에 첨단 패키징연구센터를 설립할 것"이라며 미성년자신용불량 "연내 완공해서 내년에 본격 가동에 들어간다"고 말했다.
패키징은 가공을 마친 웨이퍼를 자른 뒤 쌓고 묶는 후공정 작업이다. 과거엔 단순 작업으로 여겨졌지만 반도체 미세 공정이 10나노(㎚·1나노는 10억분의 1m) 이하로 접어들면서 기존의 단순 후공정 작업이었던 패키징 기술이 발열 제어, 신호 보정, 신소재 도입 등 첨단 기술의 집약체 롯데카드론 로 탈바꿈했다.
이혁재 서울대 반도체공동연구소장이 서울 관악구 서울대학교 반도체공동연구소에서 한국경제신문과 인터뷰를 하고 있다. / 사진=임형택 기자
이 소장은 첨단패키징 중에서도 하이브리드 본딩을 주목해야 한다고 보금자리생애최초주택 강조했다. 그는 "첨단 패키징의 핵심인 하이브리드 본딩은 칩을 쌓아 올리는 3차원(3D) 적층 패키징 공정에서 칩 또는 웨이퍼 사이의 직접 연결을 가능하게 한다"며 "성능을 높이고 소비 전력을 줄일 수 있어 AI, 고대역폭메모리(HBM) 같은 칩 제조에 중요성이 더 부각될 것"이라고 밝혔다.
하이브리드 본딩은 퍼즐 조각 맞추기에 비유할 수 소상공인자영업자 있다. 칩 제조업체는 하이브리드 본딩으로 3D 첨단 패키지에 칩렛(하나의 칩에 여러 개의 칩을 집적하는 기술)을 적용한다. 보통 이 과정에서 칩을 연결할 때 미세 금속 전선을 사용하거나 솔더(납땜) 같은 물질을 녹여 붙인다. 반면 하이브리드 본딩은 물리적으로 표면을 딱 맞게 붙이고, 그 사이에 전기 신호가 오가도록 한다. 쉽게 말해 솔더 본딩은 접착제로 붙이는 방식이다. 접착제는 아무리 정밀해도 미세 공간이 남는다. 하이브리드 본딩은 접착제 대신 표면을 극도로 매끄럽게 다듬어 직접 붙인다.
이 소장은 "하이브리드 본딩은 촘촘히 회로를 연결하기 때문에 칩 성능을 높인다"고 설명했다. 하이브리드 본딩은 수율과 경제성 탓에 '다이투웨이퍼(Die-To-Wafer)' 방식이 주로 적용되고 있다. 다이는 웨이퍼 위의 작은 사각형 칩을 말한다. 이 소장은 앞으로 '웨이퍼투웨이퍼(Wafer-To-Wafer)'가 주류가 될 것으로 내다봤다.
그는 "WTW는 웨이퍼 전체를 한 번에 붙이기 때문에 대량 생산에 최적화됐다"며 "데이터센터, AI 반도체처럼 대량 수요가 필요한 시장에서 비용 절감 효과가 크다"고 했다. DTW가 하나씩 붙이는 작업이라면 WTW는 도장 공장에서 기계를 돌려서 한 번에 수백 장을 찍어내는 셈이다. 이 소장은 "WTW는 미세 회로끼리 직접 연결하기 때문에 신호 전달 속도가 빠르고 전기 저항이 낮다"고 부연했다.
이혁재 서울대 반도체공동연구소장이 서울 관악구 서울대학교 반도체공동연구소에서 웨이퍼를 들고 포즈를 취하고 있다. /사진=임형택 기자
"첨단패키징, 고부가가치 산업으로 발전할 것"
여러 개의 칩을 쌓아 연결하는 3D 패키징이 발전하면서 발열 문제는 반드시 해결해야 할 중요한 과제가 됐다. 이때문에 방열·냉각 기술의 패러다임 전환이 예상된다. 기존 방열 기술은 패키지 외부에 열전도 재료를 배치해 열을 방출했다. 앞으로는 내부에 방열·냉각 기술을 직접 도입할 것으로 보인다. 이 소장은 "열전소자(Thermoelectric Device)나 마이크로 유체 냉각 시스템과 같은 기술이 패키지 내부에 삽입돼 발열을 줄일 것"이라며 "기존에 사용되던 산화 계열의 유전층(dielectric layer)은 발열에 취약하기 때문에 미래에는 발열에 강한 비산화 계열의 저유전율(Low-k) 재료가 도입돼 신호 전송 속도와 전력 효율을 높일 것으로 본다"고 했다.
이 소장은 칩과 칩 사이의 접합 공정에 플라즈마(고체·액체·기체에 이은 4번째 상태) 활성화 기술도 각광 받을 가능성이 높다고 봤다. 플라즈마로 접합면을 활성화시키면 더 낮은 온도에서 더 강한 결합력을 구현할 수 있다. 이 소장은 "첨단 패키징은 발열 제어, 신호 보정, 신소재 도입, 정밀 접합과 같은 기술을 통합한 고부가가치 산업으로 발전할 것"이라고 전망했다.
이 소장은 고대역폭메모리(HBM)에 대한 의견도 내놨다. 업계가 맞춤형 반도체(ASIC)로 가고 있기 때문에 고객사인 팹리스(반도체 설계전문) 요구를 맞추기 위해 한국도 시스템반도체 경쟁력을 갖춰야 HBM 경쟁력 유지할 수 있다고 조언했다. 이 소장은 "HBM은 DRAM 메모리를 여러 개 수직으로 쌓아 올리는 구조"라며 "HBM DRAM 가장 아래에 있는 '베이스다이(Base Die)' 칩의 기능을 향상시키는 개발이 진행되고 있다"고 했다. 빅테크인 고객사 요구를 정확히 구현하기 위해선 베이스다이의 설계 언어를 이해하고 협력하는 것이 필수라는 설명이다.
메모리 기술과 시스템반도체 기술을 잘 연동시켜야 한다는 뜻으로 해석된다. 최근 이 소장은 삼성전자 사외이사로 내정됐다. 이를 두고는 '테크인 전진배치'라고 해석했다. 이 소장은 "한국 반도체 위기, AI 변곡점 등 엄중한 시기에 삼성전자가 전략적으로 반도체 전문가를 배치했을 것"이라며 "삼성전자에서 내가 어떻게 기여할 수 있을지 살펴보겠다"고 말했다.
방진복을 입은 이혁재 서울대 반도체공동연구소장이 절연막 건식 식각기(ICP etcher)에 대해 설명하고 있다. 이 장비는 실리콘 산화물이나 질화물을 식각할 때 쓰인다. / 사진=임형택 기자
강경주 기자 qurasoha@hankyung.com
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