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후공정 기술, 이제는 반도체 핵심 기술로!

TECH/반도체 Insight

 

 

반도체 공정은 전공정과 후공정, 두 가지로 나뉩니다. 전공정은 웨이퍼 위에 반도체를 만드는 공정으로 미세선폭과 관련된 무어의 법칙과 함께 진화해 왔는데요. 공정 미세화를 통해 꾸준히 용량을 확장해온 것이라 할 수 있습니다. 하지만 단일 면적 안에 얼마나 많은 셀을 넣을 수 있느냐 하는 용량의 확장은 과거에 비해 무척 어려워졌습니다. 미세 공정이 10나노미터 벽에 부딪치면서 더 이상 선폭을 줄이려면 엄청난 투자와 노력, 개발기간이 필요해진 것인데요. 전공정에서의 기술 개발이 난관에 빠지면서 생산된 칩에 와이어를 연결하고 패키징하는 후공정 기술이 새롭게 주목받고 있습니다. 그렇다면 새로운 핵심 기술로 떠오른 후공정 기술이란 과연 무엇일까요?

 

 

 

 

과거 후공정은 부가가치가 낮은 기술로 인식되어 왔습니다. 그래서 반도체 업체들은 전공정에 집중하고, 후공정은 외부 협력업체에 맡기는 것이 일반적이었죠. 하지만 최근 전공정 업체들이 후공정 기술인 TSV(Through Silicon Via), InFO(Integrated Fan Out) 등을 적극 개발하고 있는데요. 이 후공정 신기술이 커다란 부가가치를 발생시킬 수 있기 때문입니다. 이제는 후공정 기술의 진화가 반도체 업체 간의 경쟁력 차이를 발생시킬 것이란 전망까지 나오고 있는 상황이죠.

 

 

 

▲ 와이어 본딩을 이용한 반도체 적층과 TSV를 이용한 적층
출처 : 교육과학기술부

 

 

가장 주목받는 후공정 기술은 TSV입니다. Through Silicon Via의 약자로 '실리콘 관통전극’이라고도 부르는데요. 전공정을 거쳐 생산된 칩의 웨이퍼를 일반 종이 두께의 절반 이하로 얇게 깎아낸 뒤, 거기에 수백 개의 미세한 구멍을 뚫고 전도체로 채워 칩을 관통하는 전극을 만듭니다. 그리고 칩을 몇 개 쌓은 뒤 상단과 하단 칩을 이 전극으로 연결하는 패키징 기술이죠. 과거 후공정에서 기존 금선(와이어)을 이용해 칩을 연결하는 와이어 본딩(Wire Bonding) 기술보다 훨씬 장점이 많은데요. 어떠한 장점들이 있는지 좀 더 자세히 알아보도록 하겠습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

▲ 기존 패키지와 TSV 간 비교

출처 : 교육과학기술부

 

 

첫 번째, TSV 기술을 활용하면 와이어본딩 방식으로 의해 생산된 칩보다 전자들의 이동거리가 짧아집니다. 이 때문에 칩들 간의 신호를 주고받는 길이가 짧아져 고속의 인터페이스를 구현할 수 있게 되죠. 또 칩을 관통하면 칩 간 연결고리인 통로를 기존방식 대비 훨씬 더 많이 만들 수도 있습니다. 전력소모도 훨씬 줄일 수 있고 처리 속도 또한 월등히 빨라집니다. 두 번째, 여러 개의 칩, 여러 종류의 칩을 3차원으로 쌓아 고용량의 반도체 패키지를 만들 수 있습니다. D램+D램, D램+낸드, D램+프로세서+센서 등 수많은 조합이 가능하며, 향후 세트를 만드는 데 필요한 모든 반도체를 하나의 통합칩으로 만들 수 있게 될 것입니다. 세 번째, 여러 반도체를 와이어 본딩이나 배선으로 연결하려면 상당한 면적이 필요한데요. TSV로 연결하면 초소형 칩 제작이 가능합니다. 스마트폰, 웨어러블기기 등은 크기가 한정돼 있어 여러 반도체를 하나의 패키지로 만든 SiP(System in Package)가 필수적인데요. 기존 방식은 면적을 줄이는 데 한계가 있어 TSV가 적용된 SiP로 대체되고 있습니다.

 

즉 TSV 기술은 모바일 시대, 각광받는 기술입니다. 고성능, 고용량, 저전력 구현할 수 있을 뿐 아니라 여러 종류의 반도체 적층을 통해 칩이 차지하는 면적도 대폭 줄일 수 있기 때문이죠.

 

단, TSV 기술은 구현이 생각보다 어렵습니다. 전공정이 끝난 웨이퍼의 두께를 얇게 깎아낸 뒤 웨이퍼 후면에 입출력 패드를 만들어야 하는데 얇아진 웨이퍼에 손상이 생길 수 있죠. 또 전공정에서 완성된 반도체 칩의 트랜지스터 특성이 변하는 현상도 발생할 수 있습니다. 이런 일로 인해 수율이 떨어질 경우, TSV는 도입하기 힘들어지고요. 만약 8개의 칩을 연결할 때 하나의 칩에서만 불량이 나도, 패키지 입장에서는 8개의 반도체가 모두 불량품이 되기 때문입니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

▲ SK하이닉스의 HBM

 

 

TSV 후공정을 통해 생산되는 대표적인 제품이 HBM(고대역폭 메모리, High Bandwidth Memory) D램’입니다. HBM D램은 TSV 기술을 적용해 D램 칩에 5,000개 이상의 구멍을 뚫고 상하를 연결, 기존의 금선을 이용한 D램 패키지에 비해 데이터 처리속도를 혁신적으로 끌어올린 제품입니다. 이 제품은 막대한 데이터를 다루는 차세대 그래픽처리장치(GPU), 수퍼컴퓨터, 서버, 네트워크 기기 등에 채택되기 시작했으며 향후 글로벌 IT 기업들이 슈퍼컴퓨터 또는 빅데이터 전용 클라우드 서비스를 위해 도입 검토중인 차세대 초고성능 컴퓨팅 시스템, HPC(High Performance Computing)에도 필수적이랍니다. 김현석 기자

 

 

 

▲ (좌측부터) 4GB HBM2 단면도, 8GB HBM2 단면도

 

 

 

 

SK하이닉스는 HBM의 선두 업체입니다. HBM D램 표준화 작업은 SK하이닉스와 AMD가 주도했으며 SK하이닉스가 양산한 HBM은 AMD의 GPU R9 퓨리에 첫 탑재됐는데요. 이보다 성능을 더 높인 HBM2는 SK하이닉스, AMD 외 삼성전자, 엔비디아 등 다양한 업체가 표준 규격화에 참여했습니다. 전공정이 한계에 부딪히며 새로운 블루칩으로 떠오른 후공정 기술. 이 같은 흐름이 앞으로 반도체 시장에 어떠한 영향을 줄지, 또 어떻게 발전하게 될지는 그 추이를 좀 더 지켜봐야 할 것 같습니다.




 

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  • 열정맨 2016.08.11 09:10 ADDR 수정/삭제 답글

    후 공정 기술의 중요성을 다시 한번 실감하고갑니다!^^ TSMC가 후공정기술인 FoWLP 로 삼성을 따돌리고 애플의 아이폰7,8의 AP인 A10, A11을 독점 수주했다고 하죠.
    선공정, 후공정 모두 중요하지 않은게 없네요^^

    • Favicon of https://blog.skhynix.com SK하이라이트 2016.08.19 00:11 신고 수정/삭제

      안녕하세요 :) 반도체 공정은 정말 중요하지 않은 공정이 없는 것 같습니다! 앞으로도 유익한 정보를 전달해 드리겠습니다 감사합니다~!