고대역폭 메모리(High Bandwidth Memory, HBM)는 고속 데이터 전송과 높은 대역폭을 제공하는 차세대 메모리 기술로, 특히 고성능 컴퓨팅, 그래픽 처리 장치(GPU), 데이터 센터 등에서 필수적인 역할을 합니다. HBM의 제조 공정은 복잡하며, 각 단계는 다음과 같습니다.
1. 전면 공정(Front-End-of-Line, FEOL)
반도체 웨이퍼의 전면 공정에서는 트랜지스터와 같은 기본 소자를 형성합니다. 이 단계에서 실리콘 웨이퍼에 포토리소그래피, 식각, 이온 주입 등의 공정을 통해 회로를 형성합니다.
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SK·삼성 ‘HBM 공정’ 뭐가 다를까
SK - 칩 먼저 쌓은후 빈 공간에 보호재 삼성 - 칩 사이사이 필름 덧댄후에 붙여거대 인공지능(AI) 구현의 필수품이 된 고대역폭메모리(HBM) 기술력이 반도체 시장의 승패를 가를 중요한 나침반으로
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2. 실리콘 관통 전극(TSV, Through-Silicon Via) 공정
HBM의 핵심 기술 중 하나인 TSV 공정에서는 실리콘 웨이퍼에 수천 개의 수직 전극을 형성하여 칩 간 데이터 전송 경로를 만듭니다. 이 과정은 실리콘을 식각하여 트렌치를 만들고, 그 안에 구리(Cu)와 같은 전도성 물질을 채워넣는 방식으로 진행됩니다.
3. 금속 배선 공정(Metalization)
TSV를 통해 형성된 전극에 금속 배선을 추가하여 칩 간의 전기적 연결을 완성합니다. 이 단계에서는 포토리소그래피, 식각, 증착 등의 공정을 통해 금속 배선을 형성합니다.
4. 전면 범핑(Front-Side Bumping)
웨이퍼의 전면에 범프를 형성하여 칩 간의 전기적 접합을 준비합니다. 이 과정에서는 절연층을 형성한 후, 기둥을 세우고 범프를 형성하는 공정이 진행됩니다.
5. 리플로우 공정(Reflow Process)
형성된 범프를 열을 이용해 구형으로 만드는 리플로우 공정을 통해 범프의 형태를 안정화시킵니다. 이 과정은 범프 간 높이 차이를 최소화하고, 표면의 거친 정도를 줄이며, 산화물을 제거하여 접합성을 높이는 데 중요합니다.
6. 웨이퍼 그라인딩(Wafer Grinding) 및 박막화(Thinning)
웨이퍼의 두께를 줄여 칩의 소형화와 열 관리를 용이하게 합니다. 이 과정은 웨이퍼의 뒷면을 연마하여 원하는 두께로 만드는 방식으로 진행됩니다.
7. 후면 범핑(Back-Side Bumping)
웨이퍼의 후면에도 범프를 형성하여 패키지 기판과의 전기적 접합을 준비합니다. 이 과정은 전면 범핑과 유사한 방식으로 진행됩니다.
8. 칩 절단(Dicing)
웨이퍼를 개별 칩으로 분리하는 공정으로, 레이저나 다이싱 블레이드를 사용하여 칩을 절단합니다.
9. 적층(Stacking) 및 본딩(Bonding)
각 칩을 수직으로 적층하고, TSV를 통해 전기적으로 연결하여 HBM 모듈을 완성합니다. 이 과정은 기술 난이도가 높아 수율에 큰 영향을 미칩니다.
10. 언더필(Under-Fill) 및 몰딩(Molding)
적층된 칩 사이에 언더필을 주입하여 구조적 안정성을 높이고, 몰딩을 통해 외부 충격으로부터 보호합니다.
11. 테스트 및 패키징
완성된 HBM 모듈에 대한 전기적 테스트를 진행하여 성능을 확인하고, 최종 패키징을 통해 제품을 완성합니다.
이러한 복잡한 공정을 통해 제조된 HBM은 고속 데이터 전송과 높은 대역폭을 제공하여, 고성능 컴퓨팅, 그래픽 처리 장치(GPU), 데이터 센터 등에서 필수적인 역할을 합니다.