세대 거듭하는 HBM, 관건은 '수율'…적층 한계 넘자

[이데일리 조민정 기자] 인공지능(AI) 필수 반도체로 불리는 고대역폭메모리(HBM) 공급 경쟁이 가열되면서 왕좌를 가릴 요소로 ‘수율’이 지목되고 있다. 수율은 불량품을 뺀 정상 제품 비율로 수율이 높을수록 정상품이 많다는 뜻이다. HBM은 세대를 거듭하며 적층 수가 높아지면서 공정 난이도가 어려워지는 탓에 삼성전자(005930)와 SK하이닉스(000660)는 차세대 제품의 수율 잡기에 총력을 기울이고 있다.

SK하이닉스의 HBM3E 제품.(사진=SK하이닉스)

13일 업계에 따르면 SK하이닉스는 HBM4(6세대)를 2025년에, HBM4E(7세대)를 2026년에 각각 양산하겠다고 밝혔다. SK하이닉스는 HBM4 제품뿐 아니라 HBM4E 제품도 기존 계획보다 1년 앞당긴 로드맵을 발표하면서 차세대 제품 양산에 자신감을 드러냈다.

HBM은 D램을 건물처럼 위로 쌓아 올려 데이터 처리량을 대폭 늘린 제품이다. 층수가 높아질수록 성능이 좋아져, 세대를 거듭할수록 HBM의 단수가 계속해서 높아지는 특징이 있다. 현재 양산 중인 HBM3E는 8단이다. 삼성전자와 SK하이닉스는 각각 2분기, 3분기에 12단 제품까지 양산할 계획이다. HBM4는 적층 단수가 16단까지 늘어날 예정이다.

신규 HBM은 기존 제품 대비 초기 수율이 낮고 최대 수율도 낮을 수밖에 없다. HBM은 기본 D램과 달리 난이도가 높은 실리콘관통전극(TSV) 공정, 본딩(접착) 공정, 패키징 기술 등이 추가된다. 현재 HBM3E의 핵심 부품인 TSV의 수율은 40~60%에 불과하다.

(사진=SK증권)

초기 수율을 잡는 것이 중요한 이유는 바로 최대 고객사인 ‘큰 손’ 엔비디아에 납품하기 위해서다. SK하이닉스가 HBM 시장 1위로 올라설 수 있었던 점도 엔비디아에 HBM3를 독점 공급하면서 주도권을 쥐었기 때문이다. HBM은 엔비디아의 그래픽처리장치(GPU) 속도를 빠르게 만드는 역할을 하는 필수 제품이다. 삼성전자는 12단 제품을 통해 역전을 노리고 있다.

최근 엔비디아는 공급업체에 “HBM의 품질과 수율을 높여 납품을 서둘러 달라”고 요청하면서 경쟁은 더 격화되고 있다. 삼성전자는 ‘HBM3E 12단’ 제품을 오는 3분기 엔비디아에 납품하기 위해 최근 100명 규모의 태스크포스(TF)를 조직해 총력을 기울이고 있다. SK하이닉스는 액화 소재를 개선하기 위한 연구에 집중하며 수율 올리기에 주력하고 있다.

양사의 HBM 기술도 다르다. SK하이닉스는 자사의 HBM 독자 기술인 ‘어드밴스드 MR-MUF’를 강조하고 있다. MR-MUF는 우선 D램을 쌓은 뒤 한 번에 오븐과 같은 장비에 넣고 굽는 식이다. 삼성전자는 마이크론과 같은 ‘어드밴스드 TC-NCF’ 기술을 사용하는데 칩 사이에 얇은 비전도성 필름(NCF)을 넣은 뒤 열로 압착하는 방식이다.

김귀욱 SK하이닉스 HBM첨단 기술팀장은 이날 ‘국제메모리워크숍’(IMW 2024)에서 “HBM4에서 주력 공정인 MR-MUF는 물론 하이브리드 본딩도 연구하고 있지만 현재까지 이 방법은 수율이 높지 않다”며 “고객사가 미래에 20단 이상 쌓은 제품을 요구했을 때에는 두께의 한계 때문에 완전히 새로운 공정을 모색해야 할 수도 있다”고 밝혔다.