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Nikkei X-TECH_2026.6.19

라피더스, 하이브리드 본딩의 약점에 도전
이물질에 강한 반도체 칩 접합

라피더스(도쿄)는 AI(인공지능) 반도체의 고성능화로 이어질 수 있는 구현 기술을 개발했다. ‘하이브리드 본딩’이라 불리는 칩 간 접합 기술에서 이물질 혼입으로 인한 접촉 불량을 억제하면서 3μm(마이크로미터) 피치급 고밀도 접속을 구현하는 기술이다. 접합면의 청정도와 평탄도에 대한 요구 조건을 완화해 수율을 높인다.

-- 폴리머의 유연성과 솔더의 유동성 활용 --
라피더스는 ‘MICS(Micro‑scale Interconnect by Cured‑polymer and Solder, 믹스)’라고 부르는 칩 간 접합 기술을 개발했다. 라피더스 엔지니어링센터 RDL인테그레이션개발부의 오이다(大井田) 엔지니어가 국제학회 ‘ECTC 2026’(미국 플로리다 주, 2026년 5월 26~29일)에서 발표했다.

MICS는 고분자 소재(폴리머)와 솔더(납땜)를 조합한 칩 간 접합 기술이다. 폴리머는 고온에서 부드러워지는 특성이 있어 칩끼리 맞닿는 접합면에 이물질이 있어도 이를 흡수하기 쉽다. 여기에 용융된 솔더가 이물질을 감싸면서 접속 불량을 억제할 수 있다.

제조 공정은 비교적 단순하다. 먼저 2장의 반도체 웨이퍼 표면에 각각 폴리머 절연층을 형성한 뒤, 포토리소그래피와 드라이 에칭을 이용해 미세한 구멍인 비아(Via)를 만든다.

이후 전극이 되는 금속을 매립한다. 전극용 금속으로 한쪽 웨이퍼에는 구리(Cu)를 형성하고, 다른 한쪽에는 주석-은(Sn-Ag) 솔더를 형성한다. 마지막으로 CMP(화학적기계연마)를 이용해 표면을 평탄화한 뒤 칩의 위치를 정렬하고 열과 압력을 가해 접합한다.

AI 반도체에서는 GPU(그래픽처리장치)와 HBM(고대역폭메모리)을 고밀도로 연결하기 위해 칩 간 접속 피치를 줄이는 기술을 개발하고 있다. 현재는 주로 구리(Cu) 전극과 절연층을 동시에 접합하는 ‘Cu-Cu 하이브리드 본딩’ 개발이 활발하다. 접속 밀도를 높일 수 있는 반면, 접합면의 미세한 요철이나 이물질로 인해 불량이 발생할 수 있다. 접합 전 전극 표면의 요철을 수 nm 미만으로 억제해야 한다.

-- 60nm 요철에 이물질이 섞여도 밀착 --
라피더스는 개발한 방식으로 접속 피치 20μm의 칩을 시험 제작해 접속 신뢰성을 평가했다. CMP 이후 전극 표면의 요철은 약 60nm(나노미터)였다. Cu-Cu 하이브리드 본딩에서는 허용되지 않는 수준이지만, MICS에서는 충분한 온도와 하중을 가함으로써 칩끼리 깔끔하게 밀착했다.

접속부의 단면을 관찰한 결과, 내부에 이물질이 들어가 있었음에도 결함이나 박리는 발견되지 않았다. 솔더가 이물질을 감쌈으로써 결함 발생을 억제할 수 있다는 사실을 확인했다.

-55~125℃ 온도 사이클 시험, 110℃·습도 85%의 고온·고습 시험, 150℃의 고온 보존 시험도 실시했다. 모든 시험에서 불량이 발생하지 않아 충분한 신뢰성을 확인했다.

접속 피치를 어느 정도까지 줄일 수 있는지도 검증했다. “12μm와 7.5μm 피치에 더해 3μm 피치 상당까지 축소할 가능성이 있다는 사실을 확인했다”(오이다 엔지니어). 웨이퍼 위에 반도체 칩을 올려 접합하는 다이-투-웨이퍼 방식에서는 Cu-Cu 하이브리드 본딩으로 2μm 피치급을 실증했다. MICS는 이물질에 대한 내성과 양산성을 높이면서도 하이브리드 본딩에 근접한 접속 밀도를 목표로 할 수 있다.

-- 신뢰성에 대한 우려의 목소리 --
발표가 끝난 뒤 양산성과 장기 신뢰성에 관한 질문이 잇따랐다. 특히 Cu와 폴리머처럼 연성이 서로 다른 소재를 CMP로 균일하게 평탄화하기 어렵다는 점과, Cu와 솔더라는 이종 금속을 접합하면서 발생할 수 있는 결함을 우려하는 의견이 많았다. 오이다 엔지니어는 적어도 현재의 하이브리드 본딩보다 완화된 제조 조건에서 접합할 수 있다는 장점을 강조했다.

폴리머 절연층을 이용해 하이브리드 본딩의 이물질 내성을 높인다는 개념 자체는 전문 엔지니어들에게 이미 알려져 있었다. 실제로 도레이와 미쓰이화학은 하이브리드 본딩용 폴리머 절연재료를 개발하고 있다. 다만 이를 양산 가능한 공정으로 구현하는 데는 장벽이 있었다.

-- 끝 --

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