일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2023.11.27

반도체 제조의 새로운 경쟁 영역, ‘칩렛’
일본 기업에 훈풍

반도체의 미세화에 의한 성능 향상에 그늘이 드리워지고 있는 가운데, 이를 대체할 기술로 주목 받고 있는 것이 '칩렛(Chiplet)'이다. 정확히 말하면 칩렛은 기능을 분할한 작은 칩 자체를 가리킨다. 제조 프로세스의 세대나 기능이 다른 칩렛을 블록처럼 조합하여 마치 하나의 칩처럼 취급할 수 있도록 하는 기술이 향후 첨단 반도체에서 중요해질 것이다.

최근, 제조 프로세스의 미세화에 대한 기술적인 장벽이 높아지고 있는 가운데 설비 투자도 막대해지고 있어 경쟁에 참여할 수 있는 기업은 전세계적으로 수 곳에 불과하다. 따라서, 미세화를 대신해 반도체를 고성능화할 수 있는 새로운 기술이 요구되고 있다.

칩렛은 그 중 하나이다. 칩렛을 이용함으로써 처리 능력이 필요한 부분만 최첨단 프로세스로 제조하고 입출력 등 높은 성능이 요구되지 않는 부분은 신뢰성이 높은 오래된 프로세스로 제조하는 것이 가능해진다.

이와 같이 복수의 칩렛을 조합하는 기술을 칩렛 집적 또는 이종칩 집적(Heterogeneous Integration)이라고 부른다. 미국의 반도체 연구 컨소시엄 Semiconductor Research Corporation(SRC)이 올 10월에 발표한 미세화를 대체할 새로운 로드맵 ‘Microelectronics and Advanced Packaging Technologies(MAPT) Roadmap’에서는 이 이종칩 집적이 향후 반도체 기술 발전을 이끌 것이라고 한다.

-- 일본 기업에 호기 --
이러한 칩렛의 조류에 반도체 공급망 전체가 뛰어들 것으로 보인다. 이것을 상징하는 것이 2022년 설립이 발표된 칩렛 간 접속의 표준화를 추진하는 단체인 ‘Universal Chiplet Interconnect Express’의 창립 멤버들이다. 제조 수탁(파운드리)과 IDM(수직통합형 디바이스 제조사), 대형 팹리스 기업, OSAT(후공정 사업자), IP(지적재산) 벤더 등 다양한 업태의 반도체 기업들이 이름을 올렸다.

구체적으로는 대만의 ASE(日月光投資控股), 미국의 Advanced Micro Devices(AMD), 영국의 암(Arm), 미국의 인텔, 퀄컴, 한국의 삼성전자, 대만의 TSMC 등이 있다. 또한 반도체 업계뿐만 아니라 반도체 유저 기업인 구글클라우드(Google Cloud)와 메타플랫폼스, 마이크로소프트 등 미국 IT 대기업들도 참가하고 있다.

칩렛의 열풍은 일본 기업에게 호기로 작용할 것이다. 칩릿 집적은 반도체 제조의 ‘후(後)공정’으로 불리는 영역이다. 웨이퍼상에 회로 패턴을 형성하는 ‘전(前)공정’과 달리 후공정에서는 회로 형성 후의 웨이퍼를 소편화(小片化)해 배선이나 수지에 의한 봉지 등을 통해 칩을 프린트 기판에 구현할 수 있는 상태로 한다.

칩렛을 집적하기 위해 후공정에서도 전공정 기술이 많이 사용됨에 따라 ‘중(中)공정’으로 불리는 공정이 생길 수 있다고 보는 전문가도 있다.

일본은 후공정 제조 장치 및 재료에서 세계를 선도하는 기업이 많다. 예를 들어, 웨이퍼를 소편화하는 다이싱(Dicing) 장치는 디스크가 압도적인 점유율을 차지하고 있다. 후공정용 재료에서는 레조낙이 세계 매출 1위를 달리고 있다.

유럽의 반도체 연구기관인 imec에서 오랜 기간 연구해 온 요코하마(橫浜)국립대학 대학원 공학연구원 시스템창생 부문의 이노우에(井上) 조교수는 imec에서의 경험을 근거로 “반도체 세계에서 일본이라고 하면 제조 장치와 재료를 떠올린다”라고 말한다. 실제로 TSMC와 삼성전자 등 해외 대기업들이 칩렛 기술을 위해 일본에 개발 거점을 개설하고 있다.

-- 코스트와 성능의 양립이 과제 --
칩렛의 과제는 주로 성능과 코스트의 균형이다. 현재 칩렛은 화상(동영상) 처리나 AI(인공지능), 데이터센터용 고성능컴퓨팅(HPC)과 같은 높은 코스트가 허용되는 분야에서의 활용 사례가 많다.

예를 들면, 칩렛의 접속에는 실리콘제의 배선용 칩 ‘인터포저(Interposer)’상에 칩을 나란히 배치하는 방법이 채택되는 경우가 있다. 이 실리콘 인터포저는 고가로, 이를 대신해 유기 재료로 만든 인터포저나 브리지라고 불리는 더 작은 칩, 구리와 절연층으로 만든 재배선층(RDL) 등을 사용하는 방법들이 나오고 있다.

또 하나의 과제는 칩 간 접합이다. 현재는 땜납이 사용되고 있지만, 땜납의 경우, 배치할 수 있는 전극간 간격의 미세화가 어렵다고 알려져 있다. 이를 위해 납땜을 사용하지 않는 하이브리드 접합 등이 제안되고 있다.

서로 다른 재료를 사용했을 때 열팽창 계수의 차이나 패키지의 대형화로 인해 발생하는 휨 현상도 해결해야 할 과제가 되고 있다. 또한 3차원 방향으로 칩렛을 쌓아 올리는 3차원(3D) 구현의 경우, 발열하는 칩 위에 다른 칩이 쌓기 때문에 방열이 어려워진다. 한 반도체 후공정용 부재를 생산하는 기업의 사업 책임자는 “마지막에는 수율이 가장 중요해질 것이다”라고 말한다.

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