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Nikkei Electronics_24.8 (p22-24)

반도체 전공정과 후공정의 융합을 추진하는 일본 발 국제 학회 'ICEP'에 세계가 주목
프라운호퍼와 소니그룹이 발표

최근 반도체 후공정(패키징)에 대한 관심이 높아지고 있다. 지금까지 미세화가 반도체 성능 향상과 코스트 절감을 뒷받침해왔지만, 그 효용성이 떨어지고 있는 지금, 후공정에 의한 기능 집적의 중요성이 커지고 있기 때문이다. TSMC와 삼성전자, 인텔 등이 후공정 기술개발에 주력하고 있으며, 장비 및 부품 업체들이 밀집한 일본에 개발 거점을 마련하려는 움직임이 나오고 있다.

이러한 가운데 4월, 도야마(富山) 시에서 개최된 반도체 패키징 분야의 일본 발 국제학회 '2024 International Conference on Electronics Packaging(ICEP 2024)'에 그 어느 때보다 많은 관심이 쏟아졌다. 2023년에도 예년보다 참가자가 많았지만, 올해는 약 150명이 더 늘어난 700명을 돌파했다. 해외에서도 예년보다 많은 약 200명이 참가했다.

ICEP는 1980년대부터 일본에서 개최되어온 국제학회로, 대학과 연구기관뿐만 아니라, 반도체 관련 장비 업체와 재료 업체의 기술자들이 많이 참가하고 있다. 일본이 강점을 가진 반도체 후공정 및 구현 기술에 관한 세계 유수의 정보 교류의 장이 되어왔다. ICEP에 오랜 기간 참가해온 한 구현 기술자는 "TSMC나 삼성전자와 같은 대형 파운드리가 일본에 개발 거점을 만드는 이유 중 하나는 (ICEP와 같은) 밀집된 기술 커뮤니티에 참여하기 위해서인 것 같다"라고 말한다.

이번 ICEP에서 화제가 된 테마는 크게 두 가지로, 하나는 여러 개의 반도체 칩을 블록처럼 조합해 기능을 향상시키는 '칩렛 집적화'. 다른 하나는 전공정의 기술을 활용해 웨이퍼 레벨 등에서 칩렛 집적화를 실현하는 '하이브리드 본딩(하이브리드 접합)’이다. 미국과 유럽에서 이 분야를 선도하는 대학 및 연구기관들이 강연했으며, 한국 반도체 업체와의 협력 등 국가를 뛰어넘는 협업도 화제가 되었다. 일본에서는 하이브리드 접합을 이미지센서용으로 가장 먼저 실용화한 소니그룹과 후공정을 포함한 최첨단 반도체 위탁 생산을 목표로 하는 라피더스(Rapidus)가 존재감을 드러냈다.

ICEP2024에서 발표된 내용들 가운데 주목할만한 5가지 테마를 소개한다.

-- 미국 후공정 연구개발의 리더 --
ICEP2024의 발표는 테마 별로 5개 정도의 세션으로 나뉘어 진행되었다. 첫날 가장 큰 규모의 행사장에서 첫 번째로 열린 것은 칩렛을 테마로 한 세션이었다. 가장 먼저 강연한 사람은 미국 퍼듀대학교(Purdue University)의 수바라얀 교수였다.

일본에서는 잘 알려져 있지 않지만, 퍼듀대학교는 미국 내 후공정 연구개발의 중심적인 존재이다. 예를 들어, 올 4월에는 메모리 반도체 대기업 SK하이닉스가 퍼듀대학이 있는 미국 인디애나 주 웨스트라파엣에 38억7,000만 달러(약 6,000억 엔)를 투자해 첨단 패키징 공장을 건설한다고 발표. 퍼듀대학과 함께 기술개발을 추진한다는 사실도 밝혔다.

퍼듀대학교에는 여러 후공정 관련 연구소와 프로젝트가 있다. 그 중 하나가 'ASIP(Atalla Institute for Advanced System Integration and Packaging)라는 연구소이다. 반도체의 성능, 전력 소비, 코스트 최적화를 위한 시스템 구성과 후공정 연구개발을 담당하고 있는 곳이다.

칩렛 집적에서도 높은 존재감을 보이고 있다. 이 분야에서 미국의 반도체 업계 연구 컨소시엄 SRC(Semiconductor Research Corporation)가 자금을 지원하는 연구 조직 'Center for Heterogeneous Integration Research in Packaging(CHIRP)'과 반도체 발열 등에 대한 냉각기술에 특화된 산학 협력 조직 'Cooling Technologies Research Center(CTRC)'의 중추적인 역할을 담당하고 있다.

-- 라피다스와 협력하는 독일의 연구기관 --
유럽에서 후공정 연구의 중심은 독일의 프라운호퍼연구협회(Fraunhofer Society)이다. 유럽 최대 규모의 응용 연구기관으로 꼽히고 있으며, 올 4월, 라피다스가 발표한 후공정 기술 전략에서 국제 협력 조직 중 하나로 이름을 올렸다. 대형 유리기판을 이용한 패키징 기술 등에 정평이 나있으며, 라피다스가 목표로 하는 첨단 패키징 기술개발에 협력하고 있다. 이번 ICEP2024에서는 프라운호퍼연구협회의 브라운 System Integration & Interconnection Technologies 부문장이 강연했다.

프라운호퍼연구협회의 후공정 개발의 중심은 프라운호퍼IZM이다. 브라운 부문장은 프라운호퍼 IZM를 통해 패널 레벨의 기술과 웨이퍼 레벨의 기술을 통합하는 것을 목표로 하고 있다고 밝혔다. 패널 레벨의 기술이란 예를 들어, 프린트기판을 베이스로 하는 기술이며, 웨이퍼 레벨은 반도체 전공정 기술을 의미한다. 이 두 가지가 통합된 가장 대표적인 예는 칩렛 집적에 이용하는 중간기판(인터포저)이다. 지금까지 전공정 기술로 제조해온 실리콘 인터포저의 대안으로 패널을 이용해 대량 생산이 가능한 유기 인터포저에 대한 기대가 높아지고 있다. 라피더스도 패널로 생산하는 유기 인터포저 개발을 추진하고 있다.

-- 소니그룹의 하이브리드 접합 --
하이브리드 접합은 ICEP2024에서 가장 주목 받은 테마 중 하나였다. 전공정 기술로 칩렛 집적화를 실현할 수 있기 때문에 대형 반도체 업체들이 개발 주도권을 쥐고 있다. 제조장비 업계에서도 도쿄일렉트론 등 전공정 장비 업체들이 이 분야에 본격적으로 진입하려 하고 있다.

이러한 가운데, ICEP2024에서는 소니그룹 산하의 소니반도체솔루션즈(SSS)가 웨이퍼의 3층 적층을 실현하는 하이브리드 접합 기술에 대해 강연했다. SSS는 CMOS(상보형 금속 산화 반도체) 이미지센서용으로 하이브리드 접합을 가장 먼저 양산 도입해온 실적을 가지고 있다. 센서부(화소 칩)와 로직 회로를 구리 패드를 통해 접합함으로써 고밀도 및 신뢰성이 높은 기계적, 전기적 연결을 가능하게 했다.

3층 적층은 CMOS 이미지센서로의 AI(인공지능) 기능 탑재 등을 위해 로직 회로 2개를 구현하는 것을 목표로 하는 것이다. 중간 웨이퍼가 상단 웨이퍼 및 하단 웨이퍼와 각각 하이브리드 접합으로 연결된다. 상단 웨이퍼와 하단 웨이퍼는 중간 웨이퍼에 형성된 실리콘관통전극(TSV)으로 연결된다.

SSS가 소개한 개발 성과는 접합 수가 5만5,000개에 달하는 대규모 하이브리드 접합이다. 상단 웨이퍼와 접합한 후의 중간 웨이퍼를 얇게 만들고, TSV 가공에도 신기술을 도입해 신뢰성이 높은 접합을 실현했다. 하지만, 이번 웨이퍼는 접합 공정 검증용으로, 로직 회로 등은 탑재되지 않았다.

-- 전공정 장비 제조 업체의 존재감 --
반도체 노광장비 대기업 니콘이 웨이퍼와 웨이퍼를 붙이는 웨이퍼 본딩(웨이퍼 접합) 기술을 발표한 것도 전공정과 후공정의 경계가 허물어지고 있다는 것을 상징한다. 니콘은 반도체 노광장비의 노하우를 활용해 웨이퍼 접합의 정밀도 향상을 실증했다.

웨이퍼 접합에 있어 접속부의 미세화는 칩렛 집적화를 활용하는 반도체의 성능 향상에 직결된다. 니콘은 노광장비에서 쌓아온 기술을 위치 정렬에 적용해 50nm 정밀도의 접합을 실현했다. 이것은 매우 높은 정밀도의 접합이라고 할 수 있다. 향후 25nm의 정밀도를 목표로 하고 있다고 한다.

-- 라피더스는 제조의 자동화를 언급 --
ICEP2024의 첫날 기조연설에 나선 고이케(小池) 라피더스 사장은 라피더스가 올 4월에 발표한 일본경제산업성으로부터의 추가 지원과 후공정 기술 전략, 중장기 기술 로드맵, 지토세(千歲)공장(홋카이도) 건설의 진행 상황 등에 대해 설명했다.

라피더스는 후공정을 포함해 반도체 제조에 소요되는 시간을 크게 단축한 짧은 TAT(Turn Around Time, 제조소요시간) 전략을 내세우고 있다. 이를 실현하기 위해 필요한 것이 반도체 제조의 자동화이다. 고이케 사장은 기조 연설에서 레일 등 고정된 방향으로만 움직일 수 있었던 운송 장치를 2차원적(가로 세로)으로 움직일 수 있도록 하고, 이것을 AI로 제어하는 아이디어를 소개했다.

 -- 끝 --

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