어플라이드, AI 병목 뚫는다…韓 '오산 랩' 앞세워 차세대 메모리 상용화 가속

[산업일보]
인공지능(AI) 모델의 고도화로 연산 장치와 메모리 간 데이터 전송 지연 및 전력 소모가 급증하는 ‘메모리 장벽’이 반도체 산업의 핵심 과제로 부상했다. 이를 해소하기 위해서는 프로세서의 연산 속도를 높이는 것을 넘어, 메모리와 로직을 긴밀하게 통합해 데이터 이동 거리를 줄이고 대역폭을 넓히는 로직·메모리·패키징 전반의 3D 스케일링 기술이 요구된다.

어플라이드 머티어리얼즈는 31일 서울 강남구 오크우드 프리미어 코엑스 센터에서 ‘AI 시대를 위한 D램·첨단 패키징 미디어 브리핑’을 열고 이 같은 패러다임 전환에 맞춘 제조 혁신 로드맵을 발표했다.

무쿤드 스리니바산(Mukund Srinivasan) 어플라이드 머티어리얼즈 그룹 부사장은 이날 간담회에서 "데이터 비트당 연산 및 이동 전력을 최소화하는 것이 핵심 과제이며, 그 해법은 바로 3D 스케일링"이라며 "AI 시대의 메모리 스케일링은 D램 소자, 고대역폭메모리(HBM) 적층, 메모리·연산·연결의 시스템 통합을 하나의 연속된 과제로 다뤄야 한다"고 강조했다.

D램에 선단 로직 공정 이식…하이브리드 본딩·CPO로 시스템 통합


어플라이드 머티어리얼즈는 미세화 속도가 둔화된 D램의 성능을 확장하기 위해 선단 파운드리-로직 공정 기술을 D램 주변회로에 적극 도입하고 있다.

주변회로 트랜지스터에 붕소를 도핑한 실리콘게르마늄(SiGe) 선택적 성장 에피택시 공정을 적용해 채널 스트레인을 유도하고, 고유전율 금속 게이트(HKMG)에서 핀펫(FinFET) 구조로의 전환을 추진한다.

장기적으로는 메모리 셀과 로직을 별도 웨이퍼에서 제작해 접합하는 CBA(CMOS Bonded Array) 구조와 4F² 수직 트랜지스터, 3D D램 전환을 위한 공정 솔루션도 지원할 방침이다.

HBM 적층 분야에서는 마이크로 범프의 물리적 한계를 보완할 기술로 ‘하이브리드 본딩(Hybrid Bonding)’을 제시했다. 회사 측은 칩 간 접합 간격을 줄여 입출력(I/O) 밀도를 높이고 열관리 성능을 개선할 수 있다고 설명했다.

어플라이드는 다이-투-웨이퍼(Die-to-Wafer) 하이브리드 본딩 시스템 ‘키넥스(Kinex™)’와 박형 웨이퍼의 휨을 제어하는 ‘프로듀서 아빌라 2(Producer™ Avila™ 2) PECVD’를 소개했다. 회사 측은 키넥스가 공정 대기 시간을 기존 13시간에서 1시간 수준으로 줄일 수 있다고 설명했다.

원대희 어플라이드 머티어리얼즈 코리아 패키징·통합재료솔루션 총괄은 “마이크로 범프 방식은 패키지 두께 제한으로 인해 12단 적층 수준에 머무른다”고 지적했다. 이어 “반면 하이브리드 본딩을 적용하면 동일한 두께 규격 안에서도 칩을 20단까지 쌓을 수 있다”며 “단위 면적(㎟)당 신호 전달 수 역시 마이크로 범프 대비 최대 100배까지 늘어난다”고 설명했다.

전기 배선의 물리적 한계를 극복할 공동광학패키징(CPO) 기반 광도파로(Waveguide) 신소재 및 공정 기술도 개발 중이다. 300mm 실리콘 웨이퍼의 외곽 손실 문제를 해결하기 위해 510×515mm, 600×600mm 대면적 패널 및 유리 인터포저 연구개발(R&D) 현황도 공개했다. 최근에는 ASMPT 산하 패널 레벨 전기화학증착(ECD) 전문 기업인 ‘NEXX’ 인수를 추진하며 관련 포트폴리오를 확장하고 있다.

납기 지연 우려엔 “중장기 예측 공유…EPIC·오산 랩 연계해 조기 양산”


AI 반도체 수요 급증에 따른 글로벌 팹 증설 경쟁과 첨단 패키징 장비 납기 장기화 우려에 대해 박광선 어플라이드 코리아 대표는 생태계 차원의 협력을 강조했다.

박 대표는 “현재의 장비 공급 부족 문제는 3~6개월 단위의 단기적 접근으로는 풀기 어렵다”며 “삼성전자, SK하이닉스 등 주요 고객사와 공급망 파트너들과 3~5년 장기 관점에서 수요 예측 데이터를 공유하며 생산능력 확대를 조율하고 있다”고 말했다.

이어 “중장기적인 공급 안정성은 이전보다 개선될 것”이라며 “글로벌 반도체 시장이 가파르게 성장함에 따라 HBM 주요 제조사가 위치한 한국의 전략적 중요성 역시 커지고 있다”고 진단했다.

기술 개발부터 양산 검증까지의 상용화 기간을 단축하기 위한 'EPIC(Equipment and Process Innovation and Commercialization)' 플랫폼의 가동 현황도 공개됐다.

무쿤드 부사장은 “미국 실리콘밸리 EPIC 센터는 고객사와 장비업체들이 한 공간에서 차세대 공정 과제를 함께 해결하는 공동 혁신 플랫폼”이라며 “최근 10개월간 생태계 파트너들과 11건의 협약을 맺었으며, 향후 1~2개월 안에 본격 가동할 예정”이라고 밝혔다.

삼성전자와 SK하이닉스가 EPIC 창립 파트너로 합류한 가운데, 한국 오산에 건설 중인 ‘어플라이드 컬래버레이션 센터 코리아(ACC Korea)’와의 연계도 본격화된다.

박 대표는 “실리콘밸리 EPIC 센터에서 초기 기초 소재 및 선행 기술을 정의하고, 완공을 앞둔 오산 ACC 랩에서 국내 고객사 디바이스에 맞춘 양산 최적화 작업을 수행하게 된다”며 “이를 통해 연구개발부터 양산 적용까지의 ‘혁신 속도(Innovation Velocity)’를 대폭 끌어올릴 것”이라고 강조했다.