[전자/반도체] Hybrid Bonding이란 무엇인가? 칩과 칩을 직접 붙이는 기술

칩을 연결하는 방법을 살펴보는 리멤버미입니다. 두 칩을 가까이 놓아도 연결점이 크고 성기면 많은 데이터를 동시에 주고받기 어렵습니다. 3차원 집적에서는 칩 사이 거리와 함께 접속점의 크기·간격이 중요합니다.

Hybrid Bonding은 절연막끼리의 접합과 금속끼리의 직접 접합을 함께 사용하는 기술입니다. 대표적으로 Cu–Cu 연결이 전기적 통로를 만들고, 주변 절연막의 접합이 넓은 면에서 구조를 지지합니다. 두 종류의 접합을 결합한다는 데서 Hybrid라는 이름이 붙었습니다.

1. Microbump와 무엇이 다를까?

Microbump 연결은 작은 돌출 접속점을 이용해 칩을 연결합니다. 일반적인 솔더 기반 구조에는 Bump 높이와 접합부 형성 공간이 필요합니다.

반면 Hybrid Bonding은 평탄화한 두 표면을 맞붙여 연결합니다. 접합 계면에 솔더 Bump를 사용하는 방식과 구분되며, 미세한 접속 간격과 낮은 연결 높이를 지향합니다.

금속만 맞닿으면 되는 것은 아닙니다. Cu 패드와 주변 절연막의 표면 상태를 함께 설계해야 하고, 공정에 따라 Cu가 절연막보다 약간 들어간 정도도 정밀하게 조절합니다. imec의 Hybrid Bonding 기본 원리

2. 접속 간격을 줄이면 무엇이 좋아질까?

정사각 격자에 접속점을 배치한다고 단순화하면 다음 관계를 생각할 수 있습니다.

단위 면적당 접속점 수 ∝ 1 / Pitch²

Pitch는 인접 접속점 중심 사이의 거리입니다. 가상의 조건에서 Pitch를 절반으로 줄이면 기하학적으로 배치 가능한 접속점 수는 약 네 배가 됩니다.

다만 이것은 배치 밀도의 관계입니다. 신호·전원 패드 분배, 절연 간격, 배선 가능성, 시험 구조가 필요하므로 실제 데이터 대역폭이 자동으로 네 배가 된다는 뜻은 아닙니다.

더 촘촘하고 짧은 연결은 로직과 메모리 사이를 넓은 병렬 인터페이스로 구성하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 연결부의 기생성분을 줄일 여지도 있지만 전체 전력과 지연은 송수신 회로와 내부 배선까지 포함해 평가해야 합니다.

3. 실제로는 표면을 준비하는 일이 중요하다

접합을 위해서는 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 등으로 표면을 매우 평탄하게 만들고, 오염과 입자를 관리합니다. 작은 이물질도 주변 접합을 방해해 빈 공간이나 불량을 만들 수 있기 때문입니다.

두 표면을 정렬한 뒤 접합하고, 후속 열처리로 절연막과 Cu 연결을 안정화하는 흐름을 사용할 수 있습니다. 정확한 순서와 조건은 재료와 공정에 따라 달라집니다.

즉, ‘직접 붙인다’는 표현이 공정이 단순하다는 뜻은 아닙니다. 평탄도, Cu 표면 상태, 정렬 오차와 웨이퍼 변형을 동시에 관리해야 합니다. imec의 표면 준비·접합과 후면 연결 설명

4. Wafer-to-Wafer와 Die-to-Wafer

Wafer-to-Wafer는 두 웨이퍼를 맞붙이는 방식입니다. 넓은 영역의 접합을 함께 수행할 수 있지만, 양쪽 웨이퍼의 Die 배치와 수율 조합을 고려해야 합니다.

Die-to-Wafer는 개별 Die를 다른 웨이퍼 위에 배치해 접합합니다. 사전 시험한 양품 Die를 선택하거나 크기가 다른 칩을 조합하는 데 유리할 수 있습니다. 대신 개별 Die의 취급·세정·정렬과 처리량이 과제가 됩니다. imec의 Die-to-Wafer Hybrid Bonding 개발

방식이 다르면 접속 Pitch의 연구 기록도 같은 조건으로 비교하기 어렵습니다. 시험 패턴의 전기적 연결 확인과 복잡한 제품의 전체 수율 역시 다른 수준의 검증입니다.

5. TSV와는 경쟁 관계일까?

TSV(Through-Silicon Via)는 실리콘을 관통하는 연결이고, Hybrid Bonding은 두 표면 사이의 접합입니다. 담당하는 위치가 다르므로 같은 3D 구조에서 함께 사용할 수 있습니다.

반대로 모든 적층 칩이 Hybrid Bonding을 사용하거나, Hybrid Bonding을 쓰면 TSV가 항상 사라지는 것도 아닙니다. 칩의 방향과 외부 단자까지의 경로에 따라 연결 방식이 달라집니다.

Hybrid Bonding은 칩 사이를 더 촘촘하게 이어 주는 기술입니다. 완성도를 보려면 접속 간격뿐 아니라 접합 불량, 전기적 저항, 열·기계적 신뢰성, 양품 선별과 생산성까지 함께 확인해야 합니다.