SK하이닉스가 인공지능(AI) 메모리반도체로 떠오르는 고대역폭메모리(HBM) 시장에서 선두 공급자의 위치를 지키는 경쟁력으로 높은 품질과 수율, 개발기간 최적화를 꼽았다. 고객이 만족하는 품질을 확보하면서도 수익성이 보장되는 수율을 얻기 위한 최적의 균형점을 찾고, 개발 초기 최대한 많은 변수를 해결해 전체 기간을 단축했다. 고객맞춤형 특성이 더해지는 차세대 HBM4(6세대)부터는 고객과 SK하이닉스, TSMC가 안정적인 공급을 위해 긴밀히 협력할 예정이다.
박문필 SK하이닉스 부사장은 5일 서울 강남구 코엑스에서 열린 'SK AI 서밋 2024'에서 "(SK하이닉스가) HBM2E(3세대)와 HBM3(4세대), HBM3E(5세대)까지 안정적인 양산을 세계 최초로 달성했다는 점을 강조하고 싶다"며 "HBM은 양산성에 대한 문제해결이 중요하기 때문"이라고 말했다.
박 부사장은 HBM 양산을 위한 주요 도전과제로 품질과 수율, 개발기간을 꼽았다. HBM을 만들려면 높은 제조기술이 있어야 하는 데다 불량이 발생할 경우 HBM뿐 아니라 함께 패키징되는 AI 반도체에도 영향을 주기 때문에 수율을 높이기 어려운 반면 품질에 민감하다. 완성도 평가를 위한 복잡한 과정을 거치며 최종 양산에 돌입하기까지 오랜 검증 절차를 밟아야 한다.
HBM은 정보가 오가는 길인 입출구(IO) 수가 일반 D램보다 수십배 더 많고, 개별 D램 칩을 8개 이상 쌓아 만들기 때문에 보다 정교한 제조기술이 필요하다. D램 칩 중 하나만 불량이 생겨도 HBM을 통째로 폐기해야 한다. 고성능 AI 가속기에 탑재된 HBM에서 비슷한 불량이 발생했을 경우도 반도체 전체에 문제가 생긴다. 그는 "HBM 하나에서 불량이 발견되면 7만달러(약 1억원) 규모의 AI 가속기가 버려져야 할 정도로 고객이 요구하는 품질 수준이 매우 높다"고 말했다.
수율 역시 HBM 공급을 어렵게 하는 주요 요인이다. 제작 과정에서 D램 칩에 회로를 형성하는 전공정 이후 반도체원판(웨이퍼)을 개별 칩으로 쪼갠 뒤 수직으로 쌓아 연결하는 실리콘관통전극(TSV) 등 어려운 후공정을 거친다. 메모리 공급사가 최종 완제품을 제작하는 일반 D램과 달리 HBM은 AI 연산용 그래픽처리장치(GPU)와 하나의 반도체로 패키징한다. 이를 위해 HBM은 후공정 이후 KGSD(Known Good Stack Die) 형태로 TSMC에 인도된다. 생산 과정이 복잡한 만큼 수익성이 보장되는 수율을 얻기가 어려워진다. 박 부사장은 "웨이퍼 한 장의 수율이 80%, 적층 후 검증할 때가 80%, KGSD 수율이 98%라고 가정하고 16단 HBM을 제작한다면 최종 수율은 46%로 떨어진다"고 설명했다.
HBM 양산까지는 적어도 5개월이 필요하다. 웨이퍼 제조와 검증, 적층, KGSD 검증 등 SK하이닉스 내부에서 진행되는 제조 과정을 거친 다음 TSMC를 통해 시스템인패키지(SiP) 형태로 조립하고, 이후 실제 사용환경에서 정상적으로 작동하는지 다시 검증한다. 마지막으로 다양한 환경에서 제품의 동작을 확인하는 고객사의 평가를 넘어서야 양산이 허가되는 구조다. 검증 도중 불량이 발생하거나 고객의 요구 사항이 있다면 웨이퍼 제조 단계부터 일정이 다시 시작된다.
SK하이닉스는 수율과 품질을 잡기 위해 고유한 최적 검증방법론을 개발했다. 고객이 요구하는 품질 수준을 맞추면서도 생산효율성을 극대화할 수 있도록 설계됐다. 품질을 높이기 위해 검증 단계를 늘리면 수율이 떨어진다. SK하이닉스는 최적의 검증 수위를 찾아 고객이 만족하는 품질 수준을 지키면서도 수율이 보장되는 절차를 마련했다. 첨단 D램과 패키징 부문의 기술력, 양산 과정에서 쌓은 경험 역시 수율과 품질을 잡는 데 자양분이 됐다.
개발기간을 줄이는 것은 되도록 앞단에서 문제를 해결하는 전략이다. 적층된 D램 칩이 TSMC로 넘어가기 전에 자체적으로 해결 가능한 단계에서 최대한 많은 변수를 처리하는 방법이다. 후반부 문제 발생을 방지해 전체 개발 일정을 단축한다.
SK하이닉스는 HBM4부터 TSMC와 협력한다. 고객맞춤형 기능을 구현하기 위해 HBM의 가장 아래층에 있는 '베이스다이' 생산에 TSMC의 첨단공정을 활용한다. 지금까지 SK하이닉스가 독자적으로 설계해온 베이스다이에는 엔비디아를 비롯한 고객사의 설계자산(IP)이 더해진다.
SK하이닉스는 HBM4에서도 품질과 수율 개선을 위해 꾸준히 노력할 계획이다. 박 부사장은 "TSMC와 한 팀으로 작업하며 품질과 수율을 높이기 위해 협력하고, 고객사도 이 과정에 참여할 것"이라며 "불량이 발생하면 SK하이닉스 IP 문제인지, 커스텀 IP 문제인지를 빠르게 판단하는 기술을 개발할 것"이라고 말했다.
이진솔 기자
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