6.HBM 필수공정 레이저어닐링장비

 

 

 

 

●HBM 필수공정 레이저어닐링장비

 

 

 

 

 

 

 

 

HBM 고대역폭 메모리 반도체 램은 기존의 GDDR 계열 SGRAM을 대체하고 보다 고대역폭 메모리 성능을 달성하기 위해 제안되었으며 2013년에 반도체 표준협회인 JEDEC에 의해 채택되었다. 메모리 다이를 적층하여 실리콘을 관통하는 통로 TSV 실리콘관통전극을 통해 주 프로세서와 통신을 한다.이를 위해서는 직접 인쇄회로기판위에 올려지는 GDDR 계열 SGRAM과는 달리 인터포저라는 중간단계를 필요로 한다.GDDR의 경우 32개의 핀을 구리배선으로 연결하면 되므로 따로 미세공정이 필요 없었다.그러나 HBM은 1024개나 되는 미세한 핀을 연결해야 하기 때문에 그대로 기판에 붙일 수 없다.2012년에 이종간패키징이 가능한 CoWoS를 TSMC가 개발하고 2014년에 AMD와 SK하이닉스가 협력하여 HBM 개발에 성공하면서 이후 본격적으로 HBM을 활용한 제품이 나오게 되었다.D램 여러 개를 수직으로 연결해 기존 D램보다 데이터 처리 속도를 대폭 끌어올린 고대역폭 반도체 D램을 여러 개 적층하면 기반 면적당 훨씬 높은 용량을 확보할 수 있어 대용량의 데이터 처리가 가능하다.이런한 구조로 인해 HBM의 대역폭은 매우 높다.데이터 전송속도가 매우 빨라 매우 높은 성능을 발휘하기 때문에 머신 러닝.고성능 컴퓨팅 분야에서 주로 사용된다.그러나 HBM은 뛰어난 성능에도 불구하고 일반 D램보다 활용도가 낮았다. 생산 공정이 복잡하고 고난도 기술이 필요해 평균판매단가 ASP가 D램의 최소 세 배 이상이었기 때문이다.하지만 2023년 들어 인공지능 AI 챗봇인 챗GPT가 등장하면서 메모리반도체 시장에 지각변동이 일어나고 있다.PC·스마트폰용 메모리반도체에 밀려 큰 관심을 못 받았던 고대역폭 메모리 HBM D램 등 고성능 반도체가 각광받고 있다. AI 서비스 확대로 D램의 데이터 처리 속도가 중요해졌기 때문이다. 반도체업계에선 수년내 AI에 특화된 메모리반도체를 중심으로 새 판이 짜일 것이란 전망이 나온다.2023년 8월 SK하이닉스에서 HBM3E 개발에 성공하였다. 2023년 10월 삼성전자에서 일명 샤인볼트라는 HBM3E의 개발에 성공하였다고 발표하였다. 2023년 11월 엔비디아는 HBM3E가 탑재된 H200과 B100을 출시하였다. 2024년 2월 SK하이닉스에서 16단 48GB에 1.28TB/s의 대역폭을 처리할 수 있는 것으로 알려졌다. 2023년 HBM 시장 전체 규모는 40억 달러. 2024년에는 120억달러로 전년 대비 3배로 늘어났다. 시장에서는 고부가가치 D램이 얼어붙은 메모리반도체 시장의 구원투수 역할을 할 것이란 예상이 나온다. 삼성전자가 메모리반도체의 인위적 감산에 소극적인 것도 AI 기술 등의 확대로 D램 수요가 살아날 것으로 보고 있어서다. 중장기적으론 HBM 등 AI 특화 D램 개발이 업계 판도를 흔들 것이란 전망도 나온다. 반도체업계 관계자는 메모리반도체 업체들이 미세공정 개발에 열을 올리던 시대는 지났다며 데이터를 효율적으로 처리하면서 연산 처리 능력까지 갖춘 AI 반도체 기술 개발이 업체 명운을 가를 정도로 중요해질 것이라고 전망하고 있다.HBM 시장의 주도권을 쥔 건 SK하이닉스다. SK하이닉스는 2013년 미국 AMD와 함께 세계 최초 HBM을 개발.양산했다. 1세대 HBM. 2세대 HBM2. 3세대 HBM2E.4세대 HBM3 등의 제품을 계속 내놓으면서 60~70% 수준의 시장 점유율을 확보한 것으로 알려졌다.디아이티는 DRAM.NAND 웨이퍼 수율을 향상시키는 레이저 어닐링 장비를 2019년부터 SK 하이닉스와 공동 개발하고 작년 8월부터 본격적인 공급 계약을 체결하고 있다. 최근 웨이퍼 박막화 및 3D 메모리 및 HBM 성능 향상을 위한 레이저 어닐링 기술 채택 확대에 따라 디아이티 장비 적용처 역시 증가하는 추세이다.레이저 어닐링 장비는 반도체 웨이퍼의 급속어닐링 RTA 대비 뒤틀림 등 불량을 개선하는 공정이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

텅스텐 할로겐 램프를 활용한 RTA 방식이 현재 어닐링의 주류 공법인데  RTA는 결정적으로 웨이퍼 중앙 부분과 가장자리의 가열 온도가 달라 웨이퍼가 뒤틀리거나 단층이 발생하는 문제가 있다.웨이퍼 결함부에 국소적으로 레이저를 조사해 열처리하는 레이저 어닐링 방식은  이러한 RTA의 문제점을 개선한 공정이다. 레이저 조사 방식이기 때문에 열로 인한 불량 문제에서 자유롭다. 어닐(anneal)이란 열처리를함으로써 어느 물질에 축적되어 있는 일그러짐을 없애 전기적 또는 기계적 특성을 개선하는 것을 말한다.어닐링은 반도체에 불순물을 도핑시 킬 때 이온 이식 직후에 반도체의 격자에 생긴 손상을 제거하기 위해서 약 1시간 동안 웨이퍼에 400 ºC 정도로 가열하는 공정을 말한다. AI 관련 고사양 HBM 반도체 공정이 활발해 지면서 삼성전자. SK하이닉스 모두 레이저 어닐링 공정을 도입했다.삼성전자는 이오테크닉스와 손을 잡고 있다.디아이티는 약 4년 간의 테스트 개발 기간을 거쳐  2024년초에  SK하이닉스 HBM3E 양산공정에 레이저 어닐링 장비를 투입하기 시작했다.HBM3E는 SK하이닉스가 최근 개발에 성공한 AI용 초고성능 D램 신제품이다. 1세대 HBM-2세대 HBM2-3세대 HBM2E-4세대HBM3순을 거쳐 HBM3 확장판 5세대로 평가된다.SK하이닉스는 AI용 GPU 그래픽처리장치 시장의 석권을 노리는 엔비디아에 HBM3E 샘플을 공급하기 시작했다. 초당 최대 1.15TB테라바이트 이상의 데이터를 처리할 수 있고  발열 제어.고객 사용 편의성 등을 모두 충족해 2025년 상반기부터 HBM3E 양산에 돌입.  AI용 메모리 시장에서 독보적 입지를 다진다는 방침이다. 이르면 2025년초부터 양산 물량을 공급할 수 있을 것으로 보인다.이에 따라 선단공정에서부터 적용되는 레이저 어닐링 장비 역시 중용이 확대될 것으로 예상된다. 특히 10나노미터 이하의 초미세 공정 테크 노드인  1b 나노 공정에 SK하이닉스가 사활을 걸고 있어 1b 나노 공정의 캐파가 커질 수록 웨이퍼 수율을 잡는 레이저 어닐링 장비의 입고 역시 늘어날 전망이다.  HBM3E를 위한 1b 캐파 확장이 지속적으로 필요하다. 본격 양산구간에 진입하면 약 10k(웨이퍼 기준 1만장) 당 1대 수준의 레이저 어닐링 장비가 필요할 것으로 보이는데  2025년  SK하이닉스가 60k~100k 수준의 캐파를 확장할 것으로 예상된다며  약 6대에서 10대 가량의 레이저 어닐장비가 추가 입고될 수 있다.2025년 엔비다아 신제품 출시로 HBM 수주가  증가할 것으로 예상되고 있다.따라서 GPU반도체 b100이 출시와 함께  b100에는 SK하이닉스 HBM3E가 높은 점유율로 탑재될 것으로 보면서   성장 발판을 마련 할  것으로 보고 있다