포스텍, 상용 HBM보다 집적 밀도 4배 높인 기술 개발

[포항=뉴시스]송종욱 기자 = 국내 연구팀이 머리카락 굵기 5분의 1에 불과한 초박형 반도체 칩을 10층 이상 안정적으로 쌓는 기술을 개발했다.

포스텍은 기계공학과 김석 교수·통합 과정 김우현씨, 한국생산기술연구원 금호현 박사 연구팀이 칩을 옮기는 동시에 금속 접합까지 가능한 새로운 공정을 통해 상용화된 고성능 메모리보다 4배 높은 집적 밀도를 구현하는 데 성공했다고 30일 밝혔다.

이번 연구는 다학제 공학 분야 국제 학술지 '리절츠 인 엔지니어링' 온라인판에 최근 실렸다.

챗 GPT·이미지 생성 AI·자율 주행 자동차 등 우리 일상을 파고드는 AI 서비스는  엄청난 양의 데이터를 순식간에 처리해야 하는 공통점이 있다. 스마트폰은 갈수록 얇아지는데 반도체는 갈수록 강력해질 수 있는 비결은 칩을 옆으로 넓히는 게 아니라 위로 높이 쌓는 것이다.

특히 AI 반도체의 성능을 좌우하는 '고대역폭 메모리(HBM)'는 칩을 여러 개 층층이 쌓아 만드는 구조로 얼마나 많은 칩을 안정적으로 쌓을 수 있는지 중요한 과제로 꼽힌다.

문제는 칩이 얇아질수록 다루기가 까다롭다. 수십 마이크로미터(㎛) 이하, 즉 머리카락 굵기보다 칩의 두께가 얇아지면 칩이 휘거나 깨지기 쉽다.

연구팀은 두 가지 기술을 하나로 합치는 전략으로, 칩을 원하는 위치에 정밀하게 옮겨 붙이는 '전사 프린팅'과 칩을 이송하는 바로 그 순간 금속 접합까지 동시에 완료하는 '실시간 본딩'을 통합한 것. 덕분에 칩을 옮기고, 붙이고, 연결하는 과정이 한 번에 이뤄진다.

새 공정의 성능 검증을 위해 연구팀은 두께 14㎛의 초박형 실리콘 칩을 제작했다. 이 작은 칩 내부에 전기 신호가 '위아래'로 오가는 통로와 ’좌우‘로 퍼지는 배선 구조가 함께 설계해 다층 적층에 최적화된 구조를 갖췄다.

연구팀은 개발한 공정을 이용해 180℃ 이하 저온, 20킬로파스칼(kPa) 이하 저압 조건에 이 초박형 칩을 10층 넘게 안정적으로 쌓는데 성공했다. 연속으로 쌓은 뒤에도 층간 정렬 오차는 작았고, 휨 현상도 최소화했다. 전체 두께보다 층 수를 나타내는 '집적 밀도'는 애초의 HBM(12단 구조)보다 4배 높았다.

이번 기술이 상용화되면 같은 공간에서 훨씬 많은 칩을 쌓을 수 있고,  AI 반도체의 성능은 비약적으로 높아질 수 있다. 나아가 이 기술은 여러 기능의 칩을 하나의 패키지에 묶는 '칩렛(Chiplet)' 기술이나 초소형 발광 소자를 활용한 차세대 디스플레이 '마이크로 LED' 분야에 적용될 수 있어 파급 효과가 크다.

김석 교수는 '애초의 HBM보다 4배 높은 집적 밀도를 구현한 만큼 고성능 AI 반도체와 차세대 메모리 시스템 개발의 핵심 기반 기술로 활용될 것으로 기대한다"고 밝혔다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 PIM 인공지능 반도체 핵심 기술 개발 사업과 중견 연구 사업의 지원을 받아 수행했다.


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