AI 시대 ‘메모리 장벽’ 넘는다… 어플라이드, 3D 반도체 제조 플랫폼 전면 공개

HBM·첨단 패키징·D램 제조 혁신으로 AI 반도체 생산성 향상
AI 칩 경쟁, 설계에서 제조기술로 이동… 3D 적층 시대 겨냥한 차세대 장비 공개

AI 반도체 경쟁이 설계 기술을 넘어 제조 기술 혁신으로 확대되고 있다. 생성형 AI와 피지컬 AI(Physical AI)의 확산으로 고성능 AI 칩 수요가 급증하면서, 반도체 업계는 연산 성능뿐 아니라 메모리 대역폭과 전력 효율을 동시에 높일 수 있는 3D 반도체 아키텍처 전환에 속도를 내고 있다.

어플라이드 머티어리얼즈(Applied Materials)는 이러한 시장 변화에 대응하기 위해 차세대 AI 칩 생산을 지원하는 신규 반도체 제조 시스템을 공개했다. 이번에 발표한 장비는 첨단 패키징과 공정 제어, D램 제조 기술 전반을 아우르며 HBM(고대역폭메모리)과 차세대 AI 프로세서 생산성 향상을 목표로 한다.

AI 컴퓨팅은 모델 규모 확대와 데이터 처리량 증가로 인해 프로세서와 메모리 간 데이터 전송 병목인 ‘메모리 장벽(Memory Wall)’이 새로운 산업 과제로 떠오르고 있다. 이에 따라 HBM과 3D 적층, 칩렛(Chiplet) 기반 첨단 패키징 기술이 AI 반도체의 핵심 경쟁력으로 자리 잡고 있다.

AI 반도체 핵심은 첨단 패키징… 3D 적층 수율 경쟁 시작

최근 AI 서버용 반도체는 여러 개의 로직 칩과 HBM을 하나의 패키지에 집적하는 구조가 일반화되고 있다. 그러나 적층 수가 증가할수록 웨이퍼 평탄도와 미세 배선 균일성 확보가 어려워지면서 제조 수율이 새로운 경쟁 요소로 부상하고 있다.

이를 해결하기 위해 어플라이드 머티어리얼즈는 첨단 패키징 핵심 공정을 위한 신규 장비 3종을 선보였다.

새롭게 공개한 Opta Quad 화학기계연마(CMP) 플랫폼은 웨이퍼 상태를 실시간 제어해 평탄도를 향상시키며, 하이브리드 본딩(Hybrid Bonding) 공정의 수율을 높인다.

Nokota Vmax 2 전기화학증착(ECD) 시스템은 TSV(실리콘관통전극)와 마이크로범프(Microbump)의 구리 도금 균일성을 개선해 HBM 적층 품질을 높인다.

Producer Avila 2 플라즈마화학기상증착(PECVD) 시스템은 초박형 D램 다이의 휨을 최소화해 12단, 16단 이상 고적층 HBM 구현을 지원한다.

패키징도 웨이퍼 팹 수준 정밀 제어 시대

AI 칩 패키징 공정이 미세화되면서 검사 기술도 진화하고 있다.

어플라이드 머티어리얼즈는 첨단 패키징 전용 전자빔(eBeam) 검사 장비인 VeritySEM 7AP와 SEMVision G7AP도 함께 공개했다.

VeritySEM 7AP는 HBM과 칩렛 구조에서 10nm 이하 수준의 초정밀 계측을 지원하며, SEMVision G7AP는 실리콘과 유기기판, 유리기판에서 발생하는 미세 결함을 자동으로 분석해 수율 향상을 지원한다.

이는 기존 웨이퍼 팹에서 사용되던 정밀 계측 기술이 첨단 패키징 영역으로 확대되는 흐름을 보여준다.

D램도 로직 공정 도입… AI 메모리 경쟁력 강화

이번 발표에서 주목되는 또 다른 변화는 D램 제조 공정의 고도화다.

어플라이드는 업그레이드된 Centura Prime 에피택시(Epitaxy) 시스템을 공개했다.

새로운 장비는 로직 반도체에서 활용되던 실리콘 게르마늄(SiGe) 기반 에피택시 기술을 D램 주변 회로에 적용해 구동 속도와 전력 효율을 높인다.

또한 장비 설치 면적을 기존 대비 약 20% 줄여 제한된 팹 공간에서도 생산량 확대가 가능하도록 설계했다.

HBM과 차세대 DDR 메모리 생산 확대가 예상되는 가운데 D램 제조 기술 역시 로직 수준으로 빠르게 진화하고 있음을 보여주는 사례다.

AI 시대 반도체 경쟁력은 ‘제조 장비’가 결정

이번 발표는 AI 시대 반도체 산업의 경쟁 축이 설계에서 제조 기술까지 확대되고 있음을 보여준다.

HBM 적층 구조가 복잡해질수록 제조 공정의 미세한 오차도 전체 칩 수율에 큰 영향을 미친다. 따라서 첨단 패키징과 검사, 증착, 연마, 에피택시 기술은 AI 반도체 성능을 좌우하는 핵심 요소로 자리 잡고 있다.

특히 향후 피지컬 AI와 AI 데이터센터 확산으로 HBM 적층 수와 칩 집적도가 지속적으로 높아질 것으로 예상되는 만큼, 제조 장비 기업들의 기술 경쟁도 한층 치열해질 전망이다.

국내 반도체 산업에도 의미… HBM 초격차 경쟁 가속

국내에서는 삼성전자와 SK하이닉스가 차세대 HBM 양산 경쟁을 벌이고 있다.

HBM은 단순한 메모리 기술이 아니라 첨단 패키징과 미세 공정, 검사 기술이 결합된 종합 제조 기술이다. 따라서 어플라이드 머티어리얼즈가 공개한 신규 플랫폼은 국내 메모리 업체들의 HBM4와 차세대 AI 메모리 양산 경쟁력 확보에도 중요한 제조 인프라로 활용될 가능성이 높다.

AI 반도체 시장이 고성능 칩 경쟁에서 고수율 생산 경쟁으로 이동하는 가운데, 제조 장비 기술이 글로벌 반도체 산업의 새로운 경쟁력을 결정하는 핵심 요소로 부상하고 있다.