인공지능(AI)의 활용이 글로벌 산업 전반으로 확산되고 개인들의 AI 서비스 사용 또한 일상화되면서, 고성능 AI 반도체 수요는 그야말로 폭증하고 있다. AI 시대 가장 주목받고 있는 반도체 솔루션인 HBM(High Bandwidth Memory)이 진화를 거듭하고 있는 가운데, 삼성전자는 올해 2월 세계 최초로 HBM4을 양산 출하하고 5월에는 HBM4E 12단 샘플을 출하하는 등 차별화된 HBM 기술 경쟁력을 입증했다.

HBM의 발전에는 ‘코어 다이(Core die)’를 구성하는 최첨단 D램 기술이 초석이 되지만, 이와 함께 ‘베이스 다이(Base die)’와 패키지 기술도 매우 중요하다. 베이스 다이는 HBM이 프로세서나 가속기와 데이터를 빠르게 주고 받도록 연결하는 역할을 담당한다. 특히 HBM4부터는 베이스 다이에 최첨단 파운드리 공정이 적용되면서 HBM의 성능과 전력 효율을 끌어올리는 핵심 솔루션으로 자리잡고 있다.

삼성전자 반도체 뉴스룸에서는 파운드리사업부 기술개발실장 구자흠 부사장을 만나 HBM4, HBM4E의 성공에 크게 기여한 베이스 다이 기술과 함께 삼성 파운드리의 선단 공정 경쟁력, 그리고 향후 전망에 대해 들어보았다.

HBM에서도 증명된 삼성 파운드리 공정 경쟁력

Q. 삼성전자는 올해 들어 세계 최초 HBM4 양산, HBM4E 샘플 출하 소식을 연이어 전하며 AI 업계의 주목을 받고 있습니다. 이들 HBM 제품의 성공적인 구현에 기여한 베이스 다이와 파운드리 공정에 대해 소개 부탁드립니다.

베이스 다이는 HBM 적층 구조에서 코어 다이 하부에 위치하는 로직 다이로서 GPU, CPU 등 외부 프로세서와 HBM 간 데이터를 연결하는 고속 인터페이스를 담당하는 소자입니다. HBM의 고대역폭·초고속 동작 요구가 계속 높아지면서, HBM4와 HBM4E의 베이스 다이는 기존의 메모리 공정 대신 삼성 파운드리 4나노 4세대 공정을 도입하게 되었습니다. 삼성 파운드리 4나노 4세대 공정은 양산 3년차에 진입했고 성능과 양산 수율이 충분히 검증된, 높은 경쟁력을 갖춘 공정입니다.

Q. HBM4와 HBM4E에 적용된 베이스 다이 기술의 차이는 무엇인가요?

삼성 파운드리 4나노 공정은 설계 목적에 따라 면적과 성능을 최적화할 수 있도록 두 종류의 게이트 피치^* 옵션을 제공하고 있습니다. 여기에 속도와 누설 전류의 균형을 맞출 수 있도록 다양한 임계 전압(Vth)^* 옵션도 제공하고 있습니다. 한 마디로 검증된 양산 공정이면서, 제품 요구 조건에 맞춰 속도와 면적을 자유롭게 조절할 수 있도록 유연한 설계 선택지를 제공하는 것이 삼성 파운드리 4나노 공정의 핵심 경쟁력입니다.

* 게이트 피치(Gate Pitch): 트랜지스터의 게이트 사이 간격을 의미하며, 공정의 미세화 정도를 가늠하는 지표
* 임계 전압(Vth; Threshold voltage): 트랜지스터에서 채널에 전류가 흐르기 시작하는 최소 전압 값

이러한 4나노 공정의 유연한 설계 옵션을 바탕으로 HBM4E의 베이스 다이에는 고집적 소자와 초고성능 소자를 적용하여 14Gbps 이상 고속 동작이 가능하게 했습니다. 또한 금속 배선 층(Metal Layer)을 더 효율적으로 배치해 전력 소모를 줄이고 방열 경로도 최적화했습니다.

Q. 삼성전자는 메모리와 로직 설계, 파운드리 기술까지 모두 보유하고 있는 종합 반도체 회사인데요, HBM의 구현에 있어서는 어떠한 이점이 있을지요?

HBM은 코어 다이와 베이스 다이를 쌓아 패키징하는 제품입니다. 삼성전자 HBM은 코어 다이는 메모리에서, 베이스 다이는 파운드리에서 각각 제조한 후 TSP에서 패키징하여 완제품을 만드는 턴키(Turn-key) 솔루션 제품입니다. 즉 설계, 제조, 패키징을 모두 삼성전자가 합니다. 이 때문에 설계 단계에서부터 메모리·파운드리·TSP 조직들이 협업하여 속도, 전력, 발열 및 수율에 유리하게 설계를 최적화할 수 있고 양산 제품을 완성하는 시간을 단축할 수 있습니다. 비용 관점에서도 매우 유리합니다.

Q. 향후 HBM5를 비롯한 차세대 HBM 제품의 베이스 다이에도 파운드리 공정이 계속 활용될텐데요. AI의 발전에 따라 어떠한 기술이 적용될까요?

HBM5는 직전 세대인 HBM4E보다도 동작 속도를 약 50% 이상 향상해야 할 것으로 예상됩니다. 그래서, 베이스 다이에는 동작 속도는 물론 전력 효율 관점에서도 큰 폭의 개선을 이끌어낼 수 있는 최선단 공정을 준비하고 있습니다. 업계 요구에 대응하기 위해 HBM5의 베이스 다이는 GAA 구조를 사용하는 2나노 공정을 적용하고 더욱 높은 집적도의 TSV를 구현할 예정입니다.

Q. 처음으로 HBM 베이스 다이에 파운드리 공정을 도입하는 과정이 쉽지 않았을 것 같은데요. 특히 기억에 남는 점은 어떤 것인지요?

모바일 제품을 위한 공정 개발과 달리 HBM의 베이스 다이는 첫 도전이었기 때문에 기존에 경험해보지 못한 수준의 패턴 집적도 편차에 대응해야 했습니다. 따라서 초기 공정 셋업 단계에서 철저한 사전 준비가 필요했습니다. 이에 전 부문 차원의 TF를 구성하고 빈틈이 없도록 체크리스트를 만들어 운영하고 협력함으로써 신속하게 이슈를 풀어낼 수 있었습니다.

뿐만 아니라 후속 HBM 제품에도 적용할 수 있는 새로운 공정 셋업 절차와 기준도 마련했습니다. 그 결과로 HBM4 베이스 다이는 첫번째 샘플부터 성능과 수율 목표를 모두 달성할 수 있었고, 이 모든 과정이 불과 3개월여 만에 일사불란하게 진행되었습니다. 이는 우리가 만들어 낸 최고의 성공 사례였고, 이 순간이 가장 기억에 남습니다.

선단 공정 경쟁력과 시장 다각화로 열어갈 미래

Q. 삼성 파운드리의 주력 분야에 대한 독자들의 관심도 높습니다. 선단 공정 경쟁력과 향후 전망에 대해서도 말씀해주실 수 있을지요?

AI 반도체 시장의 성장과 함께 파운드리 선단 공정에 대한 수요도 지속 확대되고 있습니다. 삼성 파운드리는 선단 공정 기술 경쟁력을 강화하며 글로벌 고객의 수요에 적극 대응하고 있습니다. 세계 최초 GAA 공정을 적용한 3나노 공정 양산에 이어, 작년 하반기에는 2나노 1세대 공정 양산을 시작했습니다. 올해 하반기에는 수율과 성능을 개선한 2나노 2세대 공정 기반의 모바일향 신제품 양산을 시작할 예정입니다.

삼성 파운드리 선단 공정에 대한 수요는 모바일 외 영역에서도 확대되고 있습니다. 작년에는 전장향 테슬라 2나노 제품을 수주하면서 공정 경쟁력을 입증했고, 이를 기점으로 다수의 AI/HPC, CSP(Cloud Service Provider) 대형 고객사들로부터 수주가 이어지고 있습니다. 또한 4나노 공정도 다년 간의 양산 경험과 개선을 통해 안정적인 수율과 성능 경쟁력을 확보했습니다. 특히 HBM4 베이스 다이와 미국 AI 업체의 AI/HPC향 LPU 신제품에 적용되면서, 우수한 성능과 공정 완성도를 인정받아 수요를 견인하고 있습니다. 삼성 파운드리는 앞으로도 선단 공정의 탄탄한 기술 경쟁력을 바탕으로 시장 점유율을 지속 확대해 나갈 계획입니다.

Q. 향후 고객들의 요구사항이 더욱 다양해질 것으로 예상되는데요. 이러한 도전에 어떻게 대응해 나갈 계획인지도 궁금합니다.

앞서 말씀드린 바와 같이 고객 수요 다변화에 맞춰 기존의 모바일 중심에서 AI/HPC, 오토모티브, 로보틱스 등으로 응용처를 확대하고 있으며, 각 응용 분야별 특성과 고객 요구를 반영해 공정 기술과 설계 인프라를 지속 강화하고 있습니다.

AI/HPC 분야에서는 성능과 전력 효율 향상을 위해 패키지 기술과 고대역폭 메모리 기술의 중요성이 커짐에 따라 Advanced PKG, HBM과 연계한 원스톱 솔루션을 제공하고 있습니다. 데이터센터 영역에서는 고대역·저전력 데이터 전송에 대한 요구가 증가함에 따라 실리콘 포토닉스 수요가 커지고 있습니다. 이에 따라 삼성 파운드리는 PO(Pluggable Optics)^* 사업에 이미 진입하였으며, 선단 공정과 3D 패키징 기술을 활용한 CPO(Co-Packaged Optics)^* 사업을 위한 기반 기술도 개발 중입니다. 오토모티브, 로보틱스 분야에서도 고객들과 기술 협력을 확대하고 있으며, eMRAM, mmWave, RF 등 스페셜티 공정 경쟁력도 지속 강화하고 있습니다. 이처럼 다양한 고객의 요구를 충족할 수 있도록 최적의 공정 솔루션들을 제공해 나갈 계획입니다.

* PO(Pluggable Optics), CPO(Co-Packaged Optics): 전기 신호를 광신호로 변환하여 데이터를 전송하는 반도체 기술

Q. 마지막으로, AI 산업의 급격한 성장이 이뤄지고 있는 가운데 삼성 파운드리 공정이 차세대HBM 기술 발전에 있어 어떠한 역할을 하게 될지도 말씀해주시면 감사하겠습니다.

AI 산업 발전에 발맞춰 고성능 저전력 시스템 수요가 확대되면서 HBM 성능에 대한 요구가 예상보다 훨씬 더 빠르게 증가하고 있으며, 파운드리 선단 공정의 중요성도 확대되고 있습니다. 이에 대응하기 위해, 4나노 기반 HBM4 베이스 다이에서 얻은 경험과 기술 경쟁력을 바탕으로 HBM5에서도 2나노 공정을 선제 도입하고 기술 리더십을 확고히 할 것입니다.

AI 산업의 탄생과 성장에는 반도체 기술이 함께하고 있다. 또한, AI 시대 가장 중요한 메모리 솔루션인 HBM의 성능 발전에는 파운드리 기술이 뒷받침되고 있다. 삼성전자는 검증된 파운드리 기술 경쟁력을 바탕으로 모바일, HBM은 물론 전장, AI/HPC, 로보틱스 등 다양한 분야로 고객과의 협력을 확장하며 반도체 생태계를 더욱 강하게 이끌어 나갈 것이다. AI 혁신을 열어나갈 삼성 파운드리의 행보를 기대해 보자.

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최근 삼성전자 반도체 파운드리사업부 기술개발실 최정민 PL은 4나노 초저전력 공정 기술 개발 성과를 인정받아 수상의 영예를 안았다. 오랜 기간 메모리와 파운드리 분야에서 두루 근무하며 쌓은 연구 역량과 경험을 바탕으로 기술 혁신을 이끈 파운드리사업부 최정민 PL의 이야기를 삼성전자 반도체 뉴스룸이 담아왔다.

전력 소모를 줄이는 기술이 핵심 경쟁력이 되다! 4나노 초저전력 공정 기술

대한민국 엔지니어상은 과학기술정보통신부가 주최하고 한국산업기술진흥협회가 주관하는 우수 공학자 포상 제도이다. 지난 3월, 삼성전자 반도체 파운드리사업부 최정민 님은 3차원 구조 트랜지스터(FinFET) 기반의 4나노 초저전력 반도체 공정 개발 성과를 인정받아 이 상을 수상했다.

최근 AI 기술의 확산으로 전력 수요가 크게 늘어나면서, 반도체 전력 소모는 더욱 핵심적인 화두로 떠오르고 있다. 각각의 반도체가 소비하는 전력은 전하를 저장하는 양(Capacitance, 정전용량)에 비례하는데, 이 정전용량을 줄여야 반도체가 소모하는 전력을 줄일 수 있다. 최정민 님의 연구는 여기에서 출발했다.

*Dynamic Power[P]: 반도체가 소모하는 전력
*C(Capacitance): 커패시터의 전하 저장량

그는 반도체 칩을 구성하는 3차원 구조 트랜지스터(FinFET)의 높이를 낮추고, 소자 내 컨택(Contact) 폭을 줄여 정전용량(C)를 낮추는 데 집중했다. 소자 내 컨택 사이즈가 작아질수록 전하를 저장하는 양이 줄어들고, 그만큼 불필요한 전력 소모도 줄일 수 있기 때문이다.

최정민 님은 다양한 컨택 구조의 공정 및 디자인(Layout)을 최적화했고 그 결과로 전력 소모는 줄이면서도 성능의 개선을 이뤄낼 수 있었다. 이렇게 개발된 기술은 양산 제품에 적용돼 좋은 성과로 이어졌다.

4나노 초저전력 공정 기술을 선제적으로 도입해 HBM4 베이스 다이 개발 및 양산화에 기여했습니다. HBM 베이스 다이는 적층된 D램을 GPU/AI 가속기 등과 연결해 데이터와 전원, 제어 신호 등을 효율적으로 관리하는 칩인데요. 4나노 초저전력 고성능 기술을 통해 데이터 처리 속도를 높일 수 있었습니다.

커리어부터 시행착오, 업무 습관까지! 지난 여정을 되돌아보다

새로운 공정 기술을 제품에 적용해 완성도를 높이기까지 많은 엔지니어들의 현장 경험과 팀워크가 바탕이 됐다. 최정민 님은 2001년 삼성전자 반도체에 입사해 올해로 26년 차를 맞은 엔지니어로, 현재 FEOL* Module 리더로서 저전력·고성능 공정 기술의 최전선을 이끌고 있다. 메모리사업부에서 커리어를 시작한 그는 현재의 파운드리사업부에 이르기까지 다양한 공정 현장을 거치며 기술 역량과 경험을 쌓아왔다.

* FEOL: Front-End of the Line

2001년 메모리사업부에 입사해 처음 8년간은 High Speed SRAM 제품 개발/양산 업무를 진행했습니다. 이후 2008년 말 파운드리사업부로 이동해 45나노부터 현재의 4나노에 이르기까지 다양한 로직 제품 개발과 양산 업무를 수행해 왔고요. 메모리사업부에서는 체계적인 양산을 경험했고, 파운드리사업부에서는 미래 기술을 대비하고 고객사의 니즈에 맞는 맞춤형 기술들을 함께 경험하고 있습니다. 현장에서 배운 모든 경험들이 좋은 양분이 되었다고 생각합니다.

26년 차 베테랑 엔지니어인 그에게도 4나노 초저전력 공정 기술 개발은 결코 쉽지 않은 과제였다.

초기 개발 단계 과정에서 수차례에 걸쳐 실험을 시도해 봤지만, 원하는 결과가 나오지 않았습니다. 뭔가 잘못됐다 싶었죠. ‘항상 문제는 기본적인 것에서 있다’는 의심으로 압력, 온도, 설비 파워, 가스 유량 등 다양한 요소들을 살피고 계산들을 점검했습니다. 그 결과, 해결의 실마리를 찾을 수 있었습니다.

난제를 마주치면 기본부터 다시 점검해 본다는 그에게는 엔지니어로서 오래된 습관이 존재한다. 바로, ‘1+1=5’ 습관이다.

반도체 공정은 다양한 상호작용을 얼마나 잘 이해하고 있는지가 중요합니다. 반도체의 집적도가 높아지면서 서로 다른 두 개의 공정이 만나면, 5가지 이상의 상호작용이 나타날 수 있기 때문인데요. 그래서 저는 업무 노트에 5가지 이상의 예상 현상을 리스트로 적어보는 습관을 갖고 있습니다. 긍정적인 현상과 부정적인 현상 모두요. 미리 예상해서 검증하는 과정을 거칠수록 업무의 능률이 높아지고, 기술에 대한 이해도 높아질 수 있었습니다.

한편, 최정민 님은 엔지니어 간 팀워크의 중요성도 강조했다.

동료들과 함께 수많은 시행착오와 과정을 겪은 결과, 엔지니어로서 크게 성장할 수 있었습니다. 그래서 이 상은 저 개인의 성과라기보다 함께 고민하고 도전해 온 팀원 모두가 함께 받은 뜻깊은 상이라고 생각합니다. 저 역시 수많은 선배님들께 ‘공정에서는 단 1%의 변화도 치명적인 결과로 이어질 수 있으니, 실험 하나하나의 변수에 항상 집중해야 한다’는 가르침을 받으며 업무를 배웠습니다. 저도 후배들이 기술적인 어려움에 부딪혔을 때 원인을 분석하고 해결의 실마리를 찾아가는 방법을 함께 나눌 수 있는 선배가 되고 싶습니다.

기술 혁신 성과를 함께 만들어 낸 최정민 님의 동료들도 수상 소식을 기뻐하며 소회를 밝혔다.

평소 보여주신 노력과 전문성이 좋은 결과로 이어진 것 같아 뿌듯했어요. 저도 많이 배우고 성장하도록 노력하겠습니다.

파운드리사업부 PA2팀 방지선 님

치열한 현장에서 늘 기술의 본질을 고민하고, 더 높은 완성도를 위해 끊임없이 노력해 오신 결과라고 생각합니다. 뜻깊은 수상을 진심으로 축하드립니다.

파운드리사업부 PA2팀 서명수 님

AI 시대를 선도하는 기술을 만들어 간다는 자긍심

끝으로, 그는 현장에서 끊임없이 도전하며 성장해 나가는 엔지니어 후배들에게 따뜻한 응원의 메시지를 전했다.

AI 시대를 이끄는 핵심에는 반도체 공정 기술이 있다고 생각합니다. 그만큼 이 분야에서 일한다는 것에 큰 자부심을 느낍니다. 삼성전자 반도체의 엔지니어들은 모두 대한민국의 AI 경쟁력을 높이고, 더 나아가 인류의 더 나은 미래를 만드는 의미 있는 일을 하는 분들입니다. 모든 엔지니어들이 자신감과 자부심을 가지고, 건강하고 즐겁게 회사 생활을 이어 가셨으면 좋겠습니다.

현장에서 끊임없이 답을 찾고, 더 나은 기술을 만들어가는 엔지니어의 업을 사랑한다는 최정민 님. 앞으로도 대한민국 반도체 기술의 새로운 가능성을 열어가며 혁신의 역사를 써 내려갈 삼성전자 반도체 엔지니어들의 여정을 기대해본다.

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