[비즈니스포스트] 인공지능(AI) 서비스 확산에 따라 삼성전자와 SK하이닉스 등 메모리반도체 제조사들의 고대역폭메모리(HBM) 공급 경쟁이 갈수록 치열해지는 가운데 HBM 수율(불량을 제외한 완성품 비율)이 승자를 가를 것이란 분석이 나온다.

두 회사의 HBM 수율은 반도체 웨이퍼 기준으로 50~60% 수준에 그치는 만큼, 이를 빨리 개선하는 기업이 ‘HBM 왕좌’를 차지할 수 있다는 것이다.

7일 반도체 업계 취재를 종합하면, 삼성전자와 SK하이닉스는 올해 AI 반도체에서 핵심으로 평가받고 있는 HBM 생산능력을 확대하기 위해 대규모 투자에 나설 전망이다.

삼성전자의 올해 말 HBM 생산능력은 웨이퍼 기준으로 월간 약 15만~16만 장으로 늘어날 것으로 예상된다. 이는 2023년 2분기 기준 월 2만5천 장 수준에서 6배 이상 증가하는 것이다.

SK하이닉스의 HBM 생산량도 2023년 2분기 월 3만5천 장에서, 올해 말에는 12만~14만 장까지 늘어날 것으로 전망되고 있다.

지난해까지만 해도 HBM은 이제 막 수요가 발생하는 시기였던 만큼, 엔비디아와 같은 대규모 HBM 수요 기업의 품질 테스트를 통과하는 것이 가장 중요했다. SK하이닉스가 HBM 강자로 올라섰던 것은 가장 먼저 엔비디아에 4세대 HBM인 HBM3를 납품했기 때문이다.

하지만 지금과 같은 속도로 생산량이 급증하면 HBM 수율에 대한 중요성이 점차 부상할 것이란 분석이 지배적이다. 불량없는 완성품을 많이 찍어낼 수 있어야 시장 점유율을 빠르게 늘릴 수 있고, 수익성도 확보되기 때문이다.

현재 HBM 수율은 일반 D램과 비교하면 낮은 수준이다.

HBM3 제품을 기준으로, 선두주자인 SK하이닉스 수율이 60% 수준에 불과한 것으로 추정된다. 이는 일반 D램 수율 90% 이상을 크게 밑도는 것이다. 

올해부터 공급되는 HBM3E의 초기 수율은 50%를 밑돌 것으로 전망되고 있다.

HBM은 D램을 수직으로 쌓아올리는 방식으로 제조된다. 이에 따라 D램을 적층하는 과정에서 웨이퍼가 휘거나, 반도체 다이가 깨질 확률이 높다.

게다가 HBM 다이 사이즈는 기존 DDR5 대비 약 1.6~1.8배 크기 때문에 동일 웨이퍼 크기에서 HBM의 넷다이(웨이퍼 당 생산 가능한 칩 수)가 감소한다.

이수림 DS투자증권 연구원은 “8단에서 12단, 16단으로 적층 단수가 늘어날수록 공정 난이도 역시 상승해 수율 개선이 더욱 어려워진다”며 “심지어 HBM의 다이 페널티(불량률)는 DDR5 대비 40% 이상으로 추정돼 한정된 생산설비에서 더 제품을 생산하기 위해선 수율 개선이 필수”라고 말했다.
  SK하이닉스는 현재 HBM 수율에서 앞서있는 것으로 파악된다.

곽노정 SK하이닉스 대표이사 사장은 최근 “우리 회사 생산기술의 총합은 수율로 정의할 수 있다”며 “수율을 업계 최고(Best In Class) 수준으로 끌어올리는 게 최대 목표”라고 말할 만큼 '수율이 곧 경쟁력'이라는 지론을 갖고 있다.

SK하이닉스는 현재 HBM 양산에서 독자 개발한 '어드밴스드 매스리플로우-몰디드언더필(MR-MUF)' 패키징 공정을 활용하고 있다. MR-MUF는 반도체 칩을 쌓아 올린 뒤 칩과 칩 사이 회로를 보호하기 위해 액체 형태의 보호재를 공간 사이에 주입하고, 굳히는 공정이다. 칩을 하나씩 쌓을 때마다 필름형 소재를 깔아주는 경쟁사의 비전도성접착필름(NCF) 방식 대비 공정 효율성을 높일 수 있다고 회사 측은 주장한다.

삼성전자도 HBM 수율 개선에 혈안이 돼 있다.

대만 TSMC와 미국 마이크론을 거친 린준청 부사장이 삼성전자 어드밴스패키지팀(AVP) 개발실에 최근 합류한 것도 수율 개선을 위한 것으로 해석된다. 린 부사장은 패키징 전문가로, 마이크론에 재직할 당시 3세대 HBM2E 개발을 주도했다.

또 회사는 올해 들어 HBM 수율 향상을 위한 테스트, 검사·계측, 세정, 열처리 장비를 적극 확충하고 있다.

경계현 삼성전자 DS부문장 겸 대표이사 사장은 지난 2월15일 자신의 사회관계망서비스(SNS)에 “HBM3E 샤인볼트와 같은 삼성전자 반도체 제품은 생성형 인공지능(AI) 애플리케이션의 속도와 효율성을 크게 향상시킬 준비가 돼 있다”며 “AI 비전을 현실로 만드는 데 필요한 솔루션을 제공할 것”이라고 자신감을 내비쳤다. 나병현 기자.