이 기사는 2025년 02월 21일 10시30분 thebell에 표출된 기사입니다

삼성전자와 SK하이닉스가 10세대 낸드에 웨이퍼 본딩 기술을 도입한다. 공정 안정성과 고단 낸드 구현을 위해서다. 삼성전자는 이르면 내년 초부터 400단 낸드 양산을 목표하고 있다.

웨이퍼 본딩은 이미 낸드에 상용화된 기술이다. 중국 YMTC, 일본 키오시아(KIOXIA) 등이 선제 적용 중이다. 중국 YMTC는 300단급 낸드부터 3장의 웨이퍼를 적층해 제품 양산을 진행한다는 계획이다.

◇10세대 낸드부터 W2W 적용 유력, 초고단 낸드 경쟁 시작

21일 삼성전자 고위 관계자는 서울 강남구 코엑스에서 열린 세미콘코리아 2025에서 기자와 만나 "차세대 낸드에 웨이퍼 본딩 도입을 검토 중인 것은 맞다"고 말했다.

삼성전자와 SK하이닉스 등 대부분의 낸드 기업들은 한 개의 웨이퍼에 페리페럴(로직)을 만든 뒤 셀을 적층하는 형태로 낸드를 만들었다. 그러나 낸드 단수가 높아지면서 한 장의 웨이퍼에 셀과 페리를 모두 구현하는 것이 한계에 다다랐다. 셀을 쌓는 과정에서 페리가 손상이 가는 등 공정 안정성이 하락해서다.


삼성전자와 SK하이닉스는 이에 대응하기 위해 차세대 낸드부터 페리 웨이퍼와 셀 웨이퍼를 각각 만든다. 이를 웨이퍼 본딩으로 연결해 하나의 반도체로 만드는 컨셉이다. 중국 YMTC는 이 기술을 '엑스태킹(Xtacking)'이라는 이름으로 명명하고 100단 이하 제품부터 적용 중이다. YMTC는 현재 270단급 낸드를 양산 중이다. 일본 키오시아는 218단 낸드부터 웨이퍼 본딩을 도입했다.

낸드에 웨이퍼 본딩 기술이 도입되면서 초고단 낸드 경쟁은 더욱 가속화될 전망이다. 중국 YMTC는 웨이퍼 3장을 적층하는 형태로 300단급 낸드 개발을 진행 중이다. YMTC는 미국의 반도체 장비 수출 규제(128단 낸드 제조 장비 등)로 웨이퍼를 적층하는 방식으로 고단 낸드를 만들고 있다.

웨이퍼 본딩 기술이 장점만 있는 것은 아니다. 복수의 웨이퍼를 사용하는 만큼 제조 비용이 큰 폭으로 상승한다. 또 웨이퍼 본딩 과정에서 불량품이 발생할 확률도 존재한다. 메모리 업계 관계자는 "삼성전자와 SK하이닉스가 낸드에 웨이퍼 본딩을 뒤늦게 도입하는 것이 결코 기술력이 떨어진다는 방증은 아니다"라며 "낸드 제조에서는 코스트가 중요한데, 한 장의 웨이퍼로 고단 낸드를 구현하는 것이 더 기술력이 높은 것"이라고 강조했다.

삼성전자와 SK하이닉스의 낸드 웨이퍼 본딩에는 도쿄일렉트론(TEL)과 EVG의 템포러리 본딩·디본딩(TB·DB) 장비가 활용될 예정이다. 일본 키오시아의 8세대 낸드 양산에는 TEL TB·DB 장비가 대거 활용된 것으로 파악됐다.

다만 일각에서는 삼성전자가 웨이퍼 본딩 도입 시점을 확정 짓지 않았다는 시각도 있다. 장비 업계 고위 관계자는 "10세대에서 적용할지 11세대에서 적용할지 고민 중인 것으로 안다"고 설명했다.

◇키오시아, 차세대 낸드 컨셉 '멀티 스택 CBA' 발표

낸드 기업인 키오시아는 세미콘코리아 2025에서 3장 이상의 웨이퍼를 적층해 만드는 낸드 컨셉 '멀티 스택 CBA(CMOS directly Bonded to Array)'도 공개했다. 키오시아가 공개한 컨셉은 △페리+페리+셀 △페리+셀+셀 △페리+페리+셀+셀 등이다.


이를 통해 낸드 용량 혹은 로직 성능을 높인다는 계획이다. 다만 구체적인 적용 시점에 대해서는 언급하지 않았다. 키오시아는 자사 10세대 낸드(332단급)까지는 2장의 웨이퍼를 적층하는 방식으로 낸드를 생산한다.

키오시아는 최근 D램 연구도 진행 중이다. 지난해 열린 IEEE 국제전자소자학회에서 발표한 4F 스퀘어 D램 '옥트램(OCTRAM)'이 대표적인 사례다. 실린더형 이그조(IGZO) 수직 트랜지스터를 활용한 것이 특징이다. IGZO는 인듐(In)·갈륨(Ga)·산화아연(ZnO)으로 구성된 금속 산화물 소재로 4F 스퀘어 D램, 3D D램 등에 적용될 것으로 예상된다.

메모리 업계 고위 관계자는 "키오시아가 직접 D램 생산에 뛰어들기 보다는 라이선스 사업을 위한 R&D로 보인다"고 귀띔했다.