中, 하이브리드 본딩 특허 경쟁 '우위'…삼성·SK 크게 앞서

관련 특허 공개 中 YMTC 119건…삼성전자 83건·SK하이닉스 11건

삼성전자·SK하이닉스 등 국내 기업들이 차세대 패키징 기술인 '하이브리드 본딩' 기술력 확보에 매진하고 있다. 약 5년 전부터 관련 특허를 꾸준히 공개하고 있는 상황으로, 차세대 D램 및 HBM(고대역폭메모리), 낸드 등에 폭넓게 적용할 계획이다.

다만 공개된 특허 수는 메모리 업계 후발주자인 중국 YMTC(양쯔메모리테크놀로지) 대비 저조한 것으로 나타났다. 특허가 향후 메모리 시장의 큰 변수로 작용할 수 있는 만큼, 국내 기업들도 연구개발(R&D)에 속도를 내야 한다는 지적이 제기된다.

YMTC의 하이브리드 본딩 기술인 엑스태킹 기술 개념도. 각각의 웨이퍼에 셀과 페리를 집적한 뒤 접합(빨간색 영역)시키고 있다(사진=YMTC)

하이브리드 본딩, D램·HBM·낸드 등 차세대 메모리서 각광 

8일 업계에 따르면 삼성전자·SK하이닉스 등은 하이브리드 본딩 관련 특허를 지속적으로 확보하고 있다.

하이브리드 본딩은 두 개의 반도체 칩을 구리 배선은 구리 배선끼리, 절연 물질은 절연 물질끼리 각각 접합하는 기술이다. 기존 칩 연결에 쓰이던 솔더볼·범프 등을 쓰지 않아 패키지 두께를 줄이고, 전기적 특성 및 방열 특성을 높일 수 있다.

하이브리드 본딩의 적용처는 매우 다양하다. 메모리의 경우 20단 적층 이상의 차세대 HBM과 3D D램, 400단 이상의 고적층 낸드에서 활용될 것으로 예상된다.

특히 낸드 시장에서는 이미 하이브리드 본딩이 상용화되고 있다. 중국 YMTC는 약 4년 전부터 'Xtaking(엑스태킹)'이라는 이름으로 하이브리드 본딩이 활용된 낸드를 양산 중이다. 낸드의 핵심 요소인 셀과 페리를 각각 다른 웨이퍼에서 제조한 뒤, 하나로 합치는 W2W(웨이퍼-투-웨이퍼) 방식이 적용됐다.

국내 기업들 역시 400단 이상의 낸드에 하이브리드 본딩 기술을 적용할 계획이다. 그러나 관련된 특허 기반은 크게 부족한 상황으로, 차세대 메모리 경쟁력 강화에 걸림돌이 될 수 있다는 우려가 제기된다. 

실제로 삼성전자는 차세대 낸드에 하이브리드 본딩을 적용하기 위해 YTMC와 라이센스 계약을 체결한 바 있다. 기술적으로 YMTC의 특허를 사실상 피하기 어렵다는 판단이 작용한 것으로 알려졌다.

삼성전자, SK하이닉스, YMTC의 연도별 하이브리드 본딩 관련 특허 공개 수. 원이 클수록 공개한 특허의 수가 많다(자료=노우메이드)

中 YTMC 특허 공개 수 119건…삼성(83건)·SK(11건) 크게 앞서  

지디넷코리아가 입수한 프랑스 특허·기술 리서치 기업 노우메이드(KnowMade)의 자료에 따르면, YMTC는 지난 2017년부터 2024년 1월까지 총 119건의 특허를 공개했다.

니콜라스 배런 노우메이드 최고경영자(CEO)는 "YMTC는 해당 기간 총 700건 이상의 특허를 출원했으며, 이 중 최소 119개가 하이브리드 본딩과 관련된 특허 패밀리(Patent families; 여러 국가에 출원한 특정 특허를 모두 묶은 것)"라고 강조했다.

삼성전자는 그보다 앞선 2015년부터 특허를 출원했으나, 2023년까지의 총 특허 출원 수는 83건으로 집계됐다. 초기 특허 출원 수가 저조한 데 따른 영향이다. 다만 2023년에는 한 해에만 31건의 특허를 출원하는 등, 기술력 확보에 속도를 내고 있다.

SK하이닉스는 지난 2020년부터 특허 출원을 시작해, 2023년까지 총 11건의 특허를 공개하는 데 그쳤다.

노우메이드는 "전 세계 주요 반도체 기업들의 적극적인 기술 개발 덕분에, 2019년 이후로 하이브리드 본딩 관련 특허 수는 4배 이상 증가했다"며 "TSMC, Adeia, YMTC 등이 하이브리드 본딩 관련 IP(지식재산) 리더로 지목된다"고 설명했다.

YMTC가 보유한 특허 포트폴리오도 주목할 만 하다. 노우메이드가 YMTC의 핵심 특허 25개를 분석한 결과, 이 회사는 낸드·D램·S램 등을 포함하는 새로운 3D 메모리 설계, 로직 및 메모리 다이의 하이브리드 본딩, 본딩 층 주변 회로와 관련한 기술을 보유하고 있다.

노우메이드는 "YMTC의 특허는 로직과 메모리, 컨트롤러를 모두 포함한 이기종 적층으로 AI 및 HPC 산업을 위한 반도체 제조를 용이하게 한다"며 "또한 YMTC는 하이브리드 본딩 구현을 위한 표면 처리, 웨이퍼 다이싱 등 제조 공정 특허도 다방면으로 보유하고 있다"고 밝혔다.