[칩톡]삼성·SK HBM 운명 동시에 쥔 TSMC…권력으로 떠오른 '베이스 다이'

세계 파운드리(반도체 위탁생산) 시장을 장악한 대만 TSMC가 고대역폭메모리(HBM) 핵심 부품인 ‘베이스(로직) 다이’를 통해 새로운 수익원을 확보하며 영향력을 더욱 확장하고 있다. 이러한 움직임은 HBM 시장에서 치열한 경쟁을 벌이고 있는 삼성전자와 SK하이닉스의 전략에도 직접적인 영향을 미칠 것으로 보여, 국내 반도체 업계의 관심이 더욱 집중되고 있다.
30일 외신과 업계에 따르면 TSMC가 지난 5월 네덜란드 암스테르담에서 열린 ‘유럽 기술 심포지엄’에서 6세대 HBM인 HBM4부터 베이스 다이를 직접 제작하겠다는 청사진을 발표한 후, 반도체 기업들로부터 주문이 쏟아지고 있다.베이스 다이는 HBM의 기반 구조를 이루는 핵심 부품으로, 위에 D램 칩인 ‘코어 다이’를 쌓고 실리콘관통전극(TSV) 기술로 수직 연결해 HBM을 완성하는 역할을 한다. 기존에는 베이스 다이가 메모리 제조사의 영역으로 여겨져, HBM을 생산할 때 D램과 함께 제작되는 경우가 많았다. TSMC 역시 지금까지는 고객사가 제공한 D램과 베이스 다이를 받아 기판 위에 그래픽처리장치(GPU)와 함께 조립하는 방식으로 작업을 진행해왔다. 이러한 방식은 5세대 HBM3E까지 유지됐으나, 이번 발표로 HBM4부터는 베이스 다이가 별도로 ‘맞춤형’ 제작되는 체제로 전환될 가능성이 열렸다.


TSMC가 베이스 다이를 직접 만들겠다고 나선 데는 최근 빠르게 성능이 높아지고 있는 HBM이 큰 영향을 끼친 것으로 보인다. HBM은 16단, 곧 있으면 20단 이상의 제품 양산을 바라볼 만큼 다음 세대로 넘어가는 속도가 예사롭지 않다. HBM에 탑재되는 D램의 단수가 높아질수록 베이스 다이는 이를 받치고 높은 역폭을 이룰 수 있도록 하는 정교함을 요한다. 최근에는 시장에서 베이스 다이에 요구되는 수준이 급격히 올라갔다. 베이스 다이도 HBM의 발전 속도에 맞춰 공정이 보다 세밀해져야 하는 단계에 이른 것이다.
이로 인해 기업들의 생산 능력은 한계에 부딪힐 가능성이 생겼다. 5세대 HBM인 HBM3E까지는 베이스 다이를 자체 제작이 가능한 수준이었지만, HBM4부터는 높은 수준의 파운드리 공정을 가진 회사와 협력하지 않고는 만들기 힘들 것이란 분석이 업계와 전문가들 사이에서 나온다. TSMC는 이런 흐름을 주목해 고도의 시장 전략을 내놓은 것으로 풀이된다. HBM4부터 제작 수요가 생길 베이스 다이에 먼저 깃발을 꽂고 선수를 쳤다고 볼 수 있다. 당분간 TSMC는 베이스 다이에 관해선 경쟁자 없이 시장을 독점하면서 권세를 누릴 것으로 보인다. TSMC는 HBM4용 베이스 다이를 만들기 위한 체제를 구축하기 위해 관련 공정을 조정하는 등 발 빠르게 움직이고 있는 것으로도 전해진다. 우선은 12나노(㎚·1나노는 10억분의 1미터) 또는 5나노 공정을 통해 만들겠단 계획을 세웠지만, 이는 고객사들의 요청, 협력 방안에 따라서 달라질 순 있을 것으로 보인다.

TSMC는 곧 HBM4 경쟁 대열에 나서려는 삼성전자와 SK하이닉스의 운명도 동시에 쥐게 될 것으로 보인다. SK하이닉스가 이미 6세대 HBM인 HBM4의 베이스 다이 공정을 TSMC에 맡기기로 한 데 이어 삼성전자도 최근 같은 결정을 내릴 가능성을 시사했기 때문이다.
삼성전자가 지난 10월31일 차세대 HBM 생산과 관련해 처음으로 TSMC와의 협력 가능성을 시사한 핵심 배경에 베이스 다이가 있다. 김재준 메모리사업부 부사장은 올해 3분기 실적 컨퍼런스콜에서 "맞춤형(커스텀) HBM의 베이스 다이와 관련해 파운드리 파트너 성정은 내외부 관계없이 유연하게 대응할 것"이라고 말했다. 무엇보다 좋은 베이스 다이를 확보하기 위해 TSMC 등과의 협력도 배제하지 않겠단 취지로 읽힌다. 경희권 산업연구원 연구위원은 "HBM 전체를 TSMC가 만들어주는 방식의 협력이 아니라, 베이스 다이와 정밀한 전공정 수준의 패키징이 필요한 부분을 TSMC가 해주는 방식일 것으로 보인다"며 "차세대 HBM은 베이스 다이 아래로도 많은 전선이 들어가야 하는 등 세밀한 공정이 필요해지기 때문에 그런 문제 때문에 협력이 불가피했을 것"이라고 분석했다.
SK하이닉스도 앞서 지난 5월에 TSMC와 차세대 HBM 양산 협력 방안을 마련하면서, HBM4의 베이스 다이 전공정(FEOL)과 TSV 형성, 후속배선공정(BEOL)을 TSMC에 맡기기로 했다. 베이스 다이는 TSMC의 7나노미터 공정에 의해 만들어질 예정이다. 이 역시 모두 고객사의 요구사항에 맞춰 내려진 결정이라고 한다. 그 뒤에 웨이퍼 테스트, HBM 조립, KGSD(Known Good Stacked Die) 테스트 등은 자사의 후공정 공장에서 진행한다.

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