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[기술동향 - 글로벌 반도체 기술 동향] 칩 하나로 128GB 플래시 메모리를 실현하는 3D 낸드 기술
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3D 낸드가 새로운 플래시 메모리의 시장을 열다
플래시 메모리 서밋의 삼성 키노트 스피치에 등장한 Jim Elliot 메모리 마켓팅 부사장, ES Jung 삼성 반도체 연구 개발 센터 부사장 겸 제너럴 매니저.
"데이터 기록 수명과 가격, 그리고 앞으로 벌어질 대용량화에 대한 불안이 없어진다면 낸드 플래시 시장은 더욱 확대될 것이다"
삼성의 Jim Elliott 메모리 마케팅 부사장은 지난주에 3D 낸드 기술인 V-낸드의 양산 개시를 발표하면서 이렇게 선언했습니다. 데이터센터에선 아직 SSD를 믿지 못합니다. 컨슈머 제품에선 낸드가 사실상 유비쿼터스 메모리가 됐지만 용량 당 가격이 비싸 메모리 용량에 한계가 있습니다. 이런 상황에서 낸드 플래시 메모리의 대용량화 페이스가 떨어진다는 건 앞으로 큰 불안 요소가 됩니다.
낸드 플래시가 직면한 상황, 쓰기 수명의 감소, 용량 당 가격 하락률 둔화, 대용량화의 둔화, 이 3가지 문제는 미세화에 의한 기술적인 장벽에 따른 것입니다. 메모리 셀의 크기가 작아지면서 다시 쓰기 수명은 줄어들며 이 때문에 더 이상 공정 미세화를 하기가 어렵습니다. 특히 공정 미세화를 할수록 노광 장비의 가격이 상승하니 용량 당 제조 원가는 더 낮추기 어렵습니다. 이런 문제들이 복합적으로 작용해 대용량화의 페이스가 자꾸 떨어지고 있습니다.
낸드 플래시의 미세화와 제조 원가의 문제
거꾸로 말하면 이런 문제만 해겨한다면 낸드 플래시는 시장을 확대할 수 있습니다. 삼성은 3D 낸드 기술이 이런 문제를 한번에 해결할 수 있는 열쇠가 된다고 설명합니다. 3D 낸드에 따라 앞으로 몇 세대의 대용량화와 그에 따른 용량 당 비용 절감, 그리고 10배 늘어나는 다시 쓰기 수명, 보다 빠른 속도, 더 낮은 소비 전력을 실현할 수 있다고 삼성은 설명합니다.
3D 낸드를 통해 용량 당 제조 원가를 줄여 낸드 플래시 시장을 계속 확대해 나갈 것
낸드 플래시가 더 이상 노광 기술의 발전을 견인해 나가지 않게 되다
3D 낸드의 가장 큰 특징은 최첨단 노광 기술을 필요로 하지 않는다는 점입니다. 지금까지는 노광 기술의 진화가 제조 공정의 미세화를 견인하거나, 혹은 한계로 작용했습니다. 그러나 3D 낸드에선 30나노 다이의 상대적으로 오래된 제조 공정 기술을 써서 메모리 셀을 적층해 대용량화를 합니다. 그리고 같은 공정을 유지하면서 앞으로 대용량화를 실시합니다. 삼성의 연구 개발을 지휘하는 ES Jung 제너를 매니저는 "ASML(노광 설비를 만드는 대표적인 회사)가 듣고 있으면 싫어할 것"이라며 운을 떼면서, 앞으로 낸드 플래시는 노광 기술의 발전이 더 이상 필요하지 않다고 설명했습니다.
삼성은 2016~2017년에 1Tbit를 실현할 계획
낸드 플래시의 미세화와 3D화
미세화에 의존하지 않고 무어의 법칙을 유지한다는 새로운 방안입니다. 반도체 관계자 쪽에선 '반도체 제조 설비에 큰 영향을 주며, 최첨단 노광 기술을 필요로 했던 분야 중 하나였던 낸드 플래시가, 더 이상 노광 기술을 이끌어나지 않게 되는 것을 뜻한다"고 견해를 밝히기도 했습니다. DRAM의 미래가 불투명하다는 것을 염두에 두면, 메모리 업계가 한동안은 노광 기술을 발전시켜 나가지 못할 것이란 이야기가 나옵니다.
삼성이 발표한 V-낸드 제품은 반도체 다이 당 128Gbit(16GB)의 용량을 실현했습니다. 그러나 삼성은 앞으로 1Tbit까지 보고 있는 로드맵을 내놨으며, 2016~2017년 사이에 1Tbit(128GB)를 실현할 것이라 설명했습니다.
삼성은 플래시 메모리 서밋의 키노트 스피치에서 3D 낸드 플래시가 3가지의 기술적인 혁신이 있었다고 설명합니다.
우선 하나는 기존의 플로팅 게이트가 아니라 차지 트랩(전하 포획) 방식의 메모리 셀을 개발했다는 것. 기존의 플로팅 게이트는 전자가 떠 있는 수족관 같은 형태지만, 차지 트랩은 구멍이 뚫려 있는 치즈에 전자를 집어 넣은 방식이라고 비유했습니다. 누설이 어려운 구조라서 보다 오랬동안 전하를 유지할 수 있다는 게 장점입니다.
3D 낸드를 실현하는데 적용한 3가지 기술 혁신
또 삼성은 차지 트랩 방식을 통해 메모리 셀을 3D 구조로 바꿨는데 이것이 두번째 개혁이라 설명합니다. 이 구조 변혁의 결과 메모리 셀에 저장할 수 있는 전자의 수가 현격히 늘어나고, 쓰기 수명이 늘었다고 설명합니다.
세번째는 3D화한 메모리 셀의 적층화로, 이를 통해 면적당 메모리 밀도를 올릴 수 있었습니다. 또 적층화를 통해 메모리 셀 사이에 충분한 간격을 둘 수 있어, 셀 사이의 간섭도 해결할 수 있었다고 합니다.
3D 낸드로 메모리 밀도를 2배로 높이다
삼성은 24개를 적층한 이번 V-낸드에서, 메모리 밀도를 20나노 공정의 2D 평면 낸드의 2배로 높였다고 설명합니다. 19~21나노의 낸드는 현재 MLC에서 칩 면적 당 500~600Mbit/제곱mm 미만의 밀도가 나옵니다. 그 2배라면 1제곱mm 당 1Gbit를 넘기게 됩니다. 다이 크기로 보면 128Gbit를 100제곱mm 안에 넣을 수 있습니다. 그리고 밀도를 더 높이면 256Gbit(32GB)를 넣는 것도 가능합니다. 다만 3D 낸드는 기존의 2D 평면 낸드보다 생산 비용이 더 비싸기 때문에, 다이 크기도 약간 낮춰 봐야 할 필요가 있습니다.
낸드 플래시의 다이 크기
낸드 플래시의 용량 밀도
밀도를 2배로 올렸을 뿐만 아니라 여러 수치도 향상되었습니다 .우선 셀 간섭이 해결되면서 같은 워드라인의 셀을 한번에 프로그래밍(데이터 기록)할 수 있게 됐습니다. 덕분에 쓰기 속도가 2배로 늘었지만 전력 소비는 절반으로 줄어듭니다.
또한 2D 평면 낸드에선 플로팅 게이트에 3백 개 정도의 전자를 넣을 수 있었지만, 3D 낸드의 V-낸드는 차지 트랩 방식을 쓰니까 천개의 전자를 저장할 수 있습니다. 그래서 쓰기 수명이 20나노 공정 평면 낸드보다 10배 늘어나는 것입니다.
미세화가 아닌 적층화를 통해 메모리 용량을 높였지만, 3D 낸드는 기술적인 장벽도 존재합니다. 그것은 비트 라인의 채널 홀 생성입니다. 기술적인 장벽은 기술이 아니면 해결할 수 없습니다. 이 부분은 미국의 Applied Materials가 핵심 기술을 제공하고 있습니다.
Applied Materials가 핵심 제조 기술을 제공
Applied Materials는 플래시 메모리 서밋에서 3D 낸드를 위한 제조 공정에 대해 설명했습니다. 지난 몇 년 동안 3D 낸드 플래시에 필요한 공정 기술 개발에 대해 주요 낸드 업체들과 협력해 왔으며, 이번 3D 낸드 발표는 신나는 소식이지만 딱히 놀라울만한 것은 아니라고 운을 땠습니다. (Gill Lee(Senior Director/Principal Member of Technical Staff, Silicon Systems Group, Applied Materials) 실제로 Applied Materials는 투자자 회의에서 3D 낸드에 대한 설명을 했으며, 플래시 메모리 서밋에서 설명했던 것은 이미 기존에 나온 정보를 요약한 것에 지나지 않습니다.
아래는 Applied Materials이 2013 Analyst Meeting에서 공개한 슬라이드인데, 3D 낸드는 노광이 아니라 부식과 성막(막 형성, deposition)이 어려웠다고 합니다. 평면 위에 생선된 낸드 메모리 셀을 3D 입체화하기 위해 채널 홀을 비우고, 그 홀 옆에 메모리 셀을 생선하기 때문입니다. 홀을 만들어내는 부식 기술과, 수십층에 겹치는 메모리 셀 층의 생성, 그리고 그 여러 층을 연결하는 것이 어려운 점이었습니다.
이 회사는 자사의 부식 기술인 AVATAR을 통해, 3D 낸드에서 필요로 하는, 종횡비가 높은 정밀한 부식이 가능하게 됐다고 설명합니다. 또 수십층의 막을 만드는 것도 자사 기술로 실현했다고 하네요.
Applied Materials의 부식 기술인 AVATAR
바꿔말하면 3D 낸드는 그만큼 제조 원가가 늘어납니다. Applied Materials의 공개 자료는 투자자를 위해 나온 것이라서, 제조 원가(Applied Materials 입장에선 새로운 시장)의 분석도 같이 나와 있었습니다. 보면 알 수 있는대로 기존의 2D 평면 낸드와 비교하면 3D 낸드의 제조 비용이 더 비쌉니다. 그러나 3D 낸드가 메모리 밀도를 높일 수 있기 때문에 결과적으로 보면 더 싼 것으로 보입니다. 3D 낸드를 16층으로 만들면 가격 경쟁력이 없어 24층으로 만들어야 한다는 의견도 나왔는데, 그것은 이런 처리 비용 때문으로 보입니다.
3D 낸드의 제조 원가 비율
참고로 Applied Materials는 자사 기술을 제공중인 회사를 공개했습니다. 대형 낸드 플래시 메모리 업체는 삼성, 도시바, 하이닉스, 마이크론의 4개밖에 안 되는데, 이들 회사에 모두 기기나 샘플을 제공 중인 것으로 나타났습니다.
Applied Materials는 4개의 대형 낸드 플래시 메모리 제조사 모두를 고객으로 두고 있습니다.
