[Tech톡]4차산업혁명시대 황금알 '3D 낸드'의 3色 혁명

(서울=뉴스1) 장은지 기자 = 4차 산업혁명시대 '3D(3차원) 낸드플래시 메모리'가 반도체업계의 새로운 격전지로 떠올랐다. 세계 최초로 3D낸드플래시를 양산한 삼성전자는 3D낸드로 올 한해 승승장구했다. 3D낸드는 없어서 못판다는 말이 나올 정도다. 미국 인텔과 도시바, 마이크론, SK하이닉스 등도 3D낸드 생산 성공을 위해 박차를 가하고 있다.

낸드플래시는 휘발성 메모리인 D램과 달리 전원을 꺼도 데이터가 날아가지 않는 '비휘발성' 메모리의 일종이다. 플래시메모리에는 낸드와 노어 2가지 종류가 있다. 낸드플래시는 'Nand(Not And) + Flash(섬광)'의 합성어다.

우리가 스마트폰에 사진을 저장하고 음악과 동영상을 저장해두고 꺼내 보는 것은 모두 플래시메모리 덕분이다. 흔히 사용하는 USB나 SSD(솔리드스테이트드라이브) 등이 낸드플래시를 사용한 대표적 제품이다. 스마트폰 용량이 커지고 PC나 서버에서 저장장치로 쓰이던 하드디스크가 SSD로 급속히 교체되면서 3D낸드 플래시가 불티나게 팔리고 있다.

D램의 경우 전원이 끊어지면 저장했던 데이터가 모두 날아가 버리는 단점이 있다. 이를 전문용어로 휘발성 메모리라고 한다. 전원이 단절되면 D램이 가지고 있던 기억이 모두 사라져 버려 정보기기의 데이터 저장매체로 사용할 수 없다.

◇2D낸드의 한계…3D낸드의 3가지 혁신

3차원 구조의 3D낸드 플래시 기술은 회로선폭을 줄여 집적도를 높여온 기존의 2D 낸드 기술이 10나노대에서 막히면서 탈출구로 나온 해법이다. 반도체를 아파트처럼 쌓아올려 집적도를 높이고 저장 용량을 늘린 것이다.

2D낸드와 3D낸드의 차이점은 크게 통합(Integration), 물질, 구조 등 3가지로 요약된다.

먼저 통합 측면에서는 수직 적층이 핵심이다. 기존 반도체가 1층짜리 주택이라면 3D낸드는 48층(48단 기준)짜리 아파트라고 이해하면 된다. 삼성전자가 2013년 세계 최초로 개발한 3차원 낸드플래시는 평면 낸드보다 셀 수명은 최대 10배, 쓰기속도는 2배로 높이고 소비전력은 2분의 1로 감소시켰다. 적은 전력으로 동작속도가 빠르고 수명도 오래가는 것이다. 3차원은 2차원과 비교해 동일한 면적에서 더 많은 셀을 저장할 수 있어 원가절감에 유리하다.

두 번째로는 사용하는 물질을 바꿨다. 전하를 저장하는 게이트 형태를 기존 플로팅게이트(Floating Gate, FG)에서 차지 트랩 플래시(Charge Trap Flash, CTF)로 바꾼 것이 핵심이다. 기존 플로팅게이트는 '폴리실리콘'에 전하를 저장했지만 CTF에서는 '나이트라이드'라는 부도체에 전하를 저장한다. '나이트라이드'가 전하를 붙잡고 있는 힘이 강해서 누설전류를 줄이는 장점이 있다.

CTF 기술은 1971년 비휘발성 메모리가 처음 개발된 이래 35년간 상용화에 적용돼온 '플로팅 게이트' 기술의 한계를 극복한 혁신적인 기술로 삼성전자가 원천특허를 보유하고 있다.

마지막 세 번째는 '구조'다. 기존 평면형(planar) 구조를 벗어나 3차원의 원통형 적층으로 구조가 바뀌었다. 이를 전문용어로 Gate-All-Around(GAA) 구조 라고 한다. 48단 낸드의 경우 먼저 전류가 흐르는 도체(콘트롤게이트, 금속)와 전류가 흐르지 않는 부도체를 순서대로 각각 48개(도체·부도체 한쌍이 1단)를 쌓아올린다. 그다음 통조림 파인애플처럼 구멍을 뚫어(에칭 공정) 순차적으로 탄탈륨(TaN), 알루미늄옥사이드(Al₂O₃), 나이트라이드(SiN), 옥사이드(SiO₂), 실리콘(Si) 등 5가지 화학물질 신소자를 차례로 발라 구멍을 메운다.

이들 물질 영문 첫 글자를 따 타노스(TANOS)라 부른다. 이렇게 해서 만들어진 원통 셀 하나가 0,1 이진법으로 표시되는 기억단위(싱글레벨셀, SLC의 경우) 하나가 된다. 이러한 셀들이 수억개 모여서 특정한 저장용량을 가진 하나의 칩이 된다. 반도체업계에서는 일본 도시바가 삼성전자와 유사한 방식을 사용하고 있다.

현재 3세대인 48단 3D낸드 플래시를 양산하는 곳은 삼성전자가 유일하다. 초기술력으로 선두를 지키내려는 삼성전자는 4세대 64단 낸드를 연말 양산할 계획이며 96단 낸드 개발에도 착수했다. 2세대 36단 3D낸드를 양산중인 SK하이닉스는 연말 48단 3D낸드제품을 내놓고 내년 상반기 72단 제품 개발도 완료해 하반기 양산할 계획이다.

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