삼성, 메모리반도체 한계 넘었다

3D 수직구조 낸드플래시 메모리 세계 최초 양산

[아시아경제 박민규 기자] 삼성전자가 3차원 낸드플래시를 개발한 것은 기존 2차원 기술로는 용량을 늘리는 데 한계가 있었기 때문이다. 최근 10나노급 공정 도입으로 셀 간 간격이 크게 좁아지면서 더이상 집적도를 높이기가 어려운 것이다.

최정혁 삼성전자 메모리사업부 플래시개발실장 전무는 6일 "세계 최초 3차원 수직구조 낸드(3D V-NAND)플래시 메모리 양산 시작으로 전세계 반도체 기술을 이끌어 갈 것"이라고 말했다.

삼성전자는 10년 전부터 3D 낸드플래시 개발에 착수했다. 이 과정에서 300여건 이상의 핵심 특허를 개발해 한국·미국·일본을 비롯한 세계 각국에 출원을 완료한 상태다.
이번 3D 낸드플래시 메모리는 업계 최대 용량인 128기가비트(Gb) 제품이다.

삼성전자의 독자 기술인 '3차원 원통형 CTF(차지트랩플래시)셀 구조'와 '3차원 수직적층 공정' 기술이 동시에 적용된 이 제품은 기존 20나노급 제품보다 집적도가 2배 이상 높아 생산성도 2배 가량 향상됐다.

삼성전자가 수년간의 연구를 통해 개발한 3차원 원통형 CTF셀 구조 기술은 수직으로 24단을 쌓는 방식이다. 삼성전자가 2006년에 세계 최초로 개발한 2차원 CTF 기술을 입체 기술로 발전시킨 것이다.

이번 3D 낸드플래시는 신뢰성이 높은 제품인 만큼 일반 솔리드스테이트드라이브(SSD)보다는 기업용 데이터센터나 서버 등에 주로 사용될 전망이다.

삼성전자는 이미 2년 전에 8단짜리 시제품을 만들었다. 하지만 최소 24단 정도는 돼야 경제성이 있다고 판단해 발표를 미뤄 왔다.

향후 24단 이상 적층 기술도 머지않아 나올 것으로 보인다. 최 전무는 "웨이퍼를 쌓는 것은 공정기술이고 수백단을 쌓아도 두께에는 문제가 없기 때문에 기술이 발달할수록 쌓을 수 있는 층수도 많아질 것"이라고 설명했다.

지금까지 양산된 낸드플래시 메모리는 게이트(논리회로)에 전하를 저장하는 방식으로 40여년 전 개발된 플로팅게이트 구조를 적용했다.

그러나 최근 10나노급 공정 도입으로 셀 간 간격이 크게 좁아져 전자가 누설되는 간섭 현상이 심화되는 등 미세화 기술은 물리적 한계에 도달했다.

이에 삼성전자는 단층으로 배열된 셀을 3차원 수직으로 적층하는 구조 및 공정 혁신을 통해 문제점을 극복하고 업계 최초로 3차원 메모리 양산 시대를 열었다.

3차원 원통형 CTF셀은 전하를 안정적인 부도체에 저장해 위아래 셀 간 간섭 영향을 줄여 준다.

이로 인해 쓰기 속도는 2배 이상 빨라지고 셀 수명인 쓰기 횟수(내구 연한)는 제품별로 최소 2배에서 최대 10배 이상으로 향상됐다. 읽기 속도는 2배까지는 아니지만 기존 제품보다 개선됐다. 소비전력도 절반으로 줄었다.

3차원 수직적층 공정은 더 작은 칩 면적에서 최고 집적도를 실현하는 기술이다. 삼성전자는 높은 단에서 낮은 단으로 구멍을 뚫어 전극을 연결하는 에칭(부각) 기술 등 독창적인 공정 기술을 개발했다.

삼성전자는 10나노급 이하 반도체 기술의 한계를 뛰어넘어 향후 1테라비트(Tb) 이상 낸드플래시를 출시할 수 있는 원천 기술을 확보하면서 낸드플래시 기술을 이끌어 나갈 패러다임을 제시했다는 평이다.

시장조사기관에 따르면 세계 낸드플래시 메모리 시장은 올해 236억달러에서 2016년 308억달러로 지속 성장할 전망이다.

박민규 기자 yushin@