“더 쌓기가 어렵네” 230단대서 난관 맞은 3D 낸드플래시… 삼성전자, 다시 수평으로 벌린다

230단대 이후 공정 난도 급상승… 비용 문제 커져
삼성전자, 수직 증축 대신 수평 집적도 높이는 방안 검토
삼성·하이닉스, 강유전체 기술로 공정 혁신 모색

삼성전자의 8세대 3D 낸드플래시./삼성전자 제공

삼성전자, 키옥시아, SK하이닉스 등 메모리 반도체 기업들이 3D 낸드플래시 수직 적층수를 230단대로 끌어올리며 적층 경쟁을 벌이고 있는 가운데 생산성 문제가 화두로 떠올랐다. 236단 이상으로 메모리 셀(Cell)을 쌓기 위한 기술 난도, 비용이 높아지자 업계 1위인 삼성전자는 대안으로 수평 밀도를 높이는 방안을 검토 중인 것으로 알려졌다.

31일 업계에 따르면 삼성전자는 이번달 미국에서 진행된 국제메모리워크숍 2023 행사에서 3D 낸드플래시 생산성을 높이기 위해 수직 증축을 일단 중단하고 수평 집적도 향상을 높이는 방향으로 다음 공정을 구상하고 있다고 밝혔다.

3D 낸드는 기존의 평면(2D) 미세공정 기술이 10나노미터(㎚)대에서 맞은 한계를 극복하기 위해 개발됐다. 가령 평면이 단독주택이라면, 3D 낸드는 아파트에 비유할 수 있다. 또 평면 낸드보다 속도가 빠르고 용량을 크게 늘릴 수 있고 안정성과 내구성도 뛰어나며 전기 소모량마저 적다.

다만 3D 낸드 기술도 완벽한 것은 아니다. 우선 3D 낸드의 층수를 높게 쌓으려면 산화물·질화물(ONON) 또는 산화물·폴리 실리콘(OPOP)의 여러 얇은 층을 증착해야 하는데, 층수가 높아질수록 각 층 사이의 편차가 발생하게 된다. 이 편차가 커질수록 낸드의 읽기, 쓰기 속도가 떨어진다는 단점이 생긴다.

공정상의 어려움도 커진다. 3D 낸드의 경우 각 층을 하나로 잇는 채널을 만들기 위해 구멍을 뚫는 기술(에칭·etching)이 핵심인데, 층수가 높아질수록 점점 어려워진다. 특히 3D 낸드 상단에서 하단으로 균일한 구멍 직경을 유지하는 건 100단 이상의 3D 낸드가 주류를 이루는 현재 공정에서도 상당히 난도가 높은 것으로 알려져 있다.

앞서 전문가들도 3D 낸드의 적층수 한계가 찾아올 것으로 예견한 바 있다. 3D 낸드의 경우 적층수를 높여서 넷다이를 증가시키기 때문에 한쪽 방향으로만 발전할 수 있어 2D 보다 더 빠르게 한계에 도달할 수 있다고 지적한 것이다.

앞서 삼성전자 측도 비슷한 전망을 내놓은 바 있다. 삼성전자 기술기획팀 홍종서 상무는 지난 2017년 한 행사에서 “3D 낸드는 200단 정도에서 한계가 봉착할 것으로 본다”면서 “다만 구체적으로 몇 년 이후에 시점이 이 같은 한계가 나타날지 구체적으로 언급하기는 어렵다”고 말한 바 있다.

3D 낸드플래시 칩을 그래픽으로 형상화한 이미지./ 삼성전자 제공

삼성전자와 SK하이닉스는 한계를 극복할 방안으로 몇 가지 방법론을 내놓고 있다. 우선 삼성전자의 경우 강유전체를 활용해 낸드 공정을 고도화하는 방안을 검토하고 있다. 강유전체란 외부에서 전기장을 가하지 않아도 두 가지 이상의 전기적 분극을 갖는 재료를 말한다. 메모리 반도체가 비휘발성 특성을 가지면서 0 또는 1로 구성된 데이터를 저장하려면 강유전성은 반드시 필요하다.

반도체업계 관계자는 “기존 낸드의 박막에 사용되는 산화물 대신 강유전체를 사용할 경우 박막을 더 얇고 강하게 만들 수 있다. 10nm 이하로도 박막 두께를 구현할 수 있어 고집적에 유리하다”며 “칩 성능으로 봐도 기록에 필요한 전압이 낮고 전력 누설 현상이 거의 나오지 않는다는 강점이 있다”고 설명했다.

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