삼성전자, 신소재 기반 1000단대 3D 낸드 개발 목표… ‘페타 SSD’ 시대 연다

내달 반도체학회 ‘VLSI 심포지엄 2024’서 개발 현황 공개
1000단대 낸드, SSD 용량도 ‘페타급’ 업그레이드
“KAIST 포함 연구기관과 협력 중… R&D 속도 높인다”

삼성전자가 지난 2022년부터 양산하고 있는 8세대 V낸드./삼성전자 제공

삼성전자가 차세대 메모리 반도체 소재로 지목한 ‘하프니아 강유전체(Hafnia Ferroelectrics)’ 기반 낸드플래시 연구개발(R&D)에 속도를 내고 있다. 현재 200단~300단대에서 기술적 난관에 맞닥뜨린 3D 낸드플래시를 1000단대까지 끌어올려 메모리 반도체 용량을 획기적으로 끌어올리겠다는 포부다. 삼성전자는 현재까지 진행된 R&D 성과를 내달 미국 하와이에서 열리는 세계 최고 권위의 반도체학회 ‘VLSI 심포지엄 2024′에서 카이스트(KAIST)와 함께 발표할 계획이다.

14일 업계에 따르면 삼성전자는 KAIST를 비롯한 국내외 주요 연구기관과 하프니아 강유전체 소재 기반 3D 낸드 기술에 R&D 역량을 집중하고 있다. 하프니아 강유전체는 기존 3D 낸드 적층 기술에 사용되는 산화물 기반 박막(thin film)을 대체할 신소재다. 내구성과 안정성을 높일 것으로 기대된다.

3D 낸드는 10나노미터(㎚)대에서 기술적 진보를 이루지 못한 평면(2D) 낸드의 한계를 극복하기 위해 등장했다. 지난 2013년 삼성전자가 업계 최초로 상용화했다. 평면 낸드를 단독주택에 비유한다면, 수직으로 적층하는 방식으로 셀(Cell)을 쌓아 올리는 3D 낸드는 아파트로 볼 수 있다. 평면 낸드보다 속도가 빠르고 용량을 늘릴 수 있으며, 전력 소모가 적다는 강점이 있다.

다만 3D 낸드 기술도 완벽한 것은 아니다. 우선 3D 낸드의 층수를 높게 쌓으려면 산화물·질화물(ONON) 또는 산화물·폴리 실리콘(OPOP)과 같은 소재를 박막으로 층수를 높여나가야 하는데, 이 과정에서 각 층 사이의 편차가 발생한다. 이 편차가 커질수록 높은 층수의 낸드 생산 수율이 떨어지고 제품 성능이나 내구성도 약화된다.

공정상의 어려움도 점점 커지고 있다. 3D 낸드의 경우 각 층을 하나로 잇는 채널을 만들기 위해 구멍을 뚫는 기술(에칭·etching)이 핵심인데, 층수가 높아질수록 정교한 에칭이 어려워진다. 특히 3D 낸드 상단에서 하단으로 균일한 구멍 직경을 유지하는 건 100~200단 이상의 3D 낸드가 주류를 이루는 현 공정에서도 매우 난도가 높은 것으로 알려져 있다.

여기에 해결사로 등장한 것이 바로 강유전체 소재다. 기존 3D 낸드의 박막 소재로 사용되는 산화물 대신 강유전체를 사용할 경우 박막을 더 얇고 강하게 만들 수 있다. 10nm보다 훨씬 더 얇은 박막을 구현할 수 있어 집적도를 높이는 데 유리하다. 안정성이 높아지기에 에칭 공정도 비교적 용이해진다. 데이터 기록에 필요한 전압이 낮고 전력 누설이 거의 없어 칩 성능이 개선된다는 강점도 있다.

삼성전자 관계자는 “수년 내 1000단대 낸드 개발을 목표로 하고 있으며, 낸드를 기반으로 한 솔리드스테이트드라이브(SSD) 제품 성능과 용량을 페타바이트(PB·테라바이트의 1000배) 수준으로 끌어올리기 위해 개발 역량을 집중시키고 있다”고 설명했다.

현재 업계에서 유통되는 SSD 제품의 최대 용량은 32테라바이트(TB) 수준이며, SSD에 탑재되는 최첨단 낸드 제품은 250단대가 주를 이루고 있다. 삼성전자는 이번 VLSI 심포지엄에서 내년에 선보일 400단대 낸드 제품 개발 현황과 이를 기반으로 한 고용량·고성능 SSD 등 중장기 메모리 개발 로드맵에 대해 밝힐 것으로 보인다.

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