삼성, 세계 최초 3D V낸드 양산 성공

삼성전자가 세계 최초로 3차원 메모리 반도체 시대를 열었다. 3차원 수직 적층을 적용한 독자 기술로 미세화와 대용량화 한계에 봉착한 메모리 기술에 신기원을 개척했다.

삼성전자는 반도체 미세화 기술의 한계를 극복한 신개념 3차원 수직구조 낸드플래시(3D V-NAND) 메모리의 양산을 시작했다고 6일 밝혔다.

지금까지 양산된 낸드플래시 메모리는 게이트에 전하를 저장하는 방식으로 40여 년 전 개발된 플로팅 게이트(Floating Gate) 구조를 적용해왔다. 하지만 이 방식으로는 10나노 이하 미세화를 진행하게 되면 셀 간 간격이 좁아지면서 전자가 누설되는 간섭현상이 심화되는 문제가 발생했다. 또 10나노대 미세 패턴을 형성하기 위해서는 고가의 극자외선(EUV) 포토리소그래피(노광) 장비가 필요해 생산성 문제도 대두됐다.

삼성전자는 미세화 기술의 물리적 한계를 극복할 방법으로 셀을 수평(Planar)이 아닌 수직형태로 쌓아올리는 신기술을 고안했다. 이를 통해 간섭현상을 방지하고 기존 방식에서 사용되던 고가의 장비가 필요치 않아 경제적으로 기술개발이 용이한 장점이 있다.

이번에 양산에 성공한 3차원 수직구조 낸드플래시 메모리는 업계 최대 용량인 128기가비트(Gb) 제품으로 셀을 고층빌딩처럼 수직으로 24단을 쌓아올려 만들어졌다. 여기에는 독자기술인 ‘3차원 원통형 CTF(3D Charge Trap Flash) 셀구조’와 ‘3차원 수직적층 공정’ 기술이 동시 적용됐다.

3차원 CTF 셀구조 기술은 앞서 회사가 지난 2006년 세계최초로 개발한 CTF 기술을 수 년 간의 연구를 통해 입체 기술로 발전시킨 것이다. CTF 구조는 기존 플로팅게이트 대신에 치즈같은 모양의 부도체 빈공간에 전하를 저장하는 방식이다. 게이트가 한 개여서 높이가 낮고, 부도체를 사용하여 셀 간 간섭이 작아 상대적으로 미세화가 더 용이하다.

이를 발전시킨 3차원 원통형 CTF 구조는 이를 3차원에 적합하기 위해 기존 직사각형이 아닌 원통형으로 변경해 공간 사용을 극대화하고 적층 공정을 용이하도록 했다. 또 원통형 CTF 셀은 전하를 안정적인 부도체에 저장해 위 아래 셀 간 간섭영향을 대폭 줄여 준다.

이와 함께 적용된 3차원 수직적층 공정은 더 작은 칩 면적에서 최고 집적도를 실현하는 독창적인 공정 기술이다. 이는 셀을 적층한 후 높은 단에서 낮은 단으로 구멍을 뚫어 전극을 연결하는 에칭 기술과 각 단 홀에 CTF 셀을 형성하는 게이트 패턴 기술로 24개의 셀을 홀 하나로 형성할 수 있다.

이같은 3차원 구조로 단층 구조 대비 집적도가 2배 이상 향상되고 쓰기속도는 2배 향상, 셀 수명인 쓰기 횟수(내구연한)는 제품별로 최소 2배에서 최대 10배 이상으로 대폭 향상됐다. 소비전력 또한 절반으로 감소됐다. 삼성전자는 향후 수년 내 1테라(Tera) 비트 이상 낸드플래시를 출시할 수 있는 원천 기술을 확보하면서 현재 일반적으로 사용하는 솔리드스테이트드라이브(SSD)의 저장용량을 크게 향상 시키고 가격을 내릴 수 있을 것으로 보고 있다.

이달부터 양산되는 제품은 SSD 등 일반 제품보다 높은 수준의 신뢰성이 요구되는 데이터센터나 서버향으로 공급이 될 것으로 보인다. 이어 내년 완공되는 중국 시안 공장에서 본격적인 V낸드 양산에 나설 예정이다. 기존 낸드 공정도 순차적으로 V낸드 방식으로 전환된다.

삼성전자는 세계 최초로 3차원 수직구조 낸드플래시를 양산해 절대적인 제품 경쟁력 우위를 확보한 데 이어, 향후 더욱 차별화된 독자 기술로 메모리 사업 경쟁력을 지속 강화해 나간다는 계획이다.