SK하이닉스가 업계 최초로 72단 3D(차원) 낸드플래시 개발에 성공, 하반기 양산을 앞두고 있다. 이제 남은 과제는 수율을 얼마나 높일 수 있느냐 하는 점이다. 수익성과 제품 신뢰도를 높이기 위해서는 안정적인 수율 확보가 필수다. 

SK하이닉스는 72단 256기가비트(Gb) 트리플레벨셀(TLC:Triple Level Cell) 3차원(D) 낸드플래시를 개발, 하반기부터 본격 양산에 돌입한다. 이 제품은 SK하이닉스 고유 기술을 적용해 개발했다. 현재 양산 중인 48단 3D 낸드플래시와 비교해 데이터를 저장하는 셀(Cell)을 1.5배 더 쌓는다. 256Gb 용량은 칩 하나만으로도 32기가바이트(GB) 용량 저장장치를 만들 수 있다.

◇고층으로 올릴수록 층간 안정성 문제 발생…수율 확보 관건

회로선폭을 나노미터(nm) 단위로 좁혀온 전통적인 반도체 '미세화'와 달리 3D낸드플래시는 수직으로 적층하는 기술이다. 3D낸드는 평면구조의 낸드플래시를 수직구조로 전환했다. 기존의 2D 낸드 기술이 10나노대에서 한계에 다다르면서 반도체를 아파트처럼 쌓아올려 집적도를 높이고 저장 용량을 늘렸다. 

고층건물을 올리듯이 적층하는 3D 낸드플래시 시대가 본격화되며 반도체업계 게임의 법칙이 바뀌고 있다. 수직으로 더 많은 층을 구현할수록 단면적은 줄이면서 더 많은 데이터를 저장할 수 있는 셈이다. SK하이닉스가 개발한 72단 256Gb 3D 낸드플래시는 72층 빌딩 약 40억개를 10원짜리 동전 면적에 구현하는 것에 비유할 수 있다.

그러나 고층으로 갈수록 안정성 문제가 발생한다. 고층으로 올리다보니 층간 표면장력으로 셀이 서로 붙어버리는 현상이 발생한다. 양산과정에서 안정성을 확보하지 못하면 적층된 낸드 셀이 무너지는 문제가 발생하게 된다. 이를 방지하려면 표면처리를 해야 하고 고난이도의 화학 기술도 필요하다. 

'건물 높이'도 까다로운 부분이다. 고층건물을 지을때 층고를 똑같이 지으면 건물높이가 너무 올라가게 된다. 3D낸드플래시는 쌍을 지어 쌓아올린 도체와 부도체에 '파인애플 통조림'처럼 구멍을 뚫어야 하는데, 층이 높아질수록 구멍을 뚫는 '홀 에칭 공정'이 어렵다. 이 때문에 하이닉스 내부에서는 각 층의 층고를 낮추는 방법을 연구 중이다. 층고를 낮춰야 각 소자의 안정성이 유지되고 그 뒤의 공정에도 부담을 줄일 수 있다.  

반도체업계 관계자는 "3D낸드플래시는 단순히 적층을 늘린다고 해서 퍼포먼스가 좋다거나 기술력이 우위에 있는 것은 아니다"라며 "앞으로 100단 이상까지 3D낸드플래시의 적층이 계속될 수 있지만 이를 위해선 안정성을 확보하는 기술이 반드시 필요하다"고 설명했다.

◇세계 5위 하이닉스의 시장점유율 확대도 과제

이미 반도체업계에서는 반도체업계의 '황금알'로 떠오른 3D 낸드플래시 역시 수년내 미세화의 한계에 직면할 것이란 전망이 나오고 있다. 이병기 SK하이닉스 공정기술그룹장(상무)은 지난달 '제4차 반도체 디스플레이 기술로드맵 세미나'에서 "D램과 마찬가지로 낸드플래시도 경제적 이유로 스케일링(미세화)의 한계가 올 것"이라고 말했다.

이어 "3D낸드의 스택수가 높아지면 스트레스가 증가하는 등 부정적 영향이 발생한다"며 "200단 근처가 되면 경제적 이익을 얻기 어려운 상황이 된다"고 지적했다. 이 상무는 "스케일링의 한계를 극복하는 현실적 솔루션은 TSV(실리콘관통전극(Through Silicon Via) 등 이지만 근본적인 해법은 아니다"라며 "스케일링이 메모리사업의 본질이지만 공정비용을 낮추고 빗그로스(메모리 용량을 1비트 단위로 환산해 계산한 메모리 반도체의 생산량 증가율)를 올리는 것이 쉽지 않은 상황"이라고 강조했다.

SK하이닉스의 또 다른 과제는 시장점유율 확대다. 하이닉스의 낸드플래시 시장점유율은 10.3%로 세계 5위 수준이다. 낸드에서도 D램과 같은 치킨게임이 벌어져 상위 3강 체제로 재편된다면 SK하이닉스가 설 자리는 더욱 좁아지게 된다.

SK하이닉스가 낸드플래시에 대한 투자를 확대, 생산능력을 높이는 것도 이같은 이유 때문이다. SK하이닉스는 청주 공장에 15조원을 투자해 대규모 낸드플래시용 생산라인을 건립할 계획이다. 청주 신공장은 올해 8월 착공, 2019년 6월부터 가동될 예정이다. 

SK하이닉스는 세계 최초로 낸드플래시 반도체를 상용화한 일본 도시바의 반도체 사업부 인수전에도 뛰어든 상태이다. 세계 2위인 도시바의 시장지배력과 컨트롤러 등 하이닉스가 취약한 분야의 기술력을 한꺼번에 확보하겠다는 전략이다.

/장은지 기자(seeit@news1.kr)