[반도체 삼국지②] ‘낸드플래시’ 누가 더 높이 쌓나…불 붙은 ‘3D 적층 기술’ 경쟁

단수 높아질수록 생산원가 절감... 삼성전자·SK하이닉스, 업계 최고 기술력 확보

낸드플래시 시장에서 대규모 인수·합병(M&A)이 활발한 가운데, ‘3D(3차원) 적층’ 기술 경쟁이 심화하고 있다. 낸드플래시는 전원이 꺼져도 데이터가 저장되는 비휘발성 메모리 반도체다.

13일 업계에 따르면 국내외 메모리 반도체 회사들은 낸드플래시 분야에서 ‘3D 적층(이하 적층)’ 기술 개발 및 이를 적용한 제품을 양산하는 데 집중하고 있다. 적층 기술은 기본 저장 단위인 셀을 수평이 아닌 수직으로 쌓아 올리는 공법을 말한다.

낸드플래시는 데이터를 저장할 수 있는 셀을 높게 쌓은 단수에 따라 기술의 수준이 나뉜다. 적층 기술에 있어 단수가 높아질수록 더 저렴한 비용으로 고용량의 제품을 생산할 수 있다. 반도체 회사들이 셀을 높이 쌓는 적층 기술 개발에 열을 내는 이유다.

이러한 적층 기술 경쟁은 지난해 미국 메모리 반도체 기업 마이크론이 세계 최초로 176단 낸드플래시 반도체를 고객사에 공급하기 시작하며 가열됐다. 지난해 11월 마이크론은 176단 낸드플래시를 공개한 이후 약 8개월 만인 올해 7월 모바일용 낸드플래시 제품 양산도 시작했다.

업계에서는 기존 삼성전자나 SK하이닉스 등 국내 업체 대비 기술력이 낮다고 봤던 마이크론이 먼저 176단 낸드플래시를 양산하면서 K-반도체의 위기론을 꺼내들었다. 하지만 단수뿐만 아니라 이를 쌓아 올리는 공법도 중요해 기술력에서 뒤처졌다고 보기 어렵다는 시각이다.

실제 셀을 많이 쌓아 올릴수록 저장할 수 있는 데이터양은 많아지지만, 셀 내부의 전류 감소와 층간 비틀림, 상하 적층 정렬 불량 등 문제가 발생한다. 같은 단수로 쌓아 올렸다고 해도 이러한 문제를 해결할 수 있는 기술력 차이로 인해 낸드플래시 성능이 달라질 수 있다는 것이다.

특히 전 세계 낸드플래시 시장 1위인 삼성전자는 업계에서 유일하게 ‘싱글 스택’으로 100단 이상 쌓아 올릴 수 있는 기술력을 갖췄다. 적층 기술은 셀을 하나로 쌓아 올린 싱글 스택과 두 개의 셀 묶음을 하나로 합친 ‘더블 스택’ 두 가지 방식이 있다.

하지만 마이크론의 176단 낸드플래시는 더블 스택으로 쌓아 올렸다. 업계에서는 데이터 손실이 적은 싱글 스택을 더 뛰어난 기술로 꼽는다. 삼성전자는 128단까지 싱글 스택으로 쌓아 올렸지만, 결국 그 이상 적층은 기술력의 한계에 부딪힌 것으로 알려졌다. 이에 올해 하반기부터 업계 최소 셀 크기의 176단(7세대 V낸드) 기술이 적용된 소비자용 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)를 출시한다.

삼성전자는 싱글 스택으로 128단까지 쌓아 올리는 기술을 보유한 만큼, 단순 계산으로 더블 스택을 활용해 256단 낸드플래시를 당장 생산할 수 있다는 게 업계 관측이다.

SK하이닉스도 이러한 적층 경쟁에 가세하고 있다. SK하이닉스는 지난해 12월 176단 512기가비트(Gb) 낸드플래시를 개발했다고 밝혔다. 3세대 4차원(4D) 제품인 SK하이닉스의 176단 낸드플래시는 업계 최고 수준의 웨이퍼당 생산 칩 수를 확보했다.

이전 세대인 128단 제품보다 비트 생산성을 35% 이상 향상하며 원가경쟁력을 높였다. SK하이닉스는 올해 말 양산을 개시할 계획이다. 또한 176단 4D 낸드플래시를 기반으로 용량을 2배 높인 1테라비트(Tb) 제품도 연속 개발한다는 계획이다.

업계 한 관계자는 "몇 층을 쌓아 올리는지가 중요한 상황이다. 점점 적층 경쟁이 고도화되면서 더 쌓아 올려야 하는 층은 많아질 것"이라며 "이에 회사들이 적층하는 체계에 대해서도 많은 관심을 두고 다양한 기술들을 내고 있다"고 말했다.
 

SK하이닉스의 176단 512기가비트(Gb) 트리플 레벨 셀(TLC) 4차원(4D) 낸드플래시.[사진=SK하이닉스 제공]