이미지 확대보기3D D램은 트랜지스터를 층층이 쌓는 메모리 반도체다. 최근 상용화되고 있는 HBM 다음 세대의 메모리 반도체로 주목받고 있다. 3D D램으로 미세화 한계 등을 개선할 수 있을 것이라는 전망이 나온다.
국내 반도체 업계에 따르면 최근 삼성전자와 SK하이닉스 반도체 경영진은 반도체 콘퍼런스 등 일부 공식행사에서 3D D램을 D램 마이크로프로세서 관련 물리적 제한을 극복하는 기회로 보고 있다.
이제 삼성전자와 SK하이닉스가 메모리 업계 침체를 극복하고 판도를 바꿀 3D D램 상용화에 박차를 가하려는 것이다.
3D D램은 단위 웨이퍼 면적당 더 많은 출력을 달성하기 위해 논리 장치 위에 저장 장치(Cell)를 적층하는 것이다.
평면 D램의 공정 스케일링이 점점 더 어려워짐에 따라 3D D램은 기존 D램이 회로 선폭을 줄인 후 직면하는 누설 및 간섭 같은 물리적 한계를 극복하면서 저장 밀도와 성능을 높일 수 있다. 3D D램은 전력 소비와 비용을 줄이고 신뢰성과 안정성을 향상시킬 수 있다.
따라서 2D 아키텍처에서 3D 아키텍처로의 D램 전환은 향후 주요 트렌드 중 하나가 될 것이다.
기존 DRAM 제품 개발의 초점은 회로의 선폭을 줄여 집적도를 높이는 데 있다. 선폭이 작을수록 트랜지스터는 많아지고 집적도는 높아지며 소비전력 역시 낮아지고 속도는 빨라진다.
그러나 선폭이 10nm 범위에 진입함에 따라 용량성 전류 누설 및 간섭과 같은 물리적 제한이 크게 증가하는 경향이 발견되었다.
이를 방지하기 위해 EUV 장비 등 새로운 재료와 장비를 도입했다. 하지만 10나노미터 이상의 칩을 만들기 위한 소형화는 여전히 큰 도전이다.
따라서, 3D D램은 향후 3년 동안 주요 방향이 될 수 있다.
2010년부터 3D D램의 가능성은 탐색 단계에 있었고 현재 HBM, HMC, IGZO 기반 CAA 트랜지스터 3D D램 등 일부 3D D램 기술이 시장에 나타나거나 연구소에서 등장하고 있다.
삼성과 SK하이닉스의 3D D램 상용화 가속화는 이 기술의 발전에 도움이 될 수 있다.
HBM(High Bandwidth Memory, 고대역폭 메모리) 기술은 D램이 기존의 2D에서 입체 3D로 발전해 3D D램으로의 길을 열어준 대표적인 제품이다.
HBM의 장점은 높은 대역폭, 낮은 전력 소비 및 작은 패키지 크기로 고성능 컴퓨팅, 그래픽 처리 및 기타 분야에 적합하다. HBM의 단점은 고비용과 복잡한 제조, 어려운 열 관리이다.
HMC(Hybrid Memory Cube)는 D램 칩을 여러 층으로 쌓아 TSV와 마이크로 구리 기둥을 통해 로직 층에 연결하는 기술이다. HMC의 장점은 높은 대역폭, 낮은 전력 소비, 강력한 확장성이며 서버, 네트워크 및 기타 분야에 사용하기가 적합하다.
HMC의 단점은 높은 비용, 낮은 호환성, 불안정한 공급망이다. 이 기술의 개발은 마이크론, SK하이닉스, 삼성전자와 같은 주요 메모리 제조업체와 알테라(Altera), 암 IBM, 마이크로소프트, 실리콘, 자일링스 등이 참여하고 있다.
HMC 및 HBM 고수준 메모리 구현의 핵심은 TSV를 사용하는 것이지만, 이 기술은 제조 비용을 크게 증가시킨다.
IGZO(산화물 반도체) 기반 CAA 트랜지스터 3D D램은 IGZO 소재를 이용해 CAA(Capacitor-assisted Access) 트랜지스터를 만들어 D램 칩과 적층하는 기술이다. IGZO 기반 CAA 트랜지스터 3D DRAM의 장점은 커패시터 없는 구조를 구현할 수 있어 저장 밀도와 신호 대 잡음비를 개선하고 누설 및 재생 빈도를 줄이며 모바일 기기 및 기타 분야에 사용하기에 적합하다.
IGZO 기반의 CAA 트랜지스터 3D D램의 단점은 아직 실험 단계라 양산과 상용화가 되지 않았다는 점이다.
반도체 기술분석업체 테크인사이츠 자료에 따르면 메모리 반도체 시장 3위 마이크론은 블루오션 시장에 적극 대비하고 있으며, 2022년 8월까지 3D D램 관련 특허 기술 30여건을 확보했다.
삼성전자가 보유한 D램 특허가 15개 미만, SK하이닉스가 보유한 특허가 10개 안팎인 것에 비해 마이크론은 2~3배 많은 3D D램 특허를 확보했다.
마이크론은 2019년 3D D램 연구를 시작했고, 삼성전자는 2021년부터 DS 사업부 내에 차세대 공정개발팀을 꾸려 연구를 시작했다.
올해 삼성전자와 SK하이닉스는 선폭 12nm의 첨단 D램을 양산한다.
D램의 미세화가 점점 어려워지면서 선폭의 감소는 1nm밖에 개발할 수 없고, 새로운 구조의 D램의 상용화 개발이 불가피하게 될 것이다.
D램 시장은 항상 경쟁이 치열하다. D램 상위 3개 업체는 삼성전자, SK하이닉스, 마이크론이다. 그러나 기존 D램 시장과 달리 현재 3D D램 시장은 절대적인 강자가 없다.
따라서 빠른 양산 기술 개발이 무엇보다 중요하다. 또한 챗GPT 등 AI 시장 수요 증가에 따른 고성능·고용량 저장용 반도체 수요 증가에 적기 대응도 필요하다. D램 시장의 경쟁이 다시 가속화될 조짐이다.
박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com
