차세대반도체연구회

현재 각종 휴대용 통신 기기 및 모바일 기기에 탑재되고 있는 대표적인 비휘발성 메모리는 NAND 플래시메모리라고 불리는 대용량 반도체 기억 장치이다. 반도체 기술을 기반으로 하는 플래시메모리는 하드디스크에 비해 제조 비용이 비싸고 용량 측면에서도 상대적으로 적은 편이어서 대용량 기억 장치가 필요한 세트 어플리케이션에는 주로 하드디스크를 사용하는 것이 일반적이었다. 그러나 최근 4~5년간에 일어난 소비자 일렉트로닉스의 커다란 변화는 개인이 요구하는 메모리의 양을 기하급수적으로 증가시켰으며, 다양한 화상 및 동영상을 작은 휴대기기에서 자유롭게 다루고자 하는 요구가 플래시메모리의 기술 발전은 물론 큰 폭의 가격 조정과 대용량화를 동시에 견인하고 있는 상황이다. 이제는 고성능 서버나 노트북 컴퓨터에서조차 하드디스크 대신 플래시메모리를 기반으로 하는 SSD(solid-state disc)의 채용이 본격적으로 검토되고 있는 실정이다. 한편, 한국의 대표적인 반도체 기업인 삼성전자와 하이닉스반도체 역시 플래시메모리 시장의 기술 경쟁력 확보를 위해 사활을 건 연구 개발 및 시장 개척을 진행하고 있으며, 향후 2~3년간의 기술 개발 상황에 따라서는 가격 하락을 견디지 못하는 일부 업체의 탈락 등을 포함한 업계의 구조조정을 피할 수 없을 것으로 예상된다. NAND 플래시메모리 분야의 해외 최대 경쟁 업체는 일본의 도시바이다. 도시바는 DRAM을 생산하지 않는 대신 지난 3년간의 천문학적인 투자로 NAND 플래시메모리 사업을 육성해오고 있다. 특히 도시바는 최근 들어 최첨단 기술에 대한 적극적인 발표와 신규 투자에 대한 공세적인 입장을 나타내고 있다. 이 자료에서는 도시바의 최근 NAND 플래시메모리 기술 및 투자 상황에 대해 정리하고 이 분야 기술 동향에 대해 살펴보기로 한다. 일본의 도시바는 최첨단 반도체 공정인 43nm 프로세스를 이용하여 하나의 칩으로 16Gb의 용량을 실현한 NAND 플래시메모리를 개발했다고 밝혔다. 43nm 프로세스에서는 고전압 인가 시의 기록 오류 방지를 위해 메모리 셀의 양단에 더미 워드선을 배치하는 것이 유리한 것으로 알려져 있으나, 이런 방법을 사용하면 칩의 면적이 커지는 문제를 막을 수 없다. 따라서 이번 기술 개발에서는 병렬 메모리 셀의 수를 종래의 32셀의 두 배로 늘리고 양단에 더미 워드선을 포함한 66셀 구조로 설계하였다. 이렇게 함으로써 메모리 셀 양측에 있는 선택 게이트의 수를 줄일 수 있어 면적 효율을 향상시켰다. 또한 주변회로에 있어서도 고전압 스위치를 채용하여 컨트롤 게이트 드라이버를 공유화하고 전원용 배선을 셀 어레이 위쪽에 배치할 수 있도록 설계를 재구성하였다. 결과적으로 이전 세대인 56nm 프로세스를 적용한 같은 용량의 칩에 비해 면적을 30% 정도 줄였으며 16Gb 제품의 경우 120mm^2의 칩 사이즈를 실현하였다. 이 결과는 지난 2월 초 개최된 반도체 회로 관련 국제학회인 ISSCC2008에서 자세히 소개된 바 있다. 한편 도시바는 샌디스크와의 공동 개발을 통해 셀 당 3비트를 저장할 수 있는 3비트/셀 NAND 플래시메모리를 업계 최초로 양산할 것이라고 발표하였다. 이 내용은 지난 2월 15일, 샌디스크의 뉴스 릴리스를 통해 전해진 것으로, 양산 시기는 2008년 3월 또는 4월이 될 것이라고 한다. 16Gb의 용량을 가진 3비트/셀 NAND 플래시메모리는 샌디스크가 도시바와 공동 개발을 통해 보유하고 있는 56nm 플래시메모리 기술을 통해 달성한 것으로, 이미 양산되고 있는 2비트/셀인 MLC(multilevel cell)에 비해 한 웨이퍼에서 얻을 수 있는 칩의 수를 20% 정도 늘릴 수 있다. 3비트/셀의 개발은 새로운 소자 구조를 채용하고 있으며, 이 기술은 지난 2년간의 개발을 통해 구현된 것으로, 2비트/셀 칩과 비교하더라도 거의 동등한 수준의 성능과 신뢰성을 달성하고 있다고 도시바는 주장하고 있다. 또한 도시바의 플래시메모리 기술은 3차원 구조로 셀을 적층하는 3차원 NAND 플래시메모리 개발에서도 상당 부분 성과를 내고 있다. 작년 6월 VLSI 심포지엄을 통해 일차적으로 공개된 도시바의 3차원 NAND 플래시메모리 기술은 기존의 적층 메모리 기술을 개량하여, 적층한 전극에 기둥 모양의 소자열을 수직으로 관통시켜 고밀도로 배열하는 새로운 형태의 3차원 메모리 셀 어레이 기술로 알려졌다. 종래의 적층 메모리 기술은 실리콘 기판 위에 통상적인 평면 메모리 셀을 형성하는 공정을 수차례 반복하여 쌓아 올리는 구조를 이용하기 때문에 한 층당 제조 공정수가 많아 대용량화에 적합치 않다는 지적이 많았다. 새로 개발된 기술에서는 다층 구조에 관통 홀을 일괄 가공하여 대용량 메모리를 용이하게 실현할 수 있다는 장점이 있다. 도시바는 그 이후 이 기술을 더욱 개발하여 300mm 웨이퍼에 제작한 시작 어레이의 실제 동작을 지난 2월 개최된 [nano tech 2008]에서 실증한 바 있다. 현재 16단까지 적층할 수 있는 기술이 검증된 상태이며 동작 실증은 4단까지 끝난 상태라고 한다. 도시바는 앞으로 16단분의 컨택 홀을 형성할 수 있도록 마스크 설계를 변경하여 기가비트급 어레이 동작을 실증할 수 있도록 개발을 진행해 나갈 계획이라고 밝히고 있다. 도시바의 이 기술은 [BiCS(Bit-Cost Scalable) Flash]라고 불리고 있으며, 앞으로 양산을 위해서 16~24단 적층의 128Gb급 기술을 개발하는 것이 목표라고 한다. 앞서 소개된 기술들은 한국의 삼성전자의 경우도 적극적으로 기술 개발을 수행하고 있는 분야로서 최첨단 미세 공정을 이용한 NAND 플래시메모리의 대용량화는 물론 3차원 적층 셀 기술, 멀티비트형 셀 기술 등 각 사의 치열한 기술 개발 경쟁에서 눈을 뗄 수 없는 상황이 전개되고 있다. 이러한 와중에 도시바는 앞으로 더욱 수요 확대가 예상되는 NAND 플래시메모리의 생산 능력 증강을 위해 새로운 메모리 생산 거점을 건설한다는 계획을 최근 발표하여 주목을 받고 있다. 이 생산 거점은 기존 시설들이 밀집되어 있는 미에현 욧카이치시와 이와테현 등 두 개 장소에서 병렬적으로 건설될 계획이다. 두 곳 모두 2009년 봄에 착공하여 2010년의 준공을 목표로 하고 있으며 이번 신공장 건설에 따른 신규 투자액의 규모는 약 17조원 정도이다. * 출처: 일본 샌디스크 및 과학기술정보포털서비스