본문요약

지난 5월 13일부터 16일까지 한국에서 열린 IMW 2024(국제 메모리 워크숍)는 반도체 메모리 기술의 현재와 미래를 조망하는 중요한 자리였습니다. 14년 만에 한국에서 개최된 이번 워크숍에는 전 세계에서 온 연구자와 기업체들이 참여해 열띤 논의를 벌였습니다. TSMC, 마이크론, 키옥시아, UC 버클리, 동경대, 칭화대 등 글로벌 기업과 명문 대학들이 참석하여 그 중요성을 더했습니다.

삼성, SK하이닉스, 키옥시아의 기조연설은 차세대 기술의 비전을 제시했습니다. 삼성은 차세대 채널 소재인 'IGZO'(In-Ga-Zn-O)를 소개하며, 10나노미터 이하에서 메모리 용량과 대역 폭을 구현하기 위해 이 소재가 필요하다고 설명했습니다. 현재 개발 단계인 IGZO는 앞으로 5년 정도 더 연구가 필요할 것으로 보입니다.

SK하이닉스는 HBM(고대역폭 메모리)의 개발 주기가 2년에서 1년으로 단축되었다고 발표했습니다. HBM3E는 올해 양산이 시작되며, HBM4는 2026년에 양산될 예정입니다. AI 반도체의 빠른 개발 속도로 인해 고성능 제품에 대한 수요가 늘어나면서 개발 속도 역시 빨라지고 있습니다.

한편, 키옥시아는 플래시 메모리 혁명이라는 주제로 발표를 진행했습니다.

차세대 메모리 소재와 관련해서는 몰리브덴과 루테늄이 주요 소재로 논의되었습니다. 삼성과 SK하이닉스는 워드라인 및 비트라인 소재로 이들 금속을 사용할 가능성을 탐구하고 있습니다. 

TSMC와의 협업도 주요 화제였습니다. SK하이닉스는 TSMC의 7나노 핀펫 공정을 활용해 베이스 다이를 제조하고, 후속 배선 공정과 웨이퍼 테스트, 어셈블리까지 SK하이닉스에서 진행합니다. 이를 통해 개발 속도를 더욱 높일 수 있었습니다.

차세대 메모리 기술로는 3D DRAM과 4F 스퀘어 기술이 주목받고 있습니다. 4F 스퀘어는 트랜지스터를 수평에서 수직으로 전환하여 다이 집 면적을 30% 줄일 수 있습니다. 삼성은 두 기술 모두 연구 중이며, 3D DRAM 기술도 빠르게 발전하고 있습니다.

삼성전자는 3D DRAM에 BSPDN(Backside Power Delivery Network)을 적용할 가능성을 발표했습니다. 웨이퍼 두 장을 사용하여 새로운 방식으로 제조할 계획입니다.

이번 IMW 2024에서 논의된 다양한 기술과 소재들은 반도체 업계에 큰 변화를 예고합니다. HBM, 3D DRAM, 4F 스퀘어 등 차세대 메모리 기술들은 앞으로 몇 년간 시장을 주도할 것입니다. 반도체 소재 및 장비 업체들은 이러한 변화에 주목하고 대비해야 할 것입니다.

Q&A

Q: IMW는 어떤 학회죠?

A: 메모리 반도체 연례 국제 학회인 ‘국제 메모리 워크숍(IMW) 2024’이라고 굉장히 권위 있는 학회인데 메모리 쪽에서는요 한 14년 만에 한국에서 개최돼서 국내외 많은 연구자들도 오셨고 이제 기업체분들도 많이 오셔서 미래의 메모리 기술부터 패키징 그쪽 단의 소재 이런 것들을 굉장히 많이 논의했습니다.

Q: 어떤 기업들이 참여했나요?

A: 해외 기업도 많이 왔고요. 우리가 잘 아는 TSMC부터 마이크론, CXMT, 키옥시아 이런 다양한 기업들이 왔고 글로벌 파운드리도 왔더라고요. 그리고 해외 대학도 UC 버클리, 동경대, 칭화대에서 많이 왔고, 중국 분들이 엄청 많으셨어요. 중국 쪽에서 정말 메모리에 대한 열망이 느껴지는 행사였어요. 우리나라 사람들이 다음으로 중국 분들이 많지 않으셨나라고 저는 느껴지더라고요.

Q: 기조연설부터 시작해서 어떤 얘기들이 있었나요?

A: 기조연설은 삼성전자, SK하이닉스랑 키옥시아에서 했습니다. 삼성은 ‘IGZO’라는 차세대 채널 소재에 대해서 얘기를 좀 했고, 하이닉스는 HBM의 현재와 미래에 대해서 얘기를 했고, 키옥시아는 플래시 메모리 혁명이라는 주제로 발표를 했습니다.

Q: IGZO는 무언인가요?

A: IGZO는 인듐(In)·갈륨(Ga)·산화아연(ZnO)으로 구성된 금속 산화물 소재입니다. 이 소재는 4F 스퀘어나 3D DRAM 등에서 사용될 것으로 전망받고 있습니다.

Q: 지금은 아직 개발 단계인가요?

A: 지금은 아직 개발 단계고요. 이제 사용되려면 한참 남은 것 같습니다. 삼성전자 쪽에서 얘기하기로는 메모리 용량과 대역 폭을 10나노미터 이하에서 구현하기 위해서는 이 구조 채널 기술을 적용해야 한다고 합니다. 기존에 쓰던 채널 소재로는 할 수 없다고 발표했는데, 이거는 최소 2세대 이후의 얘기인 것 같고요. 10나노 이하로 떨어져야 사용할 수 있는 소재입니다. 선행 연구 차원이고, 지난해부터 이 구조라는 물질에 대해 굉장히 많이 논의되고 있는데, 디스플레이 쪽에서는 이미 쓰이고 있는 소재입니다.

Q: 이번에 소재 쪽에서 엄청나게 많은 연구 주제들이 나왔다면서요?

A: 몰리브덴도 나왔고요. 몰리브덴만 얘기한 게 아니라, 차세대 워드라인과 비트라인 쪽에 이 소재를 써야 할 거다. 지금은 텅스텐 나이트라이드를 쓰고 있는데, 이걸 대체해야 하지 않나 업계에서 보고 있는 것 같고요. 마이크론이 워드라인에 루테늄이나 몰리브덴을 적용하고 테스트를 한 걸로 알고 있는데, 올해는 조금 더 밀릴 것 같아요. 1세대 정도로 당장 적용되지는 않을 것 같고, 나중에 바꾸지 않을까 예측하고 있습니다.

Q: SK하이닉스는 HBM에 대해 추가로 나온 얘기가 있나요?

A: 처음에는 HBM에 대한 예전 이야기를 계속하다가 ISSCC에서 발표된 논문 내용을 얘기하면서, 갑자기 HBM 개발 주기가 빨라졌다고 말씀하셨습니다. 원래는 신제품 개발 주기가 2년이었다면, 이제는 1년으로 줄어들었다고요. 지금 올해 양산되는 게 HBM3E거든요. 내년으로 앞당겨서 HBM4를 2026년 양산할 예정입니다. 원래 2027년, 2028년 정도 얘기했는데, 2026년 정도로 가닥을 잡았다고 합니다. 시장에서 HBM 신제품에 대한 관심이 높아지고, AI 반도체 개발 속도가 너무 빠르기 때문에 이런 고성능 제품에 대한 니즈도 빨라지고 있습니다. HBM4E 다음에 4X, 5라는 얘기도 나오고 있고요. 신제품도 한 1-2년 내에 또 나올 것 같습니다. HBM4E에 대한 상세 스펙은 아직 공개되지 않았습니다. 개발 단계이고, 16단이 될지 20단이 될지 지켜봐야 합니다. 하이브리드 본딩이 나올지도 모르겠습니다. 20단 제품에는 하이브리드 본딩이 적용될 가능성이 높은데, 16단까지는 75마이크로미터로 어드벤스드 MUF를 계속 쓰고 있습니다.

Q: 기존 공정을 그대로 쓰는 거죠?

A: 기존 공정을 그대로 쓰는데, 20단이나 24단이 되면 추후 하이브리드 본딩과 다양한 기술을 고려해야 합니다. 24단이나 28단으로 가면 또 새로운 문제가 있습니다. 하이브리드 본딩으로도 쉽지 않아서 새로운 기술을 찾아야 합니다. HBM4E에 1c DRAM을 사용한다고 합니다. HBM4까지는 1b를 썼는데, HBM4E에는 1c를 사용할 예정입니다.

Q: TSMC하고 협업 얘기도 좀 있던데요?

A: 구체화됐습니다. TSMC와 SK하이닉스가 협업을 진행합니다. 베이스 다이만 TSMC에서 제조하고, 후속 배선 공정은 하이닉스에서 진행합니다. 웨이퍼 테스트와 어셈블리, 최종 테스트까지 하이닉스에서 합니다. 기존 공정에서 달라지는 것은 베이스 다이 제조뿐입니다. 여기에는 TSMC 7나노 핀펫 공정을 사용하고 있습니다. 고객사의 요청에 따라 어떤 IP가 들어갈지는 추가로 결정될 것입니다. 대부분의 고객사가 메모리 컨트롤러 정도는 요청하고 있습니다. HBM3E와 HBM4에 1b DRAM을 사용하고 있어서, 개발 속도가 빠릅니다. 베이스 다이는 TSMC에서 하고요. 삼성전자는 HBM4에 1c DRAM을 쓴다고 합니다.

Q: 1a를 썼고 1b는 건너뛰는 건가요?

A: 네. 건너뛰는 것 같습니다.

Q: 작년인가 재작년인가 삼성이 1b를 건너뛴다는 기사도 나왔었죠?

A: 그렇죠. D램의 1b를 건너뛰고 바로 1c로 간다는 얘기도 있었는데, 1b는 수율이 안 나와서 건너뛰는 것 같습니다.

Q: HBM4에서는 1b를 건너뛰는 분위기네요.

A: 여기서 차이점을 낼 수 있는 것이 1c를 적용하면, SK하이닉스는 1b를 쓰니까 승기를 잡겠다는 그림입니다. 베이스 다이도 7나노보다 더 선단의 공정을 쓸 것 같습니다. 5나노 아니면 4나노 정도 쓰지 않을까 싶습니다. 파운드리 쪽이 내재화되어 있어서 TSMC와 SK하이닉스 대비 유리한 부분이 있을 것입니다.

Q: 또 어떤 세션들이 특히 흥미로웠나요?

A: 차세대 메모리 소재 관련해서 패널 토론 세션이 있었는데, 키옥시아, 아이맥, 삼성, 하이닉스, 어플라이드가 패널로 참여했습니다. 이 구조부터 3D DRAM, 4F 스퀘어 등을 논의했습니다. 여기서 삼성전자와 SK하이닉스도 워드라인 소재로 몰리브덴과 루테늄 등의 다양한 소재를 연구하고 있습니다.

Q: 주기율표를 펼쳐놓고 다 끄집어보는 거네요.

A: 섞어보면 특성은 나오는데, 만들기 어렵거나 너무 비싸거나 해서 최적화할 소재를 찾고 있습니다. 현재는 몰리브덴과 루테늄이 유력합니다.

Q: 주기율표를 펼쳐놓고 다 끄집어 적용해본다니 재밌네요. 3D DRAM으로 갈지, 4F 스퀘어로 갈지 기업의 의사결정도 아직 구체적으로 나온 건 없고요?

A: 아직 개발 단계고 몇 년 지나야 구체화될 것 같습니다. 마이크론도 워드라인에 몰리브덴이나 루테늄을 적용한다고 했지만, 조금 더 뒤로 미룬 상황입니다. 삼성이나 SK하이닉스도 더 기다려야 10나노 이하 DRAM에 적용될 것 같습니다.

Q: 3D DRAM 관련해서도 얘기가 있었나요?

A: 3D DRAM 관련해서 많은 기업들이 얘기했습니다. CXMT는 캡리스라고 캐패시터 없는 DRAM을 발표했고, 삼성과 하이닉스는 3D DRAM을 논의했습니다. 3D DRAM은 크게 두 가지 방식이 있습니다. 하나는 4F 스퀘어로 트랜지스터를 수평에서 수직으로 바꾸는 방식이고, 다른 하나는 낸드처럼 스택하는 방식입니다.

Q: 두 가지 방식 모두 3D DRAM이라고 하네요?

A: 기자들도 혼용해서 사용하고 있습니다. 삼성은 두 가지 방식을 모두 연구하고 있습니다. 마이크론이나 하이닉스는 3D DRAM 쪽에 중점을 두고 있습니다. 먼저 상용화될 것은 4F 스퀘어로 보입니다. 수평에서 수직으로 바꾸면 다이 면적의 30%를 줄일 수 있습니다. 3D DRAM은 삼성 부사장이 은퇴할 때까지 적용될지 잘 모르겠다고 했습니다. 중국 CXMT에서 캡리스 SPDTM 논문도 나왔고, 키옥시아와 낸드 쪽 회사에서는 3D 낸드를 위한 채널 소재 결정화 얘기를 했습니다. 어플라이드는 HBM 하이브리드 본딩 장비에 대해 얘기했는데, 어플라이드와 배치가 같이 하고 있습니다. 어제 마지막 발표 내용이었는데, 추가로 정리해서 기사로 쓸 예정입니다.

Q: 어려운 학회를 다녀왔는데, 방향이 생각보다 더 빨라지는 것 같습니다. 작년에 삼성이 4F 스퀘어로 먼저 가고, 하이닉스와 마이크론은 3D로 간다고 했을 때 의아했는데, 벌써 1년 사이에 방향이 빨라진 것 같습니다.

A: 3D DRAM에 BSPDN이 적용될 가능성이 있습니다. 웨이퍼 두 장으로 만든다고 합니다. 웨이퍼 두 장으로 메모리 셀을 나눠 만드는 개념입니다. 이런 방식으로 다양한 신기술이 적용될 것 같습니다.