“D램 주력제품은 1a에서 3분기 1b로 이행, 낸드는 1YY에서 2XX로 나아갈 것입니다.”
테크인사이츠 최정동 박사는 반도체 메모리 로드맵에 대해 이렇게 전망했다. 현재 D램의 주력 제품은 1a노드로, 1b가 점차 시장 점유율을 확대하고 있다. 최 박사는 “1b의 양산성 검증이 이미 완료되었고, 수율 개선 작업이 진행 중이라서 3분기 중에는 1b가 1a를 추월할 것"이라고 전망했다.
향후 1c로 이행하면서 EUV 공정이 본격 도입될 예정이다. 마이크론의 경우 1β(베타)까지는 EUV 공정을 사용하지 않았지만, 1γ(감마) 노드부터는 EUV 공정을 도입할 계획이다. 삼성과 SK하이닉스는 EUV 공정의 적용 범위를 점차 확대할 예정이다.
속도 개선을 위해 삼성과 SK하이닉스는 1c 제품에 하이케이 메탈게이트도 확대 적용할 계획이다. 최 박사는 “하이케이 메탈게이트는 그래픽 D램, DDR5, LPDDR5 같은 일부 제품에만 사용해 왔으나, 앞으로는 애플리케이션에 관계없이 1c 제품에 확대 적용될 것”이라고 설명했다.
낸드 플래시의 경우, 주력 제품은 176단과 162단인데 삼성전자, SK하이닉스, 마이크론이 각각 236단, 238단, 232단 제품을 출시했다. 최 박사는 “앞으로 주력 제품은 2XX로 넘어갈 것”이라고 밝혔다.
한편, 다이렉트 본딩 기술의 도입도 가속화되고 있다. 최 박사는 “삼성전자, SK하이닉스 등 여러 회사에서 다이렉트 본딩 기술을 고려하고 있으며, 향후 로드맵에 이를 포함하고 있는 것으로 알고 있다”고 밝혔다. 다이렉트 본딩 기술은 특히 300단에서 500단 사이의 제품에 필수적으로 적용될 것으로 보인다. 또한 최 박사는 “향후 다이렉트 본딩이 HBM(High Bandwidth Memory)이나 일반 패키징에도 사용될 것으로 예상되며, 특히 HBM 시장에서 큰 수요가 있을 것”이라고 설명했다.
- D램의 경우, 주력 제품의 노드가 어떻게 됩니까?
“마이크론의 경우, 1β(베타)도 있지만 아직까지 시장에서는 1A가 주력 제품입니다.”
- 생산량 기준입니까?
“그렇습니다. 현재 인벤토리 기준으로 보면 1z와 1a가 혼용되어 두 노드가 많지만, 실제 양산을 기준으로 하면 1a가 주력이고 1b로 가는 추세입니다.”
- 1b 1a를 넘어서는 시점은 언제로 보십니까?
“현재 거의 50% 정도로 비슷한 상황이고 3분기에 1b 또는 1β가 1A나 1α(알파)를 넘어설 것으로 예상하고 있습니다.”
- 1b 다음에는 1c 아닙니까?
“1C나 1γ(감마) 제품의 양산이나 출하 시기는 올해보다 내년이기 때문에 1b나 1β가 내년 하반기까지는 주력 제품으로 양산될 것 같습니다.”
- 그러면 현재 1b에 대한 개발이나 양산성 검증은 다 끝나 있는 상태로 봐야 합니까?
“1b나 1β의 양산성 검증은 이미 끝났고 수율 개선 작업을 하고 있습니다.”
- 1b에서 1c로 이행하기 위해 한창 개발 중이거나 양산성 검증 과정 등을 거치고 있을 텐데 1B하고 1C가 기술적으로 크게 달라지는 부분이 있습니까?
“1c로의 이행 단계는 각사마다 조금씩 다릅니다. 어느 회사는 샘플링 끝나고 본격적인 양산에 곧 들어간다는 얘기도 있습니다. 1b에서 1c로 갈 때 가장 큰 차이점은 EUV(Extreme Ultraviolet) 공정입니다. 마이크론의 경우, 1β까지는 EUV 공정을 사용하지 않았지만 1γ에서는 EUV 공정을 한 스텝 정도 새로 넣습니다. 소위 마이크론의 D램 제품도 EUV 제품이라고 말할 수 있는 노드가 1γ가 되겠습니다. 삼성이나 SK하이닉스 같은 경우, EUV 공정이 적용되는 스텝 수를 늘리는 방향으로 가고 있고 삼성은 아마 1b와 1C가 거의 비슷한 수준으로 갈 것으로 예상합니다.
대신 D램에 있어서 가장 중요한 것이 속도 개선이기 때문에 이를 위해서는 하이케이 메탈게이트를 써야 합니다. 그동안 하이케이 메탈게이트는 그래픽 D램, DDR, DDR5, LPDDR5 같은 일부 제품에만 사용해 왔는데, 앞으로 삼성과 SK하이닉스는 애플리케이션에 관계없이 1C 제품에 확대 적용할 것으로 보입니다.
또한, D램의 속도 개선을 위해서는 하이케이 메탈게이트뿐만 아니라 배선 재료도 중요합니다. 현재의 폴리실리콘이나 텅스텐 대신, 루테늄(Ruthenium)이나 몰리브데넘(Molybdenum) 같은 새로운 재료가 더 유리하기 때문에, 이러한 신재료가 1C나 1γ 노드에서 처음으로 적용될 가능성이 큽니다.”
* 하이케이 메탈게이트(HKMG, High-K Metal Gate)는 반도체 공정에서 트랜지스터의 성능을 향상시키기 위해 사용되는 기술. 전통적인 실리콘 산화물(SiO2) 게이트 유전체와 폴리실리콘 게이트를 대체하는 기술로, 보다 높은 성능과 전력 효율성을 제공한다.
- 그렇게 되면 프리커서(Precursor) 재료를 공급하는 회사나 증착 장비를 제조하는 회사에는 기회가 될 수 있겠군요?
“그렇습니다. 반대로 그동안 사용했던 텅스텐이나 텅스텐 베이스의 재료, 소스 가스, 프리커서 등은 줄어드는 측면이 있겠죠.”
- 낸드의 경우, 삼성은 텅스텐을 몰리브데넘으로 모두 바꿨는데 D램 쪽에서도 그런 움직임이 있군요?
“그렇습니다. D램마저도 텅스텐을 줄여가고 있어서 메모리 쪽은 모두 바뀌고 있다고 보시면 되겠습니다.”
- 1c 다음 버전은 1d라고 해야 합니까?
“1c라고 하면 통상 11나노급으로 얘기합니다. 1B가 12나노나 13나노 초반대였고 1c나 1γ는 11나노대에 해당합니다. 10나노 미만의 한 자릿수 노드가 도입되기 전에, 10나노대 공정이 마지막으로 있을 것이고 그래서 1d또는 1δ(감마)가 로드맵에 추가되어 있습니다.”
- 알파, 베타, 감마, 델타는 마이크론에서 붙인 명칭이지요?
“그렇습니다. 삼성과 SK하이닉스는 A, B, C, D로 부르고 있습니다.”
- 그러면 1d 다음에는 어떻게 불러야 합니까?
“0A, 0B 이렇게 될 것 같습니다. 마이크론에서도 아직 얘기한 바는 없지만 0α, 0β로 할 수 있겠죠.”
- 1d는 지금 한창 개발 중일 텐데 구조라든지 많이 바뀝니까?
“1d는 앞으로 1년 반에서 2년 안에 나오겠지만, 1c와 크게 달라지는 것은 없을 것 같습니다. 4~5년 전에는 1d나 0A 정도에서 3D D램, 4F², VCT 같은 새로운 구조가 나올 것으로 예측했지만, 현재로서는 3D나 4F² 기술이 많이 지연되고 있습니다. 8단이나 12단의 3D D램은 테스트 중이지만, 60단이나 90단 같은 높은 단계는 아직 갈 길이 멉니다. 그래서 0A, 0B까지도 어려운 상황이며, 0C 정도에서 양산을 기대하고 있습니다. 만약 그 전에 3D D램이나 4F²가 나온다면 아마도 0B 정도에서 프로토타입이 나올 가능성은 있습니다.”
- 하다 보니 어려워서 계속 지연되고 있는 것이군요?
“네, 하지만 그 점이 꼭 나쁘다고 할 수는 없습니다. 현재 다양한 혁신적인 재료, 셀 디자인, 공정 통합 기술들이 지속적으로 발전하고 있어 6F² 기술을 확장시키고 있습니다. 이러한 기술 덕분에 많은 도움을 받고 있는 것이죠.”
- 시중에 나와 있는 1b 제품들은 분석을 다 해보셨을 텐데 원가를 추정할 수 있는 요소들로는 어떤 것이 있습니까?
“결국 코스트란 동일한 12인치 웨이퍼에 얼마나 많은 다이를 집어넣을 수 있느냐에 달려 있습니다. 예를 들어, 동일한 크기의 웨이퍼에서 한 회사는 1,500개의 다이를 생산할 수 있고, 다른 회사는 1,300개의 다이를 생산한다면, 그 200개의 차이가 원가 차이가 되는 것이죠.”
- 1500개를 찍었다 하더라도 그 과정에서 투입된 장비의 감가상각비 같은 것들을 포함해야 정확한 원가 분석이 되는 것 아닌가요?
“그렇죠. 코스트를 계산할 때 가장 중요한 요소는 다이 사이즈이고 다이 사이즈는 다이 수와 직접적으로 연관이 되고 수율과도 연관이 됩니다. 또한, 새로운 장비 투자, 신물질 및 신공정의 도입 개수, 이전 테크놀로지 노드와의 공정 전환율, 그리고 예를 들어 평택 공장에서 P2, P3 같은 팹을 사용했는지에 따른 각각의 감가상각비 등 이러한 모든 요소를 종합적으로 고려해야 합니다.”
- 그러면 외부에서 원가를 추정하기는 쉽지 않겠네요?
“그래서 저희가 추정을 해서 자료를 제공하고는 있지만, 참고하는 수준이지 100% 정확할 수는 없습니다. 삼성이나 SK하이닉스나 마이크론에서 맞다고 확인해주지도 않죠.”
- 단순하게 봤을 때 다이 개수로 따질 수밖에 없을 텐데 동일 애플리케이션에서 다이 사이즈가 제일 작은 회사는 어디입니까?
“1B 기준으로 보면 삼성의 다이 사이즈가 제일 작고 그 다음이 SK하이닉스입니다.”
- 마이크론의 다이 사이즈가 제일 크다는 것으로 이해가 되는데 격차가 큰가요?
“크지는 않습니다. 보통 6~7% 정도 차이입니다. 대동소이한 것이죠.”
- 1c나 1d로 갔을 때 다이 사이즈가 뒤집히거나 순위가 바뀔 수도 있습니까?
“그럴 수 있죠. 그래서 지속적으로 슈링크 레이쇼 같은 것을 확인하고 있습니다. 여러 가지 소문은 있지만, 증거를 가지고 얘기해야 하니까 공개적으로 발표할 수는 없습니다.”
- 낸드 관련 얘기를 좀 해볼까 하는데 지금 낸드의 주력 제품은 몇 단입니까?
“낸드의 주력 제품은 176단 또는 162단 정도로 보시면 될 것 같습니다. 그 다음에 삼성이 236단, SK하이닉스가 238단, 마이크론이 232단 제품을 내놓았고, 키옥시아도 최근 218단 제품을 내놓았습니다. 112단이나 128단이 1XX에 해당되는 것이고 현재는 176단이나 162단 같은 1YY 레이어가 여전히 주력으로 생산되고 있습니다.”
- 그다음 버전은 2XX가 되는 겁니까?
“2XX가 있고 그 다음으로 2YY가 있지요.”
- 보통 100단대, 200단대는 두 번 정도 가는 것이네요?
“보통 100단에서도 두 번 정도로 가고 200단에서도 두 번 정도로 가는데 그다음부터는 한 번 정도로 갈 가능성이 큽니다.”
- 왜 그렇습니까?
“덱(deck)이라고 하는 것이 싱글덱, 더블덱, 트리플덱 구조로 발전하고 있습니다. 솔리다임은 이미 트리플덱 구조를 채택했으며, 다른 회사들도 트리플덱 구조로 전환하고 있습니다. 한 덱(스택) 안에 들어갈 수 있는 최대 워드 라인 또는 게이트의 개수가 과거에는 130~140개였지만, 현재는 150~160개까지 늘어났습니다. 지금까지는 더블덱 구조가 주를 이뤘지만, 앞으로 3D, 4D 구조로 가게 되면 50단, 70단이 아니라 갑자기 백 몇 단씩 늘어나게 됩니다. 이렇게 되면 300단 다음에 400단은 스킵하는 상황이 발생할 수 있는 것이죠.”
- 최근 삼성전자가 발표한 V9 낸드의 단이 200단대 후반 정도 됩니까?
“그것이 소위 말해서 2YY고 언론에서는 280단, 290단, 여러 가지로 얘기되고 있는데 제가 알기로는 286단입니다.”
- 이것도 2덱으로 설계한 것인가요?
“2덱으로 했고 COP(Cell Over Peripheral) 구조로 되어 있는데, 처음 적용했던 것이 176단이었고, 두 번째가 지금 시중에 나와 있는 236단, 그리고 이번에 나온 286단이 세 번째 COP 제품입니다.”
- COP에 대해서 간단하게 설명해 주시죠.
“마이크론이 32단, 64단 3D 낸드 플래시에 ‘CUA’라는 이름을 사용했는데, 이는 ‘CMOS Under Array’를 의미합니다. 2D 낸드에서는 로직 서킷(페이지 버퍼, 디코더 등)이 어레이 옆에 평면으로 배치되었지만, CUA는 로직 서킷을 어레이 아래에 배치하여 집적도를 높입니다. 이와 비슷하게 SK하이닉스는 ‘페리 언더 셀(PUC)’ 구조를 사용합니다. 삼성도 같은 개념을 사용하여 이를 ‘셀 온 페리(COP)’라고 부르는 것이죠. 결국 이름만 다를 뿐 비슷한 것입니다.”
- 키옥시아도 그런 구조로 하고 있습니까?
“키옥시아는 마이크론에서 사용했던 ‘CUA’라는 이름을 그대로 차용한 것으로 보입니다. 최근 218단 제품을 출시했는데, 이 제품에는 하이브리드 본딩이 사용되었습니다. 이 하이브리드 본딩은 사실 YMTC의 트레이드 마크인 ‘Xtacking’을 그대로 사용한 것인데 키옥시아는 하이브리드 본딩이 아니라 CBA(CMOS Bonded Array)라고 부르고 있습니다.”
- YMTC는 어떻게 한 것이죠?
“YMTC는 처음부터 하이브리드 본딩을 사용해 왔습니다. 초기의 32단 제품은 보안용 USB 등에 사용되었는데, 이는 삼성의 티켓 구조와 동일했습니다. 그러나 64단 제품부터는 Xtacking이라는 하이브리드 본딩, 즉 다이렉트 본딩 기술을 사용하기 시작했습니다. 64단, 128단, 232단 등 세 세대의 제품에 모두 하이브리드 본딩 기술을 사용했습니다.”
- 마이크론의 CUA, SK하이닉스 PUC, 삼성의 COP 이런 기술은 다이렉트 본딩 아니고 그냥 일반 본딩으로 하는 것인가요?
“일반 본딩이 아니라 처음부터 웨이퍼 한 장으로 하는 것입니다. 그래서 한 장의 웨이퍼에 주변 회로(페리)를 만들고 그 위에 셀 어레이를 배치하는 방식입니다. 반면에, YMTC의 Xtacking과 키옥시아, 웨스턴 디지털의 CBA는 두 장의 웨이퍼를 사용하여 각각 회로와 셀 어레이를 만든 후 이를 본딩하는 방식입니다.”
- 두 장을 본딩하는 것과 한 장으로 쭉 올리는 것에 어떤 차이가 있습니까?
“웨이퍼 두 장을 사용하는 방식에는 장단점이 있습니다. 웨이퍼 두 장을 사용하면 단가는 높아지지만, 이를 보완할 수 있는 장점들이 많습니다. 웨이퍼 한 장에 주변 회로와 셀 어레이를 함께 만들면, 어레이 제작 과정에서 발생하는 열이나 공정 스트레스가 로직 트랜지스터(TR)에 영향을 미쳐 수율이 떨어질 수 있습니다. 반면, 웨이퍼 두 장을 사용하면 회로와 셀 어레이를 따로 제작한 후 본딩하기 때문에 이러한 영향을 최소화할 수 있습니다. 이렇게 하면 다양한 로직 트랜지스터 디자인을 적용할 수 있고, 위쪽 웨이퍼는 온전히 100% 셀 어레이에 사용되므로 메모리 집적도가 크게 증가합니다.”
- 박사님이 보시기에 어떤 방향으로 갈 것 같습니까?
“그 기술을 언제 도입하느냐 하는 시간문제일 뿐입니다. 우리는 이미 그 기술의 많은 장점을 경험해왔고, 각 회사의 R&D 부서에서는 거의 모든 테스트를 완료한 상태입니다. 삼성, 하이닉스 등 여러 회사에서 이미 테스트가 완료된 상태로 알고 있습니다. 삼성은 V9까지는 적용하지 않겠지만, V10 400단 정도에서는 충분히 적용 가능성이 있습니다. SK하이닉스도 3백몇십 단까지는 사용하지 않을 수 있지만, 400단이나 500단에서는 충분히 사용할 수 있을 것입니다. 마이크론도 현재 테스트 중이어서 곧 적용될 것으로 예상합니다.”
- YMTC가 중국 회사이고 후발주자이기 때 때문에 이 회사의 기술이나 실력을 낮게 봐왔던 것 같은데 실제로는 매우 빠르게 나간 것이군요?
“중국 회사지만 객관적으로 칭찬할 만한 상황입니다. 삼성, 키옥시아, 마이크론, SK하이닉스 등은 64단 다음에 96단, 그다음에 128단, 176단 이렇게 점진적으로 발전해 왔습니다. 그러나 YMTC는 64단 다음에 96단을 건너뛰고 128단으로, 다시 176단을 건너뛰고 232단으로 바로 갔습니다. 이러한 방식으로 다른 선두 주자들을 빠르게 따라잡았습니다. 현재 모든 3D 낸드 회사들의 기술력은 비슷한 상황이지만, 향후 YMTC가 300단, 400단을 양산화할 수 있느냐에 대해서는 물음표입니다.”
- 본딩 장비에 대한 수요도 많이 늘어날 것 같은데요?
“기하급수적으로 늘어날 것으로 보입니다. 삼성뿐만 아니라 SK하이닉스도 다이렉트 본딩 기술을 충분히 고려하고 있으며, 향후 로드맵에 이를 포함하고 있는 것으로 알고 있습니다. 따라서, 모든 3D 낸드 회사들이 300단에서 500단 사이에서는 다이렉트 본딩을 사용하게 될 것으로 보입니다. 그렇게 되면, 관련된 클리닝 장비, 특히 카파(Capa) CMP(Chemical Mechanical Planarization)와 인스펙션 장비들이 큰 혜택을 받을 것 같습니다.”
- 다이렉트 본딩이 HBM이나 일반 패키징에도 쓰일 것으로 예측되는데 생산 제품별로 봤을 때 낸드가 제일 많다고 보십니까?
“하이브리드 본딩이나 다이렉트 본딩을 애플리케이션별로 비교해 보면, 우선 낸드는 거의 기본적으로 모두 사용되어야 하고, D램의 경우, 데이터센터와 AI 분야에서 고성능 메모리의 수요가 워낙 강하기 때문에, 컴퓨팅 D램이나 로퍼 모바일 D램을 능가하게 될 것입니다. 그러다 보니 하이브리드 본딩을 사용한 HBM(High Bandwidth Memory)이 더 많이 사용될 것으로 예상됩니다. 왜냐 하면, 낸드의 경우에는 현재 웨이퍼 두 장을 사용하지만, 10년 뒤에도 세 장 정도에 불과할 것 같습니다. 그런데 HBM4는 이미 12단에서 16단 구조를 사용하고 있으며, 5년에서 10년 뒤에는 24단, 32단 구조도 나오겠죠. 그러다 보니 HBM의 사용량이 상대적으로 훨씬 더 많아질 것으로 보입니다. 이로 인해 관련 장비와 공정 스텝들의 수요도 증가하겠죠.”
- 하이브리드 본딩 장비를 하는 회사로서는 HBM 시장이 가장 크다고 볼 수 있겠네요.
“그렇죠. 지금도 8층, 12층인데 HBM4는 16층, HBM5는 24층으로 로드맵이 그려져 있기 때문에 수요가 엄청난 것이죠.”
- 다이렉트 본딩 시장이 그렇게 커지면 CMP, 세정, 슬러리, 본딩 장비 회사들이 많이 성장할 것 같습니다.
“거기에 인스펙션 장비도 매우 중요합니다.”
- 100단, 200단, 300단으로 단수가 계속 늘어나는데 이것은 한 단에 구멍을 깊게 뚫어서 높게 쌓을 수 있다는 얘기로 들리는데 기술이 그렇게 발전해서 그런 건가요?
“하이 애스펙트 레이쇼(HAR, High Aspect Ratio)에 대한 기술은 처음에 D램에서 시작되었습니다. 웨이퍼 제품을 만드는 IDM(Integrated Device Manufacturer) 중 삼성이 제일 앞서 있는데 삼성은 싱글 스택으로 133단 제품을 시중에 내놓았습니다. 133단이라는 것은 실제로는 더미와 셀렉터를 포함해야 하니까 게이트 수로는 145~150단이 됩니다. 150개의 게이트를 한꺼번에 배치할 수 있는 공정을 삼성이 보유하고 있습니다. 현재 286단이 V9인데 여기에 덱을 하나 더 올려 3D가 되면 300단 대가 아니라 400단이 되어서 3XX가 스킵되는 거죠.”
- 그렇게 될 수 있는 것은 새로운 장비나 공법이 개발되어서인가요?
“네, 그 영향이 큽니다. 극저온 기술을 사용하는 장비로 크라이오제닉이라는 용어를 많이 사용합니다.”
- 도쿄일렉트론 같은 회사에서 만든 장비를 말씀하시는 건가요?
“네, 도쿄일렉트론(TEL ; Tokyo Electron)이 현재 공급을 시작했고, 이미 236단과 286단에도 일부 적용되고 있습니다. 이 장비가 확대 적용될 것입니다. 여기에 추가 셋업이 개발되면 개수가 145, 150개가 아니라 160, 170개까지도 가능해질 것입니다.”
- 그 회사의 장비는 삼성뿐만 아니라 다른 회사들도 사서 사용할 수 있지 않나요?
“쉽게 말하면 그렇지만, 계약 관계와 NDA(비밀유지계약) 등이 있기 때문에, 삼성이 사용한 레시피를 마이크론에 그대로 줄 수는 없습니다. 그런 계약 조건들이 있기 때문에 조금 복잡하지만, 그럼에도 불구하고 확대 적용은 가능할 것 같습니다.”
- 그렇다면 일정 기간 동안은 삼성이 이 부분에서 더 앞서 나갈 수 있다는 말씀이시죠?
“네, 맞습니다.”
대담 : 한주엽 전문기자
정리 : 손영준 에디터
촬영 편집 : 정일규 프로
