면접상식! SK하이닉스의 메모리 반도체 현주소는 NAND 플래시 편

면접상식! SK하이닉스의 메모리 반도체 현주소는 NAND 플래시 편

Hy ~ TV❗️ 안녕하세요! HyTV 반도체 전문 기자 정해웅입니다. 저희 HyTV의 ‘하이닉스 뉴스’는 반도체 종합 기업인 SK하이닉스의 반도체 트렌드에 대해 전해드리는 채널입니다.
지난 시간에는 하이닉스의 주력 상품인 메모리 반도체 중 'DRAM’에 대해 알아봤었는데요. 이번 시간은 그 뒤를 바짝 쫓고 있는 두 번째 핵심 제품 ‘NAND 플래시’에 대해 알아보려고 합니다. 그런데 ‘NAND 플래시’라는 단어를 처음 들으신다고요? 또 당장 하이닉스 면접을 봐야 하는 상황인데, 하이닉스의 제품 현황을 잘 모르시겠다고요? 걱정 마세요! 저희 HyTV가 비전공자도 알기 쉽게 설명해 드릴테니 따라오시죠 💨

SK Careers Editor 정해웅

 

 

 

 

[메모리 반도체란?]
이 기사를 접하고 계신 분들은 ‘메모리 반도체’라는 단어를 한 번쯤 들어본 적 있으실 것입니다. 그만큼 각종 매체에서도 자주 등장하는 단어인데요. 그렇다면 ‘메모리 반도체’는 정확히 무슨 반도체를 일컫는 것일까요?
 
메모리 반도체는 그 이름 그대로 정보를 기억하는 역할을 합니다. 세부적으로는 RAM(Random Access Memory)와 ROM(Read Only Memory) 2종류로 나뉘게 되는데, 이름만 들어서는 잘 모르시겠죠?
 
쉽게 설명해 드리자면, RAM은 PC나 노트북을 살 때 자주 등장하는 부품입니다. 다들 4GB나 8GB RAM이라는 단어를 들어본 적 있으시죠? 이는 휘발성 메모리로 전원이 꺼지면 그 정보도 날아가는 특징이 있습니다. 따라서 보조기억장치로 주로 사용됩니다.
 
반대로 ROM은 비휘발성 메모리로 전원이 꺼진다고 해도 정보가 저장되는 특징이 있습니다. 핸드폰이나 컴퓨터를 살 때 등장하는 ‘저장용량’이 ROM이라고 생각하시면 이해가 될 것입니다. 용량이 128GB, 256GB이라는 말들이 바로 ROM의 용량을 일컫습니다.
 
전자제품의 ‘저장용량’을 담당하고 있는 ROM의 여러 종류 중 하나가 바로! 이번 기사에서 알아볼 ‘NAND 플래시’입니다.
 

 

[NAND 플래시, 당신 누구요?]

앞서 설명해 드린 ROM에서 단연 주목해야 할 메모리는 바로 ‘NAND 플래시’입니다. 이 메모리의 가장 주요한 특징은 ‘주기억장치’이자 ‘비휘발성’ 메모리라는 것입니다.
 
쉽게 설명해 드리자면 저희가 핸드폰으로 찍은 사진이 핸드폰에 저장될 텐데, 이 정보가 전원이 꺼졌을 때 날아가면 난리가 나겠죠? 따라서 이러한 정보들이 저장되는 곳이 바로 SSD나 HDD와 같은 곳이고, 이 제품들이 바로 ‘NAND 플래시’로 구성됩니다. 그래서 결론적으로는 ‘비휘발성’, 정보가 날아가지 않는다는 특징을 갖게 된 것이죠.
 
그 반대 개념인 ‘휘발성’의 대표 주자인 ‘DRAM’에 대해 궁금하시다면, 저희 HyTV의 전 기사인 <[HyTV] 속보🚨 SK하이닉스의 메모리 반도체 현주소는? : DRAM편>을 읽어보시면 궁금증을 푸는 데 많은 도움이 될 것 같습니다. 그럼 이제 ‘NAND 플래시’에 대해 자세하게 알아보러 떠나보실까요?
 

 

 

(1)     NAND 플래시 vs DRAM 🥊, 뭣이 다른디?

앞서 계속해서 DRAM은 노트북에서의 RAM에 쓰이고, NAND는 SSD와 같은 저장장치에 쓰인다고 말씀드렸죠? 이제는 DRAM과 NAND 플래시의 차이를 동작 기능과 반도체 구조 관점에서 살펴보려고 합니다.

그림 1. DRAM과 NAND의 스위칭과 저장 기능

그림 2. DRAM과 NAND의 전반적인 비교

DRAM과 NAND는 둘 다 메모리 반도체에 속하는데, 메모리 반도체의 대표적인 특징은 ‘스위칭 및 데이터 저장 기능’을 가지고 있다는 것입니다. 이 기능적인 측면에서 두 제품은 각각의 장단점을 보이고 있습니다.
 
그림 1에서 볼 수 있듯이, 데이터를 저장할 수 있는 기간은 NAND가 1년 이상으로 64ms를 보이는 DRAM과 많은 차이가 납니다. 반면 그림 2에서 볼 수 있듯이, 동작 속도의 측면에서는 DRAM이 NAND보다 훨씬 빠른 모습을 볼 수 있습니다. 두 제품은 하나의 장점을 얻으면 하나가 부족해지는 ‘Trade-Off’ 관계에 있다고 생각할 수 있을 것 같습니다.
 
이렇게 장단점의 차이가 나는 근본적인 원인은 바로 ‘반도체 구조’의 차이가 한몫하게 됩니다.

그림 3. DRAM과 NAND의 트랜지스터 구조 비교

그림 3을 보시면 그 차이를 바로 알아차릴 수 있을 것인데요. 바로 게이트 개수의 차이입니다. 좌측의 DRAM은 게이트가 1개이고, 우측의 NAND는 게이트가 2개인 것이 보이시나요? NAND에 추가된 게이트는 플로팅 게이트(Floating Gate)라고 불리는데, 이것이 바로 NAND의 핵심적인 특징인 ‘비휘발성’을 만들게 됩니다. 즉, 데이터를 일정 기간 저장할 수 있는 능력을 갖추게 된 것이죠.
 
이렇게 해서 DRAM과 NAND의 동작 특성 비교부터 시작하여 반도체 구조 차이까지 살펴봤는데, 단순히 어떤 제품이 DRAM이고 NAND인지를 아는 것을 넘어 어떠한 이유로 이 제품이 휘발성이고 비휘발성 역할을 하는지 고민해보는 시간을 가지면 더더욱 좋을 것 같습니다.
 
 

(2)     2D? 3D? 4D NAND? 그게 뭔데요?

반도체에 조금이라도 관심 있는 분들이라면 최근 뉴스에서 96단 구조, 176단 구조와 같은 용어를 한 번쯤은 접한 적 있으실 것입니다. 이런 구조들이 도대체 무엇이길래 아파트도 아니고 이렇게 층으로 불리는 것일까요?
 
이 구조가 가장 화제가 되었던 순간 중 하나는 바로 SK하이닉스가 2018년 세계 최초로 4D NAND 구조의 96단 512Gbit NAND 플래시 개발에 성공했다는 소식이었습니다. 이는 기존 3D까지만 생각했던 반도체 업계에서의 패러다임을 완전히 깨 버린 아이디어였는데요. 그렇다면 3D는 무엇이고 4D는 무엇인지 알아볼까요?
 
그 전에 먼저 2D NAND에서 3D NAND로의 구조 발전부터 알아볼 필요가 있습니다.

그림 4. 2D NAND와 3D NAND의 구조 비교

그림 4 좌측의 2D NAND를 보면 어떤 생각이 드시나요? 일렬로 길게 늘어선 모습을 확인할 수가 있고 반대로 우측의 3D NAND는 층이 생긴 모습입니다. 쉽게 생각하면 2D NAND는 1층짜리 주택이고, 3D NAND는 96층짜리 고층 아파트라고 상상하면 될 것 같습니다. 이러면 당연히 안에 들어갈 수 있는 사람(정보)의 수도 훨씬 많아지겠죠? 자연스럽게 원가도 절감할 수 있는 장점이 있습니다.
 
이 외에도 구성하고 있는 물질의 종류를 바꾸었고, 기존 평면형 구조에서 원통형 구조로 바꾼 혁신적인 아이디어들이 합쳐져서 비로소 2D NAND에서 3D NAND로의 발전을 이루게 되었습니다.
 
SK하이닉스는 여기서 멈추지 않고 공간을 더욱 효율적으로 사용할 방안에 관해 연구했습니다. 그 결과 세계 최초로 개발된 것이 바로 ‘4D NAND 플래시’입니다.

그림 5. 3D NAND와 4D NAND의 구조 비교

그림 5의 좌측에는 짙은 회색으로 칠해진 주변부(Peri)가 Cell 옆에 덩그러니 놓여 있다가, 우측에서는 Peri가 Cell 아래로 들어간 것을 확인할 수 있습니다. 이 기술을 바로 PUC(Peri Under Cell)이고, 이름에서 알 수 있듯이 Cell 아래로 Peri가 들어간 것을 의미합니다. 쉽게 생각하면, 좌측 사진(3D NAND)은 주차장이 마당에 있었다면 우측 사진(4D NAND)에서는 마당에 차지하던 주차장을 지하주차장으로 옮긴 모습입니다. 이렇게 되면 아무래도 공간 효율이 극대화되겠죠?
 
SK하이닉스의 혁신적인 PUC 기술 덕분에, 기존 72단 NAND보다 칩 크기가 30% 이상 줄었고 웨이퍼당 비트 생산이 1.5배나 향상되었다고 합니다. 이 4D NAND 1개로 기존 256Gbit 3D NAND 2개를 대체할 수 있게 되었다니 반도체 업계에 한 획을 그은 놀라운 발명이 아닌가 싶습니다.
 
 

(3)     SK하이닉스, 업계 최고층 176단 4D NAND 출시

그림 6. SK하이닉스가 개발한 176단 4D NAND

지난 2020년 12월, SK하이닉스가 업계 최고층인 176단 4D NAND 플래시를 개발했다는 소식이 전해져 왔습니다. 아파트도 176층으로 건설하기 힘든데, 이렇게 작은 반도체에서 어떻게 176단까지 쌓을 수 있었던 것일까요?
 
NAND 플래시는 층수가 높아짐에 따라 많은 구조적 문제를 보이게 되는데, SK하이닉스는 이에 대응할 수 있는 여러 기술을 활용하면서 이 문제들을 타파하게 됩니다. 이에 대한 자세한 내용은 다음 문단에서 보도록 하겠습니다.
 
176단 NAND는 3세대 4D NAND 제품으로, 업계 최고 수준의 웨이퍼당 생산 칩 수를 확보하게 되었다고 합니다. 이를 통해 비트 생산성이 기존 제품보다 35% 향상되었으며, 데이터 전송 속도도 33% 개선된 한층 더 성장한 모습을 보였습니다.
 
빠르게 변화하는 반도체 시장에서 살아남을 수 있는 유일한 길은, 끊임없이 연구하고 투자하여 경쟁사보다 더 좁은 선폭으로, 더 높은 층으로, 더 많은 수율을 기록하는 것임을 이 176단 NAND 제품으로 또 한 번 느끼게 되었습니다.
 

 
(4)     NAND가 맞이할 기술적 한계

NAND 플래시는 층수가 높아지며 셀 내부의 전류 감소, 층간 비틀림 및 상하 적층 정렬 불량(Stack misalignment) 등 심각한 문제가 발생하게 되었습니다. 특히 200단에 근접하게 되면서 이러한 문제들이 더욱 도드라지게 되었는데요. 이러므로 앞으로의 반도체 업계는 적층 단계에서 나타나는 기술적 문제를 해결하는 것이 관건이 되었습니다.
 
아무리 기술이 진화한다고 해도 양산에서 수익을 낼 만큼의 효율이 받쳐주어야 하는데요. 200단에 근접하면서 NAND 플래시에 가해지는 스트레스가 증가하게 되었습니다. 이에 200단 근처가 되면 양산에서 수익을 내기 어려울 정도가 될 것이란 게 대체적인 전망이었습니다. 그렇다면 과연 SK하이닉스에서는 이러한 중요한 문제를 어떻게 해결하고 있을까요?
 
SK하이닉스에서는 이러한 어려움을 ▲ 셀 층간 높이 감소 기술 ▲ 층별 변동 타이밍(Timing)제어 기술 ▲ 초정밀 정렬(alignment) 보정 등 혁신적인 기술로 극복하였습니다. 순서대로 하나씩 살펴보겠습니다.
 
먼저 셀 층간 높이를 최대한 낮추게 되면서 셀 간의 간섭이 심해지고 공정 불량이 발생할 가능성이 높아지게 되었습니다. ‘셀 층간 높이 감소 기술’은 이 층간 높이를 낮추면서도 열화를 억제하는 공정과 설계 기술을 기반으로 경쟁력 있는 성능과 신뢰성을 확보한 기술입니다. 이렇게 층 간의 높이와 층 간의 간섭 또한 ‘Trade-Off’ 관계에 있다고 말할 수 있을 것 같네요.
 
다음은 ‘층별 변동 타이밍 제어 기술’입니다. 앞서 말했듯이 층간 높이가 낮아지면 공정 열화 때문에 각 층의 성능과 신뢰성이 저하되게 됩니다. 이를 해결하기 위해 층별로 가하는 전압의 양과 시간을 조절해야 하는데, 이때 쓰이는 기술이 바로 ‘층별 변동 타이밍 제어 기술’입니다.
 
마지막으로 ‘초정밀 정렬(alignment) 보정 기술’은 상하부 간의 어긋남을 최소화하는 기술입니다. 바르게 정렬되지 않다면 상하부 간의 전류 흐름에 방해가 일어나 결론적으로는 열화 현상과 수율에서의 문제를 일으키게 됩니다. 따라서 이 상하부 간의 정렬이 잘 위치하고 있는지 실시간으로 파악하고, 구멍의 위치와 크기를 자동으로 보정해주는 기술을 고도화하는 것이 바로 ‘초정밀 정렬 보정 기술’입니다.
 
 

이렇게 SK하이닉스는 200단이 넘어가며 생기는 여러 가지 구조적 문제를 기술을 통해서 해결하였고 또 해결하려 노력 중입니다. 이를 보며 얼른 SK하이닉스에 합류하여 가진 기술력을 통해 이러한 문제들을 풀어보고 싶은 마음이 들지는 않으신가요? 😇
 
SK하이닉스가 적층 문제를 해결하고자 계속해서 연구하고 투자한다면, 과열된 NAND 경쟁에서 승기를 잡을 가능성이 충분할 것이라고 예상하고 기대하고 있습니다.
 

 

 

 

이렇게 해서 SK하이닉스의 메모리 반도체 중 ‘DRAM’과 ‘NAND’에 대해 2개의 기사를 통해 알아보았습니다. 이제 하이닉스가 어떤 제품을 만들고 있는 회사이고, 또 어떤 반도체에 중점을 두고 있는지 감이 오시나요?
 
특히 이번 기사는 적층이 높아짐에 따라 나타나는 여러 가지 문제들을 4D NAND 구조로 해결하는 것부터 시작하여 200단 이상에서 나타나는 문제들을 신기술로 해결하는 등 SK하이닉스의 세계 최고 수준 기술력을 확인해볼 수 있는 기사가 아니었나 싶습니다.
 
그리고 이후 찾아올 여러 가지 기술적 한계에 대해 하이닉스가 대응하는 방식에 따라 NAND 시장의 판도를 크게 뒤흔들 수도 있겠다는 생각이 들었습니다.
 
앞선 기사에서 살펴본 DRAM부터 이번 기사에서 다룬 NAND, 그리고 메모리 반도체 전체 영역에 대해 SK하이닉스는 어떠한 행보를 그리며 나아가게 될지 기대가 됩니다. 그럼 이만 이번 기사 마칩니다. Hy ~ TV❗️
 
* 기사의 위 사진들은 ‘SK하이닉스 뉴스룸’ (https://news.skhynix.co.kr) 의 자료를 사용하였습니다.