[이투데이-일본 산교타임즈 특약] 3-① 낸드플래시메모리, 3차원 시대 개막

(2012년 12월28일자 산교타임즈 반도체산업신문)

1997년 2월, 미국 샌프란시스코의 한 호텔에서 열린 시상식에서 한 일본인에게 시선이 집중됐다. 당시 시상식은 전자업계에서 권위 있는 상으로 알려진 국제전기전자기술자협회(IEEE)의 모리스 리브만 기념상이었다.. 수상의 주인공은 ‘플래시 메모리’ 발명자로 알려진 마스오카 후지오(舛岡富士雄) 현 도호쿠대 명예교수였다.

그가 도시바에 근무하면서 발명한 플래시 메모리란 전기적 일괄 소거가 가능한 비휘발성 메모리다. 당시 비휘발성 메모리는 자외선 소거형(EPROM)이 유일했다. 이 때문에 마스오카 교수가 개발한 플래시 메모리는 획기적인 발명품이었다. 일괄 소거 방식은 바이트당 1개의 트랜지스터로 구성되기 때문에 이론상으로는 점유 면적이 기존 EPROM의 4분의1 이하, 비용은 100분의1 이하로 줄일 수 있게 됐다.

플래시 메모리라는 명칭은 일괄 소거 기능에서 카메라의 플래시를 이미지화해 탄생한 것이다.

오늘날 플래시 메모리는 휴대전화·모바일 단말기·디지털 카메라 등의 핵심이라 할 수 있는 메모리가 됐다. 앞으로는 클라우드 컴퓨팅 서버용 수요가 급증할 것으로 예상, 반도체의 최고봉이라고도 할 수 있다.

마스오카 교수가 플래시 메모리를 발명한 것은 1984년으로 그리 오래된 일이 아니다. 발명에 성공한 후 상업화까지는 이례적으로 더디게 진행됐다.

하지만 현재 주류인 NAND 플래시 메모리 분야에서는 3차원 입체 구조의 세계가 열릴 조짐이다. 3차원 구조의 메모리는 2006년 학회에 발표된 후 겨우 6년 밖에 지나지 않았는데 도시바가 세계 최초로 양산 채비를 하고 있는 것이다.

왜 3차원 입체 구조로 이행해야만 할까. 이는 미세화가 한계에 달해 바이트당 단가가 더 이상 떨어지지 않고 있기 때문이다. 현행 평면 구조로는 이를 제어할 수 없다.

지금까지 제안된 3차원 NAND 플래시 메모리는 크로스 포인트(Cross Point), 심플리 스택트 낸드(Simply Stacked NAND), 버티컬 낸드(Vertical NAND) 3종류가 있다. 도시바·삼성전자·SK하이닉스·도호쿠대학은 모두 버티컬 낸드를 발표하며 3차원 낸드 플래시를 추구하고 있다. 다만 도시바는 BiCS(Bit Cost Scalable)라는 3차원 입체 구조의 플래시 메모리를 개발해 거의 실용화 단계에 있다.

반도체 기술 개발 부문에서는 ‘도사’로 불리는 도시바는 버티컬 낸드를 대량 생산하기 위해 몇 가지 고도의 기술을 독자적으로 개발했다. 변환기준치의 불규칙성을 줄이기 위해 폴리실리콘막 두께를 얇게 해 8nm짜리 플래시 메모리를 만들었다.

도시바는 디바이스 구조도 과감하게 변경했다. 일반적인 입체 구조와 달리 접거나 구부릴 수 있게 했다. 이를 통해 초고온의 영향을 받지 않아 모든 기술적 문제를 해결할 수 있게 됐다. 여기다 워드라인의 저저항화를 위해 기상도금(CVD) 메탈을 이용한 실리사이드 기술도 도입했다.

30GB급 테스트칩 개발에 성공했고 작동과 신뢰성 확인도 끝마쳤다. 2013년에는 일본 욧카이치공장에서 대량 생산할 계획도 세웠다. 10nm 이하급 3차원 입체 낸드 플래시 메모리가 욧카이치공장에서 처음 양산되는 것이다.

도시바는 이 분야에서 삼성전자와 수위를 다투며 총력을 기울여왔다. 도시바는 3차원 입체 낸드 플래시 메모리 양산으로 삼성을 단숨에 제칠 수 있을 것으로 기대하고 있다.

맥 빠진 일본 반도체에 세계 최초의 3차원 입체 낸드 플래시 메모리 부문에서 선전하는 도시바가 용기를 북돋워줄 것으로 보인다.

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