삼성전자는 2020년 3월 업계 최초로 EUV 공정을 적용한 D램 모듈을 고객사들에게 공급한 바 있으며, 업계에서 유일하게 EUV 멀티레이어 공정을 적용해 최선단 14나노 D램을 구현하는 등 차별화된 공정 기술력을 선보이고 있다.

삼성전자는 반도체 회로를 보다 세밀하게 구현할 수 있는 EUV 노광 기술을 적용해 D램의 성능과 수율을 향상시켜, 14나노 이하 D램 미세 공정 경쟁에서 확고한 우위를 확보해 나갈 계획이다.

5개의 레이어에 EUV 공정이 적용된 삼성전자 14나노 D램은 업계 최고의 웨이퍼 집적도로 이전 세대 대비 생산성이 약 20% 향상됐다.

또한, 삼성전자 14나노 D램 제품의 소비전력은 이전 공정 대비 약 20% 개선됐다.

삼성전자는 이번 신규 공정을 최신 DDR5(Double Data Rate 5) D램에 가장 먼저 적용한다.

DDR5는 최고 7.2Gbps의 속도로 DDR4 대비 속도가 2배 이상 빠른 차세대 D램 규격으로 최근 인공지능, 머신러닝 등 데이터를 이용하는 방식이 고도화 되면서 데이터센터, 슈퍼컴퓨터, 기업용 서버 시장 등에서 고성능 DDR5에 대한 수요가 지속 커지고 있다.

삼성전자는 업계 최선단의 14나노 공정과 높은 성숙도의 EUV 공정기술력을 기반으로 차별화된 성능과 안정된 수율을 구현해, DDR5 D램 대중화를 선도한다는 전략이다.

또한 삼성전자는 고용량 데이터 시장 수요에 적극 대응하기 위해 이번 공정으로 단일 칩 최대 용량인 24Gb D램까지 양산할 계획이다.

삼성전자 메모리사업부 D램개발실장 이주영 전무는 “삼성전자는 지난 30년간 끊임없는 기술 혁신을 통해, 반도체 미세 공정의 한계를 극복해 왔으며, 이번에도 가장 먼저 멀티레이어에 EUV 공정을 적용해 업계 최선단의 14나노 공정을 구현했다”며, “고용량, 고성능 뿐만 아니라 높은 생산성으로 5G·AI·메타버스 등 빅데이터 시대에 필요한 최고의 메모리 솔루션을 공급해 나가겠다”고 밝혔다.

▲ 삼성전자 업계 최선단 14나노 DDR5 D램

‘나노’는 사람 눈으로 확인할 수 없는 단위다. 반도체 산업에선 바로 이 나노 단위로 치열한 경쟁을 벌인다. 초미세 공정을 통해 차세대 초고속∙초절전 기술을 먼저 확보하는 게 중요하기 때문이다. 이 과정을 통해 선도 업체는 더욱 높은 생산성을 추구한다. 지속적으로 이익을 창출하며 성장 가능한 체질로 끊임없이 변화해가는 것이다. 그 결과, 소비자는 한층 개선된 내구성과 사용 편의성을 갖춘 고성능∙저전력 제품을 사용할 수 있게 된다.

삼성전자는 오늘(5일) “2월부터 10나노급 8Gb(기가비트) DDR4 D램(이하 ‘10나노급 D램’)을 양산하고 있다”고 밝혔다<관련 보도자료는 여기 참조>. 지난 2014년 2월 세계 최초로 20나노 4Gb DDR3 D램(이하 ‘20나노 D램’)을 양산한 데 이어 2년여 만의 일이다. 최첨단 기술 개발에 사활을 걸며 극심한 경쟁 구도를 형성하고 있는 반도체 업계에서 삼성전자가 또 한 번 새로운 역사를 쓴 것이다. 초미세공정 기술 개발 끝에 성공시킨 10나노급 D램 양산, 얼마나 대단한 일이고 어떤 기술이 사용된 걸까?

D램 공정 미세화, 왜 어려운 기술이라고들 할까?

반도체는 크게 두 종류로 나뉜다. 컴퓨터∙스마트폰 등에서 데이터 연산∙처리 기능을 맡고 있는 ‘시스템 반도체’가 하나, 데이터 저장용으로 쓰이는 ‘메모리 반도체’가 다른 하나다. D램은 메모리 반도체 중에서도 아주 빠른 속도로 작동하는 중앙처리장치(CPU)나 그래픽처리장치(GPU)가 요구하는 데이터를 임시로 저장, 처리하는 역할을 담당한다.

하나의 D램 칩은 수억 개의 셀(cell)로 구성된다. 각각의 셀은 데이터를 저장하는 캐패시터(capacitor)와 데이터를 제어하는 트랜지스터(transistor)로 구성된다. 삼성전자가 이번에 양산한다고 한 10나노급 D램은 8Gb. 80억 개 이상의 셀이 들어갔다는 얘기다.

D램과 같은 집적회로(Integrated Circuit, IC) 칩은 얇은 실리콘 원판(일명 ‘웨이퍼’) 위에 전자 회로를 새긴 후 이를 다시 작은 조각으로 절단해 만든다. 이때 웨이퍼 위에 더 미세한 설계와 공정이 적용될수록 더 많은 IC 칩이 생산될 수 있다.

삼성전자가 양산하고 있는 10나노급 D램에선 하나의 웨이퍼에서 이전 제품(20나노 D램)보다 30% 이상 많은 1000개 이상의 칩이 생산된다.

▲1나노는 10억 분의 1단위다. 20나노로 만든 칩을 100개로 가정했을 때 공정이 10나노급으로 미세해지면 130여 개의 칩을 생산할 수 있다. 생산성이 30% 이상 향상되는 셈이다

10나노급 D램 양산 가능케 한 독자적 핵심 기술 3

이번 ‘10나노급 D램 양산’ 성공 배경엔 삼성전자가 독자적으로 개발한 세 가지 혁신적 기술이 숨어 있다. 사중 포토 노광 기술(Quadruple Patterning Technique, 이하 'QPT')과 초균일 유전막 형성 기술, 그리고 초고집적 설계 기술이 그것이다.

#1. 한 번에 더 작게, 더 많이… 사중 포토 노광 기술

반도체 제조 공정의 관건은 ‘손톱만 한 칩에 나노 단위 회로를 설계하는’ 기술에 있다. ‘20나노’니 ‘10나노급’이니 하는 용어는 셀을 작동시키는 비트 라인(bit line)과 워드 라인(word line)에 적용된 공정의 평균 값을 일컫는다. 다시 말해 웨이퍼 표면에서 반짝이는 메탈 공정 패턴이 아니라 그 아래 부분에 형성된 초미세 회로 공정 패턴을 가리킨다.

10나노급 D램 공정엔 ‘포토(photo) 설비’가 사용된다. 사람 육안으로 보이지 않는, 얇고 강력한 레이저 빛으로 초미세 회로를 그리는 설비다. ‘포토’란 명칭은 웨이퍼 위에 전자 회로를 (사진 찍어내듯) 그린다고 해서 붙여졌다. QPT는 단 한 번의 포토 공정으로 초미세 패턴을 네 배 많이 만들어낼 수 있는 기술. 주로 낸드플래시 양산에 적용돼왔다. 삼성전자는 미세공정의 한계를 극복하기 위해 업계 최초로 이 QPT를 D램 공정에 구현했다.

▲10나노급 D램 양산에 적용된 QPT의 구동 원리. 한 차례 포토 공정으로 네 배 많은 초미세 패턴을 만들어낼 수 있는 기술이다

#2. 작고 얇으며 단단하게… 초균일 유전막 형성 기술

하나의 D램을 구성하는 수십 억 개 셀 중 하나라도 문제가 생기면 기기는 제대로 작동하지 않는다. 따라서 고성능∙저전력 칩을 만들 땐 해당 셀이 오랫동안 완벽하게 작동할 수 있도록 안정성까지 고려해야 한다. 이를 위해선 각각의 캐패시터를 ‘얇고 길며 단단하게’ 만들 필요가 있다. 그 열쇠를 쥐고 있는 게 바로 초균일 유전막 형성 기술이다.

캐패시터는 전자(데이터)를 임시로 담아두는 역할을 한다. 주변 회로는 캐패시터에 담긴 전자를 통해 전하 유무를 각각 ‘0’과 ‘1’로 판단, 디지털 신호를 구분한다. 캐패시터에 충분한 양의 전자가 담길수록 디지털 신호를 더 빨리 판단할 수 있다. 공정을 미세화하면서 충분한 전자를 담아두려면 캐패시터를 더 얇고 길게 만들어야 하는 구조다.

캐패시터를 만들 땐 안에 담기는 전하가 너무 빠르게 새지 않도록, 그리고 바로 옆 캐패시터 전하의 영향을 받지 않도록 얇고 단단한 유전막을 씌워야 한다(한 번 더 강조하지만 캐패시터와 캐패시터 사이 간격은 수십 나노에 불과하다). 초균일 유전막 형성 기술의 핵심은 바로 이 유전막을 균일하게 유지하는 데 있다. 제품 양산력과 경쟁력을 끌어올리는, 반도체 제조 공정의 핵심 기술이다.

▲삼성전자는 독자적으로 개발한 물질을 캐패시터 안팎에 코팅, 유전막을 옹스트롬 단위의 초박형 원자 물질로 균일하게 만드는 데 성공했다

공정이 미세화될수록 캐패시터 크기는 줄어든다. 작아진 캐패시터에서는 상단 부분에 박막 물질이 두텁게 뭉쳐지는 과흡착 현상이 생길 경우, 안정적 셀 특성 확보가 어려워진다.

삼성전자의 기술력이 또 한 번 입증된 건 바로 이 지점이다. 업계 최초로 10나노급 D램에 초균일 유전막 형성 기술을 적용, 이 같은 문제를 극복한 것. 삼성전자는 독자적으로 개발한 물질을 캐패시터 내∙외부에 코팅함으로써 유전막을 (나노의 1/10인) 옹스트롬 단위의 초박형 원자 물질로 균일하게 만드는 데 성공했다. 이로써 10나노급 D램은 종전 제품보다 한층 향상된 성능을 갖추면서도 안정적으로 작동할 수 있게 됐다.

#3. 빠르지만 전력 소비는 적게… 초고집적 설계 기술

일반적으로 반도체의 동작 속도는 소비 전력에 비례한다. 즉 속도가 빨라질수록 전력 소비는 늘어나는 구조다. 하지만 10나노급 D램은 전작에 비해 속도가 빨라진 대신 소비 전력은 오히려 줄었다. 비결이 뭘까?

10나노급 D램은 속도를 높여 데이터를 더 빨리 제어, 처리한 후 대기(idle) 상태로 전환되도록 설계됐다. (회로 설계 수준에 따라 차이가 있지만) 대기 상태에선 활동(active) 상태에 비해 훨씬 적은 전력을 소비한다. 10나노급 D램이 ‘데이터 처리 속도 개선’과 ‘소비 전력 절감’ 두 마리 토끼를 잡을 수 있는 비결이다.

▲20나노 D램에서 2.4Gbps였던 동작 속도는 10나노급 D램으로 넘어오며 3.2Gbps로 향상됐다(PC∙서버 이용 기준)

실제로 PC나 서버 시스템 환경에서 10나노급 D램의 작동 속도(3.2Gbps)는 전작이었던 20나노 D램(2.4Gbps)에 비해 크게 향상됐다. 또한 작동 상태에 따라 소비 전력 역시 10~20% 절감됐다. 삼성전자는 PC∙서버용 제품에 이어 올해 중 용량과 성능을 동시에 개선한 10나노급 모바일 D램도 양산, 초고해상도 스마트폰 시장을 지속적으로 선점해나갈 계획이다.

데이터 처리 속도 향상에만 초점을 맞출 경우, 소비 전력을 늘리는 쪽으로 기술을 개발하면 된다. 하지만 전력 소비의 영향을 크게 받는 모바일 기기용 D램에선 풀(full) HD급은 물론, 4K UHD급 초고해상도 영상 데이터의 안정적 처리 능력이 필수다. 모바일 D램을 만들 때 ‘속도를 높이는 동시에 소비 전력량(배터리 사용량)을 절감하는’ 기술이 반드시 필요한 건 그 때문이다.

결국 △초미세 패턴을 한꺼번에 그려내는 사중 포토 노광 기술 △개별 캐패시터를 얇고 단단하게 만드는 초균일 유전막 형성 기술 △이 둘을 최적의 상태로 조합, ‘초고속∙초절전 구현’의 성과로 이어지게 하는 초고집적 설계 기술 등 3대 핵심 기술의 동시 구현이 10나노급 D램 양산의 비결인 셈이다.

‘프리미엄 D램 시장 선도’ 삼성의 역사는 계속된다

오늘 양산 사실이 발표된 삼성전자 10나노급 D램은 이전 모델인 20나노 D램과 비교했을 때 생산성과 속도가 각각 30% 이상 향상됐고 소비 전력 절감 효과도 약 20%에 이른다. 삼성전자는 이번 성과에 만족하지 않고 앞으로도 PC와 서버는 물론, 모바일 기기에 이르기까지 전 부문에서 ‘프리미엄 D램’ 시장을 지속적으로 선도해나갈 것이다.

삼성전자는 최신 독자 설계 기술과 업계 유일의 20나노 공정 기술을 적용해 용량과 성능을 더욱 높인 12기가비트 대용량 LPDDR4(Low Power Double Data Rate4) D램을 이달부터 본격 양산하기 시작했다.

이번 12기가비트 모바일 D램은 대용량·초고속 특성뿐만 아니라 낮은 소비 전력과 높은 신뢰성, 디자인 편의성까지 갖춘 제품으로 차세대 모바일 기기 개발을 위한 최고의 메모리 솔루션을 제공한다.

특히 작년 12월 양산을 시작한 2세대(20나노) 8기가비트 LPDDR4 D램보다 용량을 50% 향상시키면서도 속도는 30% 이상 높인 4266Mbps를 구현해 최신 고속 PC용 D램보다 2배 빠르며 소비 전력은 20%나 줄였다.

※ PC용 DDR4 D램의 핀(Pin) 당 데이터 처리 속도는 2133Mbps

또한 1세대(20나노급) 8기가비트 LPDDR4 D램보다 생산성을 50% 이상 높임으로써 플래그십 스마트폰과 태블릿 등 최신 모바일 기기의 대용량 D램에 대한 수요 증가세를 견인할 것으로 기대된다. 

이번 12기가비트 D램은 칩 하나로 1.5기가바이트(GB)의 대용량 메모리를 구성할 수 있고, 업계에서 유일하게 칩 4개를 쌓아 올려 차세대 모바일 기기에 탑재될 초대용량 6기가바이트 모바일 D램 패키지를 만들 수 있다. 

'6기가바이트 LPDDR4'는 최신 OS기반 태블릿 PC에서 최고 성능을 구현하고 배터리 사용 시간까지 늘릴 수 있어 소비자들이 더욱 빠르고 편리하게 초고화질 영상을 보거나 편집할 수 있도록 한다. 

특히 6기가바이트 패키지는 독자 개발한 초소형 설계 기술을 적용해 기존 3기가바이트 패키지와 크기·두께를 동일하게 할 수 있어 차세대 모바일 기기의 디자인 편의성과 생산 효율성을 극대화했다. 

한편 삼성전자는 12기가비트 LPDDR4 D램에 기반한 올인원(All-In-One) 메모리 솔루션을 통해 모바일 메모리의 사업 영역을 기존 스마트폰·태블릿 시장을 넘어 울트라슬림PC·디지털 가전·차량용 메모리 시장까지 확대한다는 전략이다.  

최주선 삼성전자 메모리사업부 전략마케팅팀 부사장은 "12기가비트 D램 양산으로 글로벌 IT 고객들의 사용 편의성을 더욱 높인 차세대 시스템을 출시하는 데 기여했다"며 "앞으로도 다양한 분야의 고객들과 기술 협력을 확대하고 용량과 성능을 한 단계 높인 모바일 D램을 선행 출시해 새로운 IT 시장을 창출해 나갈 것"이라고 강조했다. 

향후 삼성전자는 12기가비트 LDDR4 D램 기반의 고용량 라인업을 확대해 20나노 D램 라인업(12·8·6·4Gb)의 제품 경쟁력을 강화하는 한편, 차세대 신제품을 적기에 출시해 프리미엄 메모리 시장의 성장세를 주도하고 차별화된 사업 위상을 구축해 나갈 예정이다. 

[참고] 

■ 삼성전자 대용량 모바일 D램 양산 연혁  

• 2009년 256MB    (50나노급 1기가 MDDR, 400Mb/s)
• 2010년 512MB    (40나노급 2기가 MDDR, 400Mb/s) 
• 2011년 1GB·2GB  (30나노급 4기가 LPDDR2, 1066Mb/s) 
• 2012.8월 2GB      (30나노급 4기가 LPDDR3, 1600Mb/s) 
• 2013.4월 2GB      (20나노급 4기가 LPDDR3, 2133Mb/s) 
• 2013.7월 3GB      (20나노급 4기가 LPDDR3, 2133Mb/s) 
• 2013.11월 3GB    (20나노급 6기가 LPDDR3, 2133Mb/s) 
• 2014.12월 4GB    (20나노 8기가 LPDDR4, 3200Mb/s) 
• 2015.8월  3/6GB  (20나노 12기가 LPDDR4, 4266Mb/s) 

■ 삼성전자 미국 CES(Consumer Electronics Show) 수상 연혁(메모리 업계 유일 3년 연속 Embedded Tech.부문 혁신상 수상) 

• 2013.1월 2GB LPDDR3 (30나노급 모바일 D램)
• 2014.1월 3GB LPDDR3 (20나노급 모바일 D램)
• 2015.1월 4GB LPDDR4 (20나노 모바일 D램)

▲삼성전자 12기가비트(Gb) 모바일 D램