AI 핵심 요약
beta- 삼성전자가 23일 imec·KU루벤·램리서치와 산화물 반도체 채널 기반 모놀리식 3D D램 공동 논문을 발표했다
- HBM·서버용 D램 경쟁력 강화와 함께 셀을 수직 적층하는 3D D램·새 채널 소재 연구로 미세화 한계 이후를 준비하고 있다
- 현재 D램 1위인 삼성전자는 중국 추격과 장기 집적도·전력 한계에 대응하기 위해 단기 제품 경쟁과 중장기 구조 전환 연구를 병행하고 있다
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D램 점유율 1위 유지…미세화 한계 대응
[서울=뉴스핌] 김정인 기자 = 삼성전자가 고대역폭메모리(HBM)와 서버용 D램 등 인공지능(AI)용 고부가 제품 경쟁력을 높이는 동시에, 기존 평면 D램의 미세화 한계를 넘어설 차세대 구조 연구를 병행하고 있다.
당장은 HBM과 고용량 D램 수요에 대응하면서도 장기적으로는 셀 자체를 수직으로 쌓는 3차원(3D) 구조와 새로운 채널 소재를 검토해 미래 D램의 집적도와 생산성 한계에 대비하려는 전략이다.
23일 반도체 업계에 따르면 삼성전자 소속 연구자는 최근 유럽 반도체 연구기관 imec과 루벤가톨릭대학교(KU Leuven), 반도체 장비업체 램리서치(Lam Research) 연구진과 산화물 반도체 채널을 적용한 모놀리식 3D D램 구조를 다룬 공동 논문을 발표했다.
◆ HBM은 칩 적층…3D D램은 셀 구조 전환
HBM과 3D D램은 모두 '쌓는다'는 공통점이 있지만 적층 대상과 목적이 다르다. HBM은 완성된 D램 칩 여러 개를 수직으로 쌓아 한 번에 더 많은 데이터를 주고받도록 만든 제품이다. 반면 3D D램은 하나의 칩 안에서 정보를 저장하는 셀 자체를 수직으로 세우거나 여러 층으로 구성해 집적도를 높이는 기술이다.
현재 D램은 트랜지스터 1개와 커패시터 1개로 셀을 구성한다. 셀을 평면에서 계속 작게 만들면 커패시터에 저장할 수 있는 전하량이 줄고, 트랜지스터가 꺼진 상태에서 새는 전류를 관리하기도 어려워진다.
3D D램은 셀을 옆으로 더 줄이는 대신 위쪽 공간을 활용한다. 같은 면적에 더 많은 셀을 배치할 수 있지만 층마다 트랜지스터와 커패시터를 만들고 배선을 연결해야 해 공정 난도가 높다. 적층 수가 늘어날수록 배선 사이의 신호 간섭과 소자 신뢰성도 함께 관리해야 한다.
이번 공동 논문은 3D D램의 채널 소재로 산화물 반도체인 인듐·갈륨·아연 산화물(IGZO)을 적용하는 방안을 다뤘다. IGZO는 트랜지스터가 꺼진 상태에서 새는 전류가 적고 증착 방식으로 형성할 수 있어, 여러 소자층을 차례로 쌓는 구조의 후보 소재로 연구되고 있다.
연구진은 산화물 반도체를 적용할 경우 누설전류 부담을 낮출 가능성과 함께, 수직 적층 과정에서 워드라인과 비트라인 사이의 전기적 간섭이 커질 수 있다는 점도 제시했다.
◆ D램 시장 선두…미래 구조 연구 병행
삼성전자가 3D D램을 연구하는 배경에는 AI 시장 확대와 D램 미세화 한계라는 두 가지 변화가 맞물려 있다.
AI 데이터센터 투자가 늘면서 HBM과 고용량 서버용 D램 수요는 빠르게 증가하고 있다. 삼성전자는 당장 HBM과 서버용 D램의 성능과 생산능력을 높여 시장 수요에 대응해야 한다.
그러나 HBM 역시 내부에는 기존 D램 셀을 사용한다. 칩을 높게 쌓고 데이터 통로를 넓히더라도 개별 D램 셀의 집적도와 전력 효율을 지속적으로 높여야 HBM의 용량과 성능도 함께 개선할 수 있다.
결국 HBM 경쟁이 고도화될수록 패키징뿐 아니라 D램 셀 자체의 기술 혁신도 중요해진다. 기존 평면 D램의 미세화가 한계에 가까워지면 셀을 수직으로 쌓거나 소재를 바꾸는 구조적 전환이 필요할 수밖에 없다.
삼성전자는 현재 평면 D램의 미세공정 전환을 이어가는 동시에 3D 구조와 새로운 채널 소재를 검토하는 선행연구를 병행하고 있다. 단기 제품 경쟁과 중장기 기술 전환을 동시에 준비하는 것이다.
시장조사업체 카운터포인트리서치에 따르면 삼성전자는 올해 1분기 매출 기준 세계 D램 시장에서 38%의 점유율로 1위를 기록했다. SK하이닉스는 29%, 중국 창신메모리테크놀로지(CXMT)는 8%를 차지했다.
삼성전자가 현재 시장 지배력을 유지하려면 HBM과 서버용 D램의 경쟁력을 높이는 데 그치지 않고, 중국 업체의 범용 D램 추격과 장기적인 미세화 한계에도 대비해야 한다.
이번 논문은 삼성전자의 3D D램 양산 시기나 구체적인 제품 계획을 담은 자료는 아니다. 실제 소자 제작이나 실험 검증도 완료되지 않았다.
다만 삼성전자 연구진이 해외 연구기관과 장비업체 연구진과 함께 셀 구조와 채널 소재를 동시에 바꾸는 방안을 구체적으로 검토했다는 점에서 의미가 있다. 삼성전자가 HBM 이후에도 이어질 메모리 경쟁에 대비해 D램의 구조적 전환 가능성까지 연구 범위를 넓히고 있다는 점을 보여준다.
kji01@newspim.com
