[서울=뉴스핌] 서영욱 기자 = 세계 최대 파운드리(반도체 위탁생산) 업체 TSMC가 엔비디아의 요청으로 차세대 3차원(3D) D램 생산을 검토하는 것으로 알려지면서 글로벌 메모리 시장에 새로운 변수가 떠올랐다. TSMC는 약 30년 전 일반 D램을 실제 양산한 경험이 있는 데다 최근까지 3D D램 관련 특허를 확보하며 기술 개발을 이어왔다.

삼성전자와 SK하이닉스, 마이크론도 차세대 3D D램 개발에 나선 가운데 TSMC의 시장 진입 여부에 관심이 쏠리고 있다. 특히 TSMC가 이미 주요 메모리 업체들과 첨단 반도체 분야에서 협력하고 있어 실제 D램 생산에 나설 경우 기존 경쟁·협력 관계에도 변화가 예상된다. 다만 첨단 D램 양산에는 대규모 설비 투자와 수율·원가 경쟁력 확보가 필요한 만큼 단기간에 기존 메모리 3사의 시장 지위를 흔들기는 쉽지 않을 전망이다.

◆ 메모리 3사도 3D D램 개발…상용화까지 난제

9일 반도체업계에 따르면 삼성전자와 SK하이닉스, 마이크론은 차세대 메모리 기술인 3D D램 개발을 추진하고 있다.

3D D램은 메모리 셀 자체를 수직으로 여러 층 집적해 같은 면적에서 저장 용량을 늘리는 기술이다. HBM이 완성된 D램 칩 여러 장을 수직으로 쌓아 데이터 전송속도를 높이는 방식이라면, 3D D램은 칩 내부의 메모리 셀 자체를 여러 층으로 쌓아 저장 밀도를 높이는 기술이다.

삼성전자는 수직 채널 트랜지스터(VCT) 기술을 연구하며 2030년 3D D램 상용화를 목표로 제시했다. SK하이닉스는 기존 6F² 셀 구조의 미세화를 이어가면서 면적을 줄인 4F² 구조와 3D D램으로 단계적으로 전환할 방침이다. 지난달 28일 실적발표에서도 이 같은 기술 개발 방향을 재확인했다.

마이크론은 다른 접근법을 택했다. 4F² 구조를 건너뛰고 기존 6F² 공정의 미세화를 연장하면서 웨이퍼 본딩과 3D D램 기술을 개발하는 전략이다. 업체마다 기술 전환 경로는 다르지만 안정적인 수율과 생산원가 확보가 공통 과제로 꼽힌다.

엔비디아가 TSMC에 차세대 메모리 생산을 요청한 배경에는 인공지능(AI) 반도체 수요 급증에 따른 메모리 공급 제약이 자리 잡고 있다. 대형 AI 모델을 처리하는 데 필요한 메모리 용량과 데이터 전송속도가 중요해지는 가운데 고대역폭메모리(HBM) 생산에 많은 웨이퍼 생산능력이 투입되고 있다.

엔비디아로서는 기존 메모리 3사에 대한 공급 의존도를 낮추는 동시에 차세대 메모리 기술을 선제적으로 확보할 필요가 있다는 분석이다. 

다만 TSMC가 실제 D램 생산에 나서기까지는 상당한 시간이 필요할 전망이다. 반도체업계에서는 과거 양산 경험과 관련 특허를 확보하고 있더라도 최첨단 D램 생산에 필요한 설비와 공정기술을 새롭게 갖춰야 한다고 보고 있다.

업계 한 관계자는 "첨단 D램 생산을 위해서는 전용 설비 구축뿐 아니라 안정적인 수율과 원가 경쟁력 확보가 필수적"이라며 "특히 3D D램은 메모리 셀을 수직으로 쌓는 과정에서 공정 복잡성과 결함 관리의 어려움이 커지는 만큼 단기간에 상용화하기는 쉽지 않다"고 전했다.

뉴스트리트리서치도 지난 6일 보고서에서 3D D램의 본격적인 양산이 2030년 이전에는 어려울 것으로 전망했다. 엔비디아의 요청이 D램 셀 자체의 제조가 아니라 기존 D램을 그래픽처리장치(GPU) 위에 적층하는 첨단 패키징 기술과 관련됐을 가능성도 제기했다.

TSMC 역시 지난 7일 미국 반도체 전문매체 톰스하드웨어에 시장의 소문에는 논평하지 않겠다며 파운드리 본업에 집중하겠다는 입장을 밝혔다. 실제 메모리 사업 진출 여부는 여전히 불투명한 상황이다.

◆ 삼성은 수직계열화, SK는 협력관계 변수

TSMC의 사업 방향에 따라 삼성전자와 SK하이닉스에 미칠 영향도 달라질 전망이다. TSMC가 D램을 직접 생산한다면 메모리 3사에 새로운 경쟁자가 등장하게 된다. 반면 기존 메모리 업체들이 생산한 D램을 AI 반도체와 결합하는 첨단 패키징에 집중한다면 협력 관계가 더욱 강화될 수 있다.

삼성전자에는 메모리와 파운드리 양쪽에서 영향을 미칠 수 있다. 삼성전자는 D램 제조부터 HBM 베이스 다이, 첨단 패키징까지 자체 수행할 수 있는 수직계열화 체계를 갖추고 있다. 그러나 엔비디아가 TSMC 공정을 중심으로 맞춤형 HBM 설계를 표준화하고 TSMC가 메모리 생산까지 확대한다면 삼성전자의 사업 전략에도 새로운 경쟁 압력이 발생할 수 있다.

SK하이닉스는 TSMC와의 협력관계가 변수다. SK하이닉스는 2024년 TSMC와 HBM4 개발 및 첨단 패키징 협력에 합의하고 베이스 다이에 TSMC의 첨단 로직 공정을 활용하고 있다. TSMC가 패키징 사업에 집중하면 협력 기회가 확대되지만 D램을 직접 생산할 경우 핵심 협력사가 경쟁자로 바뀔 가능성이 있다.

다만 TSMC가 단기간에 기존 메모리 3사의 시장 지위를 흔들기는 쉽지 않다는 평가다. 반도체업계 관계자는 "삼성전자와 SK하이닉스, 마이크론은 수십 년간 첨단 D램을 생산하며 공정기술과 수율 관리 역량을 축적해 왔다"며 "TSMC가 과거 D램을 양산한 경험이 있더라도 현재의 첨단 메모리 시장에서 경쟁하려면 대규모 생산능력과 안정적인 수율, 제조원가 경쟁력을 새롭게 입증해야 할 것"이라고 말했다.

◆ 1997년 일반 D램 양산…올해도 관련 특허 확보

그럼에도 TSMC의 움직임에 관심이 쏠리는 이유는 과거 일반 D램을 실제 생산한 경험이 있기 때문이다.

TSMC는 1996년 일본 후지쓰와 D램 위탁생산 계약을 체결하고 이듬해 1월 대만 신주과학단지 제4공장에서 0.35마이크로미터(㎛) 공정 기반 16메가비트(Mb) D램 양산에 착수했다. 당시 8인치 웨이퍼 한 장에 D램 칩 440개를 배치할 수 있는 공정 능력을 확보했다고 발표했다.

이후 2006년에는 90나노미터(nm) 공정 기반 내장형 D램(eDRAM)을 양산했고, 2007년에는 마이크로소프트의 엑스박스360 그래픽 메모리 시스템에 해당 기술을 적용했다.

차세대 메모리 기술 연구도 이어졌다. TSMC는 지난해 10월 고밀도 3D D램 셀과 소형 커패시터 구조에 관한 미국 특허(US 12,453,076)를 등록했다. 메모리 셀을 수직으로 배치하고 누설전류가 적은 산화물 반도체 등을 활용해 저장 밀도를 높이는 기술이다.

올해 3월에는 수직 채널 트랜지스터와 커패시터를 결합하는 반도체 구조에 관한 미국 특허(US 12,593,442)도 추가로 확보했다. 기존 평면 D램의 집적도 한계를 극복하기 위한 연구를 지속하고 있다는 의미다.

첨단 로직 공정과 패키징 기술까지 보유한 TSMC가 메모리 생산에 나설 경우 기존 메모리 3사와의 경쟁·협력 관계에 변화가 나타날 수 있다는 점에서 업계의 관심이 이어지고 있다.

syu@newspim.com