삼성전자에 도전하는 도시바의 3D 낸드플래쉬

대용량 NAND 플래시 메모리가 마침내 3D화 (3차원화)했다. "3D NAND"기술은 메모리 셀을 3차원 화하는 것으로, 실리콘 면적당 기억용량 (메모리 밀도)를 기존의 메모리 셀 기술 ( "2D NAND"또는 "평면 NAND"등으로 불린다)에 비해 비약적으로 강화된 기술이다.

　대용량 NAND 플래시 메모리 개발 기업은 많지 않다. 삼성전자, SK하이닉스, 도시바와 샌디스크 연합개발 팀, 미국 마이크론과 인텔의 공동개발팀이 있다. 

총 4개의 연구 개발 그룹밖에 없다고 해도 NAND 플래시의 개발 경쟁은 치열하다. 업체들은 가격 인하 경쟁으로 값이 폭락해 거액의 적자를 쓴 역사가있다.

　대용량화와 저비용화를 양립시키는 비장의 카드로서, 이전부터 3D NAND 기술에 큰 기대가 걸려왔다. 위의 4개 기업 (및 기업 그룹)은 모두 3D NAND 기술의 연구 개발에 적극적으로 임하고있다. 그 최신 기술력을 이번 "Flash Memory Summit (플래시 메모리 서밋) '에서 밝혀졌다.

　3차원화에 앞장서 것은 NAND 플래시 메모리 최대 공급 업체 삼성전자이다. 삼성전자는 플래시 메모리 서밋 직전 (8월 6일)에 3D NAND 플래시 메모리 양산 개시를 발표 했다.

▲낸드플래쉬 시장점유율

삼성전자 1Tbit의 초대형용량의 낸드플래시를 선보이다.

8월 13일 기조 강연에서 삼성전자는 3D NAND 플래시 메모리의 개요를 공표했다. 강연 제목은 "Ushering in the 3D Memory Era with Vertical NAND (수직 NAND가 초대 3 차원 메모리 시대)." 강사는 2명. Jim Elliott 씨 (미국 Samsusng Semiconductor 메모리 마케팅 담당 부사장)과 ES Jung 씨 (한국 Samsung Electronics Semiconductor R & D Center의 부사장 겸 제너럴 매니저)이다. 3D NAND 플래시 메모리는 주로 ES Jung 씨가 설명했다.

▲3D NAND 플래시 메모리의 개요를 설명했다 ES Jung 씨 

8월 6일에 삼성전자가 3D NAND 플래시 메모리의 양산화를 발표한 시점은 용량이 128Gbit NAND 플래시 메모리로는 기존 2D방식의 최대 용량과 같다. (평면 NAND 플래시의 최대 용량과 동일), 24개의 메모리셀을 수직으로 연결하는 것 (24층의 적층 메모리 셀), 저장 방식은 전하 포획 방식 (차지 트랩 방식)이며, 기존 (평면 NAND 플래시)의 부유 게이트 방식이 아닌 것 등 이 밝혀져 있었다. 한편 제조 공정기술 (가공 치수) 및 실리콘 다이 면적 등은 알려지지 않았다.

　Jung 씨의 강연과 질의 응답에서 답한것으로는 3D낸드 제조공정은 30nm 기술보다 좀 더 구형이고, 메모리 셀은 2bit MLC 방식이다, 

그리고 1Tbit과 엄청난 저장용량이 가능해졌다는것 등 구체적인 가공 치수 및 실리콘 다이 면적 등은 결국 밝혀지지 않았다.

▲NAND 플래시 메모리의 미세화 추세. 

3D NAND 기술을 통해 제조 기술을 미세화하지 않고도 24적층기술을 통해 1Tbit과 엄청난 저장 용량을 원칩으로 실현 가능하게된다.

이렇게 되면 낸드플래쉬수명과 용량증가 2마리 토끼를 다 잡을 수 있다. 대신 제조단가는 비싸다. 

또한 삼성전자는 3D NAND 기술을 "V-NAND (Vertical NAND)"라고 부르고있다

삼성전자는 3D NAND 플래시를 탑재한 SSD와 노트북을 선보이다.

발표회장이 깜짝 놀라게 한 것은 오히려 Jung 씨가 설명을 마친 후이다. 뒤를이은 Elliott 씨가 128Gbit의 3D NAND 플래시를 내장한 SSD를 발표했기 때문이다. 

2.5 인치 폼 팩터에 최대 960GB를 저장할 수 있습니다. 기존의 2D NAND 플래시의 SSD에 비해 3D NAND 플래시를 내장한 SSD는 기판의 면적이 줄어들었고 쓰기 성능이 향상되고 소비 전력이 줄어 들었다고 말했다.

　Elliott 씨는 또한 3D NAND 플래시를 탑재한 SSD와 노트북을 손에 들고, 청중을 어필했다. Jung 씨와 Elliot 씨의 강연이 완료된 후, 청중은 박수와 환호로 3D NAND 플래시의 데뷔를 축하했다.

▲128Gbit의 3D NAND 플래시를 내장한 SSD의 외관. 

저장 용량은 480GB/960GB 2가지이며

기업용으로 판매될 예정이다.

▲기존의 2D NAND 플래시를 내장한 SSD와 128Gbit의 3D NAND 플래시를 내장한 SSD의 내부비교

구체적인 수치는 밝히지않고 있으나 향상된것은 분명해 보인다.

SK하이닉스는 3D NAND 플래시 웨이퍼를 전시

8월 14일 정오에 시작된 전시회에서는 SK하이닉스가 3D NAND 플래시 메모리 개발 성과를 선보였다. 

3D NAND 플래시를 만들어 넣은 300mm 웨이퍼를 전시했다. 전시 부스의 설명원에 의하면, 실리콘 다이당 저장 용량은 128Gbit 으로 방식은 전하 포획 방식의 MLC (2bit / 셀)이다. 상용 샘플을 2014년 1분기에 출하하고자한다. 또한 회사는 전시 부스에 LCD 디스플레이를 놓고 짧은 비디오를 3D NAND 기술을 어필하고 있었다.

▲3D NAND 플래시를 만들어 넣은 300mm 웨이퍼

▲3D NAND 기술을 어필했다. 

기존의 2D NAND 셀 구조 (왼쪽)과 이번 3D NAND 셀 구조 (오른쪽)를 보여줬다.

샌디스크는 2 차원의 개혁 Samsung의 3 차원에 대항

8월 13일 오후 6시에 개최된 본회의 "Flash Below 20nm-What is Coming and When?"는 SanDisk와 Micron이 각각 3D NAND 플래시의 개발 상황을 쉽게 설명했다.

　SanDisk에서 기술 개발 담당 부사장 Ritu Shrivastava 씨가 등단했다. 샌디스크는 도시바와 공동으로 3D NAND 플래시 메모리를 개발 중이다. 

도시바가 개발한 3D NAND 플래시 기술 "BiCS"를 기반으로하고 있으며, 파일럿 생산시기를 2015년 후반으로 보고 있었다. 현재는 2D NAND 기술의 미세화를 진행하고 있으며, 올해 (2013년) 하반기에 19nm 세대 (현재 양산중)의 차세대에 해당하는 1Y 세대 양산을 시작한다. 그리고 내년 (2014년) 말에는 더욱 미세화를 진행했다 

1Znm 세대 생산을 시작한다.

　샌디스크의 강연에서 흥미로 웠던 것은 기억밀도 (GB 당 실리콘 면적)에서 경쟁사보다 우수하다고 주장한 것이다. 

그것도 경쟁사의 3D NAND 플래시 기술 (3세대)와 SanDisk (및 Toshiba)의 1Znm 세대 평면 NAND 메모리 밀도는 거의 같은 정도라고한다. 

경쟁이라는 것은 삼성전자 이외에는 생각하기 어렵다. 삼성전자의 3D NAND 기술에 샌디스크와 도시바는 기존 기술의 개량으로 충분히 대항 할 수 있다는 메시지 일 것이다.

▲샌디스크와 도시바의 낸드플래시 개발 로드맵

당분간 2D 미세공정으로 대응하고

3D 낸드플래쉬는 2016년에 양산예정

삼성전자는 2013년 8월 3D낸드 양산을 시작했다.

▲샌디스크와 도시바가 추진하는 2D (평면) NAND 플래시 메모리의 미세화

▲3D NAND 기술의 제조 비용 (기억 밀도) 비교.

 또한 샌디스크와 도시바가 개발중인 3D NAND 셀은 부유 게이트 기술이 아니라 전하 축적 (충전 트랩) 기술 MLC (2bit / 셀)이다

마이크론은 256Gbit을 목표로 3D 낸드플래시를 개발중

크루셜이나 렉사로 유명한 마이크론에서는 낸드프로세스 통합 수석 이사 Chuck Dennison 씨가 등단했다. 마이크론은 인텔과 공동으로 대용량 NAND 플래시 메모리를 개발해왔다. 3D NAND 플래시 기술도 마이크론과 인텔은 공동으로 개발 중이다.

　마이크론은 7월 16일, 16nm 128Gbit NAND 플래시 메모리 샘플 출하를 발표 하고있다. 기억 방식은 MLC (2bit / 셀)이다. Dennison 씨는 메모리 개발의 로드맵을 보여, 16nm 세대 다음은 3D NAND 세대이며, 실리콘 다이당에서 256Gbit의 저장 용량을 제공한다고 말하고 있었다. 양산시기 및 샘플 출하시기 등은 공개하지 않았다.

▲DRAM과 NAND 플래시 로드맵

마이크론은 최근 16nm MLC를 발표했다.

낸드플래시 메모리의 대용량화는 평면 방향의 축소에서 수직적층으로 크게 방향을 틀고있다. 언젠가는 모든 업체가 3D 적층으로 가는것은 분명하다. 2차원 상태에서는 기억 밀도의 향상, 즉 실리콘 대당 대용량화가 한계에 도달 할 수 분명하기 때문이다. 

그러나 내년 (2014년) 단계에서 3차원의 3D낸드가 승리하는 것은 아니다. 

미세공정,제조단가.수율측면에서 2차원의 기존 낸드플래쉬가 압도적인 승리로 2015년을 맞을 가능성이 높다. 

싸움은 이제 막 시작되었다. 

당분간은 삼성전자와 샌디스크&도시바의 싸움을 지켜 볼 필요가 있을 것 같다.

▲제조업체 3사의 3D낸드플래쉬 구조는 다르다.

▲삼성전자의 3D낸드 혁신

▲삼성전자가 2013년 8월 6일 3D낸드 양산을 발표하자

8월 7일자로 도시바는 양산시기를 앞당겨 2013년내에 3D낸드를 선보일 계획이라고 발표했다.