마침내 한계에 이르는 낸드플래시의 미세화와 대용량화마침내 한계에 이르는 낸드플래시의 미세화와 대용량화

Posted at 2012. 10. 23. 16:29 | Posted in IT/Hardware/Storage

NAND 플래시 메모리의 미세화와 대용량화가 한계에 확실하게 다가오고있다. NAND 플래시 메모리의 한계론은 과거에 몇번이나 언급되어 그때마다 한계가 돌파되어왔다. 그러나 이번 이야말로 진짜 한계가 될 것 같다.


 NAND 플래시 메모리는 당초 30nm 세대가 한계됐다. NAND 플래시 메모리의 연명책으로 데이터 저장 방식을 "전하 포획 (차지 트랩) 방식"으로 변경이 거론했다. 덧붙여서 현재의 기억 방식은 "부유게이트 (플로팅 게이트) 방식"이라고하고, 전기적으로 절연된 상태 (플로팅 상태)의 전극에 전하를 저축할 데이터를 기억한다.


 후속 기술 개발을 통해 30nm 세대 (32nm 기술 및 34nm 기술 등)의 플로팅 게이트 방식 NAND 플래시 메모리 상용화됐다. 다음 한계론은 20nm 공정이되었지만, 24nm 기술 및 25nm 기술의 플로팅 게이트 방식 NAND 플래시 메모리가 실용화 된 것으로, 한계설은 10nm 세대로 늦어졌다. 그러나 최근의 연구 개발 상황에 따르면, 10nm 세대에도 한계는 있을것 같다.


 이미 19nm 기술의 대용량 NAND 플래시 메모리를 도시바와 SanDisk의 공동 제조 그룹이 양산 중이다. 이 세대는 "1X (X) nm 세대"라고도 불린다. 2012 년 초에 양산이 시작되어 현재 SSD에도 탑재되고 있다. 1X 세대 다음은 알파벳 순서로 "1Y (와이) nm 세대", 그리고 "1Z (제트) 세대 '의 순서로 미세화가 진행된다. 도시바에 따르면 1Ynm 세대 양산은 거의 확실하다. 1Y 값은 명확하게하고 있지 않지만, 18 ~ 15 보인다. 즉, 18nm ~ 15nm로 미세화된다. 양산은 2013년. 이르면 2013년 1분기에 양산이 시작된다.


●14 nm~10nm쯤 현재 기술로는 한계에 봉착한다. 




SanDisk가 2012년 2월에 개최한 강연회에서 발표한 NAND 플래시 메모리 개발 로드맵



 1Znm 세대는 지금은 양산이 확실시되는 단계는 오지 않았습니다. 그러나 개발은 진행되고있다. 순조롭게 개발이 진행되면, 2014 년에는 양산이 시작. 1Znm 세대는 14nm ~ 10nm로 미세화가 진행된다. 지금까지 개발 로드맵이 보이고있다. 그리고 그 끝은 보이지 않았다. 미세화를 진행하려면 리소그래피 기술의 개발이 필수적이지만, 10nm 이하의 미세화는 현재 리소그래피 기술의 향상은 달성이 어렵다. 특히 ArF 액침 노광 기술과 다중 노광 기술을 결합한 리소그래피 기술되는데,이 기술은 비현실적인 수준으로 제조 비용이 뛰어 버린다.


 따라서 1Znm 세대가 NAND 플래시 메모리에 진정한 한계가 될 것 같다. 리소그래피 기술의 한계가 주요인이므로 차지트랩 방식은 해결 수단이되지 않는다. 따라서 차세대 메모리 기술, "포스트 NAND"기술이 클로즈업된다. 


● 이미 시작되고있는 "포스트 NAND"시대 

 여기서주의해야 할 것은, 20nm 공정까지 미세화는 실리콘 다이의 대용량화를 의미하고 있던 것에 대해, 1X 세대 이후는 실리콘 다이가 대용량화하지 않고 실리콘 다이 면적 축소 , 즉 및 제조 비용 절감에 이용되는 것이다. 과거에는 43nm 세대가 16Gbit (MLC 방식 즉 2bit / 셀 방식) 실리콘 다이 양산 기술, 34nm 세대가 32Gbit (MLC 방식) 실리콘 다이 양산 기술에 이용되어왔다. 그리고 24nm 세대는 64Gbit (MLC 방식)으로 대용량화가 진행되었다.


 그런데 19nm 기술로 양산하는 것은 24nm 세대와 같은 용량의 64Gbit (MLC 방식) 실리콘 다이이다. 미세화는 용량 확대에 사용되지 않고, 실리콘 면적 감소에 독점적으로 이용된다. 그리고 도시바와 SanDisk가 보여준 개발 로드맵에서는 1Ynm 세대와 1Znm 세대 모두 실리콘 다이의 저장 용량은 64Gbit (MLC 방식)의 상태이다. 대용량화를 담당하는 것은 3bit / 셀 방식 (TLC 방식)의 NAND 플래시 메모리 다. 1Xnm ~ 1Znm까지 일관되게, TLC 방식의 128Gbit 실리콘 다이를 양산 할 계획이다.


 미세화가 제조 비용에 사용되고, 대용량화에는 사용되지 않는다. 이는 NAND 플래시 메모리에 대한 비트 비용 절감 압력이 쉽지 않은 수준으로 높아지고 있음을 시사하고있다. 대용량화함으로써 실리콘 다이 면적이 확대하고 제조 비용이 증가하면 비용 상승에 맞는 비율로 가격을 올릴 수없는. 과거에는 미세화가 비교적 순조롭게 진행 되었기 때문에, 용량 당 제조 비용을 빠르게 낮출 수 있었다. 같은 속도로 비용 절감은 더 이상 어렵다.


 또 다른 문제는 1Xnm 세대 이후는 단순한 실리콘 다이의 축소를 통한 비용 절감의 혜택을 받기 어렵게되어있는 것이다. NAND 플래시 메모리의 고밀도화를 막는 가장 큰 문제는 인접한 메모리 셀 간의 전기적 간섭이다. 전기적 간섭을 막기위한 궁리가 제조 과정을 복잡하게하고 비용 절감을 저해한다.


 이렇게 살펴보면, 1Xnm 이후 NAND 플래시 메모리는 이미 한계 영역에 들어가 있다고 할 수있다. 한계는 갑자기 나타나는 것이 아니라, 천천히 각도를 더해가는 언덕길을 오르는 것처럼 서서히 자형을 드러내고 간다. 어디에 오르는을 포기 하는가? 포기한 곳이 한계가된다. 그런 의미에서 "포스트 NAND"이미 시작되고 있다고 말할 수있다.


● 3D NAND 플래시를 도시바와 샌디스크가 공동 개발 중 


 화제를 포스트 NAND 기술에 되돌리자. 포스트 NAND 플래시 기술의 유력 후보는 3차원 입체 구조의 비휘발성 메모리이다. 메모리 셀 어레이를 기존의 횡 방향이 아니라 실리콘 웨이퍼 표면에 수직 방향, 즉 수직으로 쌓아 올리는 것으로, 실리콘 면적당 밀도를 높인다. NAND 플래시 메모리의 주요 제조 업체는 모두 3차원 입체 구조의 플래시 메모리를 개발 중이다.


 낸드플래쉬 최초개발업체이자 선두주자인 도시바는 2009 년 6 월에 "BiCS (Bit Cost Scalable)"라고 명명 한 3차원 입체 구조의 플래시 메모리를 시작하고 그 결과를 국제 학회에서 발표 했다. 2011 년부터 도시바와 SanDisk가 정식으로 BiCS 기술의 공동 개발을 진행하고있다. 그 첫 번째 제품은 저장 용량이 256Gbit하면 사상 최대의 용량을 갖춘 실리콘 다이된다. 세로로 쌓아 트랜지스터의 수는 24 개. 2 개의 수직 과대 구조 한 쌍의 셀 현악기로하기 때문에, 하나의 문자열에 48 개의 메모리 셀이 이어진다. 말하자면 세로 과대의 NAND 플래시이다. 이에 MLC 방식을 결합.


 양산 개시시기는 2015 년 이후. 샘플은 2014 년에 출하하고 싶다고한다. 256Gbit 제품 외에, 컷 다운 버전인 128Gbit 제품도 생산한다. 이미 2012 년 2 월 현재, 24 개의 셀 트랜지스터를 수직 과대 한 MLC 방식의 실리콘 SanDisk가 공표 된이다.


"BiCS (Bit Cost Scalable)"방식의 3 차원 플래시 메모리. 

도시바가 2009 년 6 월에 국제 학회에서 발표 한 모식도


BiCS 방식의 3 차원 플래시 메모리의 개발 상황. 24 개의 셀 트랜지스터를 수직 과대 한 구조에서 2bit / 셀 (MLC)의 읽고 쓰기를 실현하고있다. 



● 3D 대용량 ReRAM을 도시바와 SanDisk가 공동 개발 

 BiCS 방식의 3차원 플래시 메모리와 같이 도시바가 "포스트 NAND"으로 자리 매김하기 시작한 것이, 저항 변화 메모리 (ReRAM)이다. 저항 변화 메모리는 차세대 비 휘발성 메모리의 후보 중 하나이며, 최근 급속히 각광을 받게되었다. 비교적 빠른 쓰기 성능과 비 휘발성을 겸비한 메모리로, 국내외 기업에서 연구 개발이 진행되고있다.


 도시바가 "포스트 NAND"의 후보에 ReRAM을 적용하게 된 것은 최근의 일이다. 2011 년의 단계에서는 도시바가 저항 변화 메모리에 관련한 연구 개발을 진행하고 있었다고 공표 자료는 발견되지 않았다. 도시바가 공식적으로 ReRAM을 배치 NAND 후보로 표명 한 것은 2012년 7월 10일에 공표 한 "도시바 그룹의 연구 개발 전략"이 처음 인 것 같다.


 도시바가 포스트 NAND이라고 자리 매김 ReRAM은 크로스 포인트 형의 메모리 셀 어레이를 쌓아 3차원 적층 구조의 메모리이다. 이 대용량 메모리는 SanDisk가 2011 년 8 월에 미국의 강연회 "Flash Memory Summit"에서 발표 한 차세대 메모리 "3D RRAM"과 매우 비슷하다. SanDisk는 도시바보다 빠른시기에 3 차원 적층 구조의 ReRAM 기술 "3D RRAM"를 포스트 NAND 기술로 제창하고 독자적으로 기술자를 채용하고 연구 개발 활동을 진행해왔다. 2012 년 2 월에는 24nm 기술로 제작 한 실리콘 다시 사이클 결과 등을 공표하고있다.



SanDisk가 제안한 포스트 NAND 기술. 왼쪽이 BiCS 방식의 플래시 메모리, 오른쪽이 3 차원 적층 구조의 저항 변화 메모리

3 차원 적층 구조의 ReRAM의 개발 상황. 오른쪽은 24nm 기술로 제작 한 테스트 칩에서 다시 사이클을 실시한 결과



SanDisk가 보여준 대용량 NAND 플래시 메모리 및 포스트 NAND의 개발 상황



 이렇게 살펴보면, SanDisk의 포스트 NAND 개발 로드맵에 도시바가 동행해 간 것처럼 엿볼 수있다. 가까운 장래에 3차원 구조의 대용량 ReRAM이 도시바와 SanDisk의 공동 개발 프로젝트가 될 가능성은 적지 않다.


● 차세대 MRAM은 2013년 말의 샘플 출하를 목표로 

 도시바의 차세대 메모리 개발로 지금까지 반도체 커뮤니티 알려져 온 것은, 차세대 자기 메모리 (MRAM) 것 "STT (Spin Transfer Torque)-RAM"이다. DRAM에 가까운 읽고 성능과 저장 용량을 실현할 수있는 비휘발성 메모리로서 기대되는 메모리이다. 도시바는 기술적으로 가장 어려운 원리 적으로는 가장 높은 밀도를 노릴 수직 자기 기록 방식의 STT-RAM을 가장 일찍부터 개발 한 기업으로 알려져있다.


 도시바는 2011 년 7월에 한국의 NAND 플래시 메모리 선두 SK Hynix와 STT-RAM의 공동 개발에 합의했다. 현재는 SK Hynix의 연구 개발 거점 인 한국의 이천 (Icheon)에 도시바의 기술자가 출장하고 공동 개발을 진행하고있다.


 도시바에 따르면, STT-RAM의 응용 분야로 상정하고있는 것은 워크 메모리이며, NAND 플래시 메모리 같은 저장 응용 생각하지 않는다. 첫 번째 제품은 DRAM과 비슷한 저장 용량을 갖추고있다. 구체적으로는 4Gbit 품이된다. 2013 년 말에는 샘플을 출시한다. 4Gbit 실리콘 다이 다음은 8Gbit 실리콘 다이를 제품화한다.



도시바가 2010 년 2 월에 시작을 발표했다 64Mbit STT-RAM의 실리콘 다이 사진

SK Hynix와 미국 Grandis(2011년 8월에 Samsung Electronics에 인수되었다)가

 2010년 12월에 공동 시작을 발표한 64 Mbit STT-RAM의 실리콘 다이 사진


● NAND 플래시 메모리 사업의 미래 

 신경이 쓰이는 것은 도시바의 NAND 플래시 메모리 사업에 그늘이 보인다는 것이다. 2012 회계 연도 (2012 년 4 월 ~ 2013 년 3 월)에 들어가, 도시바의 NAND 플래시 메모리 매출액은 급격히 떨어졌다. 2012 회계 연도 1 분기 (2012 년 4 월 ~ 6 월기)는 동일본 대지진의 영향으로 판매가 떨어졌다 2011 년 1 분기에조차 닿지 않는 참담한 결과가되었다. 파트너인 SanDisk의 매출도 부진한. 2011 년 말까지 2009 년부터 순조롭게 매출을 확대 해왔다지만, 2012 년에 들어서는 2 분기 연속 매출이 대 전기 대비 감소했다.


 도시바는 2010 년도와 2011 년도의 경영 방침 설명회에서 NAND 플래시 메모리만으로 2015 년에는 1조엔을 넘는 매출을 달성한다는 목표를 내걸고 있었다. 그런데 2012 년 5 월의 경영 방침 설명회는 2015 년도 목표 매출액을 7,000 억 원으로 대폭 하향 조정했다. 목표액은 2011 년도 시점의 3 분의 2 이하에 불과하다.




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