[교양이 되는 반도체] 삼성전자가 세계 최초라고? 나날이 층수가 높아지는 ′3D NAND 플래시′

[교양이 되는 반도체] 삼성전자가 세계 최초라고? 나날이 층수가 높아지는 '3D NAND 플래시': 이예담 / 기사승인 : 2021-03-16 13:34:59

2013년, 반도체 업계를 떠들썩하게 만들었던 삼성전자의 발표. 바로, 세계 최초로 3차원 수직구조 낸드(3D V-NAND) 플래시 메모리를 개발하여 양산을 시작하였다는 소식이었다.

이후, 많은 반도체 기업이 3D NAND 기술을 이용하면서 32단, 48단, 72단 등 계속해서 적층 수를 높여가며 3D NAND를 개발했다. 그런데, 3D NAND는 과연 무엇일까?

우선, 낸드 플래시(NAND flash)가 무엇인지부터 알아야 한다. 이전 기사(교양이 되는 반도체 #1, PIM)에서 설명했듯이, 메모리 반도체는 연산 작업을 하는 데 필요한 데이터를 저장하는 역할을 한다.

메모리 반도체는 크게 '휘발성 메모리'와 '비휘발성 메모리'로 나눌 수 있다. 휘발성 반도체는 공급되는 전원이 없을 때, 그 데이터가 지워지는 휘발성 소자이다. 반대로 비휘발성 반도체는 공급되는 전원이 없어도 그 데이터가 지워지지 않는 비휘발성 소자이다.

휘발성 메모리는 CPU가 필요로 하는 데이터와 계산 결과들을 담을 수 있는 저장공간으로 사용된다. 따라서 전원이 꺼져 CPU가 일을 하지 않을 때, 저장공간의 데이터가 지워지게 된다.

비휘발성 메모리와 플래시 메모리는 속도는 느리지만, 저비용, 고용량을 목표로 하는 2차 메모리의 역할을 하는 데이터 저장장치이다. 쉽게 설명하면, 작게는 우리가 들고 다니는 USB부터 시작해서 크게는 컴퓨터 내부에 있는 하드디스크(HDD)를 대체하는 저장장치라고 생각하면 된다.

3D NAND는 간단히 말해서, 기존의 평면적인 낸드 플래시 구조를 수직으로 세우고, 수평 방향으로 여러 평판 플래시 메모리를 접붙인 형태로 이해하면 된다.

이전까지 양산된 낸드 플래시 메모리는 기술의 고도화에 따라 반도체 공정이 미세화되면서, 셀 간 간격이 대폭 좁아져 전자가 누설되는 간섭 현상등이 발생하는 등, 물리적 한계에 도달해있었다.

하지만, 기존의 낸드 플래시를 3차원 수직으로 적층하는 3D NAND 기술 덕분에 원가 절감 측면 뿐만 아니라, 셀 간의 간섭 영향을 대폭 줄여주고, 성능이 최소 2배 이상 향상되었다.

3D NAND 플래시 기술의 도입으로, 수직 구조로 셀을 적층하는 방식이 새롭게 도입되자 많은 반도체 제조 기업은 셀을 더 높으면서도 많이 적층하기 위해 공정 기술의 고도화에 집중했다. 원하는 만큼 낸드 플래시를 높게 쌓을 수 있다면 좋겠지만, 플러그 공정의 어려움, 소자 특성의 변화 등의 해결해야 할 문제가 많기 때문에 마냥 높게 쌓는 일이 쉬운 것은 아니다.

한편, 최근에는 3D NAND에서 더 고도화된, 4D NAND 플래시 및 더블스택 기술이 발표되는 등 아직도 반도체의 무궁무진한 개발은 계속되고 있다.