D램 '마의 10나노 벽' 뚫은 삼성전자...첫 워킹다이 뽑았다 - 디일렉

삼성전자가 D램 10나노 벽을 허물고 있다. 한 자릿수 나노 D램 워킹다이(working die, 정상 작동 시제품)를 세계 최초로 만들어냈다. 삼성전자는 워킹다이 기준으로 공정 조건을 조율해 수율을 빠르게 확보하겠다는 계획을 세운 것으로 전해졌다. 24일 업계에 따르면 삼성전자는 지난달 10a 공정을 적용한 웨이퍼를 생산한 뒤 다이 특성을 검사하는 과정에서 워킹다이를 확인한 것으로 전해졌다. 4F스퀘어 셀 구조와 수직채널트랜지스터(VCT:Vertical Channel Transistor) 공정을 처음 적용한 결과물이다. D램 업계는 10나노대 공정에선 1x 1y 1z 1a 1b 1c 1d 순으로 세대를 나눠 불러왔다. 10a는 1d 다음 세대로 10나노 아래 첫 노드를 뜻한다. 실제 회로 선폭은 9.5~9.7나노 수준이라고 전문가들은 분석했다. 워킹다이는 웨이퍼에서 잘라낸 칩(die) 가운데 설계대로 동작하는 것을 말한다. 개발 단계에서 워킹다이가 나오면 설계와 공정 방향이 맞다는 신호로 본다. 이후 수율 확보와 신뢰성 검증 등 후속 작업에 들어간다. 삼성전자는 올해 이 구조로 10a D램 개발을 완료하고 내년에 품질 테스트, 2028년에 양산 라인으로 이관한다는 계획을 갖고 있다. 삼성전자는 4F스퀘어와 VCT 구조를 10a 10b 10c 세 세대에 걸쳐 쓸 계획인 것으로 전해졌다. 10d부터 3D D램으로 전환한다. 업계 관계자는 "삼성전자는 10a 공정이 실패할 수도 있다는 우려감에 기존 방식대로 차차기 D램을 설계하는 팀도 따로 꾸렸던 것으로 안다"면서 "그러나 워킹다이가 나왔기 때문에 해당 기술로 개발 양산화 작업이 급물살을 타게 될 것"이라고 말했다. 실패 우려가 높았던 이유는 4F스퀘어와 VCT라는 새로운 기술을 적용했기 때문이다. 이제까지 D램 셀 면적은 6F스퀘어였다. 10a는 면적이 4F스퀘어로 좁아진다. 6F스퀘어 구조는 셀 하나가 가로 3F×세로 2F(넓이= 6F스퀘어)로 직사각형 형태다. 4F스퀘어는 가로 세로가 모두 2F(넓이=4F스퀘어)인 정사각형이다. 4F스퀘어로 전환하면 같은 칩 다이 크기에서 이론상 셀을 30~50% 더 많이 넣을 수 있다. 용량과 속도, 전력소모량 면에서 유리하다. 좁아진 셀 면적 위로 게이트와 채널, 커패시터를 배치해야 하는 것이 풀어야 할 과제였다. 삼성전자는 이를 위해 VCT 기술을 도입했다. VCT는 트랜지스터 위로 전하를 저장하는 커패시터를 올린 구조다. 기존에는 트랜지스터와 커패시터가 각각 셀 면적을 차지했었다. 센스앰프나 테스트 회로, 타이밍 제어기, 전압기 등 셀 주변에 배치됐던 각종 주변회로(Periphery)는 별도 웨이퍼로 가공해 웨이퍼 투 웨이퍼 하이브리드 본딩 기술로 붙이는 PUC(Periphery Under Cell) 기법을 도입할 것으로 전해졌다. 4F스퀘어에 VCT 기술이 적용되면서 핵심 물질도 변경됐다. 삼성전자는 채널 물질을 실리콘에서 인듐 갈륨 아연 산화물(IGZO:Indium Gallium Zinc Oxide)로 바꿨다. 채널은 트랜지스터에서 전류가 흐르는 통로다. 좁아진 셀에서 누설 전류를 억제하고 데이터 유지 특성을 확보하기 위해 IGZO를 썼다. 워드라인 재료는 유동적이다. 워드라인은 D램 작동 시 셀을 선택하는 배선이다. 삼성전자 당초 계획은 기존 타이타늄나이트라이드(TiN)를 몰리브덴(Mo)으로 바꾸는 것이었다. 몰리브덴은 저항이 낮고 증착 시 보조막이 필요 없어 같은 선폭에서 전류 통로가 더 넓어진다. 다만 부식성이 강하고 상온에서 고체 상태여서 양산하려면 가스 공급 장비와 배관을 바꿔야 한다. 공정 제어 난도도 높다. 이 때문에 최근 TiN 적용 연장안이 다시 부상했다. 두 방안 채택 확률은 반반이다. 업계 관계자는 "VCT를 옆으로 눕혀서 쌓는 구조가 바로 3D D램이고, 삼성전자는 기술 기반을 마련한 셈"이라면서 "마이크론과 중국 D램 업체는 4F스퀘어 및 VCT를 건너뛰고 곧바로 3D D램으로 가겠다는 계획을 세웠다"고 설명했다. 마이크론은 기존 설계로 최대한 버틸 계획이다. 중국 D램 업체는 극자외선(EUV) 노광 장비를 수입할 수 없어 현 상태에선 어떤 방법으로든 선폭 축소가 어렵다. 그러나 3D 낸드플래시처럼 D램도 3D화가 되면 레거시 노광 장비로도 선단 제품을 만들 수 있다고 보고 3D D램 개발에 열을 올리고 있다. SK하이닉스는 10a가 아닌 10b 노드에서 4F스퀘어와 VCT 기술을 적용할 계획인 것으로 전해졌다.