이 기사는 2024년 11월 21일 07:03 thebell 에 표출된 기사입니다.

삼성전자와 SK하이닉스는 보수적 시설투자(CAPEX) 기조에도 불구하고 연구·개발(R&D) 비용은 늘리고 있다. 범용 메모리 수요 부진, 중국 메모리 기업의 추격 등 이중고 속에서도 메모리 경쟁력 강화를 위해 안간힘을 쓰고 있다.

고대역폭메모리(HBM) 외에도 4F스퀘어 D램, 3D D램 등 차세대 D램 구조 개발에 힘쓰고 있다. 10nm 이하 D램 생산을 위해서다. 업계에선 10nm 이하 공정에서 현재 D램 구조가 한계에 부딪힐 것으로 전망하고 있다.

◇스케일링 한계 넘는다…삼성·SK, 4F스퀘어·3D D램 연구

삼성전자와 SK하이닉스가 올해 3분기 누적 기준 지출한 R&D 비용은 각각 24조 7465억원, 3조5884억원이다. 지난해 3분기 누적 R&D 비용(삼성전자:20조7997억원, SK하이닉스 3조1356억원)을 뛰어넘는 수치다.

양사는 현재 4F스퀘어 D램, 3D D램 등 차세대 D램 개발에 상당수 인력과 비용을 투입 중인 것으로 알려졌다.

4F스퀘어는 최근 메모리 업계에서 연구되고 있는 셀 어레이 구조다. 트랜지스터를 기존 수평 구조에서 수직으로 배치해 셀 면적을 줄이는 컨셉이다. 이를 통해 다이 면적을 30%가량 줄일 수 있는 것으로 알려져 있다. 삼성전자에선 버티컬 채널 트랜지스터(VCT), SK하이닉스에선 버티컬 게이트(VG)라는 이름으로 연구 중이다.

양사는 셀을 수직으로 쌓는 형태의 3D D램을 연구 중이다. 기존 D램이 하나의 평면에 트랜지스터를 집적하는 구조였다면, 3D D램은 n개의 층에 트랜지스터를 쌓는다. 낸드와 유사한 컨셉이다. 또 극자외선(EUV) 장비를 적용하지 않기 때문에 노광 공정 비용도 대폭 줄일 수 있다.

SK하이닉스는 6월 열린 VLSI2024에서 3D D램 관련 논문을 발표하기도 했다. 이 논문에 따르면 SK하이닉스는 5단 3D D램을 샘플을 제작했고, 56.1% 수율 달성에 성공했다. 업계의 기대치를 상회하는 수율이다.

업계에서는 10nm 이하 D램에서 4F스퀘어 D램이 먼저 상용화될 것으로 예상하고 있다. 3D D램 연구가 초기 단계이기 때문이다.

반도체 업계 관계자는 "3D D램이 2D D램과 비슷한 성능을 내려면 100단 가까이 적층해야한다"며 "현재 메모리 기업들은 20단 정도 쌓는데 성공한 것으로 알고 있다"고 말했다. 이어 "삼성전자가 2027년 10nm 미만 D램을 출시하겠다고 선언했는데, 내년 정도에는 차세대 D램 구조에 대한 윤곽이 나올 것"이라고 부연했다.

삼성전자는 셀 투 코어-페리페리 오버랩(C2O)이라는 이름의 차세대 D램 구조를 개발 중이다. 낸드의 셀 오버 페리(COP)와 유사한 컨셉이다. 셀 구동 회로 영역인 페리페럴과 데이터를 저장하는 셀 영역을 분리하는 만큼 집적도를 극대화할 수 있을 것으로 기대된다. 또 6F스퀘어 구조를 활용할 수 있는 만큼, 기존 공정을 활용할 수 있을 것으로 예상된다.

메모리 업계 관계자는 "삼성전자 내부에선 C2O보다 COP가 조금 더 익숙한 용어"라며 "C2O는 차세대 D램 개발을 위한 다양한 방향 중 하나"라고 설명했다. 이어 "C2O와 4F스퀘어를 결합하는 형태의 구조도 연구되고 있다"고 덧붙였다.

◇삼성·SK, 하이-NA EUV 장비 도입

삼성전자는 18일 최첨단 복합 연구개발 단지 'NRD-K'(New Research & Development - K) 설비 반입식을 진행했다. NRD-K는 삼성전자가 미래 반도체 기술 선점을 위해 건설 중인 최첨단 복합 연구개발 단지로 메모리, 시스템, 파운드리 등 반도체 전 분야의 기술 연구 및 제품 개발이 이뤄질 예정이다.

NRD-K에는 ASML의 차세대 노광 장비 하이-NA EUV 장비도 반입된다. 삼성전자는 이를 활용해 D램과 파운드리 공정 연구를 진행할 것으로 보인다.

SK하이닉스도 14일 네덜란드 벨드호번에서 열린 ASML의 투자자 대상 기업설명회에서 하이-NA EUV 장비 도입을 시사했다. 차선용 SK하이닉스 부사장(미래기술연구원 부사장)은 "10nm 이하의 차세대 D램 테크 개발을 위해서 '하이-NA EUV' 기술 도입을 검토 중"이라고 밝혔다.

업계에서는 양사가 4F스퀘어 D램 양산에서 하이-NA EUV 장비를 활용할 것으로 전망하고 있다. 현재 삼성전자와 SK하이닉스 연구원들은 지난 6월 문을 연 아이멕(imec) ASML 하이-NA EUV 연구소에서 공정 기술 관련 연구를 진행 중인 것으로 알려졌다.