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SK하이닉스 '3D D램'의 비밀 [강해령의 하이엔드 테크]

산업기업 2024.06.29 09:00:00

정보기술(IT) 시장에 관심 많으신 독자 여러분, 안녕하세요. 오늘은 SK하이닉스(000660)가 얼마전 미국 하와이에서 개최됐던 'VLSI 2024' 학회에서 발표한 3D D램에 관한 논문을 심층 분석해보려고 합니다. SK하이닉스가 이 논문에서 밝힌 3D D램 구조와 전기적 특성, 향후 목표까지 낱낱이 파헤쳐보려고 하는데요. 우선 3D D램의 구조부터 살펴보겠습니다. ◇2D와 3D는 어떻게 다른가?=현재 범용으로 생산되는 2D D램과 SK하이닉스가 개발 중인 3D D램의 차이를 간략히 짚어보겠습니다. 우선 두 D램은 기억 소자(1개 트랜지스터+1개 커패시터)의 모양이 다릅니다. 기존에는 평평한 실리콘 웨이퍼 위에 전하 알갱이의 움직임을 제어하는 트랜지스터를 배치하고, 또 트랜지스터를 통과한 알갱이들이 저장되는 커패시터가 굴뚝처럼 우뚝 솟게 만들었죠. 3D D램은 다릅니다. 트랜지스터와 커패시터를 눕혔습니다. 평면에 있던 기억 소자들을 눕혀서, 마치 아파트처럼 수직으로 쭉 쌓는 거죠. 이렇게 하면 극자외선(EUV) 노광 장비같은 대당 2000억원 이상의 고가의 초미세회로 설비를 활용하지 않아도 됩니다. 한계에 도달한 '무어의 법칙'에서 그나마 자유로워질 수 있는 길이 열린다는 거죠. 또 기억 셀 사이 공간이 여유로워 간섭 현상도 덜하다는 장점이 있습니다. 현존하는 2D D램의 최대 용량은 32Gb. 즉 320억개의 소자가 한 개 칩의 평면 속에 욱여넣어져 있는데요. 3D D램이 상용화된다면 40층으로 셀을 쌓는다고 가정했을 때 아주 넉넉하게 해도 48Gb(480억 개 비트) 정도를 확보할 수 있다는 계산이 나온다고 하죠. 되기만 하면 혁신입니다. ◇SK하이닉스 3D D램의 테스트 수율, 56.1%= "그래. 컨셉 자체는 되게 좋은데. 그럼 꼿꼿하게 서있는 커패시터를 어떻게 눕혀서 쌓을 거야? 무너지진 않을까? 트랜지스터에서 대문 역할을 하는 '게이트'에 전압을 거는 워드라인은 어디에, 비트(0또는 1) 저장에 관여하는 비트라인은 어떻게 놓을 거야? 그리고 결정적으로 이게 동작은 해?" SK하이닉스는 이런 호기심을 가지셨던 독자 분들께 답하기 위해 이번 논문을 낸 것 같습니다. 찬찬히 보시겠습니다. 먼저 SK하이닉스가 개발한 3D D램 구조를 한번 살펴볼까요? 우선 기존 메모리에서는 비트라인과 워드라인을 모두 수평으로 놓았죠. 하지만 3D D램에서는 비트라인을 수직 기둥으로, 워드라인을 기다랗게 수평으로 놓는 방법을 택합니다. SK하이닉스는 워드라인을 수직으로 둬 보기도 하는 등 여러 구조로 변경해가면서 실험을 해봤다고 하는데요. 이렇게 비트라인을 수직으로 놓을 때 메모리에 저장된 0 또는 1을 정확하게 판별하는 '센싱 마진(margin)'이 더 좋다는 결론을 내렸다고 합니다. 워드라인과 연결된 트랜지스터의 대문 역할을 하는 ‘게이트’의 구조도 특이합니다. 게이트올어라운드(GAA), 그러니까 전하 알갱이들이 지나가는 통로인 채널을 감싸고 있는 구조를 약간 변형한 한 더블 게이트. 그러니까 햄버거 패티를 감싸고 있는 빵처럼 두 개의 게이트가 채널을 감싸고 있는 것이 특이합니다. 전하를 저장하는 커패시터 모양도 다릅니다. 현존 D램의 커패시터는 아주 가늘고 긴 굴뚝 모양이죠. 되도록이면 많은 전하를 저장하기 위해서 이렇게 만든 건데요. 반면에 SK하이닉스의 3D D램 커패시터는 길이가 짧고 뭉툭합니다. 그 이유는 커패시터의 면적이 기존 D램보다 작아도 되어서인데요. 3D D램은 특성상 비트라인 한개 당 관리해야 하는 셀 수가 기존 D램 대비 10분의 1이나 적다는 특성이 있다고 합니다. 그러면 비트라인은 100명 책임지던 걸 딱 10명만 관리하면 되니까 부담을 확실히 덜게 되겠죠? 각 커패시터에 저장된 전하 수가 줄더라도 여유롭게 정보 판별을 더 잘할 수 있게 된다고 합니다. 또 D램 셀을 구동하는 주변(peri.) 회로는 D램 소자들 아래 배치됩니다. 이 컨셉 뭔가 많이 들어보셨죠. 맞습니다. 3D 낸드플래시의 페리언더셀(PUC) 또는 셀 온 페리(COP) 기술과 유사합니다. 낸드 소자들 바로 아래에 주변회로가 위치시키는 것인데요. 똑같은 원리입니다. 실제 세상에서 아파트 야외 주차장을 지하주차장으로 옮긴 것과 비슷한 건데요. 한 개 웨이퍼에 더 많은 칩을 생산할 수 있고, 셀과 주변회로의 거리가 더 가까워져서 신호 전달이 빨라진다는 측면에서 '일타쌍피'죠. 독특한 점은 셀이 만들어지는 웨이퍼와 주변회로가 별개로 제작돼서 하이브리드 본딩이라는 패키징 기술로 결합합니다. 지금까지 D램에서는 없던 시도죠. 중국 낸드 회사 YMTC의 엑스태킹(Xtacking)이라는 낸드 결합 기술과도 유사합니다. 다만 하이브리드 본딩 연결을 위한 셀과 구동회로의 배선을 만드는 것도 HBM에서 쓰인 실리콘관통전극(TSV)과 버금가는 아주 정교한 기술이 필요하다고 합니다. 범프를 활용하는 일반적인 칩 패키징보다 더 어려운 영역입니다. 자, 그래서 이런 복잡다단한 구조로 3D D램을 만들어 테스트해봤더니 SK하이닉스가 확인한 수율은 56.1%였습니다. 1000개 중에서 561개가 D램의 기본적인 '읽고 쓰는' 기능을 제대로 수행했다는 거죠. 범용 D램의 경우 최종 연구개발 이후 양산에 들어가기 위해 필요한 수율은 60~70% 정도로 알려져 있습니다. 물론 이 테스트 웨이퍼는 양산까지 정말 많은 개발 과정과 시간을 필요로 합니다. 상용화 가능 단수는 약 40단으로 언급이 되는데, 딱 5단으로만 쌓아서 만든 결과물이기 때문이죠. 그래도 업계에서 "이게 진짜 될까? 상용화가 될까?" 하던 반신반의하던 와중에 실제로 이 소자가 동작을 한다는 것을, 그것도 두 개 웨이퍼를 결합한 뒤에도 절반의 칩이나 살아남아서 제대로 움직인단 걸 보여준 건 정말 유의미하죠. 3D D램이 차세대 칩으로 급부상했다는 걸 증명하는 혁신적인 슬라이드입니다. 또 웨이퍼를 보시면 검은색으로 표시된 죽어버린 칩은 주로 가쪽에 위치했습니다. 수율이 높은 공간에서 전기적 특성은 어느정도 확인이 됐으니, 공정만 제대로 끌어올리면 불량품이 더 줄어들 수 있다는 가능성을 보여준 것이기도 합니다. 최첨단 패키징 방식인 하이브리드 본딩도 컨디션이 아주 좋습니다. 그래프를 보시면 하이브리드 본딩으로 결합한 배선들의 저항값을 나타낸 점이 어느하나 오른쪽, 왼쪽으로 튀는 것 없이 아주 고르게 일직선으로 분포된 것이 보이죠. 제가 취재하기로는 SK하이닉스의 라이벌인 마이크론 테크놀로지도 3D D램을 연구하면서 SK하이닉스와 비슷한 하이브리드 본딩 실험을 하고 있는데요. 전기적 특성을 확보하기 쉽지 않아서 애를 먹고 있다는 이야기가 들리기도 합니다. 그 외 특성들도 아주 좋습니다. 트랜지스터의 스위치를 켜고 끌 때 누설전류를 알 수 있는 S·S(subthreshold Swing)의 기울기를 볼까요. 0V~문턱전압 사이를 보시면(위의 왼쪽 그래프), 기존 2D D램보다 훨씬 가파르죠. 스위치가 켜질때 칼같이 필요한 전력만 딱 쓰면서 셀 당 누설 전류가 더 줄어들 수 있다는 긍정적인 결과값도 얻었습니다. 또 이번 논문에서는 GAA 소자, 듀얼 게이트의 큰 단점도 언급했는데요. 3D D램은 게이트가 채널을 둘러싸는 구조이다 보니, 트랜지스터에서 채널에 갇힌 불필요한 정공(+)을 제거해내지 못합니다. 그러면 커패시터에 잘 저장돼 있어야 할 전자(-)를 불필요하게 끌어당기고 빨아들입니다. 그게 논문에서도 언급된 '플로팅 바디 효과(Floating Body Effect)입니다. 둥둥 떠있는(floating) 채널의 특성 때문에 치명적인 누설 전류와 데이터 오류가 생기는 거죠. 물론 커패시터에서 빠져나간 전자를 다시 채우는 ‘리프레시’라는 방법도 있습니다. 문제는 리프레시의 단점도 간과할 수 없다는 거죠. 문제가 생긴 소자에 리프레시를 하다보면 그 소자를 관리하던 워드라인이 멈춥니다. 워드라인에 걸려있는 나머지 셀들까지 작업이 일시적으로 멈추면서 시간 공백이 발생하는 상황이 발생하죠. 이 플로팅바디 효과 문제를 최소화하기 위해 SK하이닉스는 기존 D램에서도 발생했던 또다른 누설전류 문제인 GIDL(Gate Induced Drain Leakage), 이른바 '기들' 문제를 획기적으로 줄이는 작업을 진행했습니다. GIDL을 어떻게 감소시키는지는 아주 소상히는 공개하지 않았지만 말이죠. 어쨌든 GIDL, 플로팅바디 효과 등 두 개의 금쪽이들 중에 적어도 한 녀석은 확실하게 단속하면서 범용 D램과 비슷한 수준에 근접하게 도달했고, 리프레시 작업 전까지 데이터 보존(retention)을 하는 시간 또한 상당히 늘어났다는 결과물을 공개됐습니다. ◇SK하이닉스는 3D D램을 몇단까지 만들 계획일까=그럼 이제 SK하이닉스는 무엇을 목표로 하고 있을까. 논문 막바지에는 단수에 대한 설명을 넣어놓았는데요. 회사는 위 그래프처럼 현재의 5단에서 앞으로 32단→64단→96단→128단→160단→192단까지 갈 수 있다는 가능성을 보여줬습니다. 3D 낸드의 단수 쌓기와 아주 비슷한 전개죠. 또 재밌는 것은 넷 다이, 즉 같은 단수라도 공정에 따라 데이터 저장 공간 수가 더 늘어날 수 있다고도 언급했습니다. 이것도 낸드의 발전 흐름과 비슷한데요. 예컨대 최근 낸드 업계에서는 단위 면적 당 채널홀을 9개 뚫는 9-홀(hole)에서 14개의 구멍인 14-홀(hole)까지 좁고 세밀하게 뚫어서 비트 수를 늘리는 흐름과 유사합니다. 뭔가 신박한 방법을 계속 개발해서 32단 3D D램이라도 더 업그레이드한 용량을 구현하겠다는 포부죠. 특히 3D D램에서 이런 것들을 해내려면 원자층증착(ALD) 같은 최첨단 공정이 필요한데, 이 분야에서의 ALD 장비 공급사로는 어플라이드 머티어리얼즈·유진테크(084370) 등이 언급되고 있습니다. 3D D램이 상용화되는 순간과 최초 양산의 주인공이 SK하이닉스일지, 삼성전자, 마이크론일지. 혹은 완전히 새로운 게임체인저가 나타나 업계를 뒤집을 것인지. 수년 뒤 3D D램 시장을 상상하면 가슴이 적잖이 웅장해집니다. SK하이닉스가 HBM으로 세상을 깜짝 놀라게 한 것처럼 차세대 메모리인 3D D램에서도 기술 강자로 거듭날 수 있을지가 주목됩니다. 오늘은 여기까지입니다. 즐거운 주말 보내세요.

나와 자녀를 위한 편안한 노후설계…유언대용신탁으로 준비해볼까?[도와줘요 자산관리]

오피니언사외칼럼 2024.06.29 08:30:00

일찍 혼자가 되신 A(75세) 할머니는 최근 암에 걸린 지인의 문병을 다녀오며 고민이 생겼다. 아버지의 상속재산에 대한 자녀간의 분쟁 발생으로 서로 골이 깊어지며 지켜보던 고령의 부모는 몸과 마음에 병이 생겼다는 소식을 전해 들었기 때문이다. 평소 치매에 걸릴까 걱정이 많은 A할머니도 두 명의 자녀가 있어 사후 상속재산 분배에 대해 염려가 된다. 여러 번의 사업실패로 생활이 힘든 첫째에게 조금 더 주고 싶지만 또 사업자금으로 한 번에 탕진할까 고민이다. 욕심이 많은 둘째가 할머니의 상속 계획에 반발할까봐 걱정도 된다. 평생 힘들게 일궈온 재산 10억 원을 자신의 생활비와 간병비 등 노후자금으로 쓰면서, 분쟁 없는 상속 계획까지 미리 세우고 싶어 평소 거래하던 금융기관에 상담을 의뢰했다. 2022년 우리나라 사망자수는 약 35만 명으로 2050년까지 계속 늘어날 것으로 추정된다. 2000년 3조 4000억 원이던 상속재산은 부동산 가격상승과 고령화 추세가 빨라지면서 2022년 56조 4000억 원으로 급증했다. 자녀들 간 재산 분할 분쟁도 늘어나고 있다. 대법원 자료에 따르면 가족 서로 협의하지 못해 가정법원에 심판을 구하는 ‘상속재산분할 심판청구’건수는 2022년 기준 2776건에 달했고, 다른 상속인에게 법적 상속 권리를 요구하는 ‘유류분반환청구소송’ 접수 건수도 약 1872건에 이르렀다고 한다. 갑작스런 사망에서도 많은 재산을 아무런 분쟁 없이 가족들에게 이전하고, 본인이 희망하는 기부단체에 기부도 한 상속 사례가 있다. 지난 2009년 공연 준비 중 갑작스레 세상을 떠난 팝의 황제 마이클잭슨은 미리 대비한 ’신탁‘을 통해 생전에 일궈 높은 부와 명성을 성공적으로 이전했다. 마이클잭슨은 본인이 사망할 경우 상속인 지정부터 이들에 대한 상속재산의 배분비율, 지급시기까지 신탁계약으로 사전에 정해놓았기 때문이다. 그가 가입한 신탁을 미국에서는 ’패밀리트러스트(Family Trust)‘라고 부르며 우리나라에서는 ’유언대용신탁‘이라고 한다. 최근 본인 사망 후 재산을 둘러싼 가족 간 분쟁을 예방할 방법으로 유언대용신탁이 관심을 끄는 이유다. 유언대용신탁이란 2012년 7월 26일 시행된 신탁법59조에 따라 유언장이 없더라도 신탁계약의 형태로 재산상속이 가능하도록 한 상품이다. 고객(위탁자)이 은행, 증권, 보험사 등(수탁자)에 금전·부동산·유가증권 등으로 신탁계약하고 위탁자 본인 재산의 소유권을 수탁자에게 이전한다. 위탁자가 살아 있을 때는 본인이 신탁계약의 수익자로서 발생하는 이익을 향유하다가 위탁자가 사망할 경우 신탁계약에 근거해 위탁자가 지정한 사후 수익자에게 신탁재산을 안정적으로 승계할 수 있다. 이 때 다른 법적상속인들의 협의 절차를 거치지 않아 신속한 지급이 가능하다. 유언대용신탁의 이점으로는 유연한 상속설계, 일정한 재산관리, 편리한 유언집행 등이 있다. 일반적으로 상속계획을 생각할 때 유언을 가장 먼저 떠올린다. 유언을 기재한 유언서의 경우 민법상 엄격한 방식과 요건이 요구되며 만약 조금이라도 부합하지 않으면 무효가 될 수 있다. 하지만 유언대용신탁은 복잡한 유언서 작성 절차 없이 신탁계약을 통해 위탁자가 원하는 대로 설계하여 유언과 유사한 효과를 가질 수 있다. 또한 유언서는 만약 A할머니가 치매에 걸리실 경우 특정 자녀가 본인에게 유리한 방향으로 변경하거나(유언서는 가장 최근 것만 유효) 분실, 훼손하는 문제가 발생할 수 있지만 유언대용신탁은 A할머니의 의사대로 상속될 수 있어 안전하다. 그리고 유언서는 사망 후 일시에 전액 지급하여 재산 관리 기능이 없는 반면 유언대용신탁의 신탁재산은 위탁자의 다양한 요구 지시 등에 따라 자산관리에 전문화된 은행 등 수탁자가 관리, 운용 등의 업무를 수행한다. 특히 생전 고객(위탁자) 본인의 의료비, 생활비 출금도 가능하며 사후에도 위탁자가 지정한 조건으로 사후수익자(생전에 고객이 정한 자)에게 지급할 수 있어 일정한 재산관리까지 이루어져 유용하다. 예를 들어 재산관리가 걱정되는 첫째의 경우 2억 원을 월 500만 원씩 3년 4개월 동안 분할 지급받도록 하는 등 다양하게 설계할 수 있다. 유언집행도 유언서는 모든 상속인의 동의가 필요하여 분쟁 발생 시 긴 소송을 거쳐야만 지급받을 수 있지만, 유언대용신탁은 사후수익자 신분 확인만으로 집행이 가능해 편리하다. 그럼 두 자녀에 배분할 상속재산의 비율은 어떻게 정해야 할까? 자녀간의 분쟁이 전혀 없길 바란다면 유류분을 고려해 나누어야 한다. 유류분이란 법률로 정해진 상속재산으로 사후에 본인의 재산을 더 주고 싶은 사람에게 줄 자유는 있지만, 민법에서는 ’피상속인(사망하신 분)의 의사와 관계없이, 피상속인의 상속 재산 중 일정한 법적상속인을 위해 반드시 남겨두어야 하는 부분‘으로 규정하고 있다. 따라서 유언서의 경우 유류분권자의 유류분 청구가 있으면 반드시 유류분 만큼을 돌려주어야 한다. 반면 유언대용신탁은 1심 판결의 입장이 엇갈린 상황으로 △돌려주지 않아도 된다는 판결(성남지원)과 △돌려줘야 한다는 판결(마산지원)이 대치하고 있다. 아직 대법원 판결이 없어 유언대용신탁은 유류분을 반환해야 하는지 명확히 규정할 수 없으며, 이 부분은 더 지켜보아야 한다. 그래서 전 재산 10억 원을 두 자녀에게 물려준다면 유류분을 고려해 조금 더 주고 싶은 첫째에게 최대 7.5억 원(3/4)을 둘째에게 최소 2.5억 원(1/4=법적상속분(1/2)의 1/2)을 나누어 주는 방식을 추천 드린다. 그러면 A할머니 사후에 첫째가 둘째의 동의 없이도 유언대용신탁 계약에서 정한 금액을 바로 찾아갈 수 있다. 유언대용신탁은 일반적으로 신탁을 설정·관리·운용·집행하는 보수가 발생한다. 신탁 보수 등에 부가가치세가 발행하는 경우도 있고, 신탁재산이 부동산 등 등기·등록해야 하는 재산이라면 등기등록 비용도 추가로 발생할 수 있다. 신탁 가능한 재산은 금전, 증권, 금전채권, 동산, 부동산, 지상권·전세권 등 부동산에 관한 권리와 무체재산권(지식재산권)으로 크게 일곱 종류로 제한된다. 유언대용신탁이 상속분쟁을 해결할 수 있는 완벽한 해결책은 아니라고 할 수 있다. 하지만 본인의 노후자금 관리와 자녀간의 상속갈등을 예방을 위해 사전적으로 준비하고 설계할 수 있다는 점에서 충분한 장점을 가지고 있다. 철저한 계획을 통해 더욱 편안한 노후생활을 가져가길 바란다.