스택수 64단으로 확대, 주상 복합 형태인 COP 도입은 원가 절감에 영향 줄 듯

삼성의 수성이냐 시장 분할이냐?

3D 낸드 플래시 업체가 하반기에 6개 기업으로 늘어나면서 치열한 경쟁이 예고되고 있다.

업계에 따르면, 삼성의 독무대였던 3D 낸드(NAND) 시장에 도시바, 샌디스크, 마이크론, 인텔, SK하이닉스 등의 업체가 본격적으로 가세하면서 불꽃 튀는 경쟁이 불가피하게 되었다. 더구나 이들 업체간의 경쟁은 서로 다른 기술의 경쟁이기도 해 향후 3D 낸드의 진화 방향도 가름하는 계기가 될 것으로 보인다. 

3D 낸드는 평면(2D) 낸드의 회로를 수직으로 세운 플래시 메모리 반도체의 한 종류로 평면 미세공정 기술이 10nm대에서 한계를 맞으면서 이를 뛰어넘기 위해 개발된 기술이다. 쉽게 말해 단독주택(2D)을 아파트(3D)로 만들었다고 생각하면 쉽다. 위로 쌓으면 속도가 빠르고 용량을 크게 늘릴 수 있으며 안정성과 내구성도 뛰어난 것으로 알려졌다. 

▲삼성전자는 지난 2013년 3D V-NAND 플래시 메모리를 양산하면서 세계 최초로 3차원 메모리 반도체 시대를 열었다.

2016년 이후에는 SSD 수요 확대로 3D 낸드도 성장이 예상된다. SSD 수요가 PC 뿐만 아니라 엔터프라이즈향 수요로 확대되면서 3D 낸드 수요도 증가하고 있다. 또한 3D 낸드 가격 경쟁력 확대로 PC/서버에서 모바일향으로 채용이 확대될 전망이다. 3D 낸드는 매년 30% 이상의 원가 하락으로 3년내 HDD 가격에 근접할 것으로 보이며 늦어도 2017년 모바일에 확대 적용될 예정이다. 

특히 최근 스토리지 서버 업체인 EMC가 SSD를 전면 채용하기 시작하는 등 엔터프라이즈향 SSD 수요는 확대될 전망이어서 3D 낸드 시장도 본격화 시기에 접어들고 있다. 불과 4년 전만해도 HDD에 비해 6배 이상 비쌌던 SSD는 최근 2.8배 수준으로 떨어지면서 TCO 관점에서도 접근 가능한 수준이 되었다. 이렇게 SSD 가격이 하락하고 있는 것은 3D 낸드로 원가를 절감할 수 있고 컨트롤러를 활용하여 밀도를 높일 수 있기 때문이다.

SSD 수요 확대로 3D 낸드도 성장

현재 3D 낸드 시장은 48단에서 64단으로 스택 수가 증가하고 COP(Cell on Peri) 기술 채용, 경쟁업체 증가라는 또 한번의 변혁기를 맞이하고 있다. 

우선 3D 낸드 기술은 하반기에 스택 수가 64단으로 증가할 전망이다. 64단은 기술 난이도가 지속적으로 증가할 것으로 보이며 2017년은 80단에서 96단으로 확대되거나 COP 기술을 병행하여 사용할 전망이다. 3D 낸드는 기술상 48단 이후부터 2D 낸드 16나노보다 원가 우위를 갖는다. 이에 16나노 이하부터는 3D 낸드로 가는 것이 불가피하다. 다만 64단으로 올라가면서 질화막(Nitride) 식각이 어려워져 기존 습식 에칭(Wet Etching)에서 건식 예칭(Dry Etching) 방식 검토가 필요하다. 

다음으로 3D 낸드는 COP(Cell on Peri) 구조를 통해 공간을 더욱 줄일 것으로 보인다. 앞서 3D 낸드가 평면의 일반 주택을 아파트처럼 쌓는 방식이라고 했는데 COP는 아파트와 상가가 별도로 존재하는 일반 아파트에서 상가건물이 함께 있는 ‘주상복합 아파트’라고 생각하면 편하다. COP는 기존 Peri 구조를 먼저 형성하고 그 위에 Cell을 얹는 구조로 그만큼 기존에 비해 공간이 줄어든다. COP 기술은 마이크론이 먼저 도입하여 검토중이며 향후 3D 낸드 원가 개선에 기여할 전망이다. 

▲3D 낸드 시장이 커지면서 독주하던 삼성도 만만찮은 경쟁자들을 만나게 되었다.

마지막으로 하반기 3D 낸드 시장에서 주목할 점은 시장에 참여하는 플레이어들이 늘어나면서 경쟁이 본격화된다. 삼성전자는 하반기에 64단을 도입할 전망인 가운데 도시바와 샌디스크는 올 연말에 48단을 거치지 않고 바로 64단에 COP를 채용할 것으로 보인다. SK하이닉스는 36단 이후 48단으로 가며 마이크로과 인텔은 48단 시험생산 후 프로팅 게이트 방식의 64단에 COP를 도입할 전망이다. 
 
삼성전자는 24, 32, 48단의 양산 경험을 기반으로 64단을 도입하여 원가 경쟁력을 강화한다. 3D 낸드 생산 능력은 11만장까지 올라가면서 전체 낸드 매출비중의 40%에 육박할 것으로 보인다. 이를 위해 삼성전자는 내년 상반기 3D 낸드 생산을 위한 제조시설을 평택에 설립한다. 이 사업장이 완공되면 총 120만평 규모로 세계 최대 규모가 된다. 

도시바, 삼성과 경쟁위해 CoP 방식 도입
마이크론 등 64단으로 직행할 것

도시바는 삼성전자와 같은 공법(CTF)인 P-BiCS 방식을 사용하여 제품을 개발하고 있으며 삼성전자와 경쟁을 위해 COP 기술도 함께 도입하여 진행하고 있다. 샌디스크는 웨스턴디지털(WD)과 합병되면서 스토리지향 3D 낸드 기술을 강화하고 있다. 샌디스크는 도시바와 공정기술을 공유하고 있으며 3D ReRAM 개발도 추진하고 있는 것으로 알려졌다. 

마이크론과 인텔은 삼성, 도시바, 샌디스크, SK하이닉스와는 달리 플로팅 게이트(Floating Gate) 방식을 사용하고 추가로 CoP 방식을 도입한다. 마이크론도 당초 48단을 진행할 계획이었으나 64단으로 스택 수를 올리는 것을 검토하고 있다. 삼성전자와 같은 CTF 방식을 채택하고 있는 SK하이닉스는 36단 공정개발을 완료하고 48단 도입을 추진하는 것으로 알려졌다.

반도체산업협회 주최로 열린 반도체 시장 전망 세미나에 참석한 NH투자증권의 이세철 애널리스트는 “삼성전자가 착공을 시작한 평택 라인이 2017년 하반기에 가동을 시작할 예정이다. 이에 따라 도시바와 샌디스크, 마이크론과 인텔, SK하이닉스의 투자도 본격화될 전망”이라며, “올 하반기부터 3D 낸드는 48단에서 64단으로 확대되면서 그만큼 업체간 경쟁도 본격화될 것”이라고 말했다.