SK하이닉스가 세계 최초로 128단 1Tbit(테라비트) TLC(Triple Level Cell) 4D 낸드플래시를 개발하고 양산에 나선다고 26일 밝혔다. 지난해 10월 96단 4D 낸드 개발 이후 8개월만의 성공이다.
 
◆ 업계 최고 적층 128단으로 1Tb 4D TLC 낸드 구현
SK하이닉스가 이번에 양산하는 128단 낸드는 업계 최고 적층으로, 한 개의 칩에 3bit(비트)를 저장하는 낸드 셀(Cell) 3천6백억개 이상이 집적된 1Tb 제품이다. SK하이닉스는 이를 위해 자체 개발한 4D 낸드 기술에 ▲ 초균일 수직 식각 기술 ▲ 고신뢰성 다층 박막 셀 형성 기술 ▲ 초고속 저전력 회로 설계 등 혁신적인 기술을 적용했다.
 
이 제품은 TLC 낸드로는 업계 최고 용량인 1Tb를 구현했다. 기존에 SK하이닉스를 포함한 다수 업체가 96단 등으로 QLC(Quadruple Level Cell) 1Tb급 제품을 개발한 바 있으나, 성능과 신뢰성이 우수해 낸드 시장의 85% 이상을 차지하고 있는 주력 제품인 TLC로는 업계 최초로 SK하이닉스가 상용화했다. SK하이닉스 4D 낸드 최대 장점인 작은 칩사이즈(Chip Size)의 특성을 활용했기 때문에 초고용량 낸드의 구현이 가능해진 것이다.
 
4D 낸드는 지난해 10월 SK하이닉스가 세계 최초로 개발한 CTF(Charge Trap Flash)와 PUC(Peri Under Cell)를 결합한 혁신적 제품이다. 기존 3D CTF 기술과 셀 밑에 주변부 회로를 적층한 PUC 기술을 결합한 것으로, 아파트 옥외주차장을 지하주차장으로 구조 변경해 공간효율을 극대화한 것에 비유할 수 있다.
 
◆ 4D 플랫폼으로 생산성 40%, 투자효율 60% 향상 통한 근원적 사업 경쟁력 확보
이번에 개발한 128단 1Tb 4D 낸드는 웨이퍼당 비트 생산성이 기존 96단 4D 낸드 대비 40% 향상됐다. 또한 같은 제품에 PUC를 적용하지 않은 경우와 비교해도 비트 생산성이 15% 이상 높다.
 
낸드 기술은 갈수록 복잡해지고 개발 난이도도 높아지고 있으며 생산 공정수도 증가하고 있다. 그러나 이번에 SK하이닉스는 동일한 4D 플랫폼을 활용해 제품을 개발했고 공정 최적화를 통해 96단 대비 셀 32단을 추가 적층하면서도 전체 공정수를 5% 줄였다. 이를 통해 128단 낸드로의 전환 투자비용을 이전 세대에 비해 60% 절감할 수 있었다.
 
특히, 작년 10월 세계 최초로 개발한 CTF 기반 96단 4D 낸드 공정 플랫폼을 그대로 활용해 96단 이후 8개월만에 128단 제품을 개발했다는데 의미가 크다.
 
이처럼 생산성과 투자효율이 높아지고 개발기간이 단축된 128단 4D 낸드는 SK하이닉스 낸드 사업의 근원적 경쟁력을 확보하게 한 것으로 평가되고 있다.
 
◆ 초고속 고용량 모바일용 UFS 3.1, 기업용 SSD 내년 상반기 출시
SK하이닉스는 이번에 양산을 시작한 128단 4D 낸드플래시를 하반기부터 판매하고 다양한 솔루션 제품도 연이어 출시할 계획이다.

이 제품은 한 개의 칩 내부에 플레인(Plane) 4개를 배치한 구조로 데이터 전송속도 1400Mbps를 저전압 1.2V로 구현하여 고성능 저전력 모바일 솔루션 및 기업용SSD의 구현이 가능하다.
 
내년 상반기에는 차세대 UFS 3.1 제품을 개발해 스마트폰 주요 고객의 5G 등 플래그십 모델에 공급할 예정이다. 현재 스마트폰 업계 최대 용량인 1TByte(테라바이트) 제품을 512Gb 낸드로 구현할 때 보다 낸드 개수가 반으로 줄어들어 소비전력은 20% 낮아지고, 패키지(Package) 두께도 1mm로 얇아진 모바일 솔루션을 고객들에게 제공할 수 있게 된다. 128단 1Tb 4D 낸드 16개를 하나의 반도체 패키지로 구성하면 업계 최고인 2TB 저장용량을 갖는 5G 스마트폰 구현도 가능해진다.
 
또한, 자체 컨트롤러와 소프트웨어가 탑재된 소비자용 2TB SSD를 내년 상반기에 양산할 예정이다. 이전 세대 대비 20% 향상된 전력 효율을 기반으로 AI와 빅데이터 환경에 최적화된 첨단 클라우드 데이터센터향 16TB와 32TB NVMe SSD도 내년에 출시할 계획이다.
 
SK하이닉스 GSM담당 오종훈 부사장은 “128단 4D 낸드로 SK하이닉스는 낸드 사업의 근원적 경쟁력을 확보하게 됐다”면서 “업계 최고 적층, 최고 용량을 구현한 이 제품으로 고객들이 원하는 다양한 솔루션을 적기에 제공할 것”이라고 말했다.
 
SK하이닉스는 128단 4D 낸드와 동일한 플랫폼으로 차세대 176단 4D 낸드 제품도 개발 중이며 기술 우위를 통한 낸드 사업 경쟁력을 지속적으로 강화해나갈 계획이다.
 
 
 
[참고 자료]
■ 초균일 수직 식각 기술
128단과 같이 낸드 셀을 높은 단수로 쌓고 수직으로 균일하게 셀을 형성하기 위해 96단 대비 셀 두께를 낮추었고, 새로운 화학적 조성(Chemistry) 및 양산 장비 최적화로 균일한 셀 식각 공법을 개발해 고성능/고품질 낸드 셀을 구현했다.
 
■ 고신뢰성 다층 박막 셀 형성 기술
셀 두께를 낮추면 셀 저항 및 셀간 간섭 현상이 증가하게 된다. 얇은 두께에서도 셀 저항 및 간섭 현상을 줄이기 위해 이전 세대보다 셀을 형성하는 다양한 박막을 균일하게 덮는 신규 공법을 개발해, 고성능/고신뢰성 제품을 구현했다.
 
■ 초고속 저전력 회로 설계 기술
SK하이닉스는 96단 대비 공정 원가를 줄이면서도 대기 전력을 30% 감소시키고, IO(Input/Output) 스피드 1.4Gbps 이상의 초고속 동작을 확보한 회로 설계 기술을 개발했다.
 
■ CTF(Charged Trap Flash) 기반 4D 낸드
SK하이닉스 4D 낸드는 기존 일부 업체가 플로팅 게이트(Floating Gate) 셀(Cell) 구조에 PUC(Peri Under Cell)를 결합한 방식과 달리, SK하이닉스를 포함한 대부분 업체가 3D 낸드에 채용 중인 CTF 셀 구조와 기술을 결합한 점이 특징. SK하이닉스는 특성이 우수한 CTF 기반에서는 업계 최초로 PUC를 도입해 최고 수준(Best in Class)의 성능과 생산성을 동시에 구현한 차별성을 강조하기 위해 ‘CTF 기반 4D 낸드플래시’로 명명
 
■ TLC(Triple Level Cell), QLC(Quadruple Level Cell)
낸드플래시는 데이터 저장 방식에 따라 셀 하나에 1bit를 저장하는 SLC(Single Level Cell), 2bit를 저장하는 MLC(Multi Level Cell), 3bit를 저장하는 TLC(Triple Level Cell), 4bit를 저장하는 QLC(Quad Level Cell)로 나뉜다. 가령, 셀과 전하의 양을 각각 물컵과 물이라고 한다면 SLC는 컵에 물이 있는지(0) 또는 없는지(1)에 따라 데이터를 저장하게 되며 MLC는 컵에 있는 물의 양을 조절해 데이터를 저장한다. 즉, 물이 하나도 없는 상태(1, 1)와 물이 3분의 1정도 찬 상태(1, 0), 3분의 2 정도 찬 상태(0, 1), 가득 찬 상태(0, 0)로 세분화해 데이터를 구분한다. 따라서, TLC의 경우 전하가 가득 찬 상태(0, 0, 0)부터 하나도 없는 상태(1, 1, 1)까지, QLC의 경우 (0,0,0,0)부터 (1,1,1,1)까지로 더욱 세분화해 데이터를 저장할 수 있다. 결론적으로 동일한 셀을 가진 SLC 대비 TLC/QLC는 각각 3배/4배 더 많은 데이터를 저장할 수 있어 고용량을 구현하기 용이하고, 생산원가도 낮출 수 있다.