D램 크기가 갈수록 작아지면서, 기술적으로 극복해야 할 3가지 문제가 제기됐다. 비행기로 반도체를 운송할 때 방사선의 영향을 받아 생기는 불량, D램 크기가 작아지면서 생기는 로 해머링(Row Hammering) 현상, D램 셀 전기용량(캐패시턴스) 저하가 그것이다. 글로벌 D램 반도체 업체들은 이를 극복하기 위해 다양한 방안을 고민하고 있다.

지난 10일 제주도 제주대학교 아라컨벤션홀에서 열린 한국반도체디스플레이기술학회 2019년 춘계학술대회에서 연사로 나선 최용진 SK하이닉스 연구위원은 현재 D램 제조업체가 기술적으로 극복하기 어려운 문제점을 제시했다. 

최근 D램 제품이 우주에서 내려오는 미세한 방사선 물질(알파 파티클)에까지 악영향을 받는 수준까지 도달하면서다. 

최 연구위원은 “어느 순간부터 D램을 육상으로 운송할 때는 괜찮지만 비행기로 운송하면 D램 속 트랜지스터가 손상된 불량품이 나오고 불량률은 유의미하게 늘어났다”며 “SK하이닉스 뿐 아니라 많은 D램 업체가 겪는 것으로 알고 있다”고 말했다,

업계에서는 이를 'Total Ionising Dose Effect'라고 정의한다. 제품 크기가 클 때는 아무런 영향을 주지 않던 방사선이 미세화한 D램을 '묵직'하게 제품을 때릴 수 있게 되면서 손상을 입히는 것이다. 

최용진 연구위원은 “제품에 열을 가하는(써멀) 방식으로 회복할 수 있지만 열로 인한 손상도 피할 수 없다”며 “막을 씌우는 등 갖은 노력을 해봤지만 비용 문제도 만만치 않다”고 전했다.

또 다른 문제점은 로 해머링 현상이다. 반도체가 정보를 쓰고 읽기 위한 문 역할을 하는 '워드라인'이 자주 열고 닫히면서 인접한 셀에 있는 데이터가 손상되고 전자가 빠져나가는 현상이다. 최 연구위원은 “물리적으로는 극복이 불가능한 문제”라며 “반도체가 미세화하면서 로 해머링 현상도 심화하는데 이에 대한 해결책이 필요한 상황”이라고 설명했다.

D램 부피 감소로 각 셀 전기용량(캐패시턴스) 성능이 저하되는 것도 문제다. 전자를 담을 수 있는 그릇까지 함께 작아지면서 반도체 속 전자가 쉽게 빠져나가 성능 저하에 영향을 주는 것이다. 최 연구위원은 “하프늄옥사이드(HfO₂) 물질을 써서 전자 손실을 최소화할 수 있는 연구가 지속되고 있다”고 설명했다. 

이외에도 '반도체 초기술격차 전략'을 주제로 열린 이번 학회에서는 다양한 반도체 기술들이 소개됐다. 마에다 시게노부 삼성전자 마스터는 EUV를 활용해 애플리케이션 프로세서(AP) 등 로직 디바이스의 크기를 줄일 수 있는 방안을 발표하고, 황상준 삼성전자 상무는 V-낸드 플래시의 향후 전망을 소개했다. 

김태현 SK하이닉스 CIS(CMOS 이미지센서) 사업부 연구위원은 이미지센서의 픽셀 크기가 줄어들면서 대안으로 떠오른 쿼드 센서, ToF 센서, 오가닉 포토다이오드(PD), D램 스택 등을 설명했다. 

또 각종 반도체 공정에 쓰이는 장비 기술도 소개됐다. 미세화하는 반도체 공정에 도움을 주기 위한 극자외선(EUV) 기술, 원거리 플라즈마 원자층 증착법(ALD), 원자층 식각(에칭), 입자에어로졸기술을 활용한 평탄화(CMP) 기술도 함께 소개됐다. 

강해령기자