YMCT, 독자기술로 294단 낸드 플래시 출시
美 반도체 제재로 서구권 첨단 장비 도입 제한
자국산 장비 성능 개선과 함께 추격 본격화

중국 양쯔메모리테크놀로지스(YMTC)가 세계 최고층인 294층 낸드플래시 메모리를 양산하며 기술 주도권 확보에 나섰다. 미국의 강력한 반도체 제재 속에서도 서구권 반도체 장비에 대한 의존도를 줄이기 위해 중국산 장비를 적극 활용하면서 독자적인 기술 개발을 통해 돌파구를 마련했다는 분석이다. 한편 중국의 반도체굴기가 가시적인 성과로 드러나면서 SK하이닉스, 삼성전자 등 글로벌 경쟁사들도 차세대 낸드플래시 개발에 속도를 내고 있다.

세계 최고 294층 메모리 탑재한 SSD 출시

2일(현지 시각) 반도체 분석기관 테크인사이츠에 따르면 지난달 30일 YMTC의 자회사 치타이(ZhiTai)가 294층 메모리를 탑재한 TiPro9000 솔리드스테이트드라이브(SSD)를 중국 시장에 출시했다. 이는 차세대 'X태킹(Xtacking) 4.0' 기술을 적용한 첫 상용 제품이다. 사우스차이나모닝포스트(SCMP)는 "X태킹 기술의 핵심은 메모리 셀과 주변 회로를 각각 다른 웨이퍼에서 제작한 뒤 고정밀 웨이퍼 본딩으로 결합하는 방식"이라며 "이를 통해 두 부분을 독립적으로 최적화할 수 있어 개발 기간 단축과 성능 향상을 동시에 이룰 수 있다"고 전했다.

X태킹 4.0 기술은 메모리 셀을 150층과 144층으로 나눠 제작한 뒤 하이브리드 본딩으로 결합하는 혁신적 방식으로, 비트 밀도를 높이고 생산 효율을 개선할 수 있다. 이는 기존 3D 낸드플래시 기술과 차별화된 접근이다. 테크인사이츠의 분석 보고서에 따르면, 이 제품의 실제 데이터 저장용 활성층 수는 약 270개에 이른다. 메모리 칩 크기는 50제곱밀리미터(mm²) 미만으로, 저장 밀도는 제곱밀리미터당 20.5기가비트를 기록했다. 특히 이번 제품은 3비트 저장 방식인 삼중레벨셀(TLC)을 채택했음에도, 기존 4비트 저장 사중레벨셀(QLC) 제품(232층, 19.8기가비트/mm²)보다 높은 저장 밀도를 구현했다고 테크인사이츠는 설명했다.

반도체 시장조사기관 IC인사이츠의 짐 하나디 수석연구원은 2월 1일 "YMTC가 메모리 칩과 제어 로직을 분리 제작 후 결합하는 X태킹 기술로 혁신을 이뤄냈다"며 "150층과 144층으로 구성된 이중 구조가 생산 효율을 높이는 핵심"이라고 분석했다. 반도체 시장조사업체 트렌드포스의 왕통 수석 애널리스트는 2월 1일 보고서에서 "YMTC는 미국의 제재로 네덜란드 ASML의 첨단 노광 장비와 설계 도구 사용이 제한됐음에도 기술 혁신을 이뤄냈다"며 "이는 중국의 독자 기술 개발 노력이 결실을 맺고 있음을 보여준다"고 평가했다.

서구권 첨단 장비 없이 기술 자립 실현

반도체 업계는 YMTC가 새로운 엑스태킹 기술로 현재 미국의 제재를 이겨내는 방법을 찾았다는 점에 주목한다. 후베이성 우한에 본사를 둔 YMTC는 지난해 1월 중국 군과 관련이 있다는 이유로 미 국방부 제재 명단에 오른 뒤 첨단 반도체장비를 수입하지 못하고 있다. SCMP는 "미국의 무역 제재 이후 YMTC가 나우라 테크그룹 등 중국 반도체 장비업체에 의존도를 높이고 있다"며 "중국 장비업체들도 정부의 막대한 지원과 YMTC 등 자국의 큰손 고객을 등에 업고, 외국산 장비와의 기술 격차를 좁히기 위해 사활을 걸고 있다"고 보도했다.

현재 YMTC는 나우라를 비롯해 자국의 장비 제조업체인 AMEC, 나우라, 피오텍의 장비를 사용하고 있는 것으로 파악됐다. 식각과 노광 공정에서는 여전히 미국과 일본 장비에 의존하고 있지만, 이 외에 일부 공정에는 중국산 장비를 더 많이 사용하고 있다. 다만 생산 수율을 따져보면 중국산 장비는 아직 업계 표준에 미치지 못하는 상황이다. 가령 지난해 중국 장비를 사용해 생상한 YMTC의 엑스택킹 4.0 칩은 이전 세대 기술로 제조한 232단보다 70단이 낮다. 장비의 수율이 낮아 낸드 단수를 낮출 수 밖에 없었을 것이란 분석이다.

하지만 중국의 반도체 장비 성능이 꾸준히 향상되면서 공정도 성숙 단계에 이르렀다. 실제로 지난해 9월 중국 공업정보화부는 '주요 기술 장비 신규 목록'을 발표하면서 자국의 심자외선(DUV) 노광장비 2종이 중요한 기술적 도약을 이뤘다고 강조했다. 중국의 DUV 장비 성능(해상도 65㎚ 미만 등)은 글로벌 시장에서 유통되는 첨단 반도체 장비 성능에는 미치지 못하지만, 이전에 가장 진보한 것으로 알려진 중국산 장비(해상도 90㎚)보다는 크게 개선됐다.

이는 결과적으로 칩 기술의 개선으로 이어졌다. 지난해 9월 테크인사이츠는 YMTC 제품 즈타이 티플러스 SSD를 분해한 결과 '엑스태킹 3.0'기술을 활용한 160단 512GB TLC 메모리칩을 발견한 바 있다. 전문가들은 칩의 비트 밀도와 1GB당 면적은 삼성전자, SK하이닉스 등의 TLC 칩뿐 아니라 쿼드레벨셀(QLC) 칩과 비교해도 매우 진보한 수준이라고 평가했다.

삼성전자 '400단 적층'으로 반전 노려

삼성전자와 SK하이닉스 등 글로벌 경쟁사들도 기술 추격에 나섰다. SK하이닉스는 지난해 11월 321단 1테라비트(Tb) 4D 낸드플래시를 양산하는 데 성공해 올해 상반기부터 고객사에 공급할 계획이다. 300단 이상의 낸드플래시 양산은 SK하이닉스가 세계 처음이다. 미국 마이크론은 2021년 초 삼성전자와 SK하이닉스보다 먼저 176단 낸드플래시를 양산했고, 2022년 말 가장 먼저 232단 제품을 상용화해 한 때 기술우위를 차지하고 있다는 평가를 받았다. 하지만 SK하이닉스가 2023년 5월 세계 최초로 238단 제품을 생산한 데 이어, 300단 대 고지도 먼저 밟으면서 메모리 3대 업체 가운데 가장 앞서나가고 있다.

삼성전자는 지난해 4월부터 280단~290단의 낸드 플래시를 생산하고 있는데 300단 대 낸드플래시를 건너뛰고 400단 낸드에서 승부수를 던질 것으로 보인다. 2025년 하반기 400단 낸드를 가장 먼저 상용화해 자존심을 회복하겠다는 의지를 드러내고 있다. 400단 낸드부터는 기존 제품에 활용되지 않았던 신기술이 대거 적용돼, 기존 낸드플래시 시장에 지각 변동이 일어날 공산이 커 보인다.

우선 하이브리드 본딩(접합) 기술이 본격 도입된다. 하이브리드 본딩은 반도체 레이어 사이의 범프 없이 구리로 직접 레이어들과 관통해 연결하는 기술이다. 이를 활용하면 데이터 통로를 곧바로 연결해 칩의 두께를 획기적으로 줄일 수 있다. 적층 방식에 따라 웨이퍼 투 웨이퍼(W2W), 웨이퍼 투 다이(W2D), 다이 투 다이(D2D) 등으로 나뉘는데 W2W의 생산성이 가장 높은 것으로 알려졌다. 삼성전자는 이미지센서(CIS) 공정에 이미 웨이퍼 투 웨이퍼 방식을 도입한 만큼, 관련 기술력과 노하우에서 한 발 앞서있는 것 평가된다.

극저온 식각도 400단 낸드에 적용될 것으로 예상되는 신기술이다. 일반적으로 0~30°C에서 작동하는 기존 장비와 달리 극저온 식각 장비는 –70°C에서 고속으로 식각한다. 극저온에서 식각하면 화학반응이 낮아져 보호막 없이 정밀한 작업을 진행할 수 있고 전자가 이동하는 홀(채널 홀)을 더 균일하게 뚫을 수 있다. 국내 반도체 장비 업체인 유니셈과 에프에스티 등이 삼성전자에 극저온 식각 장비용 칠러 공급을 준비하고 있는 것으로 전해면서 400단 낸드에 이 기술이 활용될 것이란 관측이 나온다.