“가장 어려웠던 일은 속도를 검증하는 것이었습니다. 모바일용 D램에 HKMG 공정을 도입했는데 이 제품 속도를 측정하는 테스트 장비가 없는 거에요. 세계 최고 속도 9.6Gbps를 개발하는 것이라서… 측정 시스템에서도 속도제한이 걸려 검증이 쉽지 않았습니다. 결국 속도에 영향을 주는 항목들을 하나하나 뽑아내 목표치를 맞추면서 개발하게 되었습니다.”

지난 2022년 11월 SK하이닉스는 8.5Gbps 동작 속도와 함께 세계 최저 구동 전력인 1.01~1.12V를 구현한 모바일용 D램 LPDDR5X(Low Power Double Data Rate 5X)를 출시했다. 이어 올해 1월에는 다시 세계 최고속 9.6Gbps의 LPDDR5T 개발에 성공, 모바일용 D램의 역사를 새롭게 썼다.

스마트폰에 들어가는 모바일용 D램은 크기가 작아야 하고 소비전력이 낮아야 한다. 또 더 많은 기능을 수행하기 위해 속도는 더욱 빨라져야 한다. 하지만 미세화(Scaling)*의 한계에 다다른 현시점에서 기술 난이도는 점점 더 높아지고 있다.

그럼에도 불구하고 SK하이닉스가 모바일용 D램 강자 지위를 공고히 할 수 있었던 ‘기술력의 비밀’은 무엇일까? High-K Metal Gate(이하 HKMG) 공정을 세계 최초로 모바일용 D램에 적용했다는 것이다. 바로 그 HKMG 공정의 원리부터 LPDDR5X, LPDDR5T 도입 과정까지, 뉴스룸에서 정리했다.

세계 최고속, 저전력 모바일용 D램을 완성한 ‘HKMG 공정’

사실 HKMG는 10여 년 전부터 상용화되어 왔다. 획기적인 기술임에도 불구하고 1)기술 자체의 높은 난이도 2)기존 소재 대비 공정 비용 증가 3)예측할 수 없는 리스크 4)전자 누출을 제어하기 위한 기술 개발의 어려움 등 다양한 난제들이 있었다. 무엇보다 모바일용 D램 분야에는 한번도 적용된 적 없던 기술이기에, SK하이닉스 역시 긴 고민이 필요했다.

결국 실패 가능성이라는 리스크를 감수하고, SK하이닉스는 모바일용 D램의 패러다임을 바꿀 ‘도전’을 감행했다. 이는 모바일용 D램의 두뇌와 심장을 바꾸는 것과 맞먹는 일이었다.

모바일용 D램 주변부(Peri) 트랜지스터에 HKMG를 적용하는 건 큰 도전이었다. 일반적으로 D램은 데이터 저장이 이뤄지는 셀 트랜지스터와 데이터의 입출력을 담당하는 주변부 트랜지스터로 이뤄지는데, 주변부에 HKMG를 적용하면서 동시에 셀과 주변부 간의 연결 문제를 고려해 셀에는 영향을 최소화해야 했기 때문이다.

셀(Cell) 공정이 미세화 됨에 따라 셀을 구동하는 주변 회로의 면적도 줄어들었다. 이로 인해 전하를 공급하는 트랜지스터의 크기가 줄어들면서 게이트 절연막의 두께가 감소하는데 여기서 문제가 발생된다. 기존 모바일용 D램의 절연막 소재인 실리콘옥사이드(SiON)가 ‘속도’ 측면에서 한계를 드러내고 있는 것. 게다가 절연막의 두께가 감소할수록 누설 전류량이 증가하여 전력 손실이 발생되기 때문에 효율성 측면에서 문제가 드러났다.

솔루션을 찾기 위해 SK하이닉스는 절연막에 기존 절연막보다 5배 정도 유전율*이 높은 High-K 물질을 적용했다. 똑같은 전압을 가하더라도 같은 면적과 두께라면 High-K 물질을 적용한 절연막이 기존 실리콘옥사이드(SiON)보다 5배 더 많은 전하를 모을 수 있게 된다. 즉 유전율이 높은 High-K 물질로 절연막을 만들어 두께와 누설 전류를 줄일 수 있는 것이다.

그런데 기존 게이트에 적용된 폴리실리콘(poly-Si)과 High-K 물질을 함께 사용하면 게이트의 저항이 높아져 오히려 높은 전압이 필요하고 또한 전자의 속도가 느려지는 문제가 발생했다. 이를 해결하기 위해 게이트 물질을 금속 게이트(Metal Gate)로 교체하였다. 이로써 높은 유전율을 가진 게이트 산화물과 금속 전극을 결합한 HKMG 통합 솔루션을 완성했다.

세계 최초, 모바일용 D램 HKMG 기술 적용을 위한 여정

SK하이닉스는 가장 먼저 개발-연구-제조 부문의 소자 및 공정 전문가로 구성된 TF를 구성, 개발 업무에 착수했다. 동시에 파생(Derivative) 제품* 최초로 공정 개발 초기 단계부터 소자 설계, PE 팀 내 프로젝트 원팀 조직을 구성, 신뢰성과 품질 리스크를 점검하며 함께 이슈를 해결해 나갔다. TF의 가장 큰 목표는 기존 공정을 최대한 유지하여 비용을 최소화하면서 HKMG 기술을 접합한 통합 솔루션을 개발하는 것이었다.

단, HKMG의 특성을 이용해 속도를 높이면서 동시에 파워를 줄이는 방안이 필요했다. 하지만 파워를 줄이기 위해 전기 용량을 낮추는 것은 칩 크기의 한계 때문에 불가능했고, 결국 전압을 낮추는 설계 외에는 방법이 없던 상황. 이를 위해 설계 내부 전원을 낮추는 전력 설계(Power Architecture)와 절전모드에서 게이트 레벨을 낮추어 전력 소모를 크게 줄이는 등 혁신적인 설계 기술 아이디어를 적용했고, 마침내 저전력 경쟁력을 확보하게 되었다.

SK하이닉스, 모바일용 D램 LPDDR5X, LPDDR5T로 신화를 새롭게 쓰다. 세계 최고속, 초저전력 동시 구현

이렇게 출시된 LPDDR5X 제품은 누설 전류를 효과적으로 제어해 이전 세대 대비 33% 속도 향상(8.5Gbps)과 함께 21% 전력 감소 효과를 나타내어 환경적 측면에서도 업계의 목표 사양을 충족하면서도 에너지 효율을 높여 탄소 저감에도 기여하였다.

그리고 두 달 뒤 개발된 LPDDR5T는 LPDDR5X와 동일한 초저전압 범위에서 작동하면서 동작 속도는 13% 빠른 9.6Gbps로 현존하는 모바일용 D램 중 최고속 제품이다.

현재 HKMG 공정을 적용한 SK하이닉스의 모바일용 D램은 여러 고객으로부터 세계 최고의 성능이라는 긍정적인 피드백을 받고 있다. 또, 회사는 JEDEC(국제반도체표준협의기구)에 모바일용 D램의 신규 스펙을 제정하는 것을 추진하고 있다.

이제 SK하이닉스의 다음 목표는 HKMG 공정 개발 성공의 경험을 적극적으로 활용해 후속 제품뿐만 아니라 차세대 기술 및 제품에 더 큰 혁신을 가져오는 것이다. LPDDR5X와 LPDDR5T는 시작일 뿐이다.

울트라북, 스마트폰, 스마트패드! 언제 어디서나 배터리 걱정 없이 누리는 스마트한 생활의 일등공신은 바로 Mobile DRAM입니다. 저전력을 목표로 하는 Mobile DRAM개발에는 SK하이닉스 내에서도 여러 부서의 땀과 노력이 배어있는데요. 어떤 제품을 개발했다 하더라도 그 것이 정말 ‘잘’ 만들어 졌는지, 불량은 없는지에 대한 피드백이 없으면 진정한 완성이라 하기 어렵겠죠? 그래서 만나 보았습니다. Mobile DRAM 완성의 화룡점정, Mobile DRAM 제품개발팀!

현재 우리가 누리고 있는 스마트 라이프를 책임지고 있는 Mobile DRAM! 정말 Mobile DRAM이 아니었다면 스마트폰의 등장은 어려웠겠죠? 이렇게 핵심적인 일을 하고 있는 Mobile DRAM 제품개발팀을 영하이라이터가 만나보았답니다. DRAM에 대한 열정으로 가득 찼던 그 현장! 그럼 생생한 인터뷰 현장으로 한번 가보실까요?

Mobile DRAM 제품에 가치를 부여합니다

Q.안녕하세요! 간단한 자기소개 부탁 드릴게요

A. Mobile DRAM 제품개발팀에서 근무하고 있는 박현수 책임입니다. 1999년도에 입사해 MM제품팀에서 10년정도 근무했고 2009년부터 현재까지 Mobile DRAM 제품개발팀에서 근무하고 있습니다.

Q. Mobile DRAM 제품개발팀은 어떤 부서인가요?

A. 일단 Mobile DRAM 제품개발팀 뿐만 아니라 SK하이닉스의 모든 제품팀은 쉽게 말해서 신제품의 상품화 역할을 하고 있어요. 상품기획팀에서 신제품을 제안하고, 설계팀에서 회로를 디자인하면 소자팀 프로세스를 진행해서 신제품이 만들어져요. 그러나 제품의 개발은 거기서 끝이라고 할 수 없습니다. 바로 제품개발팀에서 그 신제품을 평가하고 문제점과 불량을 찾아 개선을 진행합니다. 제품팀의 역할을 통해 비로소 신제품에 가치를 부여하게 되는 거죠. 제품팀을 거친 신제품은 비로소 마케팅에서 판매를 하게 됩니다.

“신제품 개발의 마지막 관문! 불량은 없애고 고객만족도를 높입니다”

Q. 신제품에 대한 평가와 불량 찾기는 어떤 식으로 이루어지나요?

A. 반도체에서 ‘스펙’이라 함은 ‘내가 이런 조건을 줬을 때 어떤 정해진 결과, 즉 아웃풋이 나와야 한다’는 것을 의미해요. 제품개발팀은 이 신제품이 기대 스펙을 만족하는가? 하는 것을 테스트하게 됩니다. ATE(Automatic Test Equipment)로 테스트를 진행하고 결과 값에 따라 성능을 개선하는 등 모든 불량을 차단해 고객이 원하는 최상의 Mobile DRAM을 전달하는 겁니다.

Q. 최근 Mobile 시장이 커지면서 Mobile DRAM제품 개발팀의 역할도 커진 것 같은데요, 더욱 바쁜 일과를 보내고 계실 것 같아요~!

A. 네 맞습니다. 최근 Mobile 기계와 그 수요가 증가하면서 고객들은 다양한 제품의 Mobile 제품을 요청하고 있는데요. PC DRAM과 달리 핸드폰, 태블릿 등 다양한 Application에 들어가는 만큼 모든 상황을 고려한 완벽한 검증이 필요하답니다. 더불어 다양한 고객의 니즈도 대응해야 하구요. 한마디로 제품팀이 없다면 판매할 수 있는 제품도 없다고 볼 수 있겠죠?

Q. 정말 제품 개발의 ‘화룡점정’이라 해도 과언이 아닌데요! 이런 업무를 하기 위해 필요한 업무소양에는 어떤게 있을까요?

A. 기본적으로 제품개발팀은 다른 부서들과 고객 사이에 있기 때문에 커뮤니케이션이 많아요. 타 부서와의 협업을 통해 고객이 원하는 완벽한 제품을 전달 하는 게 목적이니까요. 서로 설득하고, 설득 당하는 거죠. 따라서 설득을 잘 하기 위해서는 반도체 공정에 대해 전반적으로 잘 이해하고 있어야 하겠죠? 그런데 제품 엔지니어만큼 반도체에 잘 아는 사람은 드물어요. 이 부분에서 제품 엔지니어의 장점이 드러나는 거죠! 커뮤니케이션에 능하며, 반도체에 대해 전반적으로 잘 아는 전문가들이 모인 팀이 제품개발팀 이랍니다.

점점 이야기를 듣다 보니 Mobile DRAM 제품개발팀이 정말 매력적으로 느껴졌는데요, 이런 매력적인 부서에는 과연 어떤 사람들이 일하고 있을까요? 영하이라이터들은 점점 궁금증이 커져만 갔습니다. 그래서 물어보았습니다! 취준생이라면 누구나 궁금해 할만 할 질문들, 바로 취업에 관한 인터뷰가 이어졌는데요, Mobile DRAM 제품개발팀의 박현수 책임님이 직접 들려주는 꿀TIP! 함께 보실까요?

Q. Mobile DRAM 제품개발팀! 정말 매력적인 부서인 것 같아요~ 그렇다면 제품개발팀에 지원하기 위해서는 반도체에 대해 완벽히 잘 아는 사람이어야 하나요?

A. 꼭 그렇지만은 않아요. 물론 전자공학 전공자이면 정말 좋겠죠. 그런데 똑같은 전자공학 전공자라고 하더라도 학부생 때 공부한 파트, 수강한 과목이 다 다르잖아요. 예를 들어 실험과목이 있는데 그 과목은 배울 것도 많고 어렵다고 회피해버리면 정작 취업 후 실전 업무 때 어려움이 굉장히 많아요. 쉬운 길만 택해서 성적만 올릴게 아니라 학부과정에서 필요한 과목을 제대로 듣고 공부하면 실전 업무에 들어와서도 배우면서 일 할 수 있어요. 회사 내에는 반도체 전문가가 굉장히 많으니까요. 즉 반도체나 전자공학에 대한 학부생 수준의 기본 지식을 갖추시면 됩니다.

“반도체에 대한 학부생 수준의 기본 지식을 쌓으세요”

Q. 팀 내 분위기는 어떤 가요? 커뮤니케이션도 업무의 일부이다 보니 팀 분위기도 활발할 것 같아요

A. 맞아요. 아무래도 팀 내 분위기는 타 부서에 비해 부드럽고 활발한 편이에요. 최근에 근무했던 인턴도 팀의 분위기가 굉장히 좋았다며 높은 만족도를 보였어요. 아무래도 타 부서와의 협업, 그리고 고객과의 끊임없는 커뮤니케이션이 많다 보니 팀원들 자체도 활발하고요.

Q. Mobile DRAM 제품개발팀에 지원하고자 하는 학생들을 위한 조언이 있다면 무엇인가요?

A. 제품팀은 숲과 나무를 동시에 봐야 하는 부서에요. 숲을 보라는 말은 신제품의 기획부터 고객한테 전달하는 모든 과정에 제품팀이 관여하고 있기 때문이에요. 그 전반적인 과정을 알고 또 나무로써의 신제품 특성평가 및 불량분석이라는 업무도 진행 하는 거에요. 숲과 나무를 보기 위해서는 엔지니어로서의 근성, 원만한 대인관계, 그리고 어학능력이 있다면 좋을 것 같습니다.

Q. 취업을 희망하는 학생들에게 마지막 한 말씀 부탁드릴게요!

A. 무조건 대기업에 들어가겠다! 하는 생각보다는 내가 몇 십 년 후에 어떤 모습으로 어떤 일을 하고 있을지 진지하게 생각하고 지원하세요. 대부분 기업은 학부 졸업생 지원자에게 엄청난 업무 지식을 요구하지 않습니다. 학부생 으로서 배울 수 있는 것을 열심히 배우고 착실히 전공을 갈고 닦는게 중요해요. 그리고 입사 후에는 원만한 커뮤니케이션 능력까지 갖추면 더 할 나위 없이 좋겠죠?