메모리와 로직 칩은 어떻게 다르게 만들어질까

창고와 사무실은 설계가 다르다

큰 건물을 하나 떠올려 봅시다. 물건을 많이 보관하는 창고는 같은 모양의 선반을 빽빽하게 배치하는 것이 중요합니다. 반대로 사람들이 일하고 회의하는 사무실은 방, 복도, 회의실, 전기 배선, 통신망이 복잡하게 얽혀 있습니다. 둘 다 건물이지만 잘 지어야 하는 기준은 다릅니다.

반도체도 마찬가지입니다. 메모리 칩은 정보를 많이 저장하는 데 초점을 둡니다. 같은 구조의 저장 셀을 아주 많이, 아주 작게, 규칙적으로 배치해야 합니다. 로직 칩은 정보를 계산하고 판단하고 제어하는 데 초점을 둡니다. CPU, GPU, 스마트폰의 애플리케이션 프로세서 같은 칩이 여기에 속합니다. 이들은 단순히 많이 넣는 것보다 빠르게 계산하고, 복잡한 신호를 정확히 처리하고, 전력을 적게 쓰는 것이 중요합니다.

따라서 반도체라고 해서 모두 같은 공정 목표를 갖는 것은 아닙니다. 웨이퍼, 포토리소그래피, 식각, 증착, 배선 같은 기본 도구는 비슷하게 쓰이지만, 무엇을 가장 중요하게 관리하는지는 제품마다 달라집니다.

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DRAM: 전하를 잠시 담아 두는 작은 컵

DRAM은 컴퓨터와 스마트폰에서 작업 중인 데이터를 임시로 저장하는 대표적인 메모리입니다. 전원이 꺼지면 내용이 사라지는 휘발성 메모리입니다. 대신 빠르고, 비교적 큰 용량을 만들기 좋습니다.

DRAM의 기본 셀은 아주 단순하게 보면 하나의 트랜지스터와 하나의 커패시터로 이루어져 있습니다. 커패시터는 전하를 담는 작은 컵처럼 생각하면 됩니다. 컵에 물이 차 있으면 1, 비어 있으면 0으로 약속하는 식입니다. 실제로는 물이 아니라 전하가 저장됩니다.

문제는 이 컵이 완벽하지 않다는 점입니다. 아무리 잘 만들어도 전하는 조금씩 새어 나갑니다. 컵에 아주 작은 구멍이 있어 시간이 지나면 물이 줄어드는 것과 비슷합니다. 그래서 DRAM은 저장된 값을 주기적으로 다시 읽고, 약해진 전하를 보충해야 합니다. 이 과정을 새로고침, 즉 리프레시라고 합니다.

DRAM이라는 이름에서 D는 dynamic, 즉 동적이라는 뜻입니다. 가만히 두어도 데이터가 영원히 유지되지 않고 계속 관리해 주어야 한다는 의미가 들어 있습니다. 이 특성 때문에 DRAM은 전원이 필요하고, 사용 중에도 리프레시 동작에 일정한 전력을 씁니다.

DRAM 공정의 핵심은 작지만 충분한 저장 공간

DRAM 제조에서 어려운 점은 작은 면적 안에 충분한 전하를 저장해야 한다는 것입니다. 셀이 작아질수록 커패시터도 작아집니다. 컵이 작아지면 담을 수 있는 물의 양도 줄어듭니다. 전하가 너무 적으면 1과 0을 구분하기 어려워지고, 잡음이나 누설에 약해집니다.

그래서 DRAM 공정은 커패시터 구조를 정교하게 만드는 데 많은 노력을 기울입니다. 평평한 표면 위에 단순한 판을 놓는 방식으로는 충분하지 않습니다. 더 많은 전하를 담기 위해 커패시터를 위로 세우거나, 깊은 구조를 만들거나, 표면적을 키우는 방식이 사용됩니다. 같은 바닥 면적 안에서 컵의 안쪽 면을 최대한 넓히는 셈입니다.

또한 DRAM은 같은 셀이 끝없이 반복되는 구조입니다. 워드라인과 비트라인이라는 가로세로 신호선이 격자처럼 놓이고, 그 교차점 근처에 저장 셀이 배치됩니다. 이 규칙성은 큰 장점입니다. 같은 패턴을 반복하므로 많은 셀을 높은 밀도로 넣을 수 있고, 결함이 있는 일부 셀을 예비 셀로 대체하는 설계도 활용할 수 있습니다.

하지만 반복 구조라고 해서 만들기 쉬운 것은 아닙니다. 셀 하나의 크기가 매우 작기 때문에 선폭, 정렬, 식각 깊이, 절연막 품질이 조금만 흔들려도 수많은 셀에 같은 문제가 퍼질 수 있습니다. DRAM은 '반복되는 단순함'을 극한까지 밀어붙이는 제품이라고 볼 수 있습니다.

NAND 플래시: 전원을 꺼도 남는 기록

NAND 플래시는 스마트폰 저장장치, SSD, USB 메모리 등에 쓰입니다. DRAM과 달리 전원이 꺼져도 데이터가 남습니다. 이런 메모리를 비휘발성 메모리라고 합니다.

NAND 플래시의 기본 생각은 전자를 쉽게 빠져나가지 못하는 저장 영역에 붙잡아 두는 것입니다. 예전에는 플로팅 게이트라는 구조가 많이 쓰였고, 최근에는 절연막 성질의 전하 저장층에 전자를 붙잡아 두는 차지 트랩 방식이 널리 쓰입니다. 구조는 조금 다르지만 핵심은 비슷합니다. 전자가 저장된 상태와 그렇지 않은 상태에 따라 트랜지스터가 켜지는 조건, 즉 문턱 전압이 달라집니다. 칩은 이 차이를 읽어 0과 1을 판단합니다.

왜 전원이 꺼져도 정보가 남을까요? 저장된 전자가 쉽게 빠져나가지 못하도록 주변이 절연막으로 막혀 있기 때문입니다. 마치 잠긴 방 안에 공을 넣어 두면 문을 열기 전까지 공이 그대로 남아 있는 것과 비슷합니다. 물론 완벽히 영원한 것은 아닙니다. 아주 오랜 시간이 지나거나, 너무 많이 쓰고 지우면 절연막이 손상되어 데이터 보존 능력이 떨어질 수 있습니다.

NAND 플래시는 데이터를 쓸 때와 지울 때 비교적 높은 전압을 사용해 전자를 절연막 너머로 이동시킵니다. 읽을 때는 저장된 전하 때문에 문턱 전압이 어떻게 변했는지 확인합니다. 이 과정이 반복되면 절연막은 조금씩 스트레스를 받습니다. 그래서 NAND에는 쓰기 횟수의 한계가 있고, 저장장치는 특정 셀만 과도하게 쓰지 않도록 데이터를 분산해 기록합니다.

NAND 공정의 핵심은 위로 쌓는 능력

초기의 NAND 플래시는 웨이퍼 표면을 따라 평면적으로 셀을 줄여 나갔습니다. 그러나 셀이 너무 작아지면 전자를 안정적으로 가두기 어렵고, 이웃 셀 간 간섭도 커집니다. 그래서 현대 NAND는 3D NAND 구조로 발전했습니다. 셀을 옆으로만 줄이는 대신 위로 여러 층 쌓는 방식입니다.

아파트를 생각하면 쉽습니다. 땅이 부족하면 단층집을 계속 작게 만드는 대신 여러 층 건물을 올립니다. 3D NAND도 비슷합니다. 절연막과 전하 저장층을 여러 겹 쌓고, 그 안을 수직으로 깊게 뚫어 셀을 형성합니다. 이 덕분에 같은 웨이퍼 면적에서 훨씬 많은 데이터를 저장할 수 있습니다.

하지만 위로 쌓는 일은 새로운 어려움을 만듭니다. 수십 층에서 수백 층에 이르는 막을 균일하게 만들고, 아주 깊고 좁은 구멍을 곧게 식각해야 합니다. 구멍의 위쪽과 아래쪽 모양이 다르면 셀 특성이 달라집니다. 막 두께가 층마다 조금씩 달라도 읽기와 쓰기 조건이 흔들립니다. NAND 공정은 '작게 만드는 기술'뿐 아니라 '높게 쌓고 깊게 뚫는 기술'이 매우 중요합니다.

로직 칩: 빠르게 판단하는 복잡한 회로

CPU와 GPU 같은 로직 칩은 데이터를 저장하는 것보다 계산하고 판단하는 데 목적이 있습니다. CPU는 프로그램의 명령을 해석하고 순서대로 처리합니다. GPU는 비슷한 계산을 대량으로 병렬 처리하는 데 강합니다. 인공지능 연산, 그래픽 처리, 과학 계산에 자주 쓰입니다.

로직 칩에도 메모리 구조가 들어갑니다. 예를 들어 CPU 안에는 자주 쓰는 데이터를 가까이 두기 위한 캐시 메모리가 있습니다. 반대로 메모리 칩 안에도 주소를 해석하고 데이터를 읽고 쓰기 위한 제어 회로가 있습니다. 따라서 메모리와 로직은 완전히 분리된 세계가 아닙니다. 다만 칩의 중심 목표가 다릅니다. 메모리 칩은 저장 셀 배열이 주인공이고, 로직 칩은 다양한 기능 회로와 그 연결망이 주인공입니다.

로직 칩에서는 트랜지스터 하나하나의 성능이 매우 중요합니다. 트랜지스터가 빨리 켜지고 꺼져야 계산 속도가 올라갑니다. 꺼져 있을 때 전류가 새지 않아야 전력 낭비와 발열을 줄일 수 있습니다. 또한 수많은 회로 블록 사이를 연결하는 배선도 중요합니다. 아무리 트랜지스터가 빨라도 신호가 배선에서 지연되면 전체 칩은 느려집니다.

CPU와 GPU는 같은 패턴만 반복하지 않습니다. 연산 장치, 제어 회로, 캐시, 입출력 회로, 전원 분배망, 클록 회로가 복잡하게 배치됩니다. 그래서 로직 칩은 제조 공정뿐 아니라 설계 복잡성이 매우 큽니다. 어느 위치에 어떤 회로를 놓을지, 신호선을 어떻게 연결할지, 열이 많이 나는 부분을 어떻게 분산할지까지 고려해야 합니다.

같은 공장 도구, 다른 우선순위

메모리와 로직 칩은 모두 포토리소그래피, 식각, 증착, CMP, 도핑, 배선 공정을 사용합니다. 하지만 공정의 초점은 다릅니다.

DRAM은 작은 셀 안에 충분한 전하를 저장해야 하므로 커패시터 구조와 누설 관리가 핵심입니다. NAND는 전하를 오래 가두어야 하므로 절연막 품질과 3D 적층 구조가 중요합니다. 로직 칩은 트랜지스터의 빠른 스위칭, 낮은 누설, 복잡한 배선, 설계 최적화가 중요합니다.

이 차이는 수율을 관리하는 방식에도 영향을 줍니다. 메모리는 반복 구조가 많기 때문에 결함 패턴을 분석하고 예비 셀을 활용하는 방식이 중요합니다. 로직은 회로 블록이 다양하므로 특정 결함이 어떤 기능에 영향을 주는지 분석이 더 복잡할 수 있습니다. 하나의 작은 결함이 중요한 신호선이나 제어 회로에 생기면 칩 전체가 동작하지 않을 수도 있습니다.

반도체의 차이는 목적에서 시작된다

메모리와 로직의 차이를 한 문장으로 정리하면 이렇습니다. 메모리는 '얼마나 많이, 안정적으로 저장할 것인가'가 중심이고, 로직은 '얼마나 빠르고 정확하게 처리할 것인가'가 중심입니다.

물론 현실의 칩은 점점 서로 가까워지고 있습니다. 고성능 로직 칩은 더 큰 캐시와 더 빠른 메모리 연결을 원합니다. 메모리 칩도 단순 저장을 넘어 내부 제어와 오류 보정 기능이 중요해지고 있습니다. 패키징 단계에서는 여러 종류의 칩을 가까이 붙여 하나의 제품처럼 동작하게 만들기도 합니다.

그래도 기본 원리는 변하지 않습니다. 반도체 제조는 목적에 맞게 구조와 공정을 선택하는 일입니다. 같은 실리콘 웨이퍼 위에서 출발하더라도, 어떤 칩은 전하를 담는 작은 저장소를 빽빽하게 만들고, 어떤 칩은 수많은 스위치를 복잡하게 연결해 빠른 판단 장치를 만듭니다. 그래서 반도체를 이해하려면 "어떻게 만들었는가"와 함께 "무엇을 하려고 만들었는가"를 함께 보아야 합니다.