낸드플래시 적층 경쟁: 2D에서 300단+까지, 어떻게 쌓을까

예전 SSD는 용량을 늘리려면 셀을 더 작게 깎아 평면에 빽빽이 채웠다. 그런데 셀이 일정 크기 이하로 작아지자 옆 셀과 전기적으로 간섭하고, 가둬둔 전자가 새어 데이터가 깨지기 시작했다. 평면(2D) 미세화가 벽에 부딪힌 것이다. 해법은 단순하지만 혁명적이었다. 옆으로 못 늘리면 위로 쌓자. 이것이 3D 낸드다.

1. 2D의 한계와 3D의 발상

2D 낸드는 셀을 평면에 나열한 단층 주택이었다. 미세화로 셀 간격이 좁아지자 누설과 간섭이 심해졌다. 3D 낸드는 이 셀을 수직으로 적층한 아파트로 바꿨다. 평면 밀도를 무리하게 높이는 대신 층수를 올려 같은 면적에 훨씬 많은 셀을 담는다. 덕분에 오히려 셀 하나의 여유 공간을 확보해 안정성까지 챙겼다.

2. 어떻게 수직으로 쌓을까

핵심 공정은 채널 홀(channel hole) 식각이다. 절연막과 도전막을 수십~수백 층 번갈아 쌓은 뒤, 위에서 아래로 깊은 구멍을 한 번에 뚫고 그 벽면에 셀을 형성한다.

  ┌─ 워드라인(층) ─┐  ← 한 층이 하나의 셀
  │  ▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓  │
  │  ▓        ▓  │  ← 수직 채널 홀
  │  ▓ 채널 ▓  │     (위→아래 한 번에 식각)
  │  ▓        ▓  │
  └────────────┘

한 번에 뚫는 구멍의 층수가 많을수록 비트당 원가가 내려간다. 하지만 너무 깊으면 구멍이 휘거나 위아래 폭이 달라진다. 그래서 일정 층 묶음을 따로 쌓아 이어붙이는 스트링 스태킹으로 200단·300단+를 구현한다(예: 100단 묶음 2~3개를 적층).

3. 적층 세대 흐름

구간	대략 시기	특징
2D	~2014년경	평면 미세화 한계 도달
1xx단 (96·128·176)	2018~2021	3D 본격화, 단일 식각 위주
2xx단 (200·232)	2022~2023	스트링 스태킹 정착
300단+	2024 이후	다단 본딩·신구조로 고적층 경쟁

단수는 마케팅 숫자처럼 보이지만, 실제로는 같은 다이에 더 많은 용량을 담아 비트당 원가를 낮추는 직접적 수단이다. 그래서 제조사들은 단수 경쟁에 사활을 건다.

4. 셀 방식과 곱해진다

적층은 셀 방식(TLC/QLC)과 곱셈으로 용량을 키운다. 232단 TLC 다이에 QLC를 적용하면 같은 층수로 1.33배 용량이 된다. 그래서 초고용량 SSD는 대개 고적층 + QLC 조합이다. 다만 앞 글에서 봤듯 QLC는 쓰기 수명·속도에서 손해를 보므로, 용량과 내구성은 늘 맞교환 관계다.

5. 적층의 한계와 과제

• 식각 난도: 구멍이 깊을수록 위아래 균일성 확보가 어렵다.
• 셀 간 간섭: 층이 늘면 인접 층 전하 간섭과 데이터 보존 문제가 다시 고개를 든다.
• 발열·공정 비용: 수백 층 식각과 본딩은 장비·시간 비용이 크다.
• 속도: 한 다이에 셀이 많아지면 내부 경로가 길어져 컨트롤러의 병렬 처리 설계가 더 중요해진다.

그래서 단순히 '몇 단이냐'보다 수율과 비트당 원가, 그리고 컨트롤러 최적화가 진짜 실력을 가른다.

한 줄 정리

3D 낸드는 셀을 위로 쌓아 평면 미세화의 벽을 넘은 기술이다. 채널 홀 식각과 스트링 스태킹으로 300단+까지 올라가며, 셀 방식과 곱해져 SSD 용량을 매년 키운다. 단수보다 수율·원가·컨트롤러가 승부처다.