인공지능(AI) 확산으로 고성능·고용량 메모리 수요가 빠르게 증가하면서 차세대 3D DRAM 기술이 반도체 장비업계의 새로운 화두로 떠오르고 있다.

기존 DRAM이 미세화를 통해 평면에서 셀 면적을 줄여 집적도를 높였다면 3D DRAM은 NAND가 2D에서 3D 구조로 전환했던 것처럼 DRAM 셀 자체를 수직으로 적층해 집적도를 높이는 기술이다. Tokyo Electron도 2026년 기술 자료에서 DRAM 칩을 적층하는 HBM과 셀 자체를 적층하는 모놀리식 3D DRAM을 구분하고 있다.

◆ 삼성전자·SK하이닉스, 차세대 3D 메모리 기술 경쟁

삼성전자는 이달 미국에서 열린 FMS 2026에서 ‘3D Innovations in Memory &Storage Architecture’를 주제로 차세대 3D 메모리 전략을 공개했다. 특히 DRAM 개발 조직이 직접 참여해 차세대 3D 구조를 제시했으며, AI 가속기 위에 HBM을 수직 적층하는 zHBM을 처음 공개하는 등 메모리의 Z축 확장을 본격화하고 있다. 다만 zHBM은 셀 자체를 적층하는 ‘3D DRAM’과는 다른 기술이라는 점은 구분할 필요가 있다

SK하이닉스는 2025년 IEEE VLSI 심포지엄에서 향후 30년 DRAM 기술 로드맵을 공개하며 ‘3D DRAM’을 미래 DRAM의 핵심 축으로 공식 제시했다. 기존 평면 DRAM의 미세화만으로 성능과 용량을 높이는 데 한계가 커지면서 10나노급 이하에서 4F² Vertical Gate를 거쳐 셀을 수직으로 적층하는 3D DRAM으로 발전시키겠다는 방향이다. SK하이닉스는 3D DRAM을 단순 연구 아이디어가 아니라 기존 2D DRAM의 물리적 미세화 한계를 넘어설 장기 차세대 플랫폼으로 보고 개발을 추진하고 있다.여기에 2026년에는 별도의 ‘3D Stacked DRAM on Logic’ 개발도 구체화하고 있다.

◆ 미세화만으로는 한계…DRAM도 ‘위로 쌓는다’

현재 DRAM 셀은 기본적으로 1개의 트랜지스터와 1개의 커패시터(1T1C)로 구성된다. 문제는 DRAM 선폭이 계속 줄어들면서 충분한 전하를 저장할 수 있는 커패시터를 만드는 것이 갈수록 어려워지고 있다는 점이다. 그동안 업계는 좁아지는 셀 면적을 보완하기 위해 커패시터를 더 높고 가늘게 만드는 방식으로 대응했다. 하지만 구조가 지나치게 높아지면 식각과 증착 난도가 급격히 상승하고 구조 안정성과 수율 확보도 어려워진다. 이에 따라 업계가 주목하는 기술이 3D DRAM이다.

기존 DRAM이 X·Y축 방향의 미세화를 통해 집적도를 높였다면 3D DRAM은 여기에 Z축을 추가해 셀 자체를 여러 층으로 쌓는 방식이다. HBM과도 차이가 있다. HBM은 이미 완성된 DRAM 다이를 TSV와 본딩 기술을 이용해 여러 장 쌓는 후공정 중심 기술이다. 반면 3D DRAM은 하나의 웨이퍼 안에서 메모리 셀 구조 자체를 여러 층으로 만드는 전공정 중심 기술이다. 향후에는 3D DRAM으로 제작한 고집적 DRAM Die를 다시 HBM으로 적층하는 형태까지 발전할 가능성이 있다.

현재 유력하게 연구되는 3D DRAM 제조 방식 중 하나는 Si(실리콘)와 SiGe(실리콘게르마늄)를 반복적으로 적층하는 구조다. 웨이퍼 위에 다층 박막을 형성한 뒤 필요한 영역을 수직·수평 방향으로 식각하고 그 공간에 트랜지스터와 절연막, 전극 등을 형성한다. 문제는 층수가 증가할수록 기존 DRAM보다 공정 난도가 크게 높아진다는 점이다.

우선 Si와 SiGe를 반복적으로 균일하게 성장시키기 위한 Epitaxy(에피택시) 장비가 필요하다. 이후 수십~수백 개 층을 관통하는 구조를 만들기 위한 HAR Etch(High Aspect Ratio Etch·고종횡비 식각) 기술이 요구된다. 여기에 특정 물질만 제거하는 Selective Etch(선택적 식각)와 원자 단위로 복잡한 구조 내부에 박막을 입히는 ALD(원자층 증착) 기술까지 필요하다. 결국 3D DRAM 시대에는 전공정 장비의 중요성이 높아질 가능성이 있다.

◆ 국내 장비업체, 3D DRAM 장비 선점 나서…전공정 기술 경쟁

국내 장비업체 가운데 현재 3D DRAM과 가장 직접적인 개발 프로젝트가 확인되는 업체 중 하나는 비아트론이다. 비아트론은 2026년 산업통상자원부·한국산업기술기획평가원의 ‘3D 수직적층 메모리용 Si·SiGe 증착 및 웨이퍼 계측·검사 융합 고생산성 Epitaxy 장비 개발’ 국책과제 주관기관으로 선정됐다. 핵심은 3D DRAM의 기반이 되는 Si/SiGe 다층 구조를 만드는 Epitaxial-CVD 장비다. 3D DRAM에서는 적층수가 증가하면서 Epi 공정시간이 길어질 수 있기 때문에 단순히 박막을 형성하는 기술뿐 아니라 생산성(Throughput) 확보가 중요하다. 비아트론은 고생산성 Epi 장비와 함께 웨이퍼의 두께와 결함 등을 장비 내부에서 확인할 수 있는 계측·검사 기능을 융합한 장비 개발을 추진하고 있다. 디스플레이 열처리 장비에서 출발한 비아트론이 차세대 3D DRAM Epi 장비를 통해 반도체 전공정 시장으로 사업영역을 확대하고 있다는 점에서 주목할 필요가 있다.

주성엔지니어링은 3D DRAM에서 요구되는 ALD와 Gap-fill 기술 측면에서 주목된다. 3D DRAM은 셀 구조가 수직으로 복잡해지면서 좁고 깊은 공간 내부에 균일하게 박막을 형성해야 한다. 기존 증착 방식으로는 구조 상단과 하단의 막 두께 차이가 발생하기 쉽다. 반면 ALD는 원자층 단위로 박막을 형성할 수 있어 복잡한 3D 구조에서도 높은 Step Coverage(단차 피복성)를 확보하는 데 유리하다. 향후 3D DRAM에서는 커패시터 High-K 유전체뿐 아니라 절연막, 전극, Gap-fill 등으로 ALD 적용 범위가 확대될 가능성이 높다. 따라서 3D NAND 전환 과정에서 증착 공정의 중요성이 크게 높아졌던 것처럼 DRAM의 3D 전환에서도 ALD 장비 시장 확대가 예상된다.

테스 역시 3D DRAM 전환 과정에서 관심 있게 볼 필요가 있는 국내 전공정 장비업체다. 다만 현재 공개된 자료를 기준으로 테스가 ‘3D DRAM 셀 적층 전용 장비’를 개발하고 있다고 단정하기는 어렵다. 대신 테스는 PECVD(플라즈마 화학기상증착), Gas Etch 등 증착·식각 기술을 기반으로 기존 NAND 중심 사업구조에서 DRAM으로 빠르게 영역을 확대하고 있다. 특히 SiCN 증착 장비와 HD-ACL(High Density Amorphous Carbon Layer·고밀도 비정질탄소막) 장비의 DRAM 적용을 추진하고 있다. HD-ACL은 미세 패턴을 깊게 식각할 때 마스크 역할을 하는 고밀도 박막을 형성하는 장비다.

3D 구조에서는 적층수가 증가할수록 깊은 식각이 필요하기 때문에 식각 과정에서 패턴을 보호할 수 있는 고성능 Hard Mask의 중요성도 커질 가능성이 있다. 테스는 또 웨이퍼 후면에 박막을 증착해 웨이퍼의 휨(Warpage)을 억제하는 BSD(Backside Deposition) 장비를 NAND에서 DRAM·HBM 영역으로 확대하고 있다. 최근 증권업계에서는 BSD 장비의 DRAM 적용과 HD-ACL·SiCN 등 신규 장비 공급을 테스의 새로운 성장동력으로 평가하고 있다. 테스의 DRAM 매출 비중도 확대되고 있다. 기존 ACL·ARC·Gas Etch 장비가 NAND뿐 아니라 DRAM에도 적용되면서 사업구조가 NAND 중심에서 DRAM으로 다변화되고 있다. 따라서 테스는 현 단계에서는 3D DRAM 전용 장비 개발사라기보다 향후 3D 구조 전환 과정에서 요구될 증착·Hard Mask·Etch 관련 기술을 확보하고 있는 잠재 수혜 장비업체로 분류하는 것이 적절하다.

원익IPS도 ALD·CVD 등 DRAM 핵심 전공정 장비 포트폴리오를 보유하고 있어 3D DRAM 전환 과정에서 주목할 필요가 있다. 3D DRAM은 평면 DRAM보다 구조가 복잡하고 공정 Step이 증가하기 때문에 증착 장비의 사용량과 기술적 중요도가 높아질 가능성이 있다. 다만 원익IPS 역시 현재 공개된 자료에서는 비아트론처럼 특정 3D DRAM 전용 장비 개발 프로젝트가 명확하게 공개된 단계와는 구분해서 볼 필요가 있다.

◆ 3D DRAM 장비시장 열린다…양산라인 진입 승부처

과거 NAND는 2D에서 3D NAND로 전환되면서 반도체 장비 시장의 판도를 크게 바꿨다. 수십 개에서 수백 개 층을 쌓기 시작하면서 증착 횟수가 증가했고, 고종횡비 식각과 ALD, 세정, 계측 장비의 중요성도 크게 높아졌다. 3D DRAM 역시 비슷한 변화가 나타날 가능성이 있다.

향후 주목해야 할 장비는 ▲Si·SiGe를 반복 적층하는 Epitaxy 장비 ▲수십~수백층을 관통하는 HAR Etch 장비 ▲특정 물질만 제거하는 Selective Etch·ALE 장비 ▲복잡한 3D 구조 내부를 균일하게 증착하는 ALD·Gap-fill 장비다.

국내에서는 비아트론이 Si/SiGe Epi, 주성엔지니어링이 ALD·Gap-fill 영역에서 기술력을 확대하고 있다. 여기에 테스는 PECVD·HD-ACL·SiCN·Gas Etch, 원익IPS는 ALD·CVD 기술을 기반으로 향후 DRAM 구조 변화에 대응할 수 있는 장비 포트폴리오를 갖추고 있다. 다만 가장 높은 기술 장벽 가운데 하나인 HAR Etch와 Selective Etch/ALE 영역은 아직 Lam Research, Applied Materials, Tokyo Electron 등 글로벌 장비업체의 경쟁력이 강하다. 

결국 3D DRAM이 본격적인 양산 단계에 진입할 경우 국내 장비업계의 최대 관전 포인트는 전용 장비의 실제 고객사 양산라인 공급 여부가 될 전망이다. 현재는 연구개발과 장비 평가가 진행되는 초기 시장인 만큼 단순히 ‘3D DRAM 수혜주’로 묶기보다는 ▲실제 3D DRAM 장비 개발 여부 ▲고객사 평가 및 퀄 진행 여부 ▲양산 장비 전환 여부를 구분해서 확인할 필요가 있다. 3D NAND 전환 당시 장비업체의 실적이 적층 단수 증가와 함께 구조적으로 성장했던 점을 감안하면 3D DRAM은 향후 국내 전공정 장비업체에 새로운 장비 사이클을 만들어낼 수 있는 중장기 변화로 주목할 만하다.