최근 미국 국제무역위원회(ITC)는 Monolithic 3D, 이하 M3D가 SK하이닉스와 키옥시아 등을 상대로 제기한 HBM 및 3D NAND 관련 특허분쟁에 대한 조사를 개시했다. 인공지능 반도체 시장의 핵심 부품인 HBM과 대표적인 고집적 메모리인 3D NAND가 분쟁 대상이라는 점에서 업계의 관심도 높다.

다만 조사 개시는 특허침해가 인정됐다는 의미가 아니다. 실제 판단에는 청구항의 해석, 특허의 유효성, 우선일의 인정 범위, 피신청인 제품의 구체적인 구조와 제조공정 등 여러 쟁점이 남아 있다. 따라서 현 단계에서 어느 기업의 기술이나 주장이 우월하다고 단정하기는 어렵다.

그럼에도 이번 사건은 다른 측면에서 살펴볼 가치가 있다. 현재의 HBM 및 3D NAND 제품과 연결되는 특허들이 언제, 어떤 연구에서 시작됐고, 수년에 걸쳐 어떻게 포트폴리오로 확장됐는지를 보여주기 때문이다.

필자는 이번 분쟁을 검토하는 과정에서 M3D의 초기 미국 특허출원과 후속 계속출원 계보를 추적했다. 그 결과 확인된 것은 M3D가 처음부터 HBM을 목표로 출발한 기업은 아니었다는 점이다. 이 회사가 초기부터 다룬 문제는 특정 메모리 제품보다 넓은 범위의 ‘3D 반도체 구현’이었다.
 

출발은 HBM이 아니라 프로그래머블 로직이었다

M3D는 2009년 NuPGA라는 이름으로 설립됐다. 회사 측 설명에 따르면 당시의 주요 연구목표는 FPGA와 같은 프로그래머블 로직의 집적도와 속도, 전력효율을 ASIC에 가까운 수준으로 개선하는 것이었다. 이 과정에서 회로를 하나의 평면에만 배치하지 않고 복수의 회로층이나 다이로 나누어 수직으로 구성하는 기술을 연구하게 됐다.

이 시기의 대표적인 출원이 2009년 4월 14일 출원된 미국 특허출원 제12/423,214호다. 이 출원은 이후 미국 특허 제8,384,426호, 「Semiconductor device and structure」로 등록됐다.

등록 청구항은 안티퓨즈와 프로그래머블 회로를 중심으로 구성돼 있어 현재의 HBM과 직접 연결되는 특허로 보기는 어렵다. 그러나 명세서의 범위는 청구항보다 넓다. 프로그래머블 로직 다이뿐 아니라 메모리 다이와 입출력 다이를 TSV로 연결하는 3D 시스템이 제시돼 있고, DRAM으로 구성된 메모리 다이와 프로세서 또는 로직 다이를 서로 다른 기능단위로 구성하는 방안도 설명돼 있다.

여기서 중요한 것은 당시 명세서에 오늘날의 HBM이 완성된 형태로 제시됐다는 것이 아니다. 오히려 초기 연구의 범위가 특정 프로그래머블 로직 소자를 넘어, 로직·메모리·입출력 기능을 서로 다른 다이에 배치하고 수직으로 연결하는 3D 시스템으로 확장되고 있었다는 점이다.

NuPGA는 이후 모놀리식 3D 집적기술을 프로그래머블 로직 이외의 반도체에도 적용하는 방향으로 연구범위를 넓혔고, 2010년 회사 이름도 MonolithIC 3D로 변경했다. 기업이 밝힌 창업 스토리만으로 실제 기술개발의 방향을 판단할 수는 없지만, 초기 특허의 기재내용은 적어도 이러한 방향 전환과 상당 부분 부합한다.
 

2010년 출원에 등장한 적층 DRAM 구조

M3D 특허계보에서 HBM과 구조적으로 보다 가까운 기술은 2010년 출원에서 확인된다.

2010년 2월 16일 출원된 미국 특허출원 제12/706,520호는 「Method for fabrication of a semiconductor device and structure」라는 명칭으로 공개됐다. 이 출원은 여러 후속출원이 우선권의 기초로 삼은 주요 초기 출원이다.

명세서에는 프로세서와 복수의 얇은 DRAM 다이, 파운데이션, 인터포저 및 재배선층을 결합하는 구조가 제시된다. 특히 복수의 얇은 DRAM 다이로 이루어진 스택을 TSV로 연결하고, 이를 파운데이션과 프로세서에 연결하는 구성이 구체적으로 설명돼 있다. 복수의 DRAM 다이를 적층하고 TSV로 연결한다는 점에서는 오늘날 HBM의 기본적인 물리적 구성과 공통점이 있다.

다만 이를 곧바로 ‘HBM 특허’라고 부르는 것은 신중해야 한다. 당시 명세서에는 현재의 HBM 제품명이나 JEDEC 인터페이스 규격이 등장하지 않고, 독립항 역시 현대 HBM 제품의 전체 구조를 특정해 청구하지 않았다. 프로세서와 메모리 적층, TSV, 인터포저 및 재배선층은 HBM 이외의 3D 패키징이나 적층 메모리에도 적용될 수 있는 기술요소다.

따라서 이 출원의 의미는 M3D가 HBM을 미리 완성했다는 데 있지 않다. HBM 시장이 본격적으로 형성되기 이전부터 복수의 DRAM 다이를 수직으로 적층하고, 이를 프로세서 및 다른 회로와 연결하려는 기술적 구상이 명세서에 포함돼 있었다는 데 있다.

같은 해인 2010년 8월 3일 출원된 미국 특허출원 제12/849,272호는 미국 특허 제7,986,042호, 「Method for fabrication of a semiconductor device and structure」로 등록됐다. 이 출원은 제12/423,214호와 제12/706,520호를 포함한 복수의 초기 출원에 우선권을 주장하며 여러 기술내용을 결합한 출원이다.

이 명세서에는 복수의 DRAM 셀층, DRAM 주변회로, 층간 비아, 금속배선과 산화막 본딩 등 이후 M3D의 3D 메모리 특허계보에서 반복적으로 등장하는 기술요소가 폭넓게 기재돼 있다. 특히 RCAT 기반의 복수 DRAM층, 층별 워드라인 연결, 주변회로와의 정렬, 텅스텐 로컬 배선 및 구리·알루미늄 배선 등 실제 다층 메모리를 구현하기 위한 보다 구체적인 제조방안이 제시됐다.

제12/423,214호가 프로그래머블 로직과 메모리 다이를 결합하는 3D 시스템의 방향을 보여줬다면, 제12/706,520호와 제12/849,272호는 적층 DRAM과 다층 메모리를 실제로 어떻게 구성하고 연결할 것인지에 관한 기술내용을 보다 구체적으로 확장한 출원으로 볼 수 있다.
 

하나의 등록특허가 아니라 연구의 발전과정을 권리화했다

많은 기업은 하나의 핵심 아이디어를 특허출원하고 등록받으면 해당 기술에 대한 권리 확보가 어느 정도 마무리됐다고 생각한다. 실제로 하나의 등록특허가 사업의 중요한 방어수단이 되는 경우도 있다.

그러나 연구개발이 장기간 계속되고 제품구조와 제조공정이 구체화되면 초기 등록특허 하나만으로 후속 기술을 모두 포괄하기는 어렵다. 초기 단계에서 명세서에는 기재됐지만 청구되지 않은 내용이 있을 수 있고, 이후 새로운 제조방식이나 회로구조가 추가되기도 한다. 시장에서 실제로 채택되는 제품형태가 최초 예상과 달라질 수도 있다.

M3D는 미국의 계속출원 제도인 계속출원(Continuation Application, CA)과 일부계속출원(Continuation-in-Part Application, CIP)을 적극적으로 활용했다. 계속출원은 선행 출원의 명세서에 기재된 내용을 기초로 청구항의 초점을 달리해 후속 권리를 확보하는 방식이다. 일부계속출원은 선행 출원의 내용을 승계하면서 새로운 기술사항을 추가할 수 있는 출원이다. 다만 CIP의 후속 청구항이 선행 출원일의 이익을 인정받으려면 해당 청구항의 구성이 선행 명세서에서도 충분히 뒷받침돼야 한다.

M3D는 이러한 제도를 이용해 초기 출원의 수직 적층, TSV, 로직과 메모리의 분리, 적층 DRAM 등의 기술축을 여러 후속출원으로 이어갔다.

명세서를 비교해 보면 후속출원의 성격은 모두 같지 않다. 일부 계속출원은 초기 명세서에 포함돼 있던 기술을 다른 청구대상으로 전환한 것이고, 일부 CIP는 복수의 초기 기술계보를 결합하면서 메모리 제어회로, 본딩, 층간 연결과 제조공정 등을 추가하거나 구체화했다.

따라서 현재의 포트폴리오를 초기 아이디어의 단순한 반복이라고 보기는 어렵다. 반대로 오늘날 주장되는 핵심내용이 모두 후속 CIP에서 새롭게 만들어졌다고 평가하는 것도 정확하지 않다. 다층 DRAM, TSV, 메모리 주변회로, 금속배선과 본딩 등 후속 권리화에 필요한 상당수 기술요소는 초기 명세서에서도 이미 확인된다.

M3D 포트폴리오의 특징은 어느 한 시점에서 완성된 원천특허 하나에 있지 않다. 초기 명세서에 폭넓은 기술적 기반을 마련한 뒤, 연구가 구체화되는 과정에서 CA와 CIP를 통해 청구대상을 나누고, 서로 다른 기술계보를 결합하며 포트폴리오를 지속적으로 보완한 데 있다.

다시 말해 하나의 특허를 장기간 유지한 것이 아니라, 3D 반도체 기술이 발전하는 과정을 여러 특허로 연결해 온 것에 가깝다.
 

3D 반도체 연구는 메모리 구조로 확장됐다

M3D의 초기 연구는 프로그래머블 로직에서 시작됐지만, 후속 특허의 범위는 로직에 머물지 않았다. 로직과 함께 사용되는 메모리를 어디에 배치하고, 프로세서와 메모리를 어떻게 연결하며, 복수의 메모리층을 어떻게 제어할 것인지로 연구주제가 확장됐다. 적층 과정에서 발생하는 열과 수율 문제를 어떻게 관리할 것인지도 함께 다뤄졌다.

이 과정에서 M3D의 포트폴리오는 3D 메모리로 확장됐다. 한쪽에서는 복수의 DRAM 다이와 프로세서의 수직 결합, TSV 및 인터포저와 같은 적층 메모리 구조가 발전했다. 다른 한쪽에서는 복수의 메모리 셀층, 수직 채널, 전하저장부와 주변회로를 결합하는 3D 비휘발성 메모리 구조가 이어졌다.

오늘날의 관점에서 보면 전자는 HBM과 구조적으로 연결되고, 후자 중 일부는 3D NAND와 대응될 수 있는 기술축이다. 그러나 연구의 시간순서를 놓고 보면 HBM과 3D NAND라는 완성된 시장제품을 출발점으로 삼아 특허가 형성된 것은 아니다.

초기에는 로직과 메모리를 포함한 반도체 시스템을 어떻게 3차원으로 구성할 것인지가 보다 큰 연구주제였다. 이후 실제 구현에 필요한 메모리 적층과 셀 구조, 제어회로, 배선, 본딩 및 제조기술이 계속 추가되면서 HBM 및 3D NAND 제품과 대응될 수 있는 특허계보로 발전했다.

이러한 흐름을 고려하면 M3D의 초기 특허를 ‘HBM 원천특허’라고 단순하게 규정하는 것도, 반대로 현재의 HBM 시장이 형성된 뒤 기존 특허를 제품에 맞춰 재구성한 것이라고만 평가하는 것도 충분하지 않다.

초기 명세서에는 후속 포트폴리오의 기술적 기반이 존재했고, 이후 수년에 걸친 연구와 출원전략을 통해 실제 제품구조에 대응할 수 있는 권리로 구체화됐다. 초기 연구와 후속 권리화가 함께 작용한 결과로 보는 편이 객관적이다.
 

M3D의 초기 특허가 보여주는 것

이번 분석에서 주목할 점은 M3D가 HBM이라는 특정 제품을 예측했다는 사실이 아니다.

M3D는 HBM이 시장에서 본격적으로 형성되기 이전부터 로직·메모리·입출력 회로를 수직으로 구성하는 3D 반도체 전반을 연구대상으로 삼았다. 프로그래머블 로직에서 시작된 연구는 로직과 메모리의 수직 결합으로 확장됐고, 3D 반도체를 구현하는 데 필요한 적층 DRAM, 다층 메모리 셀, 배선, 본딩, 전력공급과 제어회로로 이어졌다.

그 과정에서 일부 기술축은 현재의 HBM과 구조적으로 연결됐고, 다른 기술축은 3D NAND에 대응할 수 있는 포트폴리오로 발전했다.

이 흐름을 특정 기업의 기술적 우수성을 입증하는 이야기로 받아들일 필요는 없다. 초기 명세서에 관련 기술내용이 존재한다는 사실과 현재 ITC에서 주장되는 특허가 유효하고 침해된다는 판단은 별개의 문제다. HBM과 3D NAND 역시 다수의 기업과 연구기관이 장기간 축적한 여러 기술이 결합된 제품이다.

오히려 M3D 사례는 하나의 연구방향이 시장과 기술의 변화에 따라 어떻게 여러 출원계보로 분화되고, 다시 결합되며 장기간의 특허 포트폴리오가 되는지를 보여주는 사례로 보는 것이 적절하다.

좋은 포트폴리오는 최초 출원의 넓이와 후속 출원의 구체성이 함께 있어야 한다. 최초 명세서가 기술의 확장 가능성을 충분히 담아야 하지만, 추상적인 가능성을 나열하는 것만으로 강한 권리가 만들어지는 것은 아니다. 연구개발을 통해 새롭게 확보된 제조공정과 회로구조를 후속출원으로 구체화하고, 시장에서 의미 있는 제품구조에 맞춰 청구항을 지속적으로 설계해야 한다.

이번 ITC 분쟁의 결과는 아직 알 수 없다. 다만 M3D의 특허계보는 하나의 등록특허를 확보하는 데서 권리화 작업을 마치는 전략과, 연구개발의 변화에 맞춰 후속 권리를 지속적으로 연결하는 전략이 장기적으로 어떤 차이를 만들 수 있는지를 보여준다.
 

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필자 소개
정태균 파트너변리사는 BLT 전략본부장으로 스타트업들의 IP전략, BM전략, 시장진출(GTM) 전략 수립을 지원하고 있습니다. 필자는 연세대학교 전기전자공학과를 졸업하고, 2011년 48기 변리사 시험에 합격했으며, 현재 여러 분야의 스타트업의 IP(특허, 상표, 디자인)업무 뿐만 아니라 비즈니스에 참여하여 성장을 지원하고 있습니다. 
 

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