프로세서/메모리 등의 차세대 반도체 칩을 제조하는 디바이스 기술에 관련된 세계 최대의 국제 학회인 IEDM 2014가 12월 15~17일까지 미국 샌프란시스코에서 열렸습니다.

여기서 소니와 마이크론은 16Gbit의 대용량 저항 변화 메모리(ReRAM) 기술의 개발 성과를 보고했습니다. 소니는 ReRAM을 개발한 실적이 있으나 반도체 메모리 사업 실적은 없는지라 마이크론과 합작하게 됐습니다.

이 16Gbit ReRAM의 개발 방향은 비휘발성 DRAM이라는 것입니다. 16Gbit니 2GB의 용량을 칩 하나로 실현할 수 있으며 ReRAM은 전원을 꺼도 데이터가 사라지지 않습니다. 또 DDR 인터페이스를 쓰는지라 DDR SDRAM을 대신하기도 쉽습니다. 27nm CMOS 3층 금속 배선으로 기존의 최첨단 DRAM 제조 기술에 가까우며 메모리 셀의 크기도 DRAM과 비슷합니다.

성능은 읽기 1000MB/s로 디자인해서 실제 실리콘에선 읽기 900MB/s로, 쓰기는 각각 200MB/s와 180MB/s로 시제품 치고는 상당히 양호하다 합니다.

ReRAM 메모리 셀은 1개의 기억 소자와 1개의 셀 선택용 MOS 트랜지스터로 구성되며 기억 소자는 CuTe 막과 절연 피막을 조합했습니다. 이 조합은 소니가 꾸준히 연구해온 것.

인가 전압의 조합에 따라 전기 저항을 바꾸고(데이터 쓰기) 저항값을 낮추는 셋트, 저항값을 올리는 리셋 동작으로 데이터를 기록하는데 앞으로는 리셋 동작에서 저항 값의 편차를 어디까지 억제하는지가 크다고 합니다.

다음은 도시바의 STT-MRAM에 대한 보고입니다. 지금은 프로세서가 발전하면서 캐시의 레벨도 늘어나고 있는데요.

기존의 고속 SRAM 기술은 대기 시에도 소비 전력이 크며 아이들 시 소비 전력이 프로세서 전체의 80%에 달한다고 합니다. 그래서 대용량인 LLC 메모리를 SRAM이 아니라 비휘발성 메모리로 바꿔 아이들 시 소비 전력을 줄이겠다는 발상입니다. 또 비휘발성 메모리는 기억 밀도가 SRAM보다 높고 제조 단가에서도 유리하다네요.

비휘발성 메모리 기술에는 여러가지가 있지만 여기에선 STT-MRAM이 캐시 메모리로 적절하다고 밥니다. 읽기/쓰기 수명이 반 연구적이며 랜덤 액세스가 비교적 빠르다고. 다른 비휘발성 메모리 기술은 속도와 수명이 불안합니다.

문제는 STT-MRAM의 쓰기 전류가 비교적 크고 속도가 SRAM보다 낮다는 것입니다. 그래서 도시바는 기억 소자인 자기 터널 접합(MTJ)를 작게 바꿔 쓰기 전류를 낮춰 선택 트랜지스터를 줄이고 메모리 셀을 미세화했습니다.

구체적으로는 2개의 트랜지스터와 2개의 MTJ로 구성되는 메모리 셀에서 가공 크기 대비 메모리 셀 크기를 SRAM의 20% 정도로 줄였습니다. 캐시가 소비하는 에너지는 SRAM 캐시의 60%로 줄어든 반면 성능 저하는 7%에 불과하다고.

제조 공정에선 MTJ의 특성을 줄이지 않도록 공정 순서를 고쳤습니다. 배선층을 현성하고 MTJ를 형성하도록 바꿨는데, 이렇게 하면 MTJ 형성 후의 고온 처리가 없는지라 MTJ 특성이 퇴화하지 않고 수율이 높아집니다.

전체는 차세대 대용량 비휘발성 메모리의 연구가 선풍적인 인기를 끌고 있었으나 지금은 안정된 분위기입니다. 현실을 직시하고 지속적으로 개발해 제품화로 넘어간 단계라 할 수 있습니다.

그 동안 저항 변화 메모리, 자기 메모리, 상변화 메모리가 유력한 후보였으나 상변화 메모리는 소비 전류가 커 탈락한 듯 합니다. 자기 메모리도 대용량화가 아닌 캐시로 가는 방향입니다. 저항 변화 메모리만 스토리지-메모리 사이의 간격을 채울 물건이 될 듯 하네요.