[VLSI 2011 리포트】 Samsung, Hynix, 르네 사스 - 저항 변화 메모리 개발 상황의 일부 공개



2011 Symposium on VLSI Technology

기간 : 6 월 14 ~ 16 일
장소 : 교토부 교토 리가 로얄 호텔 교토

 

 

2011 Symposium on VLSI Circuits
기간 : 6 월 15 ~ 17 일
장소 : 교토부 교토 리가 로얄 호텔 교토

 

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리가 로얄 호텔 교토의 회장에 놓인 VLSI 2011 간판

 

반도체 디바이스 프로세스 기술에 관한 국제 회의 "Symposium on VLSI Technology"(VLSI Technology)와 반도체 회로 기술에 관한 국제 회의 "Symposium on VLSI Circuits"(VLSI Circuits)가 6 월 14 일부터 17 일까지 교토 에서 개최되었다.

 

VLSI Technology 및 VLSI Circuits은 매년 6 월, 같은 장소에서 개최되어 왔다. 이 때문에 양자를 일괄하여 "VLSI XXXX"(XXXX는 서기)라고 칭하는 경우가 많다. 개최의 거점은 서기 짝수 년에는 미국 하와이, 홀수 년에는 일본 교토가 되고 있다. 2011 년 "VLSI 2011"는 교토 개최 년이다.

 

국제 학회에서는 발표를 원하는 연구자 및 기술자 등은 발표 내용을 정리한 논문 (투고 논문)을 미리 국제 학회의 위원회에 송부한다. 위원회에서는 접수된 게시물 논문에서 발표뢰에 어울리는 뛰어난 논문 (연구 개발 성과)을 선택한다. 선정된 논문은 채택 논문이라고 한다. 이 외에 위원회가 특별히 논문 및 강연 자료가 우수한 연구자 / 기술자에게 부탁하는 초대 논문이 있다.

 

VLSI Technology 2011의 게시물 논문 수는 185 개. 이전 하와이가 215 건, 전전 번의 교토가 205 개 였는데 비해 줄어들고 있는 것처럼 보인다. 2004 년 하와이 개최는 302 건, 2005 년 교토 개최는 255 건, 2006 년 하와이 개최는 295 개의 논문이 있었지만, 최근에는 200 건 전후의 게시물 논문수에 그치고 있다. 채택 논문수는 76 건, 채택 률은 41 %이다.

 

VLSI Circuits 2011 게시물 논문 수는 409 개. 2010 년 하와이가 409 건, 2009 년 교토가 313 건이었기 때문에 VLSI Technology에 비해 최근에 활발해지고 있다. 채택 논문 수는 115 개. 채택 률은 28 %로 VLSI Technology에 비해 좁은 통과율을 보인다.

 

 

 

● 대형 전자 업체들의 저항 변화 메모리 개발

 

VLSI Technology 컨퍼런스 첫날인 6 월 14 일, 차세대 비휘발성 메모리의 후보인 "저항 변화 메모리 (ReRAM : Resistive RAM)"세션이 마련되었다. 이 세션에서는 반도체 메모리 대기업 벤더인 한국 Samsung Electronics, 한국 Hynix Semiconductor, MCU 주요 벤더인 르네 사스 전자가 각각 ReRAM 기술의 개발 상황 일부를 공개했다. 본 보고서에서는 그 개요를 소개하고 싶다.

 

ReRAM은 전류인가 또는 전압 인가에 의해 저항값이 크게 변화하고 변화 후의 저항값을 전원을 끈 후에도 유지하는 메모리이다. 차세대 비휘발성 메모리로서 기대되는 메모리이기도 하다. 저항값이 변화하는 메모리, 의미에서는 차세대 비휘발성 메모리 후보인 상변화 메모리 (PCM 또는 PRAM) 및 자기 메모리 (MRAM) 등과 비슷하지만, 저항이 변화하는 원리가 다르므로 , ReRAM으로 구분하고 있다.

 

ReRAM의 기억 소자는 저항 소자로서 저항 소자의 저항값을 크게 바꾸는 것으로 논리 값 (높은 또는 낮은)을 기억하는 구조다. 메모리 셀의 기본적인 구조는 DRAM과 같다. 1 개의 메모리 셀 선택 트랜지스터 (셀 트랜지스터)와 1 개의 기억 소자로 메모리 셀을 구성하고 있다. 원리적으로는, DRAM 수준의 기억 용량이 있는 고밀도 비휘발성 메모리를 실현할 수 있게 된다.

 

ReRAM은 일본 국내의 주요 전자 기업들이 연구 성과를 이미 일부 발표를 했었다. 소니는 2 월에 개최된 반도체 회로의 국제 학회 'ISSCC 2011'에서 4Mbit의 ReRAM 칩 시제품 결과를 발표했다 . 또한 샤프는 128Kbit의 ReRAM 칩을 시작으로 하여 2010 년 2 월 도쿄에서 개최된 전시회 "nano tech 2010 국제 나노 테크놀로지 종합전 기술 회의"에 ReRAM을 출품하고 있다.

 

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Sharp가 시작한 128Kbit ReRAM 칩 실리콘 다이 사진. (2010 년 2 월 도쿄에서 개최된 전시회 "nano tech 2010 국제 나노 테크놀로지 종합전 기술 회의"에서 촬영)

 

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Sharp가 시작한 128Kbit의 ReRAM 칩을 만든 정교한 실리콘 웨이퍼. (웨이퍼의 직경은 약 200mm (8 인치). 2010 년 2 월 도쿄에서 개최된 전시회 "nano tech 2010 국제 나노 테크놀로지 종합전 기술 회의"에서 촬영)

 

 

 

● Samsung : 리사이클 수명이 10^11 시간인 긴 기억 소자를 개발

 


반도체 메모리 대기업 벤더가 ReRAM의 연구 성과를 발표하는 것은 지금까지 별로 없었다. 따라서 VLSI 2011의 발표는 상당한 주목을 끌고 있었다.

 

Samsung Electronics의 첨단 연구 조직인 Samsung Advance Institute of Technology는 다시 수명이 10 11 시간의 매우 긴 ReRAM 기술을 발표했다 (YB Kim, 강연 번호 3B - 5).

 

ReRAM의 기억 소자는 최고 전극 / 저항 / 바닥 전극의 3 층 구조를 기본으로 한다. 기억 소자의 저항값을 고저항 상태 (HRS) 또는 낮은 저항 상태 (LRS) 로 변화시킴으로써 데이터 (부울)을 기억한다. 그러나 저항이 1 층 뿐이라 제어성이 그다지 좋지 않다. 그래서 저항을 2 층 이상으로 늘려 제어성을 높인 기억 소자가 최근에는 ReRAM 개발의 주류를 차지하게 되었다.

 

Samsung이 개발한 ReRAM 기술의 기억 소자는 4 층 구조 또는 5 층 구조이다. 최고 전극 / 스위칭 계층 (가변 저항 층) / 셀프 준수 층 (고정 저항 층) / 배리어 층 / 바닥 전극이 되고 있다. 4 층 구조에서는 배리어 층이 생략된다. 최고 전극과 하단 전극을 백금 (Pt) 전극으로 한 4 층 구조의 기억 소자를 제작, 10의 12 승으로 된 매우 긴 리사이클 수명을 가진다. 이것은 NAND 플래시 메모리 제품의 1,000 만 배에 해당한다.

 

그러나 백금 (Pt) 전극은 미세 가공 (특히 에칭)이 어려워 대량 생산에 적합하지 않은 단점이 있다. 그래서 최고 전극을 루테늄 (Ru), 바닥 전극을 텅스텐 (W)으로 한 5 층 구조의 기억 소자를 제작, 10^11의 상당히 긴 리사이클 수명 (재기록 주기 100ns)을 가진다.

 

또한 200 ℃의 고온에서 1 만 초 이상의 데이터 보존 시간을 얻고 있다. 이것은 온도 환산으로 10 년 이상의 데이터 보존 기간이라는 것을 의미한다.

 

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ReRAM 용 기억 소자 구조. 4 층 구조의 예.

TE는 최고 전극, OEL는 스위칭 계층 (가변 저항 층), SL 셀프 준수 층 (고정 저항 층), BE는 바닥 전극을 의미한다. 

 

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ReRAM 용 기억 소자의 계층에 요구되는 특성. 5 층 구조의 예 

 

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리사이클 시험 결과. 10^11 시간 갱신을 반복해도, HRS과 LRS 저항 값 사이에 1,200 배의 차이가 존재한다.

 

 

 

● Hynix : 256Kbit의 메모리 셀 어레이를 54nm 기술에서 시작

 

Hynix Semiconductor는 54nm CMOS 기술에서 256Kbit의 ReRAM 셀 어레이를 제작한 결과를 발표했다 (J. Yi, 강연 번호 3B - 3). 54nm의 CMOS 기술의 ReRAM은 가장 미세한 가공 기술이라고 Hynix는 주장한다. 예를 들어 위의 소니가 학회에서 발표한 4Mbit ReRAM 칩은 180nm의 CMOS 기술로 제조되었다.

 

Hynix가 시작한 ReRAM의 메모리 셀은 한 개의 셀 트랜지스터와 1 개의 기억 소자로 구성된다. 셀 선택 트랜지스터를 사용하고 있으므로 저장 밀도는 셀 선택 다이오드를 사용한 메모리 셀에 비해 뒤떨어지지만, DRAM 및 SRAM 등에 가까운 빠른 읽기를 구현할 수 있다.

 

기억 소자는 4 층 구조이다. 최고 전극과 하단 전극 재료는 모두 질화 티타늄 (TiN). 저항막은 산화 티타늄 (TiO2)과 산화 알루미늄 (Al2O3)의 2 층 구조이다. 초기 상태에서는 산화 티타늄은 도체, 산화 알루미늄은 절연체로 되어 있다. 전압 인가에 의해서 산화 알루미늄은 전기 전도 경로 (필라멘트)를 형성하는 낮은 저항 상태 (LRS)가 된다. 역방향 전압을 인가하면 산화 티타늄과 필라멘트의 경계면에 산소 이온이 모여 산화 티타늄의 필라멘트 부근이 절연막으로 변화한다. 이 결과 높은 저항 상태 (HRS)가 된다.

 

시작한 메모리 셀 어레이의 데이터 리사이클은 가장 짧은 경우 10ns로 충분히 고속이인 상태이다. 데이터 보존 시간은 150 ℃의 고온에서 100 시간을 초과 (샘플 수는 81 개)하며, 256Kbit의 메모리 셀 어레이의 실리콘 다이 크기는 테스트 회로를 포함하여 5.25 × 4.25mm, 테스트 회로를 제외하면 5.25 × 2.75mm이다.

 

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기억 소자의 구조와 저항 변화의 원리. 왼쪽이 초기 상태, 중앙이 낮은 저항 상태 (LRS), 오른쪽이 높은 저항 상태 (HRS) 

 

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시작한 메모리 셀 어레이 블록 차이. (a)는 64Kbit 블록 직접 시험 모드. (b)는 낮은 저항 상태 (LRS)의 저항값의 차이. (c)는 시작한 256Kbit 메모리 셀 어레이의 실리콘 다이 사진. (d)는 실리콘 다이 실리콘 웨이퍼의 저항의 차이

 

 

● 르네 사스 : 200 ℃의 고온 동작이 가능한 자동차 용 ReRAM을 개발 중 

 

르네 사스 전자는 자동차용 전자 기기에 탑재하는 고온 동작 메모리, 또는 고온 동작 마이컴 내장 메모리를 노린 ReRAM 기술을 발표했다 (M. Terai, 강연 번호 3B - 4). 메모리 셀은 1 개의 셀 트랜지스터와 1 개의 기억 소자로 구성한다. 1Kbit 테스트 메모리 셀 어레이를 시작으로 하여 특성을 평가했다.

 

기억 소자는 최고 전극 / 산화 티타늄 (TiO2) 층 / 5 산화 탄탈 (Ta2O5) 층 / 산화 티타늄 (TiO2) 층 / 바닥 전극의 5 층 구조이다. 최고 전극과 하단 전극은 루테늄 (Ru)을 선택했지만, 고온 시 데이터 보존 특성에 문제가 있었다.

 

그래서 바닥 전극을 루테늄에서 텅스텐 (W)으로 바꾸는 것으로, 고온 환경에서 데이터 유지 특성을 개선했다. 구체적으로는, 낮은 저항 상태 (LRS)에서 역방향 바이어스를 주었을 때의 저항 변화를 억제했다.

 

시작한 메모리 셀 어레이에서 다시 전압은 3V 이하, 읽기 시간은 10ns 이하이다. 재기록 횟수는 10 만회 이상 190 ℃ 이상에서 데이터 보존이 가능하다고 한다.

  

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ReRAM의 메모리 셀 단면 구조 예. 1 개의 트랜지스터와 1 개의 기억 소자로 메모리 셀을 구성한다. 

 

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기억 소자의 단면 구조 (위)와 직경 40nm와 작은 기억 소자의 주사 전자 현미경 사진 (아래) 

 

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테스트 1Kbit 메모리 셀 어레이의 회로도

 

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최고 전극과 하단 전극의 금속 재료를 변경하고 난 다음의 효과.

 

왼쪽은 최고 전극과 하단 전극이 모두 루테늄 (Ru)의 경우 (대칭 전극 구조). 좌측 하단은 바닥 전극을 질화 티탄 (TiN) 또는 텅스텐 (W)로 변경한 경우 (비대칭 전극 구조). 낮은 저항 상태 (LRS)에 역방향 바이어스를 줄 때 데이터 보존 특성이 크게 달라진다.

 

우측 상단은 대칭 전극 구조 기억 소자에 순방향 바이어스와 역방향 바이어스를 가했을 때의 저항 변화. 오른쪽 아래는 비대칭 전극 구조 (바닥 전극은 텅스텐)의 기억 소자에 순방향 바이어스와 역방향 바이어스를 가했을 때의 저항 변화. 온도는 175 ℃, 바이어스 전압은 0.8V

 

 


ReRAM은 차세대 비휘발성 메모리 후보로 아직 명확하지 않은 점이 적지 않다. 특히 스위칭 기구의 자세한 내용은 아직 명확하게 되어 있지 않다. 기억 소자의 재료는 전이 금속 산화물이 많이 사용되고 있지만, 본 재료는 정해져 있지 않고, Samsung의 강연에 따르면 100 가지가 넘는 재료가 연구되고 있다고 한다.

 

ReRAM의 장래성을 파악하기 위해서는 많은 기업, 특히 자금력과 기술력을 갖춘 대기업 전자 회사의 참여가 필수적이다. 반도체 메모리 대기업의 연구 성과가 발표되기 시작한 것은 ReRAM의 연구 개발 커뮤니티에 있어서 기쁘게 생각하며, ReRAM의 개발 속도에 좋은 영향을 줄 것 임에 틀림없다.

 

 

 

출처 : PC.WATCH

 

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