대만 윈본드가 제품 수준의 품질을 갖춘 512Kbit의 저항 변화 메모리(ReRAM)를 개발하고 국제 학회 IEDM에서 12월 4일에 개요를 발표했습니다.

 

ReRAM은 차세대 비휘발성 메모리의 후보 중 하나로 DRAM에 가까운 빠른 읽기/쓰기 속도와 전원을 꺼도 데이터가 사라지지 않는 비휘발성을 갖춘 메모리입니다. 파나소닉 반도체 솔루션이 ReRAM을 내장하는 8bit 마이크로 컨트롤러(MCU의)를 2013년 7월에 출시한 후, 후지쯔 반도체가 파나소닉의 ReRAM 기술을 도입해 2016년 10월부터 4Mbit의 ReRAM를 판매했습니다. 실제 상품화로 이어지는 건 윈본드가 두번째일 가능성이 높습니다.

 

 

표준형 EEPROM와 NOR 플래시 메모리의 대체를 노린다

윈본드가 개발한 512Kbit의 ReRAM은 표준형 EEPROM과 NOR 플래시 메모리를 대체하려 합니다. IEDM의 강연에서는 다른 메모리와 ReRAM을 비교해 장점을 어필했습니다. 512Kbit의 표준형 EEPROM(SPI 인터페이스)와 비교했을 때 ReRAM이 유리한 부분은 메모리 셀 면적, 읽기 클럭, 읽기 전력, 쓰기 지연 시간, 쓰기 전력입니다. 2Mbit의 NOR 플래시 메모리(SPI 인터페이스)와 비교해서 ReRAM이 유리한 부분은 쓰기 횟수, 데이터 저장 기간, 읽기/쓰기 소비 전류입니다. 

 

 

512Kbit의 ReRAM(빨간색)과 512Kbit의 표준형 EEPROM(파란색)의 성능을 비교한 그래프. 중앙에 가까울수록 더 좋습니다. 

 

 

512Kbit의 ReRAM(빨간색)과 2Mbit의 NOR 플래시 메모리(파란색)의 성능을 비교한 그래프. 중앙에 가까울수록 더 좋습니다.

 

 

이산화 하프늄 계열 재료를 기억 소자로 채택

 

이번에 개발한 512Kbit ReRAM은 1개의 셀 선택 트랜지스터(T)와 1개의 저항 메모리 소자(R) 메모리 셀을 구성하는 1T1R 방식의 메모리 셀을 씁니다. 기억 밀도는 표준형 EEPROM보다 높지만 NOR 플래시 메모리보다 낮습니다. 대신 메모리로의 동작은 안정적입니다. 그리고 CMOS 로직과의 호환성을 유지하기 쉽도록 제 1 금속 배선층과 제 2 금속 배선층 사이에 저항 메모리 소자를 제작, 내장 메모리 확장이 가능한 구조입니다.

 

저항 기억 소자의 재료는 이산화 하프늄 (HfO2)을 기반으로 했습니다. 이산화 하프늄은 ReRAM의 연구 개발에 저항 기억 소자(전압 펄스를 인가해 낮은 저항 상태와 높은 저항 상태를 전환하는 소자)에 많이 쓰는 재료입니다. 그러나 저항 메모리 소자의 재료는 이산화 하프늄을 기본으로하는 TMO (전이 금속 산화물) 재료이며 자세한 내용은 공개하지 않았습니다.

 

 

이번에 개발한 512Kbit ReRAM의 실리콘 다이 사진과 메모리 셀 어레이의 전자 현미경 관찰 이미지. 윗줄 왼쪽은 실리콘 다이 사진. 다이 크기는 공개하지 않았습니다. 오른쪽은 메모리 셀 어레이 저항 메모리 소자의 전자 현미경 관찰 이미지. 제 1 층 금속 배선 (M1) 층과 제 2 층 금속 배선 (M2) 층 사이에 이산화 하프늄 계의 저항 메모리 소자를 제작.

 

아래 왼쪽은 저항 메모리 소자의 단면을 전자 현미경으로 관찰한 사진. TMO(전이 금속 산화물)로 표기된 부분이 기억 소자의 역할을 맡은 박막. 전체 조성 내역은 밝히지 않았습니다.  오른쪽은 셀 트랜지스터의 단면을 전자 현미경으로 관찰한 사진. 90nm 코발트 실리사이드 기술로 제조했습니다.

 

 

장기적인 신뢰성과 품질 보증 시험. 제품 수준의 품질을 확인

윈본드는 강연에서 제조 수율과 장기 신뢰성 시험, 품질 보증 시험 결과를 발표하고 이번에 개발한 ReRAM이 상품화를 전제로 한 칩임을 밝혔습니다. 300mm 웨이퍼에서 생산한 512Kbit ReRAM의 제조 수율은 공정 조건을 채운 결과 최고 95%에 달합니다. 이것은 상당히 높은 수치입니다.

 

장기 신뢰성 시험에서는 200년 이상의 데이터 저장 기간과 10만 번의 쓰기, 100년 이상의 데이터 보존 기간, 그리고 100만번 이상의 쓰기 수명 등의 결과를 얻었으며, 100만번의 쓰기를 거쳐도 데이터 열화는 거의 없었습니다.

 

반도체 제품의 인증에 필요한 품질 보증 시험에서는 150도에서 1000시간의 고온 동작 수명(HTOL : High Temperature Operating Lifetime) 시험. 150도에서 1000시간의 고온 방치 수명(HTSL : High Temperature Storage Lifetime) 시험. 25도에서 1000 시간의 저온 데이터 유지(LTDR : Low Temperature Data Retention) 시험의 결과를 공개했습니다. 각 시험마다 140개의 샘플을 준비했는데 모두 통과했습니다. 또 시험 전 처리로 260도의 적외선 리플로우(납땜 처리)를 3번 통과하고, 150도에서 2만번의 쓰기 외에도 초기 불량 시험에서 150도 168시간 연속 읽기를 통과했습니다.

 

 

상품화를 상정한 품질 보증 테스트. 납땜 고온 스트레스 테스트인 적외선 리플로우(IR re-flow)와 2만번의 쓰기 등을 거친 후, 고온 동작과 고온 방치 등의 품질 보증 테스트를 실시했습니다. 

 

 

미세화해도 쓰기 횟수 시험의 신뢰성은 같음

 

그리고 90nm 버전의 차세대 제품인 55nm 세대 버전 ReRAM을 개발 중입니다. 테스트 칩에선 100만번 쓰기를 반복해도 90nm 버전과 거의 같은 읽기 성능이 나왔습니다. 적외선 리플로우를 처리한 칩에서도 열화는 보이지 않았습니다.

 

 

90nm 기술로 제조한 ReRAM와 55nm 기술로 제조한 ReRAM에서 반복 쓰기를 거친 데이터를 읽어냄. 저 저항 상태 LRS와 고 저항 상태 HRS의 전류 변화를 조사. 100만번(E6) 쓰기를 확인했을 때 90nm와 55nm의 읽기 특성은 거의 같았습니다.

 

90nm 세대에서 55nm 세대로 미세화하면 단순 계산으로 동일 면적의 메모리 셀 어레이에 저장하는 용량은 2.7배가 됩니다. 즉 55nm 세대를 양산하면 새산 비용이 그리 늘어나지 않고 1Mbit 제품은 물론 2Mbit 제품도 실현할 수 있습니다.