반도체 제조 업체인 글로벌 파운드리와 자기 저항 메모리, MRAM 업체인 에버스핀 테크놀러지의 공동 연구팀은 마이크로 컨트롤러(MCU)의 내장 메모리 용도로 사용하는 MRAM의 기술을 VLSI에서 발표했습니다.
MRAM은 비교적 빠른 읽기 및 쓰기 속도, 낮은 동작 전압, 매우 높은 다시 쓰기 수명, 긴 데이터 보존 기간을 갖춘 비휘발성 메모리 기술입니다. 따라서 MCU에 MRAM을 도입하면 여러 장점이 있습니다.
현재 MCU의 주류는 플래시 메모리입니다. 여기의 플래시 메모리는 로직에 포함하기 위해 전용 디바이스 기술을 넣으니 일반적인 낸드 플래시 메모리보다 밀도가 높지 않습니다. 또한 내용을 지우고 다시 기록하는데 높은 전압을 필요로 하기에 미세화에는 적합하지 않습니다.
MCU에 도입하는 MRAM 기술은 미세화에 적합합니다. 동작에 필요한 전압이 낮아 미세화해도 메모리 동작이 유지됩니다. 메모리 성능을 비교하면 CMOS 로직 호환 MRAM은 임베디드 플래시보다 쓰기 속도가 1,000배 빠르고, 재기록 수명은 10배가 넘습니다. MRAM 기술의 단점 중 하나는 메모리 셀 면적이 크다는 것이나, 최근 미세화에 의해 임베디드 플래시 메모리의 차이는 거의 사라졌습니다.
임베디드 플래시 기술(빨간색 사각형)과 CMOS 로직 호환 STT-MRAM 기술(파란색 삼각형)의 미세화 추세
글로벌 파운드리가 개발한 건 2xnm 세대의 CMOS 로직 제조 기술과 호환성을 갖춘 스핀 주입형 MRAM(STT-MRAM) 기술입니다. 40Mbit (5MB)의 MRAM 실리콘 다이를 2xnm의 CMOS 로직 기술로 제조했습니다. 5MB라는 용량은 MCU 내장 메모리 치고는 꽤 큰 편이기에 대부분의 용도에선 적합하다 할 수 있습니다.
STT-MRAM 셀은 1개의 MOS FET와 1개의 자기 터널 접합(MTJ : Magnetic Tunneling Junction)의 평범한 구성을 씁니다. CMOS 로직 제조 기술과의 호환성을 유지하기 위해 자기 터널 접합(MTJ)은 5층 금속 배선(M5) 및 6층 금속 배선(M6) 사이에 만들어 넣습니다.
MRAM 샘플의 메모리 셀 크기는 설계 공정(F)의 제곱(F2)로 환산하면 40F2 ~ 60F2입니다. 마이크로 임베디드의 비휘발성 메모리로는 아주 작다고 할 수 있습니다. 전원 전압은 0.9V ~ 1.1V로 매우 낮습니다. 자기 터널 접합 (MTJ)의 직경은 55nm ~ 75nm입니다. 이것도 상당히 작다고 할 수 있습니다. 또 MRAM 실리콘 다이 크기는 공개하지 않았습니다.
CMOS CMOS 로직 호환 STT-MRAM 실리콘 다이 샘플의 실리콘 단면 현미경 관찰. 왼쪽 (a)는 기억 소자인 자기 터널 접합 (MTJ)의 어레이를 형성한 곳. 중앙 (b)는 자기 터널 접합의 단면. 오른쪽 (c)는 40Mbit MRAM의 실리콘 다이 사진. 아래는 MTJ 어레이의 단면 관찰 이미지.
자기 터널 접합 (MTJ)의 제조 공정 흐름
이렇게 만든 CMOS 로직 호환 MRAM 셀은 두 종류의 셀이 있습니다. 하나는 재기록 횟수를 극대화하는 셀로 스택 A라 부르며, 다른 하나는 데이터 보존 기간을 최대화하는 셀로 스택 B라 부릅니다. MCU에 내장하는 비휘발성 메모리로서의 사용을 생각하면 스택 A는 데이터 저장용 메모리, 스택 B는 프로그램 코드 저장용 메모리를 상정해 개발한 것으로 보입니다.
2 종류의 스택 개발은 상품화에서 매우 중요합니다. 왜냐하면 최근 플래시 메모리를 내장한 마이크로 컨트롤러는 플래시 메모리가 프로그램 코드 저장용과 데이터 저장용의 2개 영역으로 구분되기에 그럿습니다.
예를 들어 르네사스 테크놀로지의 32비트 플래시 마이크로 컨트롤러 RX610은 프로그램 플래시 메모리를 최대 2MB, 데이터용 플래시 메모리를 32KB 내장합니다. 재기록 수명은 프로그램용 플래시가 천번, 데이터용 플래시가 3만 시간입니다.
VLSI 기술 심포지엄에서는 스택 A와 스택 B에 각각 1Mbit의 MRAM 어레이를 만들어 성능을 테스트한 결과를 공개했습니다. 쓰기 특성은 50ns로 짧으며 기록 펄스를 입력할 때 어떤 스택도 비트 불량이 나오지 않았습니다. 왼쪽이 B, 오른족이 A의 결과이며 ECC 기능은 쓰지 않았습니다.
재기록 수명을 스택 A에서 테스트한 결과 천만번의 재기록을 수행해도 읽기 신호의 마진은 떨어지지 않았습니다. 40Mbit의 샘플 칩에서 1Kbit의 배열에서 테스트한 결과 비트 불량은 발생하지 않았습니다. 스택 B의 데이터 보존 기간은 10년이었습니다.
이러한 측정 결과를 토대로 계산하면 125 ℃의 고온 환경에서도 스택 A는 100만번의 재기록이, 스택 B는 10년간의 데이터 보존이 가능하다고 합니다. 그리고 작동 클럭은 80Mhz를 달성했습니다.
이런 특성은 자동차의 MCU, 특히 파워 트레인 제어에서 매우 중요합니다. 파워 트레인은 큰 용량, 빠른 속도, 높은 온도, 비휘발성이 모두 필요하기 때문입니다. 만약 글로벌 파운드리가 제공하는 MRAM 기술을 채용한 자동차용 MCU가 출시되면 기존의 플래시 기반 플래시 마이크로 컨트롤러가 위협이 될 수 있습니다.
픔스
예상치 못한 플래시 메모리(낸드플래시)의 장기 생존으로 갈 곳을 잃은 느낌이었는데 캐시 메모리 레벨로 선회하더니 결국 맞는 시장을 찾은 느낌이네요.