임베디드 플래시 메모리는 40~28nm 공정이 한계입니다. 메모리 기록(프로그램)과 삭제에 높은 전압이 필요하다보니, 메모리 셀의 크기를 줄이기가 힘들고, 22nm 이후 공정에선 FinFET 같은 3D 구조가 보편화되면서 기존의 평면 MOS FET과 비슷한 트랜지스터럴 메모리 셀로 만드는 임베디드 플래시에 쓰기 힘들기 때문입니다.
그래서 28nm 이후의 마이크로 컴트롤러나 SoC에 넣는 임베디드 메모리를 대체하기 위해 자기 메모리(MRAM)과 저항 변화 메모리(ReRAM, RRAM)을 연구하고 있습니다. 이들 메모리는 다층 배선 공정에 기억 소자를 만들어 넣을 수 있습니다. 메모리 셀은 1개의 트랜지스터와 1개의 기억 소자로 구성되며, 기억 소자는 저항 소자니까 1T1R 셀이라고 부르기도 합니다. 로직을 미세화하면서 트랜지스터 구조가 바뀌어도 이를 따라갈 수 있습니다. FinFET 분만 아니라 그 후의 나노시트 FET에서도 쓸 수 있습니다.
MRAM과 ReRAM은 제조 난이도와 성능이 다릅니다. MARM은 매우 얇은 막을 몇 십장 겹친 복잡한 구조의 기억 소자인 자기 터널 접합을 사용하기에 기억 소자의 제조 단계가 늘어납니다. ReRAM의 저항 소자막은 MTJ보다 두껍고 그 수도 3층 정도밖에 안 됩니다. 대신 MARM은 기록 시간이 짧고 기록 전압이 낮으며 재기록 수명은 100만 사이클 이상입니다. ReRAM은 이런 스펙에서 모두 MRAM보다 뒤쳐지며, 재기록 사이클도 1만 시간이 채 안됩니다.
800KB의 ReRAM을 내장한 스마트 카드용 SoC
그런데 이번 IMW 2022에서 10만 사이클의 수명을 확보한 ReRAM이 등장했습니다. 인피니엄은 800KB(6.4Mbit)의 ReRAM 치고는 용량이 큰 스마트카드 SoC를 만들었습니다. 28nm CMOS 공정으로 제조했으며 ReRAM 외에도 32KB SRAM과 32비트 Arm Cortex-M0 코어가 있습니다. 테스트용이라 보안 기능은 없습니다. 메모리 셀은 1개의 MOS FET과 1개의 저항 소자로 구성된 1T1R 방식이며 실리콘 다이의 면적은 1.6제곱mm로 상당히 작습니다.
10만 사이클의 재기록 후에도 데이터 판독이 가능했습니다. 재기록을 거듭할수록 고저항 상태에서 누설 전류가 늘어났으나 저저항 상태에선 안정적이었습니다. 또 85도의 온도에서 15년 이상 방치해도 데이터를 유지했으며, 패키징이나 납땜 중의 고온 처리도 문제가 되지 않습니다.
48KB의 ReRAM 매크로를 28nm 공정으로 만든 웨이퍼의 수율은 99%였습니다. 다만 웨이퍼가 몇 인치 짜리인지, ReRAM 매크로의 면적이 어느 정도인지는 밝히지 않았습니다.
10만 사이클 재기록, 9번의 납땜 고온 처리
ReRAM 기술 벤처기업인 Weibit Nano는 28nm CMOS 로직 기술과 호환되는 임베디드 ReRAM 매크로를 개발했습니다. 저장 욜양이 16Kbit와 1Mbit인 매크로를 만들었으며 메모리 셀 구조는 1T1R, 가변 저항 소자에는 다층 배선 공정을 썼습니다. 재기록 사이클과 고온 보존 성능(데이터 저장 기간), 고온 처리(납땜) 등을 상정해서 스트레스를 주었는데, 10만 번까지 눈에 띄는 열화가 없었습니다.
고온 보존 시험에선 1만 번의 재기록 사이클을 거친 메모리 셀을 210도에서 15시간까지 방치했습니다. 판독 마진이 줄긴 했으나 실사용에 지장이 없었습니다. 10년 간의 데이터를 유지하는 온도는 일반적인 상황에서 220도, 기록 전류를 낮춰도 130도니 문제가 없습니다.
표면 실장 공정(리플로우) 수준의 고온 처리를 9번 반복했습니다. 처음에는 판독 전류가 떨어졌으나 2~9번에서는 열화가 진행되지 않았습니다.
또 1Mbit 칩에서 쓰기와 판독을 반복했습니다. 대부분의 셀은 한 번 기록해서 완료됐지만 몇 십개는 재기록이 필요했습니다. 그래도 900번 테스트에서 불량 비트는 발생하지 않았습니다. 앞으로는 22nm FD SOI CMOS 공정으로 멀티 메가비트 ReRAM 매크로 개발이 목표입니다.
8코어 RISC-V와 컴퓨트 니어 메모리를 인텔 4 공정으로 제작
클럭 제네레이터 탑재. MSI MAG B660M MORTAR MAX WIFI DDR4
책읽는달팽
라데온HD6950
