비휘발성 메모리는 실리콘 파운드리인 TSMC의 필수 메뉴입니다. SoC나 마이크로 컨트롤러에 넣는 메모리의 매크로를 준비해야 하며, 다양한 요구에 맞춰서 되도록 많은 비휘발성 메모리 기술을 갖춰야 합니다. 

 

다만 2010년까지는 임베디드 플래시 메모리(eFlash)가 임베디드 비휘발성 메모리(eNVM)의 대부분을 차지했으며, 이것 외에 다른 eNVM은 자주 쓰이지 않았습니다. 그러다 2010년대에 들어서 eFlash의 공정 미세화 속도가 더뎌지면서 2010년대 중반에 들어선 CMOS 로직 기술과 eFlash 제조 기술의 격차를 무시할 수 없는 수준까지 왔습니다. 

 

eFlash를 대체하는 비휘발성 메모리는 자기 메모리(MRAM)이 가장 먼저 주목 받았습니다. 파운드리 업계의 선두주자인 TSMC, 글로벌 파운드리, 삼성전자는 임베디드 자기 메모리(eMRAM)을 eFlash를 대체하는 매크로로 제공하고 있습니다. 

 

MRAM 외에는 저항 변화 메모리(ReRaM)과 상변화 메모리(PCM), 강유전체 메모리(FeRAM)이 유력 후보로 꼽힙니다. 모두 다층 금속 배선의 제조 공정을 사용해 메모리 소자를 만들 수 있다는 공통점이 있습니다. CMOS 로직 트랜지스터가 어떤 종류라 해도, MOS 로직과 같은 트랜지스터 1개와 1개의 메모리 소자로 메모리 셀을 구성할 수 있습니다. MOS 트랜지스터의 형상은 FinFET에서 더욱 입체적으로 바뀌면서 더 복잡해질 가능성이 높기에, 트랜지스터 구조에 의존하지 않는 메모리 소자일수록 좋습니다. 

 

이런 상황에서 2022년 6월에 열린 VLSI 심포지엄에서 TSMC는 차세대 비휘발성 메모리 관련 연구를 대규모로 발표했습니다. 여기에서 발표한 10개의 연구 중 절반인 5개가 차세대 비휘발성 메모리에 관련된 것으로, 자기 메모리가 1개, 저항 변화 메모리가 2개, 강유전체 메모리가 2건이었습니다. 

 

 

빠른 속도/긴 수명/긴 보존 기간을 확보한 SOT-MRAM

 

MRAM 분야에선 4세대 MRAm이라고도 불리는 스핀 궤도 토크(SOT:Spin Orbit Torque) 방식의 MRAM 개발 성과를 공개했습니다. 용량 8Kbit인 매크로를 8개 탑재한 실리콘 다이를 만들어 테스트했습니다. 

 

SOT 방식은 현재의 최신 세대인 3세대 MRAM의 수직 자기 기록 스핀 주입 토크(STT:Spin Transfer Torque) 방식과 마찬가지로 자기 터널 접합(MTJ:Magnetic Tunnel Junction)을 기억 소자로 씁니다. MTJ는 고정층(자화의 방향이 변화하지 않는 층)과 터널층(얇은 절연층), 자유층(자화의 방향을 바꿀 수 있는 층)의 3층 구조를 기본으로 합니다. 실제로는 훨씬 복잡하지만 간단히 보면 그렇습니다.

 

MTJ를 관통하는 방향의 전기 저항은 고정층과 자유층의 자화 방향에 따라 변합니다. 고정층과 자유층의 자화 방향이 같을 경우(평행 상태, P)에는 전기 저항이 낮습니다. 자화 방향이 반대라면(AP) 저항이 높습니다. 이런 특징을 데이터 기록에 사용합니다. 

 

SST-MRAM에서 데이터 재기록과 판독은 이렇게 이루어집니다. 재기록에선 스핀 방향이 반대인 전자를 MTJ에 주입해, 전자 스핀이 발생하는 자기 모멘트에 의해 자유층의 자화를 반전시킵니다. 판독 동작에선 기록 전압보다 낮은 전압을 MTJ에 인가해 전류를 측정합니다. P 상태에서는 전류가 높고, AP에선 전류가 낮습니다. 

 

 

SOT 방식의 MRAM 셀입니다. 왼쪽 상단은 구조도, FL은 자유층, HM은 중금속, 왼쪽 아래는 장점과 단점 소개, 오른쪽 아래는 쓰기/읽기 동작의 개념입니다.

 

SOT 방식의 MRAM(SOT-MRAM)에서는 기억 소자의 구조와 기억 원리가 STT-MRAM과는 조금 다릅니다. 중금속 박막에 MTJ를 넣은 구조인데, 여기서 중요한 건 MTJ의 자유층과 중금속 박막이 서로 닿도록 MTJ를 넣고, 스핀홀 효과(SHE:Spin Hall Effect)를 내는 중금속 재료를 썼다는 겁니다. 

 

전류를 보내면 전자 스핀의 상태에 따라 반대 방향의 힘이 전자에 작용하고, 업스핀과 다운스핀 전자가 서로 직교해 반대로 이동하는 현상이 스핀홀 효과입니다. 전류를 보내는 것만으로 스핀 방향이 어긋나는 2가지 전자를 얻을 수 있습니다. 

 

데이터 재기록에선 중금속층(SCM:SOT Channel Material)에 전류를 보내 스핀이 편향된 전자류로 자기 모멘트를 만들어 자유층의 자화 방향을 반전시킵니다. 데이터를 판독할 때는 MTJ에 낮은 전압을 인가하여 전류를 측정합니다. P 상태에서는 전류가 높고 AP 상태에서는 전류가 낮아집니다. 판독은 STT와 SOT 방식이 기본적으로 같습니다. 

 

SOT-MRAM와 STT-MRAM의 가장 큰 차이점은 재기록에 있습니다. SOT 방식에선 MTJ에 전류가 흐르지 않습니다. 이론적으로는 MTJ의 터널 절연막이 열화되지 않습니다. STT 방식에서는 재기록 동작을 반복해 MTJ의 터널 절연막이 열화되면서 재기록 사이클 수명이 떨어집니다. 또 열화가 심해지면 AP 상태인데도 판독 동작에서 큰 전류가 나오면서 잘못된 값을 읽을 수도 있습니다. 

 

또 다른 차이점은 메모리 셀 회로에 있습니다. SOT 방식은 재기록용 트랜지스터와 판독용 트랜지스터의 두 가지가 필요하지만, STT는 하나의 트랜지스터가 재기록과 판독을 겸합니다. 그래서 SOT 방식의 메모리 셀 면적은 STT보다 큽니다. 

 

 

1ns의 고속 스위칭과 10의 12제곱 사이클에 달하는 긴 수명 달성

 

이미 언급했듯이 TSMC는 저장 용량이 8Kbit인 매크로를 8개 탑재한 실리콘 다이를 제조해 매크로를 평가했다. 8Kbit의 매크로는 최대 98.2%의 비트(메모리 셀)가 정상적으로 동작했다. 즉, 모든 비트의 동작은 얻어지지 않는다. 아직 개량의 여지가 있다. 외부 자계는 사용되지 않습니다.

 

 

프로토타입 SOT-MRAM의 메모리 셀 구조(왼쪽), 프로토타입 메모리 셀의 단면을 전자 현미경으로 관찰(오른쪽). 자기 터널 접합(MTJ)의 크기는 75nm×230nm. 자화의 방향은 인 플레인, SCM은 도핑된 텅스텐(Doped W). 

 

데이터 스위칭(자화 반전)에 필요한 시간은 1ns로 매우 짧고 스위칭 전압은 1.5V로 상당히 낮습니다. 스위칭 전류 밀도는 65MA/제곱cm로 꽤 높습니다. 장기 신뢰성은 재기록 사이클 수명이 7×10에 12제곱으로 상당히 깁니다. 데이터 유지 기간은 열안정성 지표(자화 반전의 에너지 장벽/kT. k는 볼츠만 상수, T는 절대 온도)가 55~60일 때 10년 동안 보존 가능합니다. 프로토타입 SOT-MRAM에선 매우 큰 152라는 열안정성 지표를 실온에서 달성해, 이론적으로는 10년을 넘는 데이터 보존이 가능합니다. 

 

 

재기록 사이클 테스트 결과(왼쪽). 전압 저항 특성(오른쪽)

 

 

최근 SOT-MRAM 기술의 연구 성과 비교

 

 

기록 방식과 오류 정정으로 ReRAM의 수명을 100만 사이클로 연장

 

다음은 ReRAM의 재기록 사이클 수명을 늘린 연구입니다. 28nm CMOS 로직과 호환되는 공정으로 1Mbit의 임베디드 ReRAM을 만들었습니다. TSMC는 ReRAM의 단점이 제조 편차와 짧은 재기록 수명이라고 지적합니다. 그래서 데이터 기록 알고리즘을 수정해 어느 정도 대처할 수 있었다고 하는데요. 2비트 ECC를 추가하면 50만 사이클, 3비트 ECC를 넣으면 100만 사이클의 재기록이 가능했습니다(온도는 150도, 6개의 1Mbit 매크로로 시험). 다만 ReRAM의 기억 소자를 구성하는 저항 재료, 전극 재료, 메모리 셀 치수 크기는 발표하지 않았습니다. 

 

 

재기록 사이클 테스트 결과입니다. 왼쪽과 중앙은 셀 전류를 가로축에 표시한 비트 편차, 임계 전류(Trip Point)보다 높은 전류 비트는 LRS(저저항 상태), 임계 전류보다 낮은 전류 비트는 HRS(고저항 상태)로 HRS의 편차가 큽니다. 오른쪽은 재기록 사이클 횟수를 가로측에 표시한 비트 에러율의 변화로 50만 사이클을 넘으면 그 때부터 비트 오류율이 늘어납니다. 

 

 

임베디드 크로스포인트 메모리의 핵심 기술. 셀럭터

 

그 다음은 저항 변화 메모리를 기억 소자로 쓰는 크로스 포인트(크로스바) 메모리의 셀렉터(셀 선택 소자) 관련 연구입니다. 크로스 포인트 메모리는 바둑판처럼 행렬을 지어 셀을 배치한 메모리입니다. 행(row)이 워드라인, 열(column)이 비트라인이 되며 그 두 라인이 교차하는 곳(크로스 포인트)에 메모리 셀을 배치합니다. 메모리 셀은 메모리 소자와 셀 셀렉트 스위치 소자(셀렉터)가 적층하는 구조입니다. 메모리 소자와 셀렉터는 모두 2단자로 구성됩니다. 

 

크로스 포인트 메모리는 평면당 저장 밀도를 가장 많이 높일 수 있는 메모리 구조입니다. 이론적으로는 말이죠. 이 크로스포인트 구조의 메모리 셀 어레이를 위아래로 겹치면 그만큼 저장 용량도 늘어납니다. 이걸 3D 크로스 포인트 메모리라고  부릅니다. 

 

 

TSMC는 CMOS 로직 위에 모놀리식 3D 크로스포인트 메모리를 적층하는 임베디드 메모리를 구상했습니다. 로직과 메모리를 접속하는 배선이 짧아 속도가 빠릅니다. 

 

 

저전압, 고속, 긴 수명의 셀렉터를 개발 

 

셀렉터는 상당히 높은 성능을 필요로 합니다. 1.5V 이하의 저전압, 10nA 이하의 오프 상태 전류, 100μA 정도의 온 상태 전류, 10ns 이하의 스위칭 시간, 10의 10제곱 이상의 스위칭 사이클, 400도의 고온 처리 등이 필요합니다. 

 

 

또 셀렉터의 역할은 매우 중요합니다. 메모리 셀을 판독할 때는 선택된 셀의 옆에 판독 전압의 절반이 가해지는 하프 셀렉트 셀이 등장하는데, 이 셀의 전류를 차단하고 오프 상태를 유지해야 합니다. 또 워드라인과 비트라인의 전압 저하를 막고 소비 전력을 줄여야 합니다. 

 

여기에선 실리콘, 산소, 텔루르의 화합물인 SiOTe를 재료로 사용했습니다. 사용 온도 안에서는 비정질 상태의 절연물이나 1.1~1.5V의 전압을 인가하면 전기가 통합니다. 화합물의 조성을 조정해 저전압, 고속, 긴 수명의 셀렉터를 실현했습니다. 

 

 

스위칭 임계 전압은 1.1~1.5V, 스위칭 시간은 약 3ns, 스위칭 사이클 수명은 10의 10제곱입니다. 오프 전류는 3nA(인가 전압 0.5V, 임계 전압 1.2V)로 낮고, 온 오프 비율은 10의 4제곱으로 높습니다. 

 

 

10의 11제곱의 사이클. 수명이 긴 강유전체 트랜지스터

 

 

강유전체 비휘발성 메모리 관련 연구도 TSMC를 비롯한 공동 연구 그룹이 발표했습니다. 하나는 강유전체를 게이트 절연막으로 쓰는 강유전체 트랜지스터에 관한 연구입니다. 게이트 절연막을 강유전체(HZO)와 금속(TiN), 강유전체(HZO)의 3층 구조로 하여 10의 11제곱이라는 긴 재기록 사이클을 달성했습니다. 

 

 

높은 장기 신뢰도와 온/오프 비율을 확보한 강유전체 터널 접합

 

다른 하나는 강유전체 막을 터널 절연막으로 하는 비휘발성 메모리 기술 관련 연구입니다. 금속 전극 사이에 강유전체의 터널 절연막을 겹친 강유전체 터널 접합(FTJ:Ferroelectric Tunnel Junction) 3층 구조의 기억 소자를 기본 구조로 씁니다. 강유전체 막의 분극 방향에 따라 터널 전류가 변화하는 현상을 이용해 데이터를 저장합니다. 기존의 강유전체 메모리와 구별하기 위해 FTJ 메모리라고 부르기도 합니다. 

 

FTJ 메모리와 기존의 강유전체 메모리와 다른 점은 비파괴 읽기가 가능하다는 것입니다. 강유전체 메모리는 데이터 재기록뿐만 아니라 판독에서도 분극 반전이 발생합니다. 즉 데이터를 읽기만 해도 강유전체 막이 열화됩니다. 하지만 FTJ 메모리는 판독 시 분극 반전이 발생하지 않아, 이론적으로는 판독 동작 횟수에 제한이 걸리지 않습니다. 

 

문제는 데이터 재기록(분극 반전) 시 매우 얇은 강유전체 막이 열화된다는 겁니다. 강유전체막의 재료는 HZO, 하프늄(Hf)과 지르코늄(Zr)과 산소(O)의 화합물을 자주 사용합니다. 그 중에서도 Hf와 Zr의 비율을 1대1(50%씩)으로 배합한 HZO는 강유전성이 좋아, HZO라고 하면 이 비율의 재료를 가리킵니다. 그러나 터널 절연막으로 HZO를 쓰면 분극 반전이 될 때마다 열화가 생겨, 전류의 온 오프 비율을 늘릴수록 재기록 사이클 수명이 떨어진다는 문제가 있습니다. 수명을 늘리면 온 오프 비율이 떨어지고요. 10의 7제곱의 수명을 지닌 연구 성과에선 온 오프 비율이 2.5밖에 안 되기도 했습니다. 

 

 

TSMC를 비롯한 공동 연구팀은 지르코늄(Zr)의 비율을 90%로 높인 HZO막과 알루미나(Al2O3)막을 적층한 터널 절연막을 고안했습니다. Zr의 비율이 90%로 높은 HZO막은 강유전체가 아니라 반 강유전체(AFE: Anti-Ferroelectrics)며, 이걸로는 비휘발성 메모리를 만들 수 없습니다. 그런데 중간층(IL:Interfacial Layer)에 알루미나 막을 삽입하면 FTJ가 강유전체와 유사한 분극 특성을 지니게 됩니다. 

 

 

이렇게 만든 FTJ은 온 오프 비율이 10으로 비교적 높았으며, 데이터 유지 기간은 10년, 재기록 사이클 수명도 10의 8제곱에 달했습니다.