비휘발성이면서도 DRAM보다 용량이 크고, 낸드 플래시보다 빠른 메모리가 '차세대 대용량 비휘발성 메모리'입니다. 이를 실현할 것으로 기대되는 유력한 기술은 3가지. 상변화 메모리(PCM), 저항 변화 메모리(ReRAM), 자기 저항 메모리 (MRAM)입니다.

 

이 중 상용 생산을 가장 먼저 시작한 건 상변화 메모리입니다. 인텔과 마이크론이 2015년 7월 28일에 공동 개발을 발표한 대용량 비휘발성 메모리 기술 3D XPoint가 그것입니다. 다이 저장 용량은 128Gbit로 그 전까지 학회에서 발표된 차세대 비휘발성 메모리의 연구 성과보다 큽니다. 당시 DRAM의 16배, 낸드 플래시의 최대 용량에 도달한 수준이었습니다. 

 

인텔과 마이크론은 3D XPoint 메모리의 기술적인 내용을 아직까지 공식적으로 발표하진 않았으며, 메모리만 따로 판매하지도 않습니다. 그러나 이를 탑재한 스토리지가 이미 양산 중이며, 실리콘 다이를 분석한 결과 상변화 메모리를 기억 소자로, 칼코게나이드 합금을 선택 소자로 삼은 메모리임이 밝혀졌습니다.

 

두 회사는 3D XPoint 메모리의 메모리 셀 어레이가 크로스 포인트라는 구조임을 2015년 7월에 공식적으로 밝혔습니다. 크로스 포인트는 워드라인과 비트라인을 직선으로 교차하도록 배치하고, 그 교차점(크로스 포인트)에 기억 소자와 셀 선택 소자를 배치한 구조입니다.

 

이는 평면 메모리 셀 어레이에서 가장 높은 저장 밀도를 실현 가능합니다. 제조 공정을 F라고 하면, 메모리 셀 설계에선 셀 면적이 제조 공정의 몇 배가 되는지를 가지고 크기를 비교합니다. 예를 들어 8배라면 8F2가 됩니다. DRAM 메모리 셀은 1개의 셀 선택 트랜지스터와 1개의 셀 캐패시터(기억 소자)로 구성됩니다. 이 때 셀 면적은 최소 6F2가 됩니다.

 

기억 소자인 셀 캐패시터가 상변화 메모리의 기억 소자와 저항 변화 메모리의 기억 소자로 바뀌어도 이 셀 면적은 변하지 않습니다. 1개의 셀 선택 트랜지스터(MOS FET)과 1개의 기억 소자로 메모리 셀을 구성하는 아키텍처를 사용하는 한, 셀 면적의 최소값은 6F2가 됩니다. 이에 비해 크로스 포인트 구조의 메모리 셀은 원칙적으로 셀 면적이 4F2가 됩니다. 즉 셀 면적은 DRAM 셀의 2/3밖에 안됩니다. 바꿔 말하면 1.5배 더 높은 저장 밀도가 나옵니다.

 

또 크로스 포인트 구조는 여러 메모리 셀 어레이를 적층하는 3차원 적층 기술을 비교적 쉽게 도입할 수 있다는 장점이 있습니다. 이런 입체 구조를 생각해 봅시다. 최하층은 워드라인, 중간층은 워드라인과 직각으로 교차하는 비트라인을 배치하고, 최상층에 워드라인의 평행 직선을 배치합니다. 이렇게 하면 실리콘 다이 표면의 1개 점에 2개의 교차점(크로스 포인트)가 생깁니다.

 

2개의 교차점에 기억 소자와 셀 선택 소자 조합을 실리콘 표면에 수직으로 배치, 2개의 메모리 셀을 하나의 점에 배치할 수 있습니다. 인텔과 마이크론이 공동 개발한 3D XPoint 메모리는 이렇게 하여 64Gbit의 메모리 셀 어레이를 2개 겹쳤습니다. 

 

3D XPoint 메모리 셀 어레이 구조. 하늘색이 워드라인(최상, 최하층)과 비트라인(중앙). 워드라인과 비트라인의 교차점에 위치한 노란색 직육면체가 셀 선택 소자, 연두색이 기억 소자(메모리 소자).

 

 

같은 구조라면 DRAM을 영원히 이길 수 없다

3D XPoint 메모리의 등장은 차세대 비휘발성 메모리 연구 개발 커뮤니티에 상당한 충격을 주었습니다. DRAM 메모리 셀과 같은 구조의 셀(1개의 셀 선택 트랜지스터와 1개의 기억 소자로 구성하는 셀)로는 '저장 용량에서 DRAM을 넘어설 수 없다'라는 사실이 다시 확인된 것입니다. DRAM 수준의 용량을 간신히 달성했다고 해도 제조 비용은 DRAM보다 비쌉니다. 그 결과 보급이 어렵습니다.

 

3D 적층 크로스 포인트 구조를 채용한 메모리는 DRAM보다 훨씬 큰 저장 용량을 합리적인 다이 면적으로 실현할 수 있습니다. 3D XPoint 메모리가 이를 실제로 보여주었습니다. 그 결과 상변화 메모리 외의 차세대 비휘발성 메모리 기술, 저항 변화 메모리(ReRAM)와 자기 저항 메모리(MRAM)의 대용량화 연구 개발은 크로스 포인트 구조로 급속히 방향을 전환합니다.

 

 

소니는 2단 크로스 포인트 ReRAM의 대용량화를 검토

2018년 5월 14~16일에 교토에서 열린 국제 메모리 워크숍(2018 IEEE 10th International Memory Workshop. IMW 2018)에서 저항 변화 메모리(ReRAM)의 크로스 포인트에 관한 연구 성과는 소니, 자기 저항 메모리(MRAM)의 크로스 포인트에 관한 연구 성과를 발표한 곳은 미국의 MRAM 벤처 Avalanche Technology입니다. 두 회사의 발표 내용을 봅시다.

 

소니는 비휘발성 메모리 연구 개발 업계에서 저항 변화 메모리(ReRAM)의 대용량화를 견인해 온 존재입니다. 3년 반 전인 2014년 12월 당시에는 DRAM보다 더 큰 16Gbit의 용량을 지닌 ReRAM 실리콘 다이를 마이크론과 공동 개발하고 IEDM에서발표했습니다. 이 16Gbit의 ReRAM 실리콘 다이는 상당히 공이 들어간 것으로 한때 상품화를 심각하게 고민하기도 했습니다. 그러나 공동 개발 파트너인 마이크론이 3D XPoint 메모리의 공동 개발을 위해 인텔에 붙으면서 소니와 마이크론의 ReRAM 공동 개발 프로젝트는 사실상 멈췄습니다.

 

 

이후 소니는 독자적으로 연구 개발을 진행해, DRAM과 비슷한 셀(1개의 셀 선택 트랜지스터와 1개의 기억 소자로 구성)의 ReRAM을 만들었으나, 이론적으로 DRAM 이상의 저장 밀도를 실현하는 건 불가능합니다. 그래서 소니는 크로스 포인트 구조를 도입해 ReRAM을 비약적으로 고밀도/대용량화하는 방향으로 전환, 그 개발 결과의 일부를 IMW 2018에서 발표했습니다.  

 

소니가 연구하는 크로스 포인트 구조의 ReRAM 셀 어레이의 구조도. 아래부터 워드라인, 메모리 셀 비트 라인, 메모리 셀 워드 라인. 2층 구조의 메모리 셀을 올렸습니다.

 

소니가 상정하는 크로스 포인트 구조의 대용량 ReRAM은 메모리 셀 어레이를 2층으로 적층한 3차원 구조와 20nm 수준의 CMOS 공정을 조합해 100Gbit 이상의 저장 용량을 단일 다이에 제공합니. 이 목표는 2층 구조로 128Gbit의 저장 용량을 제공하는 3D XPoint 메모리와 거의 같습니다. 바꿔 말하면 이 정도의 저장 용량을 실용적인 실리콘 면적으로 실현하지 못한다면, 상품화나 실제 시장에 미치는 영향은 적다는 것입니다. 

 

크로스 포인트 구조의 메모리 셀은 기억 소자와 셀 선택 소자를 수직으로 적층합니다. 선택 소자는 2단자의 스위치입니다. 스위치니까 On(전류가 흐르기 쉬운 상태, 낮은 저항)가 Off(전류가 흐르지 않는 상태, 높은 저항)가 전압의 인가 상황에 따라 바뀝니다. 이런 셀렉터의 개발이 크로스 포인트 구조의 메모리 개발에서 매우 중요한 위치를 차지합니다.

 

선택 소자는 간단한 스위치가 아닙니다. 기억 소자(비휘발성 저항 변화 소자)와 결합하여 데이터의 읽기와 쓰기에 적절한 여유를 두고 제어할 수 있어야 합니다. 즉 기억 소자의 전류 전압 특성과 선택의 전류 전압 특성 모두의 조합을 고려해야 합니다. 셀렉터에서 가장 간단한 요청은 낮은 전압을 인가한 Off 상태이며, 높은 전압을 인가하면 On 상태가 됩니다. 그러나 선택 소자가 On 상태가 되는 전압(게이트 전압)은 반드시 기억 소자의 상태가 변화하는 전압보다 낮아야 합니다. 그리고 선택 소자의 게이트 전압에서 전류 상승은 가파를수록 바람직합니다.

 

소니는 ReRAM의 기억 소자(저항 메모리 소자)와 선택 소자에 칼코게나이드 합금의 오보닉 스위치(OTS : Ovonic Threshold Switch)를 채용했습니다. OTS는 전압을 인가하지 않은 상태에서 높은 저항(Off, 비정질)이 나옵니다. 인가 전압을 조금씩 올리면 특정 전압(게이트 전압)에서 갑자기 낮은 저항(On)으로 전환하고 전류가 단번에 흐릅니다. 인가 전압을 0으로 하면 OTS가 다시 높은 저항(Off)로 돌아갑니다.

 

OTS에 사용한 칼코게나이드 합금의 전체 조성은 알려지지 않았습니다. 이 강연에서는 붕소(B)와 탄소(C)를 OTS에 더해 전압 인가가 계속되고, 드리프트(게이트 전압의 변동)을 억제, 열 안정성(금속 배선 공정의 고온 처리로 특성이 변화하지 않는 성질)을 높일 수 있다고 보고했습니다.

 

크로스 포인트 메모리 저항 메모리 소자는 기존과 마찬가지로 구리 이온이 절연막에서 필라멘트를 형성하여 낮은 저항 상태를 만들어내는 방식의 기억 소자(소니는 Cu-ReRAM라고 부름)를 사용합니다. Cu-ReRAM 소자와 BC 도핑 OTS 소자를 조합한 메모리 셀이 낮은 누설 전류, 안정적인 스위칭 특성, 높은 열 안정성을 달성할 수 있다고 합니다. 재기록 사이클 수명 백만번, 재기록 시간은 10ns가 나왔습니다. 

 

 

셀렉터, 저항 메모리 소자, 메모리 셀의 전류 전압 특성

 

 

메모리 셀 프로토타입의 실험 결과에서 256✕256 셀 어레이와 2K✕2K 셀 어레이에 회로(Spice) 시뮬레이션을 수행, 20nm 기술로 100Gbit 급의 메모리를 실현 가능하다는 결론이 나왔다고 합니다.

 

MRAM의 벤처 기업이 크로스 포인트 구조의 메모리 셀을 제작

다음은 Avalanche Technology가 강연에서 발표한 내용입니다. 이곳은 Everspin Technologies에 이어 MRAM을 세계에서 두번째로 상품화한 벤처 기업입니다. 여기에서 상품화한 건 수직 자기 기록 방식의 자기 터널 접합(pMTJ)과 스핀 주입을 조합한 pSTT-MRAM입니다. 저장 용량은 4Mbit/8Mbit로 그다지 크지 않으나 64Mbit의 대용량 제품을 샘플링 중이라고 합니다.

 

현재 55nm/40nm 기술로 pSTT-MRAM 제품을 양산 중입니다. 재밌는 건 실리콘 파운드리가 소니라는 거. 또 2Xnm 기술로 256Mbti pSTT-MRAM을 개발 중이며 2019년에 상품화할 계획입니다. 이 MRAM은 크로스 포인트 구조가 아니라 기존 방식, 그러니까 1개의 MOS FET를 셀 선택 트랜지스터, 1개의 자기 터널 접합(pMTJ)를 기억 소자로 삼은 메모리 셀 MRAM입니다.

 

그럼 크로스 포인트 구조의 메모리 셀의 경우 Avalanche가 연구하는 메모리 셀은 소니와 마찬가지로 셀렉터와 메모리 소자(pSTT-MRAM 소자)의 적층 구조를 채택합니다. 앞에서도 말했던 것이나 셀렉터의 특성과 메모리의 특성을 일치시키는 것이 매우 중요합니다.  

 

Avalanche Technology가 연구하는 크로스 포인트 구조의 MRAM 셀 어레이 구조도. 아래부터 워드라인, 메모리 셀(자기 터널 접합 및 선택기), 비트라인, 메모리 셀 워드 라인. 2층 구조의 메모리 셀입니다. 

 

 

수직 자기 기록 방식의 자기 터널 접합(pMTJ)의 단면을 전자 현미경으로 관찰한 사진. pMTJ의 직경은 55nm. pMTJ의 재기록 사이클은 10의 16승, 150도의 온도에서 10년 이상의 데이터 저장 기간이 나옵니다. 

 

Avalanche가 STT-MRAM의 크로스 포인트 화로 선택 소자에 쓴 재료는 하프늄 산화물(HfOx)입니다. 하프늄 산화물에 특정 원소를 더해 셀렉트 스위치 소자의 특성을 만들었으나 그 특정 원소가 무엇인지는 밝히지 않았습니다.

 

셀렉터 스위칭 특성은 히스테리시스가 큽니다. 인가 전압을 처음부터 조금씩 높이면 처음에는 전류가 거의 0(off)이다가 특정 전압(게이트 전압. 약 0.3V)로 급격히 상승합니다. 그리고 일정한 전류 포화(On)에 도달합니다. Off와 On의 전류 비율은 매우 커서 10의 7승입니다. 

 

포화 전류 상태(On)에서 전압을 조금씩 낮추면 인가 전압이 게이트 전압(0.3V)보다 낮아도 전류는 그 정도로 떨어지지 않습니다. 인가 전압이 0.1V 정도로 떨어지면 전류가 급격히 줄어듭니다. 이게 0.02V(홀드 전압)까지 떨어지면 전류가 거의 흐르지 않습니다.

 

이 셀렉터와 자기 터널 접합(pMTJ)를 적층한 메모리 셀(1S1R)를 만들어 양방향 자화 반전이 일어남을 확인했습니다. 이런 구조로 MRAM 셀 양방향 자화 반전을 확인한 곳은 아마도 Avalanche가 처음일 것입니다.

 

 

하프늄 산화물 (HfOx)의 셀렉터 단면을 전자 현미경으로 관찰. 셀렉터 직경은 80nm. HfOx의 두께는 3nm. 스위칭 횟수의 수명은 10의 7승

 

 

셀렉터의 전류/전압 특징. 히스테리시스가 현저하게 나타납니다.

 

 

셀렉터와 pMTJ 메모리 셀(1S1R)의 전류, 전압 특성. 메모리 셀에서 자화 반전의 발생을 확인했습니다.

 

크로스 포인트 구조를 3D 적층한 대용량 기술은 이론적으로는 알기 쉽습니다. 그러나 기존의 셀 선택 트랜지스터가 아닌 새로운 기술인 셀렉터를 사용해, 지금껏 없었던 어려움이 생깁니다. 셀렉터와 메모리 소자 모두 비선형 소자이며, 둘 사이를직렬로 접속하기에 전압/전류 특성의 제어는 기존보다 훨씬 더 복잡해집니다.

 

상품화에 성공한 3D XPoint 메모리(PCM) 조차도 생산 수율의 향상에 상당한 어려움을 겪는다는 소문이 있습니다. ReRAM과 MRAM의 크로스 포인트도 3D XPoint 메모리(PCM)처럼 어려운 길임은 분명합니다.