반도체 메모리 기술 학회, 국제 메모리 워크숍(2019 IEEE 11th International Memory Workshop (IMW 2019))이 미국 캘리포니아 주 몬타레이에서 2019년 5월 12일~ 15일에 개최됐습니다. 반도체에 특화된 학회라 세계 최초, 세계 최대, 세계 최고의 실리콘 다이 같은 화려한 발표는 없고, 메모리 기술 위주의 발표가 많습니다. 

 

최근 나온 대용량 비휘발성 메모리의 연구 개발을 보면 인텔의 고속 대용량 메모리 옵테인, 3D XPoint를 따라가는 움직임이 보입니다. 크로스 포인트 구조의 셀 어레이를 3차원으로 적층해 고용량/비휘발성 메모리를 실현한 기술입니다.

 

2018년의 IMW는 저항 변화 메모리(ReRAM)와 자기 저항 메모리 (MRAM)를 기억 소자로 쓰는 크로스 포인트 구조의 메모리 기술이 발표됐습니다. 작년 12월의 IEDM에선 SK 하이닉스가 3D 크로스 포인트 구조로 128Gbit의 대용량 비휘발성 메모리를 만들었습니다. 이 때 나온 실리콘 다이의 용량은 옵테인과 같은 128Gbit입니다. 

 

올해 IMW는 3D 크로스 포인트 구조를 목표한 메모리 기술의 발표가 잇따랐습니다. 확인된 건 6건인데 그 중 4건은 기억 소자와 셀렉터를 결합한 셀, 나머지 2건은 겔렉터를 쓰지 않는 셀입니다. 기억 소자와 셀렉터를 조합한 셀의 발표 중에서 2개는 기억 소자와 셀렉터를 조합한 셀이고, 1건은 기억 소자, 1건은 셀렉터에 관련된 발표입니다.

 

셀렉터 관련 발표에서 공통된 건 모두 오보닉 스위치(OTS : Ovonic Threshold Switch)를 도입했다는 점입니다. 인텔은 옵테인 메모리의 핵심 기술을 밝히지 않았으나, 실리콘 다이를 분석한 기업의 발표에 의하면 옵테인 메모리도 OTS를 사용합니다. 또 작년 12월 IEDM에서 SK 하이닉스가 발표한 3D 크로스 포인트 구조의 실리콘 다이도 메모리 셀 셀렉터는 OTS를 기반으로 삼았습니다. 

 

셀렉터와 기억 소자 발표는 상변화 메모리 PCM이 2건, ReRAM이 1건입니다. 옵테인 메모리의 기억 소자는 PCM임이 밝혀졌습니다. 

 

 

버퍼층을 도입해 재기록 사이클 수명을 연장 

 

우선 PCM의 기억 소자와 OTS 셀렉터를 조합한 메모리 셀의 연구 성과입니다. IBM과 Macronix International가 2개의 발표를 공동 진행했습니다. 크로스 포인트를 위한 메모리 셀은 PCM과 OTS 층을 적층합니다. 이 때 PCM 층과 OTS 층 사이에 버퍼층을 삽입해 데이터 리프레시 수명이 연장된다는 사실을 확인했습니다.

 

 

PCM 층의 재료는 Ge2Sb2Te5 (GST-225)로 PCM의 표준 구성입니다. OTS 층의 조성은 TeAsGeSiSe과 AsSeGe 두 가지를 검토했습니다. 

 

 

버퍼층을 삽입한 셀의 재기록 사이클 특성. 

 

 

10의 7제곱까지 재기록을 마친 후 전류/전압 특성을 조사했는데 비교적 양호한 수준을 유지합니다. 

 

 

PCM 층의 데이터 리프레시 사이클의 연구입니다. 상단 전극과 PCM 층 사이에 버퍼층을 삽입했습니다.

 

 

재기록 사이클 수명을 10의 5제곱에서 10제곱으로 늘릴 수 있었습니다. 

 

 

재기록 시험의 전압 특성. 눈에 띄는 열화가 발생하지 않았습니다. 

 

 

ReRAM 기억 소자와 OTS 셀렉터 셀의 동작을 확인

 

다음은 ReRAM의 기억 소자와 OTS 셀렉터를 조합한 메모리 셀의 연구 성과입니다. 기억 소자의 재료는 HfO2, 선택기 재료는 GeSeSbN (GSSN), HfO2 층과 GSSN 층 사이에 TiN의 중간 전극이 있습니다. 샘플 셀은 제대로 작동했으며 장기 신뢰성은 앞으로 확인이 필요합니다.

 

 

크로스 포인트 메모리 셀의 샘플. 왼쪽은 주사형 전자 현미경으로 관찰, 중앙은 투과형 전자 현미경으로 셀 단면을 관찰, 오른쪽은 HAADF (High-Angle Annular Dark Field)과 전자 현미경으로 관찰한 셀 단면.

 

 

OTS 셀렉터의 전류/전압 특성(왼쪽)과 ReRAM 기억 소자의 전류 전압 특성(오른쪽).

 

 

메모리 셀의 전류/전압 특성

 

다른 연구는 OTS 재료에 관련된 내용입니다. Ge3Se7-As2Te3(GS-AT 합금)에서 GS와 AT의 비율을 조정해 셀렉터 스위치의 수명을 10에 10제곱으로 늘렸습니다. 

 

 

셀렉터를 사용하지 않는 크로스 포인트 기술

 

 

이 밖에 셀렉터를 쓰지 않는 크로스 포인트 메모리 기술도 있습니다. AP Memory Technology가 하프늄 산화물계의 강유전체 캐패시터를 기억 소자로 쓰는 크로스 포인트 구조를 제안하였습니다. 강유전체 캐패시터는 인가 전압 대비 분극 히스테리시스가 큽니다. 셀렉터가 없어도 충분한 오프 상태를 유지해, 크로스 포인트 구조의 과제인 기생 전류(인접하는 비 선택 셀을 통해 흐르는 정상 전류)를 충분히 억제할 수 있습니다.

 

또한 도시바 메모리 등의 공동 연구 그룹이, Ag 계열 합금과 산화물의 조합으로 저항 변화 메모리 소자를 발표했습니다. 전류/전압 특성에서 온 전류 및 오프 전류의 비율이 100 이상으로 큽니다. 따라서 셀렉터를 쓰지 않는 크로스 포인트 구조에 적용할 수 있습니다.