3D 낸드 기술을 쓴 메모리 셀 어레이의 구조. 메모리 스루 홀이라 부르는 수직 원통형 구조로 수많은 메모리 셀을 한번에 형성하는 것이 특징.

 

플래시 메모리와 상변화 메모리(PCM), 저항 변화 메모리(ReRAM) 등의 비 휘발성 메모리는 최근까지 공정을 미세화해 메모리 셀을 작게 하여 수많은 메모리 셀 어레이를 실리콘 표면과 평행된 방향에 밀어 넣어, 저장 밀도와 스토리지 용량을 높여왔습니다. 미세화가 대용량화의 주요 수단이었지요.

 

그러나 지금은 미세화를 통한 평면 방향에서 고밀도화에 한계가 보이기 시작하면서 실리콘 표면과 수직 방향으로 메모리 셀을 적층, 제조 비용을 낮게 유지하면서 더 높은 밀도를 실현하려는 움직임이 활발해지고 있습니다. 입체적으로 메모리 밀도를 높이기에 3D 기술, 3D 메모리 기술이라 부릅니다. 그리고 기존의 메모리 기술은 평면 방향으로 메모리 셀을 나란히 쌓기에 2D 메모리 기술이라 불러 구분합니다.

 

 

3D 고밀도 메모리를 실현하는 2개의 기술

3D 메모리 기술은 크게 2가지로 나눌 수 있습니다. 하나는 낸드 플래시 메모리를 쓰는 제조 기술로, 수직으로 수많은 메모리 셀을 배치해 형성하는 것입니다. 펀치 앤 플러그 기술, 메모리 스루 홀 기술이라 부르기도 합니다. 낸드 플래시 메모리에선 3D 낸드 기술이라 부르며, 2D 메모리 기술로 만든 낸드 플래시 메모리와 구별하곤 합니다.

 

3D 낸드 기술에 의한 메모리 셀 어레이의 제조 방법. 워드라인에 해당되는 플레이트, 절연막에 해당되는 플레이트 모양의 박막을 교대로 쌓아, 이를 수직으로 관통하는 구멍을 뚫습니다(펀치). 그리고 그 구멍을 실리콘이나 절연막으로 채웁니다(플러그).

 

다른 하나는 3D 크로스 포인트 메모리가 채용한 제조 기술로 평면 메모리 셀 어레이를 1층씩 수직으로 쌓습니다. 평면 메모리 셀 어레이에 크로스 포인트 구조를 만든 것이 특징입니다. 이 구조는 워드라인의 평행 배선과 비트라인의 평행 배선이 교차하는 점(크로스 포인트)가 메모리 셀의 크기이기에, 평면 메모리 기술에서 가장 높은 밀도를 낼 수 있습니다. 그리고 이를 수직으로 쌓아 메모리 밀도를 더욱 높인 것이 3D 크로스 포인트 메모리입니다. 

 

3D XPoint란 이름은 이를 처음 상품화한 인텔과 마이크론의 공동 개발 그룹이 등록한 상표로, 이들 회사가 개발한 3D 크로스 포인트 구조의 비 휘발성 메모리를 가리키는 이름이 됐습니다. 실제 스토리지 제품에선 두 회사가 서로 다른 이름을 붙여 사업을 꾸려 나가고 있습니다. 3D 크로스 포인트라는 일반적인 메모리 기술에서 3D XPoint라는 상표를 등록한 건 썩 좋아보이진 않습니다.

 

 

3D 크로스 포인트 메모리의 구조. 청색-회색이 워드라인과 비트라인, 워드라인과 비트라인이 교차하는 곳에 위치한 노란색 직육면체가 셀 셀렉트 소자, 연두색 직육면체가 메모리 소자.

 

 

마이크론이 저항 변화 메모리와 2종류의 3D 메모리 기술을 비교 

 

그러면 메모리 스루 홀 기술(3D 낸드)와 3D 크로스 포인트는 어느 쪽이 더 저렴할까요? 혹은 어느 쪽의 밀도가 더 높을까요? 여기에 대한 답변이 2017년 12월 3일에 열린 IEDM의 기술 강좌입니다. 3D 낸드 플래시 메모리와 3D 크로스 포인트 메모리를 모두 개발하는 마이크론이 3D 구조의 저항 변화 메모리(ReRAM) 기술을 강연하면서 이들 메모리 기술을 비교했습니다. 

 

주제는 ReRAM이지만 낸드 플래시 메모리와 3D 크로스 포인트 메모리(기억 소자에 상변화 메모리 PCM임을 밝혔지만, 인텔과 마이크론이 공식적으로 인정하지 않음)에도 충분히 해당되는 내용입니다.

 

마이크론은 강연에서 3D ReRAM 메모리 기술(3D ReRAM 기술)을 2개로 나눠 논의했습니다. 하나는 크로스 포인트 구조를 적층한 것으로 평면(Planar) 3D ReRAM이라 부릅니다. 다른 하나는 메모리 스루 홀 기술로 메모리 셀을 적층한 것인데 이를 수직(Vertical) 3D ReRAM이라 부릅니다.

 

3D ReRAM 기술의 구조. 왼쪽이 평면형. 오른쪽이 수직형.

 

평면 3D ReRAM 기술로 기억 밀도를 높이기 위해서는 평면 크로스 포인트형 셀 어레이의 적층 수를 늘릴 필요가 있습니다. 이렇게 하면 제조 공정의 단계가 크게 늘어납니다. 반면 수직형 3D ReRAM 기술은 워드라인 층을 쌓은 후 구멍을 뚫어 채웁니다. 그래서 얼핏 보면 3D 낸드 기술과 비슷한 3D ReRAM 기술이 유리해 보입니다. 

 

 

평면형 3D ReRAM 기술에서 저장 밀도를 높이는 방법. 크로스 포인트형 셀 어레이를 2층에서 4층, 8층으로 늘립니다. 적층 수가 늘어날 때마다 미세 가공(성막과 에칭 포함)의 단계가 늘어나 제조 비용이 증가합니다.

 

그러나 실제로는 저장 용량당 수직형 3D ReRAM의 제조 비용이 줄어들진 않습니다. 실리콘 표면에 평행 방향, 즉 평면에서의 메모리 셀 밀도가 수직형 3D ReRAM에서 많이 낮아지기 때문입니다. 수직형 3D ReRAM 기술은 다층막(워드라인의 다층막)을 관통하는 구멍을 뚫여 여기에 실리콘이나 절연막 등을 포함해 메모리 셀을 형성합니다. 이 공정은 구멍의 직경에 일정 이상의 길이를 요구해 메모리 스루 홀 피치가 많이 좁아지긴 힙듭니다. 마이크론은 이 피치가 130nm가 될 거라 언급했는데 이건 꽤 큰 숫자입니다. 또 낸드 플래시 메모리에서도 3D 낸드 기술의 메모리 스루 홀 피치는 100nm 정도가 됩니다.

 

수직형 3D ReRAM 기술의 구멍(메모리 스루 홀)의 크기와 피치. 피치는 135nm로 꽤 깁니다.

 

이에 비해 평면 3D ReRAM 기술은 리소그래피에서 만들어낼 수 있는 최단 피치까지의 메모리 셀 피치가 됩니다. 예를 들어20nm 기술이라면 메모리 셀의 피치는 이론적으로 40nm입니다. 공정 차이가 3배라면 면적 차이는 9배가 납니다. 즉 이론적으로 저장 밀도를 따지면 평면이 수직의 9배가 됩니다. 즉 평면 공정을 최대한 미세화해 고밀도 메모리를 만든 후, 이를 수직인 3D 메모리 구조로 바꾸면 저장 밀도가 1/9로 떨어집니다. 실제론 이렇게 극단적이진 않으나 1/4~1/5는 각오해야 합니다. 

 

따라서 수직형 3D ReRAM 기술로 저장 밀도를 높이기 위해선 워드 라인의 적층 수를 적어도 8층 이상으로 늘릴 필요가 있습니다. 그러면 배선과 포인트의 수가 늘어납니다. 이를 막기 위해 제조사가 노력 중이나, 8층으론 힘드니 16층 이상이 필수가 될 가능성이 높습니다.

 

 

평면 3D ReRAM 기술(왼쪽)과 수직형 3D ReRAM 기술(중앙 및 오른쪽)의 비교

 

 

3D 크로스 포인트 기술은 적은 수의 적층으로 높은 밀도를 실현

 

그래서 단순하게 적층 수와 실리콘의 면적 당 저장 용량(Gbit/제곱mm)을 통해 평면 3D ReRAM과 수직형 3D ReRAM을 비교했습니다. 4층의 평면 기술은 1.5Gbit/제곱mm ~ 2Gbit/제곱mm를 실현할 수 있는 반면, 수직형 기술은 40층이어도 1Gbit/제곱mm ~ 1.5Gbit/제곱mm로 밀도가 낮습니다. 적층 수가 10배여도 밀도는 오히려 낮습니다.

 

적층 수와 실리콘 면적당 저장 용량(Gbit/제곱mm)의 관계

 

또한 적층 수와 제조 비용 당 저장 용량으로도 비교해 봤습니다. 평면형 3D ReRAM은 적층 수가 4~8층일 때 단위 비용 당 저장 용량이 8~10Gbit로 비슷합니다. 반면 수직형 3D ReRAM은 적층 수의 늘어나면 단위 비용 당 저장 용량이 선형적으로늘어납니다. 4~8층의 평면 3D ReRAM의 용량과 같은 수준에 도달하려면 18~20층이 필요합니다.

 

 

적층 수와 제조 비용 당 저장 용량(Gbit/비용)의 관계

 

적층 수가 많아지면 3D 낸드 기술이 위력을 발휘

여기에서 명확한 건, 적층 수가 8층 이하로 낮다면 평면 3D ReRAM이 압도적으로 유리하다는 것입니다. 이 강연은 크로스 포인트형 ReRAM에 관한 것이나, 크로스 포인트형 PCM(상변화 메모리)에도 고스란히 해당되는 내용입니다.

 

인텔과 마이크론이 공동 개발한 3D 크로스 포인트 메모리의 첫 제품은 메모리 셀 어레이가 2층 구조입니다. 그리고 조만간 4층 구조의 제품이 나온다는 소문이 있습니다. 4층으로 층 수를 늘리고 가공 기술을 미세화하면 저장 밀도는 더욱 높아집니다. 반면 수직형 3D ReRAM 기술은 적층 수가 20층 이하에서는 수지 타산이 맞지 않습니다. 32층이나 48층 등 적층 수를 늘려야 합니다.

 

메모리 셀 구조가 많이 다른 낸드 플래시 메모리에 이걸 그대로 적용하진 못하지만, 메모리 스루 홀 피치를 많이 좁히지 못한다는 점에선 수직형 3D ReRAM과 3D 낸드 플래시가 같습니다. 3D 낸드 플래시에서 최적의 적층 수는 얼마 전에 48층, 지금은 64층이라 보고 있습니다. 저항 변화 메모리(ReRAM) 와 상변화 메모리(PCM) 등의 비 휘발성 메모리도 제조 수율이 같은 수준일 것입니다.

 

바꿔 말하면 8층 적층의 수직형 3D 메모리(메모리 스루 홀 기술로 만든 3D 메모리)는 상업적으로 큰 의미가 없습니다. 3D 낸드 플래시와 마찬가지로 32층과 48층 등 적층 수를 늘려야(그리고 일정 수준 이상의 생산 수율을 확보해야) 시장 경쟁력이 있는 저렴한 비용을 달성하게 됩니다.