임베디드 MRAM 개발 로드맵. 세로축은 동작 클럭, 가로축은 연도. 2020년 6월에 VLSI 심포지엄에서 글로벌 파운드리가 발표한 슬라이드에서 발췌.

 

SoC (System on a Chip)나 마이크로 프로세서, 마이크로 컨트롤러(MCU) 등의 CMOS 로직은 임베디드 메모리를 MRAM(자기 저항 메모리)로 대체하려는 움직임이 활발합니다. 그 목표는 크게 두 가지인데 하나는 임베디드 플래시의 대체이고 다른 하나는 온 칩 SRAM의 대체입니다. 미세화된 반도체 제조 공정을 메모리가 따라가지 못하면서 이런 움직임이 생겨나고 있습니다. 

 

임베디드 플래시는 1~1.5개의 셀 트랜지스터로 메모리 셀을 구성합니다. 셀 트랜지스터는 셀 선택과 데이터 저장을 모두 수행하는데, 그 형태는 로직의 평면형 트랜지스터와 비슷하지만 구조는 완전히 다릅니다. 또 고전압을 다루기에 미세화에도 적합하지 않습니다. 40~28nm 공정이 한계지요. 최근에는 로직 트랜지스터가 3D로 변화하는데 임베디드 플래시가 이런 변화에 적응하기 어렵습니다. FinFET 로직과 호환되는 임베디드 플래시는 아직 상용화되지 않았습니다. 

 

온 칩 SRAM은 6개나 8개의 트랜지스터로 메모리 셀을 구성합니다. SRAM 트랜지스터 로직과 같은 트랜지스터라서 미세화 생산이 가능합니다. 그러나 SRAM 메모리 셀의 실리콘 면적은 다른 메모리보다 크고 용량을 늘리기에도 적합하지 않습니다. 예를 들어 28nm 공정으로 64Mbit의 온 칩 SRAM을 만들면 실리콘 면적은 9제곱mm를 넘습니다(삼성이 IEDM 2020에서 발표한 논문의 내용). 실리콘 다이의 가로세로 크기가 7mm라고 치면 SRAM이 차지하는 양만 20%인데 이건 무시하기 어려운 크기입니다. 또 SRAM은 제조 공정을 미세화하면 대기 상태의 전류가 늘어난다는 단점이 있어 용량을 늘리기 어렵습니다. 

 

이에 비해 임베디드 MRAM은 기억 소자(자기 터널 접합. MTJ)를 다층 배선 공정(BEOL)에서 만들어 로직 트랜지스터 기술에 의존하지 않습니다. FinFET, FD SOI, 나노 시트 FET 등을 지원하기에 앞으로 미세화에 따라 개발 로드맵을 세울 수도 있습니다. 또 MRAM은 비휘발성 메모리라 대기 상태의 전력 소비량이 매우 낮습니다.

 

메모리 셀은 1개의 트랜지스터(셀 선택 트랜지스터)와 1개의 MTJ로 구성됩니다. 메모리 셀의 실리콘 면적은 임베디드 플래시보다 크지만 SRAM보다 작습니다. 그래서 파운드리 업체은 임베디드 MARM의 연구 개발을 진행 중입니다. 2020년 12월에 열린 IEDM에서는 관련 내용이 공개됐습니다.

 

 

온 칩 SRAM의 대안을 위한 개발 성과

IEDM 2020 학회에서 삼성 전자, IBM 리서치, 글로벌 파운드리 싱가폴, TSMC, 글로벌 파운드리가 임베디드 MRAM 기술의 개발 성과를 공개했습니다. 이 내용을 보면 2년 전 IEDM 2018에서 발표된 임베디드 MRAM 기술에서 얼마나 발전했는지를 볼 수 있습니다.

 

주요 발전은 3개입니다. 하나는 온 칩 SRAM을 대체할 MRAM 기술의 연구 성과입니다. 5건 중 3건이 이 기술입니다. 2년 전 IEDM 2018의 주요 발표 4건이 모두 임베디드 플래시의 대체를 위한 기술이었지요. 또 다른 건 임베디드 플래시의 대체를 위한 임베디드 MRAM의 용도 확대입니다. 구체적으로는 사용 온도 범위를 높였습니다. 고온에서 동작이 필요한 자동차용 직접 회로의 신뢰성 수준(3~1그레이드)를 달성했습니다. 세번째는 미세화입니다. 2018년에는 22~40nm 노드의 성과를 발표했는데 이번에는 14nm와 16nm 노드를 사용한 임베디드 MRAM 기술이 공개됐습니다.

 

 

삼성: SRAM 프레임 버퍼를 대체

 

 

삼성은 온 칩 SRAM 프레임 버퍼를 대체하는 임베디드 MRAM 기술을 개발했습니다. 28nm 세대의 FD SOI CMOS 로직과 같은 공정으로 제조하며, 8Mbit의 STT-MRAM(스핀 주입 자기 저항 메모리) 매크로를 시연했습니다. 위 이미지는 8Mbit MRAM의 다이 사진과 주요 성능을 설명하고 있습니다. 
 

 

SRAM 프레임 버퍼와 비교하면 저장 밀도가 늘었습니다. 같은 제조 공정으로 만든 SRAM 메모리의 밀도는 0.15제곱mm/Mbit지만, 이번에 개발한 임베디드 MRAM은 0.08제곱mm/Mbit로 실리콘 면적을 절반 가까이 줄였습니다. 도 재기록 수명은 10의 10제곱 사이클(온도 -40도의 경우)로 상당히 긴 편입니다. 데이터 저장 시간은 몇 분(온도는 85분)이라 60분의 목표에는 아직 미치지 못했습니다. 소비 전력은 DRAM보다 낮지만 온칩 SRAM보다 여전히 높습니다. 삼성은 MTJ 스위칭 효율을 높여 소비 전력을 SRAM 수준으로 낮출 수 있을 거라고 설명합니다. 

 

 

IBM: 라스트 레벨 캐시 MRAM을 14nm 로직으로

IBM은 라스트 레벨 캐시(LLC)의 SRAM을 대체하는 임베디드 MRAM 기술을 발표했습니다. 대규모 마이크로 프로세서의 L3 캐시나 L4 캐시는 대용량 SRAM나 임베디드 DRAM(eDRAM)을 사용합니다. 이러한 메모리를 MRAM으로 대체하면 실리콘 면적을 줄이고 대기 상태의 소비 전력이 줄어들거라 예상됩니다. 

 

 

IBM은 파워9 프로세서에서 썼던 14nm SOI FinFET 로직 공정을 사용했습니다. 메모리 셀은 1개의 트랜지스터와 1개의 MTJ로 구성됩니다. MTJ는 제 1 금속 배선 (M1)과 제 2 금속 배선 (M2) 사이에 넣습니다. M1과 M2의 최소 피치는 64nm로 상당히 좁습니다. MTJ의 직경은 35nm ~ 60nm. 저장 용량이 2Mbit (512Kbit × 4 뱅크)인 STT-MRAM 매크로를 시연했습니다.

 

 

MTJ의 직경은 41mm. M1 최소 피치는 64mm입니다. 메모리 셀 면적은 0.0273제곱μm입니다. 파워 9 프로세서에 탑재된 eDRAM 셀의 0.0174제곱μm보다 크지만 SRAM 셀(6 트랜지스터)의 0.102제곱μm의 1/4(26%)로) 작습니다. 기록 펄스 폭은 4ns로 매우 짧아 라스트 레벨 캐시에 쓰기 충분합니다. 재기록 수명은 10의 10제곱입니다(온도 조건은 불명). 임베디드 MRAM으로 쓰긴 충분하지만 라스트 레벨 캐시용으로는 부족합니다. IBM은 10의 18제곱의 재기록(거의 무한대) 수명을 갖춰야 한다고 설명합니다. 

 

 

글로벌 파운드리 싱가폴: 10의 12승 사이클 수명과 1개월의 데이터 유지를 달성

 

 

글로벌 파운드리 싱가폴은 온 칩 SRAM을 대체할 임베디드 MRAM 기술을 개발 중입니다. 40Mbit의 STT-MRAM 매크로를 만들어 그 특성을 평가했는데 제조 공정은 공개하지 않았습니다. 메모리 셀은 1개의 트랜지스터와 1개의 MTJ로 구성되며 MTJ는 다층 배선 공정에 들어갑니다. 동작 온도 범위는 -40~125도로 넓고 기록 시간은 10ns로 매우 짧습니다. 재기록 수명은 10의 12승(온도 조건은 불명), 데이터 저장 기간은 1개월(온도 조건 125도)로 긴 편입니다. SoC와 센서 등에 쓰기에 알맞다고 보입니다.

 

 

TSMC: 16nm FinFET 로직과 호환되는 MRAM으로 플래시를 대체

 

 

TSMC는 16nm 벌트 FinFET CMOS 로직과 같은 공정에 임베디드 MRAM을 넣는 방법을 발표했습니다. 우선 8Mbit(패리티 비트를 포함하면 10Mbit)의 STT-MRAM 매크로를 공개했습니다. 

 

 

메모리 셀은 1개의 FinFET와 1개의 MTJ로 구성됩니다. MTJ는 다층 배선 중 4층 금속 배선(M4)와 5층 금속 배선(M5) 사이에 넣습니다. 메모리 셀 면적은 0.33제곱μm로 작습니다. MRAM 매크로의 동작 온도 범위는 -40~125도로 매우 넓습니다. 산업용과 자동차용 로직 컨트롤러(MCU)에 알맞습니다. 읽기 액세스 시간은 9ns(전원 전압 0.8V±10%, 온도 범위 -40~125 ℃)로 짧습니다. 쓰기 펄스 폭은 50ns(온도 -40 ℃)입니다.

재기록 수명은 100만 사이클(온도 -40 ℃, 비트 불량률 0.67ppm), 데이터 저장 기간은 10년(온도 234 ℃, 비트 불량률 1ppm)로 마이크로 컴퓨터용 플래시 메모리를 대체하기 충분한 장기 신뢰성을 갖춥니다. 리플로우 솔더링 공정의 비틀 불량률은 10ppm 미만으로 2비트 오류 정정 회로로 수정 가능합니다. 시험 생산에선 150도의 온도 조건에서 76%의 8Mbit MRAM 매크로는 비트 불량률이 0이었습니다. 자동차용 집적 회로의 신뢰성 등급 1에 해당되는 마이크로 컴퓨터에 쓸 수 있습니다. 

 

 

글로벌 파운드리: 상품화된 22nm SOI 로직과 호환되는 MRAM 기술

 

 

글로벌 파운드리는 22nm FD SOI 로직 공정과 호횐되는 신뢰성이 높음 임베디드 MRAM 기술을 개발했습니다. 산업용 마이크로 컨트롤러와 자동차용 마이크로 컴퓨터의 임베디드 플래시 메모리를 대체할만한 완성도를 갖췄습니다. 글로벌 파운드리는 2020년 2월 27일에 22nm 세대의 FD SOI 로직 기술로 임베디드 MRAM을 생산해 2020년 안에 테이프 아웃을 한다고 발표했습니다. 이 eMRAM는 -40~125도의 온도 범위에 10만 사이클의 재기록 수명, 10년의 데이터 보존 기간을 지닙니다. 자동차용 직접 회로 신뢰성 등급 2에 해당되며 2021년에는 등급 1로 높일 계획입니다. 

 

 

기억 용량 40Mbit의 STT-MRAM 매크로를 만들어 특성을 평가했습니다. 리플로우 솔더링 공정의 열처리를 5번 거쳐도 10ppm 미만의 낮은 비트 불량률(BER)을 달성했습니다. 또 패키징 처리한 40Mbit의 MRAM 매크로는 재기록 수명과 고온 동작 수명, 저온 동작 수명에서 JEDEC 표준 신뢰성 테스트를 통과했습니다. 재기록 수명은 10만 사이클(온도 -40도, 비트 불량률 0.23ppm 이하)로 코드 저장용 메모리로 쓰기에 충분히 깁니다. 데이터 저장 기간은 20년(온도 150도, 비트 불량률 0.1ppm 미만)으로 산업용이나 자동차용 등의 장기 사용을 견뎌냅니다.