최첨단 SoC와 대형 마이크로 컨트롤러에 탑재되는 임베디드 비휘발성 메모리의 개발이 진행 중입니다. 지금까지 프로세서 코어의 프로그램 코드는 SoC와 마이크로 컨트롤러에 내장된 임베디드 플래시 메모리에 넣었으나, 최근 CMOS 로직의 미세화를 따라가지 못하고 있습니다. 

 

임베디드 플래시의 미세화는 40~28nm CMOS 로직이 한계로 보입니다. 28nm 이후 CMOS 로직에서 임베디드 플래시의 역할을 담당할 것이라 기대되는 게 임베디드 비휘발성 메모리입니다. 

 

임베디드 플래시가 미세화의 기술적인 한계에 도달한 가장 큰 이유는 임베디드 플래시 메모리 셀이 트랜지스터라서 그렇습니다. 트랜지스터는 CMOS 로직 트랜지스터와 호환성을 지켜야 합니다. 그런데 CMOS 로직의 트랜지스터는 세대마다 변화를 거듭해 스트레인드 실리콘, HKMG, FinFET 기술을 도입했습니다. 이런 변화를 임베디드 플래시가 따라가기 어렵습니다.

 

이에 비해 임베디드 비휘발성 메모리는 트랜지스터 대신 2개의 가변 저항 소자에 데이터를 저장합니다. 가병 저항 소자의 원리에 따라 3가지 기술이 있는데 저항 변화 메모리 ReRAM, 자기 저항 메모리 MRAM, 상변화 메모리 PCM입니다.

 

이들 기술의 공통점은 로직 트랜지스터 기술과 독립된 메모리 가변 저항 소자를 형성할 수 있다는 것입니다. 로직 트랜지스터 기술은 앞으로도 미세화에 의해 계속해서 변화하리라 전망됩니다. 반면 임베디드 플래시의 트랜지스터는 로직 프로세서를 따라가는 로드맵을 만들지 못하고 있습니다. 이에비해 임베디드 비휘발성 메모리는 로직 미세화가 5nm까지 진행되도 문제가 없어, 앞으로 미래가 유망한 기술입니다. 

 

그 밖에 임베디드 비휘발성 메모리는 임베디드 플래시 메모리에 비해 쓰기 속도가 빠르고 전원 전압이 낮으며 CMOS 로직 제조에 추가하는 마스크 수가 3장으로 적습니다(임베디드 플래시는 10장). 따라서 반도체 제조사나 마이크로 컨트롤러 개발사는 임베디드 비휘발성 메모리 개발에 적극적입니다.

 

 

22nm 세대의 저전력 FinFET 기술 플랫폼

 

이런 상황에서 반도체 파운드리 사업을 적극 추진하던 인텔이 로직 엠비디드 비휘발성 메모리를 개발하고 있습니다. 그 성과를 ISSCC에서 발표했는데 종류는 2가지입니다. 하나는 임베디드 ReRAM(저항 변화 메모리), 다른 하나는 임베디드 MRAM(자기 저항 메모리)입니다. 그 기반은 모두 22FFL(22nm 저전력 FinFET 프로세스) CMOS 로직입니다.

 

임베디드 ReRAM의 저장 밀도는 10.1Mbit/제곱mm, 임베디드 MRAM의 저장 밀도는 10.6Mbit/제곱mm입니다. 임베디드 ReRAM의 메모리 셀 면적은 공개하지 않았습니다. 임베디드 MRAM의 메모리 셀 면적은 0.0486제곱μm입니다. F2(설계 공정의 제곱) 전환율은 100F2로 메모리 셀을 크게 줄이진 않았습니다. 이렇게 만든 매크로의 저장 용량은 임베디드 ReRAM이 3.6Mbit, 임베디드 MRAM이 7Mbit입니다. 

 

 

임베디드 ReRAM 매크로를 내장한 테스트용 실리콘 다이 사진(왼쪽), 메모리 서브 어레이 레이아웃(오른쪽)

 

 

임베디드 MRAM 매크로를 내장한 테스트용 실리콘 다이 사진. 저장 용량 7Mbit의 MRAM 매크로를 8개 내장합니다. 임베디드 ReRAM 개발용 실리콘 다이와 임베디드 MRAM 개발용 실리콘 다이의 레이아웃은 비슷합니다. 임베디드 ReRAM과 임베디드 MRAM이 개발 다이를 공유했을 가능성이 있습니다.

 

 

읽기는 빠르나 쓰기가 느림

 

 

임베디드 ReRAM의 데이터 읽기 시간은 7ns(전원 전압 0.8V, 온도 범위 -40~125도)

 

 

임베디드 MRAM의 데이터 읽기 시간은 4ns(전원 전압 0.9V, 온도 범위 -40~125도)

 

둘 다 읽기 시간은 매우 짧지만 쓰기는 그렇지 않습니다. 임베디드 ReRAM와 임베디드 ReRAM이 모두 10μs의 시간이 필요합니다. 읽기와 쓰기 속도가 1000배 차이나며, 임베디드 플래시보다 쓰기 속도가 빠르지도 않습니다. 

 

 

제조 수율을 향상시킬 쓰기 참조 셀 기술

 

인텔이 개발한 임베디드 ReRAM 기술과 임베디드 MRAM 기술은 제조 수율을 높이기 위해 똑같은 핵심 기술을 씁니다. 자잘한 부분은 다르나 기본적으로는 같은 개념입니다. 이 핵심 기술은 2가지인데 하나는 데이터 기록, 다른 하나는 읽기 참조 메모리 셀에 관련된 기술입니다.

 

 

 

쓰기 기술은 WVW(Write Verfy Write)입니다. 데이터 쓰기를 실행하면 짧은 시간 안에 쓰기(Write)와 동작 확인용 읽기(Verify) 동작을 반복합니다. 게이트 전압이 목표에 도달하면 동작을 마칩니다. 이렇게 하여 메모리 셀의 임계 값을 아주 작은 차이로 정렬합니다.

 

읽기 참조 메모리 셀에 관련된 기술은 참조용 셀에 일반 셀(1개의 트랜지스터와 1개의 저항 소자로 구성된 셀) 대신 정밀 박막 저항 소자를 사용합니다. 여기에 이름을 따로 붙이진 않았으나 참조용 저항은 TFR(Thin Film precision Resister)라고 불러 다른 저항과 구별합니다. 

 

TFR이라 부르는 고정밀 박막 저항 소자는 저항 값의 조절이 가능하며 실리콘 다이에 가장 적합한 값이 되도록 저항 값을 세밀하게 조정합니다. TFR을 사용해 온도 변화에 따른 참조 값(저항 값)의 변화가 적어, 읽기 동작의 반복에 의한 불량(참조용 메모리 셀의 판독 불량)이 생기지 않는다는 장점이 있습니다. 

 

 

임베디드 ReRAM의 연구 개발은 아직 진행 중

 

 

임베디드 ReRAM에서 가장 중요한 건 개발이 아직 완성되지 않았다는 겁니다. 장기 신뢰성의 데이터, 즉 데이터 재기록 횟수와 데이터 보존 기간의 실험 데이터가 전혀 공개되지 않았습니다. 이는 연구가 아직 기초 단계에 머물러 있다는 이야기입니다. 또 3.6Mbit 매크로의 읽기 불량률은 상당한 차이가 있으며, 이것도 기술적으로 개선할 여지가 크다는 의미입니다. 

 

 

양산 수준까지 완성된 임베디드 MRAM 기술

 

 

이에 비해 임베디드 MRAM 기술은 제품에 통합해 양산할 수준까지 개발이 끝났습니다. 데이터 재기록 시간과 데이터 유지 시간 등의 장기 신뢰성은 물론, 패키지에 실리콘 다이를 밀봉해 납땜 고온 처리를 했을때의 테스트 결과도 발표했습니다.

 

 

MRAM과 reRAM, PCM 등 차세대 비휘발성 메모리가 최첨단 로직 임베디드 메모리에 보급되려 합니다. 처음에는 임베디드 플래시 메모리의 대체입니다. 임베디드 플래시 메모리에서 MRAM, ReRAM, PCM으로의 변화는 이미 정해진 것이나 다름없습니다. 그 다음은 임베디드 SRAM의 대체인데 이 부분은 아직 개발할 것이 많습니다.