SoC와 마이크로 컨트롤러(MCU)는 임베디드 플래시 메모리와 SRAM을 대체하기 위해 임베디드 MRAM(자기 저항 메모리)가 개발 중입니다. 12월초 미국 샌프란시스코에서 열린 국제 학회 IEDM(IEDM 2018)에서 이를 연구/개발하는 기업과 대학의 성과가 공개됐습니다. 

 

IEDM 2018에서 임베디드 MRAM 기술을 발표한 회사는 삼성전자, 글로벌 파운드리, 인텔, 도호쿠 대학 그룹(도호쿠 대학, 도쿄 일렉트론, 아드 반 테스트의 공동 연구 그룹)입니다. 제조 공정은 22~40nm, MRAM의 용량은 7.2Mbit~128Mbit며, 모두 10의 6승에 달하는 다시 쓰기와 10년의 데이터 저장 기간을 확인했습니다. 플래시 메모리를 대체하기에 충분합니다.

 

 

삼성: 양산 수준의 8Mbit 메모리와 차세대 메모리

삼성은 양산 수준에 도달한 MRAM 기술을 발표했습니다. 저장 용량은 8Mbit(1MB)의 MRAM 매크로이며 패키징한 상태로 테스트했습니다. 반도체의 품질 인증에 필요한 각종 신뢰성 테스트를 모두 통과했습니다. 제조 기술은 28nm 세대의 FD SOI CMOS입니다. 플래시 메모리의 대체를 상정해서 개발했습니다. 신뢰성 테스트의 온도 범위는 -40~105도이기에, 다양한 범위에 응용 가능합니다. 웨이퍼 레벨에서의 제주 수율은 90% 중반이 안정적으로 나왔으며, 최고 97.5%를 달성했습니다.

 

 

8Mbit MRAM (pSTT-MRAM)의 실리콘 다이 사진

 

 

임베디드 MRAM의 개념(왼쪽), 제작된 메모리 셀 단면을 전자 현미경으로 관찰한 사진(오른쪽). 금속 배선 공정 중간에 기억 소자(자기 터널 접합)을 형성하기에 트랜지스터 기술을 자유롭게 선택할 수 있다는 특징이 있습니다. 

 

삼성은 차세대 임베디드 MRAM을 위한 2가지 방향성을 제시하고 메모리 셀 어레이의 샘플을 발표했습니다. 하나는 현재의 마이크로 컨트롤러가 내장된 ROM(플래시 메모리)과 RAM(SRAM)을 1개의 메모리에 융합시킨 통합 메모리입니다. 플래시 메모리를 대체하려면 데이터 저장 기간이 10년 정도로 긴 MRAM이 필요하며, SRAM을 대체하기 위해서는 재기록 수명이 매우 높은 MRAM이 필요합니다.

 

이 두가지 특성을 모두 갖춘 임베디드 MRAM을 만들었습니다. 저장 용량은 밝히지 않았으나 재기록 수명이 10의 10승으로기존보다 4자리수 더 많습니다. 데이터 저장 기간은 85도에서 10년입니다. 895도는 일반적인 용도에서 충분한 온도 조건입니다. 

 

다른 하나는 플래시 메모리를 대체하는 임베디드 MRAM의 대용량 제품입니다. 현재의 8Mbit(1MB)에서 저장 용량을 16배로 확대한 128Mbit(16MB) 임베디드 MRAM 매크로를 만들었습니다. 10의 6승에 달하는 재기록 수명과 105도에서 10년 간의 데이터 보존 기간을 실험으로 확인했습니다.

 

 

재기록 수명(가로 축)과 10년 간 데이터 보존 기간을 달성한 온도(세로 축). 재기록 수명과 데이터 보존 기간은 서로 반비례합니다.

 

 

글로벌 파운드리: 자동차 사용에 필요한 신뢰성을 확보 

 

글로벌 파운드리는 자동차용 직접 회로의 신뢰성 규격에서 1등급(G1)을 준수한 높은 신뢰성의 임베디드 MRAM 기술을 발표했습니다. G1은 -40~125도의 넓은 온도 범위에서 동작을 보증합니다. 이 발표에선 이보다 더 엄격한 -40~150도의 온도에서 동작을 확인했습니다. 

 

제조 공정은 22nm 세대의 FD SOI CMOS 기술입니다. 플래시 메모리의 대체를 가정해서 만들었습니다. 저장 용량이 40Mbit인 MRAM 매크로를 만들고 테스트를 실시했는데, 구체적으로는 -40~150도의 온도 범위에서 0.1ppm 이하의 불량률로 쓰기 작업을 마쳤으며, 10의 6승에 달하는 다시 쓰기를 수행해도 비트 불량이 생기지 않았습니다. 

 

데이터 보존 기간은 220도라는 매우 극한의 온도에서도 20년이었습니다. 자동차의 수명을 생각하면 충분한 수명입니다.

 

 

40Mbit MRAM(pSTT-MRAM) 매크로의 메모리 셀 어레이 단면도와 실리콘 다이 사진

 

 

-40도(위)와 150도(아래)의 재기록 특성. 가로축은 재기록 수, 세로축은 불량률.

 

글로벌 파운드리는 제조 기술을 미세화해 저장 밀도를 높이는 방법을 고려했습니다. 현재 22nm 세대의 FD SOI 기술에서 제조 기술을 14nm 세대의 FinFET 기술(14LPP-FF 프로세스)로 변경합니다. 이로써 메모리 셀 크기를 절반으로 줄일 수 있었다고 합니다. 같은 면적의 실리콘으로 저장 용량을 2배로 늘린 MRAM 매크로 개발이 가능해졌습니다.

 

 

인텔: 22nm 벌크 FinFET로 7.2Mbit 매크로 제작 

 

인텔의 발표는 이미 소개했으니 간단히 언급하겠습니다. 인텔은 22nm 세대의 FinFET 양산 기술(22FFL 프로세스)로 임베디드 MRAM 기술을 개발했습니다. 플래시 메모리의 대체를 목표로 하며 저장 용량은 7.2Mbit로 시작합니다. 메모리 셀의 재기록 수명은 10의 7승, 메모리 셀의 데이터 보존 기간은 210도에서 10년입니다. 

 

도호쿠 대학 그룹: 128Mbit의 대용량 임베디드 MRAM

마지막으로 소개하는 건 도호쿠 대학 그룹(도호쿠 대학, 도쿄 일렉트론, 아드 반 테스트의 공동 연구 그룹)의 발표입니다. 40nm CMOS 기술의 임베디드 MRAM을 개발했는데, 저장 용량 128Mbit(16MB)의 대용량 임베디드 MRAM 실리콘 다이를 만들었습니다. 임베디드 MRAM의 쓰기 작업은 매우 빠르며 전원 전압 1.2V에서 쓰기 시간은 14ns로 짧습니다.

 

메모리 셀의 재기록 횟수는 10의 10승이 나왔습니다. 플래시 메모리는 물론, SRAM을 대체할 수명입니다. 핵심 기술은 자기 터널 접합(MTJ)에 손상이 적은 반응성 이온 에칭(RIE) 기술의 결합입니다. 그 결과 직경 37mm로 작은 MTJ를 제조해 저장 밀도를 향상시킬 수 있었습니다. 데이터 저장 기간은 85도에서 10년으로 기존과 비슷한 수준입니다. 

 

 

128Mbit MRAM (pSTT-MRAM)의 평면도(왼쪽)와 서브 어레이의 실리콘 사진(오른쪽)

 

 

128Mbit MRAM의 서브 어레이에 쓰기 작업을 테스트한 결과. 가로축은 기록 시간, 세로축은 전원 전압. 연두색은 테스트에서 불량이 난 구역

 

위 발표에서 삼성과 글로벌 파운드리가 개발한 매크로는 제품 수준에 도달했습니다. 인텔이 개발한 매크로는 내년에 제품 수준에 도달할 것으로 보입니다. 임베디드 MRAM을 내장한 SoC와 마이크로 컨트롤러가 내년에 잇따라 등장하리라 기대됩니다.