3D XPoint 메모리의 메모리 셀 어레이와 특징. 인텔과 마이크론이 2015년 7월 28일에 공동으로 발표한 자료에서

 

3D XPoint 메모리의 정체가 드디어 밝혀졌습니다. 기억 소자 기술은 상변화 메모리, 셀 선택 스위치(셀렉터) 기술은 오보닉 스위치 입니다. 다만 이건 3D XPoint 메모리를 공동 개발한 인텔과 마이크론의 공식 발표는 아닙니다. 실리콘 다이의 분석 서비스 업체인 TechInsights가 인텔 옵테인 SSD에 탑재된 3D XPoint 메모리의 실리콘 다이를 꺼내서 그 내부를 원자 수준에서 분석해 알아낸 것입니다.

 

3D XPoint 메모리는 약 2년 전인 2015년 7월 28일에 인텔과 마이크론이 공동으로 발표한 '혁신적인 비휘발성 메모리'입니다. 실리콘 다이 1개의 저장 용량은 128Gbit(16GB)로 당시 DRAM의 용량보다 16배 크고, 그때의 낸드 플래시 메모리와 비슷한 수준의 용량을 달성했습니다. 여기에 낸드 플래시 메모리의 단점인 재기록 시간과 랜덤 액세스 읽기 시간을 해결해, 랜덤 액세스 지연 시간과 처리량(전송 속도)가 높습니다. 그리고 재기록 수명은 내드 플래시 메모리보다 훨씬 많다고 발표했습니다.

 

뭐니뭐니해도 인텔은 PC 업계를 선도하는 기업이고 마이크론은 반도체 메모리 대기업으로서 네임 밸류가 컸습니다. 상용화 실적이 거의 없는 반도체 벤처 기업이 상품화를 발표한 것과는 PC 업계와 반도체 메모리 산업에 미치는 영향이 완전히 다릅니다.

 

그러나 3D XPoint 메모리 기반 기술은 지금까지도 공식적으로 발표되지 않았습니다. 알려진 건 2층의 크로스 포인트 구조 정도입니다. 크로스 포인트 구조는 워드 라인과 비트 라인이 교차하는 영역이 메모리 셀이 되는 구조입니다. 메모리 소자와 셀 셀렉트 소자가 교차되는 영역(크로스 포인트)를 겹쳐 1개의 메모리 셀을 구성합니다. 낸드 플래시 메모리를 제외하면 가장 밀도가 높은 메모리 셀 어레이를 실현할 수 있는 구조입니다. 또한 크로스 포인트의 구조는 2층이나 4층으로 메모리 셀 어레이를 적층하기 쉬운 구조로 알려져 있습니다. 참고로 3D XPoint 메모리의 메모리 셀 어레이는 2층 구조입니다.

 

 

20nm CMOS 기술로 200제곱mm의 큰 실리콘 다이를 제조

 

올해부터는 3D XPoint 메모리를 탑재한 제품이 출시되기 시작했습니다. M.2 슬롯에 장착하는 하드디스크 캐시인 SSD 옵테인 메모리가 그것이죠. 여기에선 옵테인에 탑재된 3D XPoint 메모리를 꺼내 실리콘 다이를 분석했습니다. 공식 발표는 아니지만 TechInsights의 다양한 실리콘 다이 분석 결과는 반도체 메모리 업계에서 신용도가 높습니다. 3D XPoint 메모리의 해석 결과도 정확하다고 판단해도 될 겁니다.

 

TechInsights는 분석 결과의 개요를 플래시 메모리 관련 세계 최대 규모의 이벤트 Flash Memory Summit에서 8월 8일 저녁에 개최최된 포럼 세션 Forum R-12 : 3D XPoint : Current Implementations and Future Trends에서 발표했습니다.

 

 

3D XPoint 메모리의 상세 설명 슬라이드.

 

실리콘 다이는 20nm 공정의 CMOS 기술로 제조된 것으로 나타났습니다. 마이크론은 이 공정으로 최첨단 DRAM 제품을 생산하고 있으니, 첨단 미세 공정 기술을 3D XPoint 메모리에도 사용했음을 알 수 있습니다. 실리콘 다이의 크기는 16.16 × 12.78mm이며 다이 면적은 206.5제곱mm이니 반도체 메모리 치고는 상당히 큽니다. 다이 크기를 감안했을 때 제조 비용이 결코 싸지 않습니다.

 

 

메모리 소자보다 셀렉터에 혁신

 

제조 기술에 대해 자세히 봅시다. 우선 메모리 셀 어레이는 제 4층 금속 배선과 제 5층 금속 배선 사이에 형성했습니다. 1개의 메모리 셀 셀렉터에 기억 소자(상변화 메모리)을 겹친 구조입니다.

 

상변화 메모리(PCM)는 칼코게나이드라고 불리는 합금이 결정 상태(전기적으로는 저항이 낮은 상태)와 비정질 상태(전기 저항이 높은 상태)가 서로 바뀌는 성질을 이용한 메모리입니다. PCM의 칼코게나이드 합금 중 일반적인 건 GST라고 불리는 Ge(게르마늄), Sb(안티몬), Te(텔루륨)의 합금입니다. 3D XPoint 메모리도 GST 합금을 기반으로 한 PCM를 기억 소자로 사용합니다.

 

셀렉터는 앞서 말한대로 오보닉 스위치(OTS : Ovonic Threshold Switch)입니다. OTS는 PCM과 마찬가지로 칼코게나이드 합금을 사용하지만, 재료 조성과 전기적인 특성은 PCM과 크게 다릅니다. 전기적 성질을 먼저 설명하자면, 초기 상태가 고저항 상태(오프 상태, 비정질 상태)입니다. 여기에 외부에서 인가하는 전압을 서서히 높여주 특정 전압(임계 전압)에서 갑자기 저저항 상태(온 상태, 합금 상태)로 전환하며 전류가 흐립니다. 인가 전압을 0으로 하면 OTS는 다시 고 항 상태(오프 상태)로 돌아갑니다. 재료 성분은 셀레늄 (Se)과 비소(As), 게르마늄(Ge), 실리콘(Si)의 합금입니다.

 

OTS의 역사는 꽤 긴데, 1960년대로 거슬러 올라갑니다. 미국의 유명한 발명가인 Stanford R. Ovshinsky가 칼코게나이드 합금의 중요한 특징인 오브신스키 효과를 발견한 것입니다. 오브신스키 효과에 따라 칼코게나이드 합금은 결정 상태와 비정질 상태의 2가지 상태를 오가며, 광학적 성질과 전기적 성질이 2가지 상태를 오가고 있음을 보여줍니다. 광학적 성질로는 반사율이 변화하고, 전기적으론 저항에 바뀝니다. 광학적인 변화를 이용한 것이 상변화 디스크이며, 전기적 변화는 PCM과 OTS에서 사용했습니다.

 

OTS를 연구 개발한 역사는 길지만 지금까지 반도체 집적 회로에서 실용화된 사례는 없었습니다. 3D XPoint 메모리에서 OTS가 세계 최초로 실용화된 셈입니다. OTS는 스위치의 안정적인 생산 관리와 제어 편차의 억제가 어렵다고 알려져 있는데, 128Gbit의 대용량 메모리에서 OTS를 상용화한건 굉장한 일입니다.

 

 

3D XPoint 메모리의 제조 공정 소개. 왼쪽은 실리콘 다이의 단면 관찰 이미지. 오른쪽은 다결정 실리콘 층에서 실리콘 다이의 회로를 관찰한 이미지.

 

 

고밀도 셀 어레이의 배선 인출이 제조 비용을 상승시키는 요인 

 

다음은 배선 기술입니다. TechInsights의 분석에 따르면 1층 다결정 실리콘(코발트 실리사이드) 배선과 5층 금속 배선(4층 구리(Cu) 배선과 1층의 알루미늄(Al) 배선), 그리고 텅스텐(W) 워드라인과 비트라인으로 구성됩니다. 단순히 더하면 7층의 배선층이 됩니다. 반도체 메모리 치고는 상당히 많은 제조 비용이 필요한 규모가 됩니다.

 

반도체 메모리인데도 5층 금속 배선을 쓰는 건, 크로스 포인트 구조의 고밀도 메모리 셀 어레이에서 신호 배선을 인출하기 때문이라 볼 수 있습니다. 워드라인과 비트라인긔 피치는 38.5nm와 40nm로 상당히 좁습니다. 미세 가공 기술로 이 부분에 자기 정합형 더블 패터닝(SADP) ArF 액침 리소그래피가 도입되고 있습니다. 또 크로스 포인트 구조의 메모리 셀 어레이도 제조 마스크의 매수를 늘리는 요소입니다. 메모리 셀 어레이 부분의 마스크 수는 11장. 실리콘 다이 전체의 마스크 수는 42장에 달합니다. 이것도 반도체 메모리 치고는 꽤 많습니다.

 

 

3D XPoint 메모리 셀 어레이의 구조와 단면 관찰도

 

 

실리콘 다이에 형성된 수수께끼의 더미 셀 어레이

 

실리콘 다이의 레이아웃에는 몇가지 흥미로운 점이 있습니다. 우선 더미 셀 어레이 영역이 있다는 걸 꼽을 수 있겠는데요. 직사각형 더미 셀 어레이 영역이 메모리 셀 어레이 영역에 붙어서 배치돼 있었습니다. TEG 테스트 소자가 아닐까 짐작할 수 있으나 자세한 건 밝혀지지 않았습니다.

 

또 다른 흥미로운 점은 메모리 셀 어레이에서 외부로 신호를 인출하는 배선 레이아웃입니다. 상단 전극과 중간 전극은 메모리 셀 어레이의 외부로 인출되며 상당한 실리콘 다이 면적을 차지하고 있습니다. 이에비해 바닥 전극은 메모리 셀 어레이에서 바로 아래의 CMOS 주변 회로로 내려갑니다. 크로스 포인트 구조는 매우 고밀도의 메모리 셀 어레이를 실현할 수 있지만 신호 배선에는 어려움을 겪고 있음을 알 수 있습니다.

 

 

실리콘 다이의 레이아웃. 왼쪽은 메모리 셀 어레이 부근의 레이어에 배치된 더미 셀입니다. 오른쪽은 CMOS 주변 회로 부근의 레이어에 배치입니다. 중앙 메모리 셀 어레이과 하단 전극(워드 라인), 주변 회로 영역 왼쪽 상단 전극(워드 라인).

 

 

 

기억 밀도는 DRAM의 3~6배, 3D NAND의 약 20%

 

2015년 7월에 3D XPoint 메모리가 발표됐을때, '기억 밀도는 DRAM의 10배'라고 발표했습니다. 실제로 TechInsights가 비교해보니 10배까진 아니어도 3~6배 정도로 높은 저장 밀도를 달성한 것으로 밝혀졌습니다.

 

 

구체적으로는 삼성전자 18nm DRAM의 3.2배, 마이크론 20nm DRAM의 6.6배 수준의 저장 밀도(실리콘 다이의 Gbit/제곱mm 환산)를 실현했습니다.

 

 

그래도 3D 낸드 플래시와 비교하면 저장 밀도가 낮습니다. 삼성전자의 48층 TLC 낸드 플래시의 24%, 도시바-샌디스크의 64층 TLC 낸드 플래시의 18%입니다.

 

 

양산 개시 후 2년 동안은 적자

 

 

3D XPoint 메모리의 제조 비용은 상당히 높습니다. Objective Analysis는 양산 개시 후 2년 동안은 적자를 볼 것이라고 예측했습니다. 마이크론에게 있어 3D XPoint 메모리는 상당히 힘든 사업입니다. 그러나 인텔은 CPU 같은 고가형 제품과 세트로 판매해 3D XPoint 메모리의 적자를 상쇄할 수 있다고 합니다. 

 

 

3D XPoint 메모리 응용 제품의 출하는 당초 예정보다 늦어졌습니다. SSD 제품의 출하가 시작된 건 올해 상반기입니다. 컨설팅 회사인 MKW Ventures Consulting은 2016년 8월의 플래시 메모리 서밋에서 시장 예측을 하향 조절했습니다. 허나 이때만 해도 3억 달러로 예상했는데 올해엔 2억 달러로 예상치가 줄었습니다. 내년 이후의 시장 규모도 많지 않아 2019년은 2/3 정도입니다. 원래 새로운 디바이스의 보급엔 시간이 걸리며, 플래시 메모리도 처음부터 분위기가 이렇진 않았습니다. 

 

시장 형성이 지연되는 요인 중 하나는 3D XPoint 메모리를 탑재한 DIMM 제품 출시가 늦어졌다는 데 있습니다. MKW Ventures Consulting은 DIMM 제품의 출하가 2018년이 될 것으로 예측합니다. 3D XPoint 메모리의 속도를 최대로 살릴 DIMM 제품의 개발 지연은 상당히 큰 마이너스 요소입니다.

 

 

3D XPoint 메모리를 탑재한 DIMM의 구상. 인텔이 작년 8월의 IDF에서 발표한 슬라이드

 

이 밖에 3DXPoint 메모리의 크로스 포인트형 메모리 셀 어레이를 현재의 2층에서 4층으로 늘린 대용량 제품의 개발이 이루어지고 있습니다. 이론적으로 실리콘 다이 저장 용량은 256Gbit, 2배가 됩니다. 이 2세대 제품이라 불러야 할 3D XPoint 메모리가 등장하는 건 2017년 말부터 2018년이 될 것이라 기대하고 있습니다.