삼성이 IEDM 2019에서 발표한 논문에 나온 1Gbit 임베디드 MRAM의 주요 스펙. 2비트 ECC 오류 정정 회로를 탑재합니다. 

 

삼성전자는 용량이 1Gbit(128MB)로 아주 큰 임베디드 MRAM을 개발하고 IEDM 2019에서 발표했습니다. 마이크로 컨트롤러나 SoC에서 소스 플래시 메모리, 임베디드 DRAM을 대체하고 SSD의 고속 버퍼 메모리로 쓸 수 있는 물건입니다. 

 

삼성은 작년 12월의 IEDM에서 8Mbit의 임베디드 MRAM을 개발하고, 제품 수준의 신뢰성을 확보했다고 밝혔습니다. 올해 3월에는 8Mbit 임베디드 MRAM(eMRAM)의 양산을 시작했지요. 8Mbit, 1MB의 용량은 임베디드 플래시 메모리를 내장한 마이크로 컨트롤러에 쓰기 적합한 용량입니다. 그리고 이제는 용량을 1Gbit(128MB)로 늘렸습니다.

 

우선 올해 양산을 시작한 8Mbit eMRAM에 대해 소개했습니다. 수율은 97%, 제조 공정은 28nm FD-SOI CMOS 로직, MRAM 기술은 수직 자기 기록 방식의 스핀 토크 주입 자기 메모리 pSTT-MRAM입니다. 메모리 셀 면적은 0.0364제곱μm, 작동 온도 범위는 -40~105도, 데이터 저장 기간은 105도에서 10년, 재기록 수명은 100만 번입니다. 

 

8Mbit MRAM 매크로를 128개 탑재한 실리콘 다이를 만들어서 1Gbit(128MB의 용량을 실현했습니다. 현재 플래시 마이크로 컨트롤러에 들어가는 임베디드 플래시 용량이 4~8MB니까, 128MB는 16~32배에 달합니다. 삼성이 발표한 임베디드 MRAM의 용량은 학회에서 발표한 것 중 가장 큽니다.

 

 

 

1Gbit eMRAM 실리콘 다이와 레이아웃

 

 

1Gbit eMRAM 메모리 셀 구조와 자기 터널 접합(MTJ)의 단면을 전자 현미경으로 촬영한 사진(TEM). 메모리 셀은 배선 공정 중간에 MTJ를 형성하는 1T1R(트랜지스터 1개, 저항 소자 1개) 방식이며 MTJ의 크기는 38~45nmm.

 

128MB 다이 개발에서 중요한 건 제조 편차와 결함을 줄여 높은 수율을 유지하는 방법입니다. 8Mbit의 MRAM 매크로를 다수 나열하는 것만으로도 제조 수율이 크게 떨어집니다. 

 

비트 오류율이  3ppm (3✕10-6)일 때 8Mbit 매크로는 99%의 수율이 나옵니다. 하지만 1Gbit 매크로가 되면 수율이 60% 이하로 떨어집니다. 그래서 기억 소자인 자기 터널 접합 MTJ의 균일도를 높이고 저항 값과 기록 전류 편차를 줄였습니다. 또 제조 공정을 최적화해 MTJ에 악영향을 주는 결함 밀도를 줄였습니다. 그 결과 저장 용량을 128배로 늘린 1Gbit가 됐지만 시험 생산에서 수율이 90% 이상이 나왔습니다.

 

 

1Gbit eMRAM의 수율. 읽기/쓰기 동작이 정상이란 조건 하에, 105도에서 10년 간의 데이터 보존이 가능했습니다. 재기록 주기는 10의 6승입니다. 작동 온도가 -40, 30도, 105도일 때 모두 90% 이상의 수율이 나왔습니다. 8Mbit eRAM보다 두자리수의 개선을 이룬 것입니다. 

 

125도에서 백만번, 105도에서 1억번, 85도에선 100억 번으로 재기록 수명이 늘었습니다.