반도체 메모리 기술의 연구 개발 관련 국제 학회인 2021 IEEE 13th International Memory Workshop : IMW 2021가 5월 16일부터 20일 사이에 온라인으로 진행됐습니다.
여기에 투고된 51개의 논문 중 채택된 건 17개로 1/3밖에 안 됩니다. 투고된 논문의 숫자가 계속 줄어들다가 2018년에 잠깐 늘었지만 다시 줄어들고 있습니다. 분야별로 보면 차세대 메모리가 43%로 가장 많습니다. 여기에는 저항 변화 메모리 ReRAM, 강유전체 메모리 FeRAM, 자기 저항 메모리 MRAM이 포함됩니다. 또 작년에 비해 인 메모리와 뉴로몰픽 부분이 크게 줄었습니다.
후지쯔와 미국의 반도체 벤처 기업인 Nantero는 차세대 비휘발성 메모리인 NRAM을 2016년 8월 31일에 공개했습니다. 이건 수많은 카본 나노 튜브 CNT를 가진 박막을 기억 소자로 삼기에 나노 튜브 메모리, 줄여서 NRAM이라고 부릅니다. CNT 박막은 전압 인가 상황에 따라 저항이 크게 바뀌는 가변 저항 소자이며, 전압 인가를 중단하도 저항 상태를 유지합니다. 이걸 비휘발성 메모리의 기억 소자로 사용합니다.
Nantero는 2001년에 미국 보스턴에서 설립돼 탄소 나노 튜브를 사용한 비휘발성 메모리를 계속 배라했습니다. 2010년에는 4Mbit 용량의 실리콘 다이를 250nm CMOS 기술로 만들었습니다. 이후 나노 튜브 메모리를 발전하고 양산을 담당할 곳을 찾다가 후지쯔와 함께 진행하기로 했습니다. 2016년에는 2018년 말까지 55nm CMOS 공정으로 NRAM을 넣은 LSI를 만들며 NRAM 메모리도 별도 판매하기로 했지만 성공하진 못했습니다. 아직도 상품화 발표는 없었으니까요.
그러다가 후지쯔의 메모리 사업부가 분사되면서 구성원이 바뀌고, 이번에 발표한 건 16Mbit의 NRAM 실리콘 다이입니다. 55nm CMOS 공정이니 2016년 8월에 발표한 것 그대로입니다. 대신 용량은 2010년에 발표한 것에서 4배로 늘었지요. 다이 면적은 공개하지 않았습니다.
1개의 셀 선택용 MOS FET(T)와 1개의 CNT 저항 소자(R)로 구성된 1T1R 표준 방식을 사용합니다. CNT 저항 소자는 하부 전극(BE), CNT 가변 저항 박막, 상층 전극(TE)의 3층으로 된 간단한 구조이며, 전극 재료는 질화 티타늄(TiN)입니다.
이렇게 만든 16Mbit 실리콘 다이는 모든 비트가 정상 작동했습니다. 쓰기 성능은 세트 동작(저 저항 상태에서 쓰기)가 200ns(전압 2.5V), 리셋 동작(고 저항 상태에서 쓰기)이 100ns(전압 3.5V)입니다. 4Mbit의 프로토타입이 세트 5V 리셋 4.5V였으니 줄어들긴 했는데 상용화하기엔 아직은 좀 높지 않나..
소니 반도체 솔루션과 독일 NaMLab gGmbH, Fraunhofer IPM (Institute for Photonic Microsystems), IHM (Institut für Halbleiter- und Mikrosystemtechnik) at the TU Dresden은 강유전체 비휘발성 메모리 FeRAM을 개발 중입니다. 작년 6월의 VSLI 심포지엄에서는 64Kbit FeRAM을 만들고 성능을 테스트했습니다.
메모리 셀은 1개의 셀 선택 MOS FET(T)와 1개의 강유전체 캐패시터(C)로 구성된 1T!C입니다. 강유전체 메모리의 표준 방식이지요. 강유전체 재료는 2010년대부터 주목받아온 하프늄 산화물의 일종인 HZO(Hf0.5Zr0.5O2)을 사용했습니다. 셀 선택 트랜지스터의 컨택트와 1층 메탈 배선(M1) 사이에 강유전체 캐패시터를 만들었습니다. 제조 기술은 130nm CMOS이며, 이렇게 만든 64Kbit FeRAM은 모든 비트가 정상 작동했습니다.
이번에는 향상된 64Kbit FeRAM을 발표했습니다. 강유전체 캐패시터의 HZO 막을 8nm로 얇게 만들면서 기존의 10nm보다 두께가 줄었습니다. 또 전압은 2.5V에서 2V로 낮췄습니다. 기록 시간은 16nm, 읽기 시간은 14ns로 상당히 짧은 편입니다.
쓰기 전압을 낮춰 장기 신뢰성이 개선됐습니다. 4Kbit 어레이에서 재기록 사이클을 테스트한 결과 10의 8승에 해당하는 사이클 동안 비트 오류가 전혀 발생하지 않았습니다.(쓰기 전압 3.5V, 쓰기 시간 100ns, 온도 85도) 또 1ppm의 오류율을 허용하면 재기록 사이클 수명은 3x10의 18승(쓰기 전압 2V, 쓰기 시간 100ns, 온도 85도)로 대폭 증가합니다. 이 정도의 수명이면 비휘발성 임베디드 SRAM으로 쓸 수 있습니다.
