[논문]유비쿼터스용 유니버설 메모리 기술(MRAM, FeRAM, PRAM)

유병곤; 류상욱; 윤성민

doi:10.22648/etri.2005.j.200115

유비쿼터스용 유니버설 메모리 기술(MRAM, FeRAM, PRAM)
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유병곤 (기능성전자소자팀) , 류상욱 (기능성전자소자팀) , 윤성민 (기능성전자소자팀)

최근, 디지털 기술의 발전과 인터넷 보급이 활성화 되면서 PC 뿐만 아니라 모든 단말기가 네트워크에 상시 접속되어, 누구든지 시간과 장소에 제약이 없이 다양한 서비스를 제공 받을 수 있는 유비쿼터스환경의 사회로의 진입이 가시화되고 있다. 이러한 기술을 가능하게 하는 핵심 코어 기술 중의 하나가 메모리 기술이다. 최근에 유비쿼터스용 유니버설 메모리가 연구 개발되고 있어 이 기술에 대한 원리와 간단한 구조 및 최근의 기술 동향에 대하여 살펴보고, 향후의 유니버설 메모리 기술의 연구개발 방향에 대하여 언급하였다. 여기서는 유니버설 메모리라고 불리는 차세대의 비휘발성 메모리 중에서 현재 가장주목 받고 있는 MRAM, FeRAM, PRAM의 기본적인 구조에 대해서 설명하고 그 최근의 기술 개발 동향에 대하여 분석하여 언급하고자 한다.

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문제 정의

된다. 여기서는 유니버설 메모리라고 불리는 차세대의비휘발성 메모리 중에서 현재 가장 주목 받고 있는 MRAM, FeRAM, PRAM의 기본적인 구조에 대해서 설명하고 그 최근의 동향에 대하여 언급하고자한다[3], [4].

가설 설정

방향의 경우는 저항치가 작고, (그림 1(b))와 같이강자성층의 자계가 반대 방향의 경우는 저항치가 커진다. MRAM은 이 저항치의 변화를 기억 소자로써이용한 것으로, 예를 들면 저항치가 클 경우는 “1”, 작을 경우는 “0”이라고 한 것 같이 논리 정의한다.

제안 방법

실온에서 저항 변화율이 88%이고 출력 전압이 380mV인 업계의 최고치의 신형 TMR 소자를 개발하였다. 이 기술은 터널 절연막으로 지금까지 사용하고 있는 산화알루미늄 대신에 단결정 재료인 산화 마그네슘을 사용하는 것으로 고저항변화율과 고출력전압을 실현하였다.
실온에서 저항 변화율이 88%이고 출력 전압이 380mV인 업계의 최고치의 신형 TMR 소자를 개발하였다. 이 기술은 터널 절연막으로 지금까지 사용하고 있는 산화알루미늄 대신에 단결정 재료인 산화 마그네슘을 사용하는 것으로 고저항변화율과 고출력전압을 실현하였다. 이것은 이론적으로는 알려져 있었으나 제작에 어려움이 많았으나 단결정의 자성박막과 단결정의 산화마그네슘을 적층하는 기술개발로 가능하게 되었다[8].

대상 데이터

강유전체 재료는 (111) 면으로 배향된 PZT 막을 MOCVD 법에 의하여 증착한 막을 사용하고 있다. 시작 칩의 주요 사양은 설계 rule은 180nm, 공급 전압은 + 1.
복수의 메모리 메이커가 시작할 예정이라고 하였는데 주로 휴대형기기와 자동차탑재용 혼재 메모리, 항공기 및 우주관련기기 등에도 활용될 것이라고 하였다. 사용기술은 180nm 프로세스 기술에 3층 Al 배선과 2층 Cu 배선을 사용하고 있고, 읽기/쓰기 횟수는 1016 이상을 확보하고 있다.
최대의 특징은 종래에 비하여 메모리 셀 면적을 크게 감소시킨 것인데, Toshiba가 가진 Chain FeRAM의 메모리 셀 면적은 지금까지 30F2(F는 설계 rule)로서 큰 것이었는데 이번에 개발된 것은 4~8F2로 축소시킨 것이다. 사용된 강유전체 재료는 스퍼터법으로 증착된 PZT 박막이다. 기존의 FeRAM 셀은 상.
5V, 읽기/쓰기 사이클 시간은 100ns, 동작 시의 소비 전류는 4mA이다. 칩면적은 15.4mm², FeRAM 메모리 셀 면적은 2.4“m2이고 4층의 메탈 배선을 채용하고 있으며 다시 쓰기 가능 횟수는 105회 이상이다.
25“m rule을사용하였다. 칩면적은 6.4mmX5mm이고, 메모리셀면적은 6.55“m2이다. 전원전압은 + 2.

성능/효과

<표 1>에 각 메모리의 비교를 나타냈듯이 어쨌든 3자3상으로 현시점에서는 개발 도중이므로, 여기에서는 어느 것이 장래 주역이 된다고 말하기는어려우나 최근의 기술개발의 추세로 보아 FeRAM, MRAM이 시장진입이 늦어지면서 PRAM이 향후의 unified memory 특징을 유니버설 메모리로서 가능성이 더 커 보이고 있다고 말할 수 있을 것이다. 또한 지금까지의 메모리 기술 개발의 축적된 기술이활용되면 단기간에 PRAM의 유니버설 메모리로서가능성을 펼쳐 보일 수 있을 것으로 기대된다.
이 기술은 GST 박막과 0.18“m CMOS 기술을 이용하여 fully 동작되는 것을 보여주고 있다. Reset 저항은 ~200kQ, set 저항은 ~20 으로 100배의 차이를 가지고 있다.

후속연구

또한 지금까지의 메모리 기술 개발의 축적된 기술이활용되면 단기간에 PRAM의 유니버설 메모리로서가능성을 펼쳐 보일 수 있을 것으로 기대된다.
58X109 cycles 동작에서도 fail이 없었으며 85°C에서 2년 정도의 retention 특성을 보여 주고있다. 이 특성은 향후에 개선되어야 할 점으로 생각된다.
새로운 기술이 개발되어야 한다. 이것은 새로운 재료 개발과 소자 구조의 고안 등에서 찾을 수 있을 것으로 기대되고 또한 multi-bit 등의 새로운 개념의 메모리 셀의 착안 등이 실현될 때 가능할 것으로 기대된다.
향후에도 이 분야에 응용이 확대될 것으로 기대가 되고 있으나 고집적화의 여러 가지 문제점을 안고 있으므로 Gb급의 FeRAM의 실현은 새로운 개념의 연구개발이 나오지 않으면 쉽지 않을 것으로 생각된다.

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