[논문]차세대 메모리 개발 현황 및 전망

이장은; 백인규; 오세충; 여인석; 김성태; 한우성

문제 정의

본 논문에서는 향후 30nm이하 노드에서 미세화, 다치 화, 메모리 소자 적층화가 용이 하여 데이터 저장형 메모리인 낸드 플래시를 대체할 수 있는 oxide 저 항소자를 이용한 RRAM과 집적도, 동작 속도, 소비전력, 신뢰성 측면에서 DRAM과 동일하면서 비휘발성 특성을 가지고 있어 코드 저장형과 메인 메모리를 동시에 대체 가능한 STT MRAM의 개발 현황 및 전망을 소개 하고자 한다.
지금까지 제안된 여러가지 저항메모리 소자들에 대한 동작원리 및 특징을 산업체의 연구성과를 중심으로 간단히 소개하고자 한다. 아직도 동작원리에 대한 논의가 활발히 진행되고 있어 논란의 여지는 있겠으나 여기에서는 동작원리를 크게 Schottky Barrier, Filament, Ion migration으로 나누어 각각의 특성을 정 리해 보았다.
메모리를 발굴하는 것이다. 차세대 메모리 개발 시 가장 중요한 전제 조건은 30nm 이하 scalability 가능성을 확인하고 개발하는 소자를 응용하고자 하는 메모리 분야를 명확히 한 후 그에 상응하는 동작 특성 갖출 수 있을 것인지를 판단하는 것이다. 또한, 차세대메모리가 기본적으로 기가 비트 이상의 집적도로 상용화가 시작될 것이므로 그에 맞는 셀 어레이 산포 특성 및 재현성을 갖추어야 한다.
차세대 메모리 개발의 궁극적인 목표는 30nm 이하 D/R에서 반도체 사업을 연장할 수 있고 새로운 응용 분야를 창줄할 수 있는 신개념 메모리를 발굴하는 것이다. 차세대 메모리 개발 시 가장 중요한 전제 조건은 30nm 이하 scalability 가능성을 확인하고 개발하는 소자를 응용하고자 하는 메모리 분야를 명확히 한 후 그에 상응하는 동작 특성 갖출 수 있을 것인지를 판단하는 것이다.

제안 방법

본 논문에서는 기존 MRAM에 대한 간단한 review와 함께 개발 이슈사항, 그리고 최근에 제안된 스핀토크를 이용한 STT-MRAM(Spin- Transfer Torque MRAM)의 현재 개발현황 및 이슈 사항을 정 리하였다.
한다. 아직도 동작원리에 대한 논의가 활발히 진행되고 있어 논란의 여지는 있겠으나 여기에서는 동작원리를 크게 Schottky Barrier, Filament, Ion migration으로 나누어 각각의 특성을 정 리해 보았다.
있다. 첫째는 Tr의 scale-down과 MgO tunnel oxide의 신뢰성을 고려했을 때 Jc값은적어도 1 X 106 A/cm² 이하대로 낮춰야 하고, 둘째 1015이상의 endurance를 보장하기 위해 현재보다 개선된 낮은 RA값을 가지면서 높은 breakdown voltage를 가진 MgO barrier를 개 발하는 것, 셋째 MTJ 셀이 32~65nm 혹은 그 이후로 축소됨 에 따라 기록된 정보의 10년간 유지를 위해 높은 열적 안정성을 가진 MTJ 물질 및 적층구조를 개발하는 것, 마지막으로 충분한 reading margin을 확보하기 위해 패턴닝 공정상에서 MTJ 셀간 크기 변화를 최소화할 수 있는 패턴닝 공정을 확보하는 것이다. 위에 언급한 문제점들이 해결된다면 DRAM에 필적하는 저장밀도를 가지면서, SRAM과 같은 빠른 speed 와 Flash 같은 비휘발성 특성을 가진 STT-MRAM의 제품화가 곧 실현화될 것으로 판단된다.

대상 데이터

MRAMe 1개의 Tr과 1개의 MTJ(Magnetic Tunnel Junction)5L 이루어진 1T 1M TJ 구조를 가지고 있는 소자로, MTJ는 tunnel oxide를 포함한 다층자성박막으로 구성되어 있다. MTJ

성능/효과

이에 따라 현재 16-40F2인 기존 MRAM 셀면적을 6~8F2까지 축소가 가능할 것으로 판단된다. STT-MRAM의 또 다른 큰 이 점은 앞서 언급한 것처 럼 Jc가 MTJ 크기에 관계없이 일정하기 때문에 셀의 단면적에 비례해서 기록전류가 줄어든다는 것이고 이에 따라 32~65nm 셀 크기 로 미 세화가 가능해졌다는 것이다. 또한 빠른 read/write speed와 함께 MTJ가 B/L과 E에 의해서만 선택되기 때문에 우수한 write selectivity를 가지는 것도 STT-MRAM 이 가지는 또 다른 이점 중 하나다.
가지고 있다. 이에 따라 현재 16-40F2인 기존 MRAM 셀면적을 6~8F2까지 축소가 가능할 것으로 판단된다. STT-MRAM의 또 다른 큰 이 점은 앞서 언급한 것처 럼 Jc가 MTJ 크기에 관계없이 일정하기 때문에 셀의 단면적에 비례해서 기록전류가 줄어든다는 것이고 이에 따라 32~65nm 셀 크기 로 미 세화가 가능해졌다는 것이다.

후속연구

DRAM의 scaling 한계를 극복하기 위해 유전용량을 증가시킬 수 있는 새로운 구조와 물질들에 대한 연구들이 다양하게 진행되고 있어 미세화의 한계를 예측하기 어렵지만 향후 30nm이하에서 제조 공정 한계와 원가 상승이 예측되므로 scaling한계 극복, 기능 향상 원가 절감 등을 달성할 수 있는 신개념의 메모리 개발이 요구된다. 따라서, 포스트 DRAM 메모리는 30nm 이하에서 낸드 플래시 수준의 저장용량이 필요하지는 않지만 기존 DRAM 과 동등 수준의 집적도가 요구되며, 고속 동작, 낮은 스위칭 전류, 고신뢰성 등의 특성이 달성되어야 한다.
이때 계면에 존재하는 trap에 space charge가 얼마나 trap 되느냐 여부에 따라 Schottky barrier의 높이나 폭이 결정되 며 이에 따라 저항값도 바뀌 게 된다. trap되는 전하량 즉 소자의 저항값은 가해지는 프로그램 펄스의 극성, 전압 크기 및 시간에 따라 연속적으로 조절이 가능하므로 이런 특성을 이용하여 여러 level 의 저항값을 프로그램 하는 MLC 동작이 가능해 진다. 또한 프로그래밍 에 필요한 전류가 cell 면적 에 비 례하기 때문에 수십nm 정도 크기의 cell에서는 nA 수준의 작은 전류로도 중분히 동작시 킬 수 있다.
각 소자 별로 특정 항목들에서 매우 우수한 특성을 보이나 산포, 신뢰성 등 일부 특성들이 취약하여 메모리 구현 가능성이 떨어지는 경우가 자주 발생하고 있다. 그러나, 다양한 물질, 구조, 동작 메커니즘이 존재하는 만큼 일부 부족한 특성들이 개선된다면 향후 10년 내에 획기적으로 메모리 미세화 한계를 뛰어 넘는 소자를 개발할 가능성 또한 크게 열려 있다고 판단된다. 반면, STT MRAM의 경우는 매우 정 확하게예측 가능한 스위칭 메커니즘과 표준이 되는 구조와 물질이 어느 정도 확정되어 있어 스위칭 전류밀도 감소, MgO 신뢰성 향상, 30nm 이하 열안정성, 나노 사이즈 패턴 공정 확보라는 명확한 개발 목표를 가지고 있다는 장점이 있다.
그러나, 다른 측면에서 STT MRAMe 스위칭 전류밀도 개선 시 열안정성이나 패턴 공정이 취약해지는 등의 서로 상충하는 특성들이 존재한다는 점과 메커니즘이 잘 알려진 것 대비 개선할 수 있는 수단이 제한적이라는 단점을 가지고 있다. 그러나, 다행히도 최근 STT MRAMe 새로운 구조와 자성물질의 개발을 통해 많은 문제가 해결되어 나가고 있어 향후 5년 내에 상용화가 가능할 것으로 기대된다.
마지 막으로 포스트 플래시 메모리가 갖추어야 가장 중요한 조건은 가격 경쟁력이다. 당연한 이야기지만 플래시 메모리보다 간단한 공정, 단 위셀 사이즈 감소, 높은 셀 어레이 효율을 구현하여 생산 원가 및 Net Die를 향상시킬 수 있어야 포스트 플래시 메모리로 상용화가 가능해 질 것이다.
첫째는 Tr의 scale-down과 MgO tunnel oxide의 신뢰성을 고려했을 때 Jc값은적어도 1 X 106 A/cm² 이하대로 낮춰야 하고, 둘째 1015이상의 endurance를 보장하기 위해 현재보다 개선된 낮은 RA값을 가지면서 높은 breakdown voltage를 가진 MgO barrier를 개 발하는 것, 셋째 MTJ 셀이 32~65nm 혹은 그 이후로 축소됨 에 따라 기록된 정보의 10년간 유지를 위해 높은 열적 안정성을 가진 MTJ 물질 및 적층구조를 개발하는 것, 마지막으로 충분한 reading margin을 확보하기 위해 패턴닝 공정상에서 MTJ 셀간 크기 변화를 최소화할 수 있는 패턴닝 공정을 확보하는 것이다. 위에 언급한 문제점들이 해결된다면 DRAM에 필적하는 저장밀도를 가지면서, SRAM과 같은 빠른 speed 와 Flash 같은 비휘발성 특성을 가진 STT-MRAM의 제품화가 곧 실현화될 것으로 판단된다.
대체 가능할 수 있다. 이러한 메모리는 향후 주류로 부상할 모바일 디지털 기기에 적합한 고집적, 고기능, 비휘발성, 저전력 특성을 모두 갖추고 있어 기존 메모리 대체 효과 이외에도 새로운 응용 분야를 개척할 수 있을 것으로 기대된다.
차세대 메모리 후보로 저항메모리 소자를 주목하는 이유에 대해 좀 더 자세히 언급하자면 첫째로 저항메모리 소자의 단순함을 들 수 있을 것이다. 기존의 전하를 저장하는 메모리는 기본적으로 1 개의 Tr과 1 개의 storage node (capacitor or floating gate) 를 갖게 되어 3- termianl 구조를 가지는 반면 저항메모리 소자는 상하부 전극과 두 전극 사이에 storage node 가 들어가게 되는 2-terminal 구조를 갖는다.
향후 D/R이 30nm 이하로 감소하는 시 점 에서는 이러한 상황은 더욱 악화되어 기존 제품에서 기술 혁신을 이루어 경쟁사를 앞서거나 30nm 이하 scalability를 가진 새로운 개념의 메모리를 개발하여 신규 사업을 선점하는 업체만이 살아 남을 수 있을 것이다.
력한 메모리 집적도 증가에 대한 요구가 예상되 며 10년 후에는 Tera급 집 적도가 요구될 것으로 전망된다. 향후 플래시 메모리가 도달 가능한 메모리 용량에 대한 예측은 매우 유동적이지만 미세화 한계를 극복할 수 있는 신형 플래시 기술인 CTF(Charge Trap Flash), 멀티 비트 구현, 칩 적층 기술 등의 개발을 통해 수백Gb 정도 집적도 달성이 가능할 것으로 예상된다. 그러나, 플래시 메모리의 미세화에는 한계가 있고 미세화 속도도 늦어질 것으로 예측되므로 테라 비트 제품 구현이 가능한 신개념의 메모리 개발이 필수적이다.

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