특집 반도체소자및공정기술 신메모리소자의개발현황및전망 http://dx.doi.org/10.5757/vacmag.1.3.4 정홍식 Development Status and Prospect of New Memory Devices Hongsik Jeong Since the modern computer architecture was suggested by Von Neumann in 1945, computer has become inevitable for our life. This brilliant growth of computer has been led by device miniaturization trend, so called Moore s law. Especially, the explosive growth of memory devices such as DRAM and Flash have played key role in huge enlarging utilization of computer. However, abrupt increase of data used for many applications in big data era provoke the excessive energy consumption of data center which results from the inefficiency of conventional memory-storage hierarchy. As a solution, the application of new memory devices has been brought up for innovative memorystorage hierarchy. In this paper, the current development status and prospect of new memory devices will be discussed. 기존메모리의문제및신메모리의필요성메모리소자의대표적인 3대기능요소는집적도 (Density), 비휘발성 (Non-volatility), 속도 (Speed) 라고할수있다. 기존메모리소자인 DRAM과 Flash(NAND) 은불행히도 3대요소를다만족하지못하고있다. 그림 1 에서보이듯이 DRAM은속도는빠르지만비휘발성특성을갖지못했으며 Flash는비휘발성과집적도는매우우수하지만속도는매우느리다. 따라서기존의메모리 / 스토리지시스템은불완전한두소자의최적의조합으로이루어져서이에따른비효율성은어쩔수없는숙명이라 [Fig. 1] The characteristics of conventional memory devices and development target of new memory devices. 고할수있다. 만일세가지특성을다가진신메모리를개발한다면, 메모리 / 스토리지시스템의효율을급격히높일수있으며, 동시에에너지소모도크게줄일수있다. 신메모리의개발목표는이와같은모든특성이좋은 Universal 메모리를목표로개발을추진하였다. 이와같은신메모리개발을위해서수십년간많은메모리소자연구개발이추진되었다. 그림 2에나타난것처럼메모리의연구개발단계는개념증명단계 (Proof of Concept), 단일소자 (Single Transistor) 단계, 어레이단계 (Array), 칩제작 (Chip Proof) 단계그리고마지막으로생산의 5단계로구분될수있다. 수십년간많은신메모리후보가연구되었지만, 실질적으로사업화가된소자는 PRAM, MRAM과 FRAM 뿐 < 저자약력 > 정홍식박사는연세대학교물리학과에서분광학전공으로물리학박사학위를취득하고삼성전자메모리사업부에서 DRAM 개발에참여하다 2002 년부터 MRAM, FRAM, PRAM 신메모리연구의 Project leader 로서연구개발을주도하였고, 이공로로 2005 년대통령표창을수상하였으며 2006 년부터삼성전자상무로서 PRAM 사업화를주도하였다. 세계최초로휴대폰향 PRAM 사업화에성공하였고현재연세대학교연구교수로재직하면서신메모리향시스템연구를추진중임. 다수의논문과특허의저자이며많은초청강연을통해서신메모리기술의확대에기여하고있다. (jeonghs2@naver.com) 4 진공이야기 Vacuum Magazine 2014 09 September
신메모리소자의개발현황및전망 [Fig. 2] Development stages and new memory devices 이고, 이중 MRAM과 FRAM은고집적에어려움이있어서 Universal 메모리의가능성에서는탈락이되고새로운기능을갖는틈새시장에서활용이되고있지만, 아직사업화는되지않았지만, 가능성이있는칩제작수준에는 STT-MRAM과 RRAM이있다. 다른신메모리소자들은아직검증이안된수준이라서여기서는 PRAM, STT-MRAM과 RRAM에대해서연구개발현황과그전망에대해서집중적으로논의하고자한다. 메모리의분류와신메모리의특징메모리는크게전하기반 (Charge Based) 과저항기반 (Resistance Based) 소자로분류할수있고, 기존의메모리들은전하기반의소자들이고신메모리들은공교롭게도모두저항기반의소자들이다. 전하기반소자의대표인 Flash의경우 Bit당전하의수가 20nm 이하기술에서는이미 100ea 이하여서근원적인비휘발성특성확보에문제를나타내고있으며반면에저항기반소자들은이보다 1,000~10,000배정도물질의수가많기때문에비휘발성에대한 Shrinkability가확실히우세한장점이있다. 또다른특징은기존의메모리에서개발된읽기 / 쓰기 [Fig. 3] The classification of memory devices [Fig. 4] The comparison of new memory devices 회로기술과다른방식의고유의읽기 / 쓰기회로기술이필요하다. 그러나저항기반소자들은거의유사한읽기방식을사용할수있어서동일한회로를활용할수있고특히 PRAM과 RRAM은공정과회로설계부분을 90% 이상동일한기술로구성이되어있어서기술공유가가능하여 Cell 특성만다른같은부류의기술로생각할수있다. 그림 4는신메모리소자들과기존메모리의특성을비교한것이다. 그림에서보듯이현재까지의신메모리기술로는 Universal 메모리가될수있는신메모리기술은아직존재하지않는다. PRAM과 RRAM은 3차원구조와 Shrink 기술을성공적으로개발하면 NAND Flash와집적도는비슷하면서쓰기성능은우수한메모리소자가될수있으나, 여전히 DRAM에비하면쓰기속도는 1/10 정도의수준에머무르고있다. STT-MRAM의경우쓰기속도는 DRAM과비숫한수준까지가능하지만, 집적도는 NAND Flash대비 1/10~1/100 수준에머룰것으로판단된다. 따라서현재까지의신메모리기술을검토해보았을때 Universal 메모리를추구하기는어렵고성능은 NAND Flash보다우수하나집적도는떨어지고, DRAM 보다는성능이부족하지만, 비휘발성의장점을가지고있는기술로판단되어진다. 따라서신메모리소자의응용을고려할때 Universal 메모리로의접근보다는이들의특성을활용하여시스템의효율성을증가시키고에너지소모를감소할수있는새로운응용을찾는접근이현실적인대안으로받아들여지고있다. 최근들어서는시스템연구자들이 DRAM의휘발성특성과여전히큰 DRAM 과 NAND Flash의성능차이의 Gap으로인한 Data 저장시스템이비효율성을개선하기위해서 SCM(Storage Class Memory) 또는 Persistence 메모리와같은새로운 Hierachy를신메모리를활용하는응용에대해서많은 특집 _ 반도체소자및공정기술 5
특집 반도체 소자 및 공정기술 쓰기 속도를 높이는 방법은 철저히 물질에 의존하기 때 문에 쓰기 속도를 개선하기 위해선 새로운 물질을 발굴해 야 한다[2]. 그림 6에 물질과 쓰기 속도에 대한 관계가 표현되어 있 다. 일반적으로 PRAM의 쓰기 속도는 비휘발성 성질과 Trade off 관계이다. 즉, 쓰기 속도를 개선하기 위해서 GeSbTe의 조성을 바꾸면 반대로 비휘발성은 감소하는 경향을 보이고 있다. 현재 물질 수준에서 평가한 결과로 [Fig. 5] Operation principles and cell structures of new memory devices 는 DRAM보다 빠른 쓰기 속도와 비휘발성을 갖는 물질들 이 발굴되어 있으나, 아직 실제 제품에 적용되는 수준은 아니지만, 지속적 발굴을 통해서 이를 개선하는 노력으로 연구를 하고 있으며 자세한 내용은 뒤 쪽에서 다시 언급 토록 하겠다. 인해 많은 발전이 있는 상태이다. 두 번째인 집적도를 높이는 방법으로는 PRAM은 원리 적으로는 7.5 nm 기술 까지도 Shrink가 가능함이 밝혀 신 메모리 소자의 기술 현황과 향후 과제 져서 집적도를 올리는 공정 기술을 확보하면 쉽게 고집 적화가 가능하지만 큰 문제는 발열 현상으로 인한 Cell과 가. PRAM ( Phase Change Random Access Memory ) Cell 사이에 교란이 일어나는 문제이다[3]. 이를 개선하기 위한 구조 연구가 필요하고 더 나아가서는 지금 NAND 그림 5에서 보듯이 PRAM은 6족 원소인 Chalcogenide Flash와 같은 방식으로 다치화 기술이나, 3D 집적화 기 물질의 비정질과 결정질의 가역적 변화를 이용하여 비 술의 발굴이 중요하다[4,5]. 이와 같은 양산 기술이 개발 정질시 저항이 크고 결정질시 저항이 작은 성질을 이용 이 되면 NAND Flash의 집적도를 능가할 수 있는 고집적 하여 메모리 소자를 만드는 방법이다. PRAM은 STT- 소자개발이 가능할 것으로 예측이 된다. MRAM과 RRAM과는 달리 사업화에 성공한 소자로 현재 1Gb 집적도의 제품이 휴대폰에 사용되고 있다[1]. 이미 양산성이 검증된 기술이나 Write 속도는 약 1 us 수준으 나. STT-MRAM (Spin-Transfer-Torque Magnetoresistive Random Access Memory) 로 Flash 대비는 100배 빠르나, DRAM 보다는 10~20배 정도 느린 문제가 있다. 또한 현재 상용화 기술은 19 nm STT-MRAM은 기존 MRAM의 Shrink 한계를 극복하 NAND Flash(TLC)대비 집적도가 1/10 이하에 머무는 수 고 고집적화를 달성하기 위해서 Switching 방식에 변화 준이다. PRAM의 응용을 높이기 위해선 첫 번째 쓰기 속 를 준 기술이다. 이론적으로 Out of Plane 형식의 STT- 도를 더 빠르게 하는 방법과 두 번째로 집적도를 더 높이 MRAM은 8~20 nm까지 Shrink가 가능하다고 알려졌 는 방법을 고려할 수 있다. [Fig. 6] The relationship between write speed and materials in PRAM 6 진공 이야기 Vacuum Magazine 2014 09 September [Fig. 7] Different switching types of MRAM
신메모리소자의개발현황및전망 다. 그림 7에각 Switching 방식에따른특성변화를보여주고있다. 현재상용화되고있는제품은 Everspin사의 8Mb의 Field Switching 방식의메모리이다. 최근 64Mb STT- MRAM 개발중에있음이알려져있다. STT-MRAM은쓰기속도는 PRAM과 RRAM에비해서매우우수하여 DRAM에근접할수있는기술로알려져있으나, 저항비가낮아서센싱시그널이작은문제, 여전히 Switching 전류가커서 Shrink에어려운문제그리고비휘발성특성의신뢰성이부족한문제로인해서본격적인사업화단계로가지못하고있다. 이를해결하기위해서많은연구가수행되고있으며, 최근들어서 Double MgO 방식의새로운 Cell 구조개발과 Voltage Control 할수있는새로운 Cell 기술개발등을통해서문제를극복하고자노력하고있다. 최근들어서는 STT-MRAM의 Shrink 기술이너무많은문제가있어서 DRAM을대체하기보다는먼저개발하기쉬운 CPU내 S3 Cache를대체하여에너지를절감하는방식의개발방향이대두되고있다 [6]. 다. RRAM (Resistive Random Access Memory) RRAM은저항차를이용한메모리소자로서 PRAM 도일종의 RRAM의분류에들어갈수있다. 그러나통상적으로 RRAM은 Metal 전극사이에 Electro Chemical Metalization, Filament Formation 그리고 Mott 물질들이전압조건에따라서저항이크고작아짐의차이를읽는메모리소자이다. 그림 8과같이 RRAM의종류는크게 3가지로구분이된다 [7]. RRAM은 PRAM 대비 Switching 전류가상대적으로작아서이를구동하는 Transistor의크기가작아서 Shrink하기에상대적으로강점이있어서 RRAM은목표를고집적화를목표로삼고연구개발을추진하였다. 그러나 RRAM 소자의문제는 Cell의 Switching 산포가매우커서안정적인 Switching이어렵다는문제가있다. 기본적으로 RRAM의동작은전극사이에 Metallic Oxide 의부도체가존재하여저항이큰상태인데외부에전압을걸어주면 Filament가형성되어전하가 Filament를통해서흐를수있는전도체즉, 저항이작은상태가되는메카니즘을가지고있다. 그러나이 Filament 형성이마치번개를치듯이정해진불특정한 path가 Random하게발 [Fig. 8] Different types of RRAM and their characteristics [7] 생하여 Switching 산포가큰문제가되는것이밝혀졌다. 이와같은근원적인문제를개선하기위해서구조를피뢰침같은구조로만들어서항상일정하게 Switching path 가발생하도록하는방법과 Switching 영역을매우작게만들어서불확실성을감소시키는방법이연구되고있다. 아직생산을할만큼의안정적인 Cell 동작을확보하지는못했지만, 지속적인연구를통해서개선이진행되고있다. RRAM은균일하고반복성이있는 Cell 특성을확보하는것이무엇보다시급한기술적문제이다. RRAM의고집적화를위해서 PRAM과달리 Cell을선택하는 Transistor나 Bipolar Diode 없이 Cross Point 형태의 3D 구조를제안하였다. 그러나 Cell간누설전류 (Leakage Current) 문제로고집적화에가능성이크지않다고밝혀져서최근들어서는 PRAM과같은형태의 Bipolar 형태의 Diode를사용하는방법을현실적인대안으로제시하여새로운 3D Cell 어레이구조를연구중에있으며이는 PRAM과거의비슷한집적도를갖는수준으로판단된다. 지금까지 PRAM, STT-MRAM, RRAM에대한현재의연구개발현황과향후기술적개발방향에대해서논의하였다. 어떤제품도 Universal 메모리의가능성보다는그고유의특성을활용하여 System 전체의효율성과에너지소모를최소화하는방향에활용되는것이바람직하다고판단되고있으며, 이를위해서소자기술개발자체도중요하지만동시에이들의특성을극대화해서 System 전체의성능을높이기위한응용발굴역시매우중요하다. 특집 _ 반도체소자및공정기술 7
특집 반도체소자및공정기술 신메모리를위한새로운응용연구개발 ( SCM: Storage Class Memory ) 컴퓨팅시스템을고려할때 Hierachy에서 DRAM 과 Flash Memory 사이에가장성능차이의갭이크고앞에서논의된것처럼 DRAM의휘발성특성으로인한 System 전체의비효율성의발생으로최근들어서 DRAM과 NAND Flash 메모리사이에 SCM이라는새로운단계를삽입하는새로운 Hierachy를통해서 System 전체의성능개선과에너지소모를개선하는연구가활발히진행중이다 [8]. IBM은 90 nm급 PRAM을 SSD Cache로결합하여쓰기속도를최소 12배에서최대 275배까지성능을대폭개선한새로운 System 개발결과를소개하였고 [9] Storage System 업체인 HGST에서는 45 nm급 PRAM 을장착한 SSD 신제품을발표하였다. 신메모리들의궁극적목표인 Universal 메모리를단시간내에달성하는것은어렵다는것이지금까지연구결과이다. 따라서신메모리연구개발은 PRAM, STT- MRAM, RRAM의 Universal 메모리로서미진한특성을지속적으로개선하는연구개발외에도이와같은새로운응용을발굴하여이를활용하는연구개발을병행하는것이바람직한방향으로판단된다. 즉, 신메모리소자들의특성개선과더불어서 Storage System 연구자들과의공동연구를통해서신메모리의고유의장점을잘활용하는방식의 Hardware와 Software의융합적인연구가매우중요한시점이라고생각한다. 맺음말 신메모리소자에대한연구개발이많은연구가되어왔고지금도많은새로운개념이연구되고있다. 현재까지메모리에서가장중요한고집적화, 속도그리고비휘발성특성을만족할가능성이있는신메모리소자는 PRAM, STT-MRAM, RRAM이그후보자이다. 그러나이들이 Universal 메모리가되기위해선아직개선해야할특성과기술적장벽이많이있는것으로밝혀졌다. 앞으로신메모리여눅개발은여기서논의된각메모리소자들의기술적장벽을뛰어넘는기술을지속적으로개발하는것과함께현재까지개발된기술을활용하는 System 연구도병행해서추진이되어서메모리시스템을효율적이고에너지소모를개선하는데충분히기여할수있도록하는것이중요한연구개발방향이라고생각한다. 다행히최근 SCM 또는 Persistent 메모리라는새로운메모리시스템의연구가활발히되고있어서아주작은틈새시장에머물러있는신메모리기술이수년내혁신적인메모리시스템에적용된제품이사업화될것으로기대된다. References [1] Peter Clarke, Micron ships phase-change memory for Nokia phones EE Times, 2012.12.12. [2] Hongsik Jeong, NVMTS (2013). [3] S.B. Kim et.al., IRPS, pp 99-103 (2010). [4] Kang D-H et.al., VLSI Technology (2008). [5] M. Kinoshita et. al., VLSI Technology (2012). [6] S.H. Kang, Non-volatile Memories Workshop (2010). [7] ITRS Roadmap (2011). [8] R. Fackenthal et.al., ISSCC (2014). [9] R. Colin Johnson, IBM Hawks PCM for Storage, EE Times, 2014.05.09. [Fig. 9] SCM will be embedded in the innovative memory-storage hierarchy [8] 8 진공이야기 Vacuum Magazine 2014 09 September