전자통신동향분석제 20 권제 6 호 2005 년 12 월 PRAM 기술전망 The Prospect of the Phase-change Random Access Memory Technology IT 핵심부품기술특집 박영삼 (Y.S. Park) 윤성민 (S.M. Yoon) 유병곤 (B.G. Yu) 기능성전자소자팀선임연구원기능성전자소자팀선임연구원기능성전자소자팀팀장 목차 Ⅰ. 서론 Ⅱ. PRAM 구조및동작특성 Ⅲ. PRAM 개발동향 Ⅳ. Embedded PRAM 기술전망 Ⅴ. 결론 세계최고권위의반도체시장조사기관인 Gartner Dataquest는 2004년세계메모리시장규모는 480억달러로 2003년의 335억달러대비 43% 성장하였다고보고하고있다 [1]. 또한 DRAM은 55%, 플래시메모리는 35% 를차지하고있으며, 이들두메모리가전체메모리시장을양분하고있다 [1]. DRAM은 cost 및 random access가가능하다는장점을가지고있지만휘발성이라는단점을가지고있으며, 플래시메모리는 cost 및비휘발성의장점을보유하고있으나 random access가불가능하다는단점을보유하고있다. 하지만, PRAM은 DRAM과플래시메모리의장점만을융합한통합형메모리로서, 현재가장각광받고있으며양산화에가장근접한메모리이다. 본고에서는 PRAM의구조및동작특성, 개발동향및향후전망에대해논의하고자한다. 62
박영삼외 / PRAM 기술전망 I. 서론 최근, 디지털기술의발전과인터넷보급이활성화되면서 PC 뿐만아니라모든단말기가네트워크에상시접속되어, 누구든지시간과장소에제약이없이다양한서비스를제공받을수있는유비쿼터스환경의사회로의진입이가시화되고있다. 이러한기술을가능하게하는핵심기술중의하나가차세대메모리기술이다. 차세대메모리의응용분야로서우리는휴대전화, PDA, 모바일 PC 등의휴대기기용기술개발에힘을쏟고있다. 휴대기기가요구하는사양은서버, 데스크톱 PC, 노트북 PC 등에서요구하는사양과는다르다. 휴대기기에서는특히 cost 가장기적으로가장중요한요구사항이다. 다음으로는저소비전력과비휘발성이중요하다. 휘발성메모리는전원을지속적으로인가하여기기의상태를보존해주어야하지만, 비휘발성메모리는전원이꺼져도저장된정보가보존되기때문에소비전력을크게낮출수있다. 다음으로요구되는중요한특성중하나는 logic compatibility이다. 이상의열거된관점에서보면, 현재양산중인메모리들은각각근본적인문제점을안고있음을알수있다. 컴퓨터주기억장치등에사용되는 DRAM 은 cost가낮고 random access가가능하지만, 휘발성이라는단점을가지고있다. 캐시메모리등으로사용되는 SRAM은 random access가가능하고속도가빠르다는장점을가지고있지만, 휘발성이며, 셀이커서 cost가높다는제한적인요소를가지고있다. 한편비휘발성메모리의대표주자인플래시메모리는 cost, 저소비전력및 logic compatibility 측면에서유리하지만 random access가불가능하기때문에동작속도가느리다는단점을보유하고있다. 이러한근본적인문제를극복하기위해서, 기존의 DRAM, SRAM 및플래시메모리들의장점만을융합한차세대메모리의개발이진행되어오고있다. 차세대메모리에는 MRAM, FeRAM, 그리고 PRAM과고분자메모리등이있다. 이들중 PRAM 이가장우수한특성을보유하고있으며 [2],[3], 현재가장양산화에근접해있다 [4]. 초기 PRAM 연구는원천특허를보유한 S.R. Ovshinsky와 ECD-Ovonics사 [5]-[7] 를중심으로소수의연구그룹에의해진행되어오다가, 2001 년 IEDM에서 Intel사의 S. Lai와 Ovonyx사의 T. Lowrey가공동발표한논문은 PRAM 개발의기폭제가되었다 [2]. 이후 Samsung 사, STMicroelectronics사, Hitachi사등의기업체와 ETRI 등의연구소등이활발한연구를진행하여많은논문을보고하고있다. 반도체소자관련세계 2대학회로손꼽히는 IEDM과 Symposium on VLSI는이들연구기관들의발표경연장이되어왔다. Samsung사는고집적화관련연구를진행하여 2004년 VLSI[8] 및 IEDM[9] 에서 64Mbit, 2005년 VLSI에서 256Mbit 개발 [4] 을보고하고있으며, Hitachi사는 2005년 IEDM에서리셋전류 0.1mA 및동작전압 1.5V 에서동작하는 PRAM 개발결과를발표할예정이다 [10]. 본논문에서는 PRAM의구조및동작특성, 개발동향및향후전망등에대해언급하고자한다. Ⅱ. PRAM 구조및동작특성 대표적인상변화재료는칼코게나이드계합금을들수있으며, Ge 2 Sb 2 Te 5 (GST) 가대표적이다. 칼코게나이드계합금은 CD-ROM이나 DVD-RAM 등에서이미사용되어대량생산의실적이있는재료로서, 레이저를이용한결정 ( 높은광학적반사율 ) 과비정질 ( 낮은광학적반사율 ) 간의가역적인상변화에의한반사율의차이를이용하고있다. 한편, PRAM은칼코게나이드합금에대한전류나전압인가에의해발생하는 Joule heating 에의해결정 ( 낮은전기저항 ) 및비정질 ( 높은전기저항 ) 간의가역적인상변화가일어나는데, 이때의저항차를이용하여정보를저장한다. 63
전자통신동향분석제 20 권제 6 호 2005 년 12 월 ( 그림 1) 은 PRAM의등가회로로서, DRAM의 1T( 트랜지스터 )1C(capacitor) 와유사하다 [11]. 단지 DRAM과의차이점은 capacitor가 PCM으로대체되어있다는점이다. PRAM의메모리동작을, 각각전압 vs 전류특성과전류 vs 저항특성으로나타낸결과는각각 ( 그림 2), ( 그림 3) 과같다 [12]. ( 그림 2) 에의하면, 결정화된셋 (SET) 상태에서는낮은저항의금속과같은거동을보인다. 이에비해, 비정질화된리셋 (RESET) 상태에선저항이높다. 리셋상태에서문턱전압이상의전압이인가되면특성이반전된다. 즉, 리셋상태에서전압을높여 600µA가흐르게하도록하면셋상태가된다. 0.4V 보다낮은전압을사용하여읽음으로써, 읽기에의한상변화가일어나지않도록한다. ( 그림 3) 을보면, 결정상태로부터전류를높여가면, 일정값을넘은시점에서비정질상태가된다는것을알수있 BL TEC GST TE 다. 반대로비정질상태로부터전류를높여가면, 일단결정상태가되었다가다시비정질상태가된다. Cycling( 바꾸어쓰기 ) 특성은 ( 그림 4) 와같다 [12]. 한개셀에대해 10 13 회의 cycling 동작을반복하여그이력을추적한결과, 결정화된셋상태와비정질화된리셋상태사이에충분한저항차가확보되어있음을알수있다. 즉, 10 13 회의 cycling 동작을반복한경우, 셋상태는 1kΩ 보다저항이낮고, 리셋상태는 100kΩ 정도의값을나타내고있다. ( 그림 5) 는 data retention 특성을확인하기위한 Resistance (Ohrn) 10 6 초기상태가비정질인경우 10 5 10 4 Ge 2Sb 2Te 5 WL BEC BE ( 그림 1) PRAM 의등가회로 초기상태가결정인경우 10 3 0 0.5 1.0 1.5 2.0 Current (ma) 1.6 ( 그림 3) 전류 vs 저항특성 Current (ma) 1.2 0.8 0.4 Read Voltage Range 결정상태 비정질상태 Programming Current Range 결정상태 문턱전압 Log device resistance 6 5 4 3 비정질상태 Programming pulse width: 50ns Programming current: 1 and 1.7mA 결정상태 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 2 2 4 6 8 10 12 14 Device voltage (V) Log number of programming cycles ( 그림 2) 전압 vs 전류특성 ( 그림 4) Cycling( 바꾸어쓰기 ) 특성 64
박영삼외 / PRAM 기술전망 측정결과이다 [12]. 고유활성화에너지는 3.7eV 로높은편인데, 이값이높을수록 retention 특성이좋음을의미한다. 또한 110 C에서 10년이상의 retention 특성을확보하였음을알수있다. PRAM의미세화에있어서이슈중의하나는 ( 그림 6) 과같이, 리셋동작을위해급냉시킬때리셋된셀의주변은여전히고온상태에머무르게있게되어, 열효과를받을수있다는점이다 [12]. 이러한문제점은향후구조개량이나신재료도입등에의해해결될것으로판단된다. Temperature ( C) Log time of set (sec) 700 600 500 400 300 200 100 400 C 150 C 110 C Ea=3.7eV 10years 15 20 25 30 35 1/kT (ev) ( 그림 5) Data Retention 특성 Ambient 27 C ~70nm 0 0 200 400 600 800 1000 Angstroms from edge of cell ( 그림 6) 20ns 리셋펄스후의온도분포 Ⅲ. PRAM 개발동향 1. ECD-Ovonics 사와 Ovonyx 사 ECD-Ovonics사를창업한 S.R. Ovshinsky는 1960년대결정및비정질간의상변화에의한저항변화를메모리로응용가능하다고세계최초로보고하였으며 [5]-[7],[13],[14], 상변화메모리는그의이름을따 OUM으로명명되었다. S.R. Ovshinsky와 ECD-Ovonics 사가보유중인상변화메모리의원천특허의라이선스는대부분 Ovonyx 사에양도되어있다 [12]. ECD-Ovonics사는 PRAM 뿐만아니라대체에너지전반을연구하는회사인반면, Ovonyx 사는 PRAM 개발을주력으로삼고있는회사이다. Ovonyx사는, ECD-Ovonics사의자회사형태의성격을가지고있다. Ovonyx사는실제일부공정을진행할수있는장비를제외하면자신들의 fab을보유하고있지않고있기때문에, 1999년창업된이래메이저반도체메이커와의기술제휴를추진하고있다. 2000년 Intel사를필두로, 2000년 STMicroelectronics사, 2004년 Nanochip 사, 2005년 Elpida사등현재많은기술제휴실적을보유하고있다 [12]. 2. Intel 사 2000년 2월 Intel 사는 Ovonyx 사에투자를하고 PRAM 공동연구를한다고발표하였으며, Ovonyx 사의 PRAM 관련기술을양도받았다 [12]. 2001년 IEDM[2] 및 2003년 IEDM[3] 에서 Intel사의 S. Lai는, PRAM은고속, 저전력, low cost 및비휘발성의특성을모두겸비한차세대통합형메모리로서탁월한특성을보유하고있다고보고하고있다. 3. ETRI ETRI에서는신규상변화재료채용을통한리셋전류감소및셋동작속도향상에대한연구결과를 65
전자통신동향분석제 20 권제 6 호 2005 년 12 월 10 9 4.0 Cell resistance (Ω) 10 8 10 7 10 6 10 5 10 4 10 3 Pulse width 100ns GST Device Sb 65Se 35 Device I REBET=1.6mA I REBET=15mA RESET current (ma) 3.0 2.0 1.0 0.0 20 40 60 80 100 BEC size (nm) 10 2 0 5 10 15 20 25 Current pulse (ma) ( 그림 8) 리셋전류는 Contact Size 에비례 ( 그림 7) 신규 SbSe 재료를채용한상변화소자는기존 GST 재료를채용한상변화소자대비리셋전류가 1/10 수준으로감소 보고하고있다. 0.5µm 의동일한 contact 크기로, 기존 GST 상변화재료를채용한소자와신규 SbSe 상변화재료를채용한소자를함께제작하여그특성을비교한결과, 신규상변화재료를채용함으로써셋동작속도는 4배향상, 리셋전류는 1/10 수준으로감소한다고보고하고있다 (( 그림 7) 참조 )[15]. 4. Samsung사 Samsung 사는고집적화를거듭하여 2005년 VLSI 에서 256Mbit까지집적도를상향시켰다고보고하고있다 [4]. Samsung사는고집적화에있어서가장큰걸림돌인리셋전류감소를위해 contact size를감소시키고 [4],[16], GST-confined 구조를도입하고있다 [4],[16]. ( 그림 8) 로부터리셋전류감소의가장효과적인방법은 contact size의감소이며, 리셋전류는 contact size에비례함을알수있다 [11]. Samsung사는 2004년 IEDM에서 50nm contact size에서리셋전류는 0.4mA 수준까지감소한다고보고하고있다 [9]. ( 그림 9) 는기존의 planar cell과 GST-confined cell 간열시뮬레이션에의한열분포및리셋전류를비교한결과이다 [17]. GST-confined 구조는기 (a) Planar cell, Iwriting = 0.84mA (b) Confined cell, Iwriting = 0.47mA ( 그림 9) GST-confined 구조도입에따른열집속및리셋전류감소 존 planar 구조대비열집속효과를높임으로써 50nm 동일 contact size에서리셋전류를 0.84mA 에서 0.47mA 수준으로감소시킴을알수있다 [17]. GST-confined 구조는현재 Samsung 사에서채택하여사용중인구조이다. 5. Kanazawa 대학과 Hitachi 사 Kanazawa 대학은일본내에서가장오랫동안 PRAM 관련연구를수행한기관으로, 상변화재료선택및전기적특성검증등에대한다양한노하우를보유하고있다 [18],[19]. 최근에는 multi-bit 구현을위한메모리어레이설계기술에대해서도활발한연구를진행하고있다 [20]. 한편기업으로서는 Hitachi사가 2003년 IEDM 에서발열전극으로기존 TiN 대신텅스텐을도입함으로써리셋전류를 50µA 까지감소시킬수있다고 66
박영삼외 / PRAM 기술전망 보고하고있다 [21]. 또한 2005년 IEDM에서는 GST 상변화재료에산소를도핑함으로써리셋전류 0.1 ma 및동작전압 1.5V 조건에서동작하는 PRAM 개발결과를발표할예정이다 [10]. 6. STMicroelectronics사 2000년 12월, STMicroelectronics사는 CD- ROM에이용되고있던상변화기술이메모리에응용될수있다는판단으로, Ovonyx사로부터기술라이선스를획득하고, Ovonyx사와공동으로연구개발을착수하였다 [12]. 그후 2004년신규소자구조를도입함으로써리셋전류 600µA, 10 11 cycling 특성및 110 C/10년 data retention 특성을확보하였다 [22]. 또한 0.18µm CMOS 공정을이용하여칩면적이 0.32µm 2 를가진 8Mbit PRAM을개발하였다 [23]. Ⅳ. Embedded PRAM 기술전망 1. 메모리, MPU 및 MCU 시장규모비교 Gartner Dataquest는 ( 그림 10) 과같이 2004년세계반도체시장은 2,260억달러이며그중메모리시장은 22% 수준인 480억달러, 비메모리시장은 78% 수준인 1,780억달러를차지하고있다고보고하고있다 [1]. ( 메모리 vs 비메모리분류정의 : 1) 메모리는정보의저장만이가능하고, 논리및연산불가능, 2) 비메모리는정보의논리및연산기능이가능 ) 메모리 22% 비메모리 78% 메모리시장은공정디자인룰 (design rule) 축소에의한집적도증가가최대의화두이다. 세계메모리시장을석권하고있는 Samsung 사는공정디자인룰축소를위해매년천문학적인자금을투자하여라인및반도체장비를증설하고있다. 한편비메모리시장은전체반도체시장의 78% 를차지하고있으며, 마이크로컴포넌트 ( 범용용도의프로세서 ) 와 ASIC( 특정용도의주문형반도체 ) 의순으로큰시장규모를가지고있다 [1]. 마이크로컴포넌트시장내에서는 CPU, 코어혹은중앙처리장치등으로불리는 MPU가 460억달러로가장큰시장규모를자랑하고있다 [1]. ( 그림 11) 과같이 MPU 시장하나만으로도전체메모리시장과대등한규모를가지고있으며, Intel사가독점하고있다. 세계 1위의반도체메이커인 Intel 사의매출의대부분은 MPU 시장, 하나에서얻고있다. 마이크로컴포넌트시장내에서는 MPU 다음으로 MCU, MPR 및 DSP의순으로큰시장규모를가지고있다. 2004년기준, MCU는마이크로컴포넌트시장내에서 MPU 다음으로큰시장규모인 220억달러를차지하고있는데, 이는메모리전체시장의절반을차지할정도로큰시장이다 [1]. MCU 시장에서점유율 1위를기록하고있는르네사스사는전체반도체시장에서 Intel사, Samsung사에이어 3~4위의매출규모를자랑하고있다. MCU는 MPU로서의기능뿐만아니라메모리및 억달러 500 400 300 200 100 기타 107 억달러 Flash 110 억달러 DRAM 263 억달러 0 메모리전체 480 억달러 비메모리, MPU 460 억달러 비메모리, MCU 220 억달러 ( 그림 10) 2004 년세계반도체시장규모비교 ( 그림 11) 메모리, MPU 및 MCU 시장비교 67
전자통신동향분석제 20 권제 6 호 2005 년 12 월 메모리 CPU CPU 운영체계 MPU(CPU) MCU ( 그림 12) MPU(CPU) 와 MCU 개략도자체운영체계를가져독립적인동작이가능한프로세서이다. 즉, MPU는 PC나서버에탑재되어메모리나운영체계등의주변부품의도움없이는스스로동작할수없는반면, MCU는스스로독립적인동작이가능하기때문에휴대폰, 가전제품및자동차등의제어지향형의응용처를가지고있다 (( 그림 12) 참조 ). V. 결론 PRAM의상용화를위해서는신뢰성확보등의과제가아직남아있다. Stand-alone 向의메모리시장돌파를위해서는기가비트수준의집적도를달성할수있는기술이개발되어야한다. 또한 embedded 向의비메모리시장진출을위해서는칩당수십 ma 수준의리셋전류획득을위한기술개발이필요하다. 이는새로운재료개발과소자구조의고안등에서찾을수있을것으로기대된다. 또한향후에는 multi-bit 구현을위해, 메모리어레이설계기술및새로운개념의메모리셀의착안등에대한연구들이더욱활성화될것으로기대된다. 2. Embedded PRAM 기술전망 Embedded technology는정보의연산및처리를담당하는 MPU 및 logic에정보의저장을담당하는메모리등을접목시키는기술로, MCU가가장대표적인시장이다. Embedded 되는대표적인기존메모리로는 SRAM 및플래시가있다. 앞서언급한바와같이 SRAM 은휘발성및 cost 문제, 플래시메모리는 random access가불가능하기때문에이들은각각제한적인용도로만사용되어왔다. 최근에는두개의서로다른칩을함께패키징하는 MCP 기술을통하여위의단점을보완하고있다. 하지만, SRAM과플래시메모리의장점만을융합한 PRAM이 embedded 된다면 embedded technology 시장을단번에석권할수있는것으로판단된다 (( 그림 13) 참조 ). Mobile Devices Multi-Chip Package(MCP) PRAM SRAM+Flash or SRAM+DRAM+Flash ASIC CMOS CPU DRAM DSP ECD FeRAM IEDM MCP MCU MPR MPU MRAM OUM PCM PDA PRAM SRAM VLSI 약어정리 Application Specific Integrated Circuit Complementary Metal Oxide Semiconductor Central Process Unit Dynamic Random Access Memory Digital Signal Processor Energy Conversion Devices Ferroelectric Random Access Memory International Electron Devices Meeting Multi-Chip-Packaging Micro Controller Unit Micro Peripheral Micro-Processor-Unit Magnetic Random Access Memory Ovonic Unified Memory Phase Change Memory Personal Digital Assistants Phase-change Random Access Memory Static Random Access Memory Very Large Scale Integration 참고문헌 Combination of SRAM s High Speed and Flash s Nonvolatility Can be Replaced by PRAM ( 그림 13) PRAM 개발로 MCP 대체 [1] Richard Gordon, Gartner Dataquest Annual Report, Market Share: Memory, Final Rankings, Worldwide, 2004(Executive Summary), Apr. 2005. 68
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