3D XPoint메모리의 메모리 셀 배열과 특징.Intel과 Micron Technology가 2015년 7월 28일에 공동 발표한 자료에서

3D XPoint(스리디 크로스 포인트)메모리의 정체가 마침내 드러났다. 기억 소자 기술은 "상변화 메모리" 셀 선택 스위치(세 레쿠 스튜디오)기술은 "오보 닉 스위치"이라고 해도, 3D XPoint메모리를 공동 개발한 Intel과 Micron Technology의 공식 발표가 아니다.실리콘 다이의 분석 서비스 업체인 TechInsights가 Intel의 SSD"Optane"에 탑재한 3D XPoint메모리의 실리콘 다이를 꺼내어 내부를 원자 차원에서 해석한 결과이다.

3D XPoint메모리는 약 2년 전의 2015년 7월 28일(미국 시간)Intel과 Micron Technology가 공동으로 "혁신적인 부정 휘발성 메모리"로 화려하게 발표한 비휘발성 메모리(Intel-Micron연합이 발표한 "혁신적인 "비휘발성 메모리 기술의 내용참조)이다.실리콘 다이인당 기억 용량은 128Gbit(16GB)에서 당시 DRAM제품의 실리콘 다이당 기억 용량에 비해서 16배 커서 당시 NAND플래시 메모리 제품의 실리콘 다이당 기억 용량에 필적했다.

기억 용량이 당시 NAND플래시 메모리에 필적하면서 NAND플래시 메모리의 결점인 쓰는 시간의 길이와 랜덤 억세스 읽어 내시간의 길이가 함께 해소된. 랜덤 액세스의 레이턴시(지연 시간)이 짧아서 스루풋(데이터 전송 속도)이 높다.그리고 쓰는 횟수는 NAND플래시 메모리보다 훨씬 많다고 발표됐다.

그리고 뭐라 해도 Intel이라는 PC업계를 견인하는 기업과 Micron이라는 메모리 반도체 대기업의 네임 밸류가 컸다.제품 실적이 별로 없는 반도체 벤처 기업이 제품화를 발표하는 것은, PC업계와 메모리 반도체 업계에 미치는 임팩트가 다르다.

다만 3D XPoint메모리의 실현 기술은 지금까지, 아니 정확히는 현재에 이르기도 공식적으로 발표되지 않았다.알고 있는 것은 2층의 교차점 구조인 것 정도이다.

교차점 구조는 단어 전류선과 비트선이 교차한 미소한 영역에 메모리 셀 전체가 거둔 구조이다. 기억 소자와 셀 선택 소자(2단자 소자로 "세 렉 다"이라고 불린다)을 교차 영역(크로스 포인트)적층 하는 것으로, 1개의 메모리 셀을 구성한다. NAND플래시 메모리를 제외하면 가장 높은 밀도에서 메모리 셀 배열을 실현할 수 있는 구조이다. 또 교차점 구조는 2층 혹은 4층에 메모리 셀 배열을 적층 하기 쉬운 구조로 꼽힌다.참고로, 3D XPoint메모리의 메모리 셀 배열은 2층 구조이다.

20nm의 CMOS기술

올해(2017년)에 들어서면 3D XPoint기억 장치를 탑재한 SSD)이 출고되기 시작했다(Intel Optane메모리는 HDD캐시로 얼마나 유용하나참조).TechInsights는 M.2형 HDD캐시에게 Intel이 발매한 SSD"Optane Memory"(Intel, HDD에서 앱 기동이 5배 빨라진다"Optane Memory"참조)를 입수하고 탑재된 3D XPoint메모리를 꺼내고 실리콘 다이를 분석했다.

그 결과가 이번에 밝혀진 내용이다.

공식 발표는 아니라고 해도 TechInsights에 의한 다양한 실리콘 다이의 해석 결과는 메모리 반도체 업계에서는 높은 신용을 얻어 왔다.3D XPoint메모리의 해석 결과도 정확하다고 판단하고 좋겠다.

TechInsights는 분석 결과의 개요를 플래시 메모리에 관한 세계 최대의 이벤트"Flash Memory Summit(FMS)"(미국 캘리포니아 주 샌타 클래라)에서 2017년 8월 8일 저녁(현지 시간) 열린 포럼 세션"Forum R-12:3D XPoint:Current Implementations and Future Trends"에서 발표했다.

3D XPoint메모리의 개요를 나타낸 강연 슬라이드.Flash Memory Summit의 TechInsights에 의한 발표

3D XPoint메모리의 개요.Flash Memory Summit으로 TechInsights가 발표한 내용을 필자가 정리한 것

실리콘 다이는 20nm룰의 CMOS기술로 제조된 것으로 나타났다.Micron은 같은 규칙에서 최첨단의 DRAM제품을 생산하고 있으므로 상당히 미세한 프로세스 기술이 3D XPoint메모리에도 적용되는 것으로 나타났다.

실리콘 다이의 외형 치수는 16.16×12.78mm, 다이 면적은 206.5평방 mm인 반도체 메모리로는 꽤 크다.실리콘 다이 크기를 보면 제조 비용은 낮지 않다.

기억 소자보다 실렉터에 기술 혁신이 숨어 있다

제조 기술을 살펴보고 간다. 처음에는 메모리 셀 배열 개요이다. 메모리 셀 배열은 제4층 금속 배선과 제5층 금속 배선 사이에 형성했다.1개의 메모리 셀은, 실렉터의 위에 기억 소자(상변화 메모리)을 거듭하는 구조이다.

상변화 메모리(PCM)은 "칼코게나이도"로 불리는 합금이 결정 상태(결정상 전기적으로는 저항이 낮은 상태)로 어모 퍼스 상태(비정질상, 전기적으로는 저항이 높은 상태)을 가열 방법에 의해서 오가는 성질을 이용한 메모리이다. PCM의 칼코게나이도 합금으로 일반적인 것은 "GST"로 불리는 Ge(게르마늄)Sb(안티몬)Te(텔루륨)의 3위안 혼정이다.3D XPoint메모리도 GST합금을 기반으로 한 PCM을 기억 소자에 임용하고 있다.

실렉터는 전술한 대로,"오보 닉 스위치(OTS:Ovonic Threshold Switch)"이다.OTS는 PCM과 같이 칼코게나이도 합금을 사용하지만 재료 조성과 전기적 성질은 PCM과 크게 다르다.

전기적 성질부터 먼저 설명하면 초기 상태가 고 저항 상태(오프 상태, 비결정 상태)에 있다. 여기서 외부에서 인가하는 전압을 점차 쌓아 가자 한 전압(스레쉬 홀드 전압)에서 갑자기 저 저항 상태( 온 상태, 합금 상태)에 이행하고 전류가 한꺼번에 빠져나가. 인가 전압을 제로로 하면, OTS는 다시 고 저항 상태(오프 상태)로 돌아간다.재료 조성은, 셀렌(Se)과 비소(As), 게르마늄(Ge), 실리콘(Si)의 4위안 혼정이다.

OTS의 역사는 꽤 긴. 발견은 1960년대부터. 미국을 대표하는 발명가 Stanford R. Ovshinsky씨가 발견한 칼코게나이도 합금의 중요한 성질"의 신 스키 효과"에 따라. 오브 싱 스키 효과는 칼 코게나이도 합금이 결정 상태와 비정질 상태의 2개 상태를 오가고 광학적 성질과 전기적 성질이 2개 상태를 오가는 일을 나타낸다. 광학적으로는 반사율의 변화하는 전기적으로는 저항이 변화한다. 광학적 변화를 이용한 것이 "상변화 디스크"로 알려진 광 디스크이다.전기적인 변화를 이용한 것이 PCM과 OTS이다.

OTS는 연구 개발의 역사는 길지만 그동안 반도체 집적 회로로 실용화된 사례는 아마 존재하지 않는다. 3D XPoint메모리에서 OTS가 세계 최초로 실용화된 것이다.OTS는 스위치로서 불안정한 제어와 제조 편차의 억제가 어렵다고 했으며 128Gbit로 매우 큰 기억 용량의 메모리에서 OTS를 상용화한 것은 대단한 것이다.

3D XPoint메모리 제조 프로세스 개요. 왼쪽 아래는 실리콘 다이의 단면 관찰상, 오른쪽은 다결정 실리콘 층에서 실리콘 다이의 회로를 관찰한 화상.Flash Memory Summit으로 TechInsights가 발표한 강연 슬라이드에서

고밀도인 셀 배열의 배선 서랍이 제조 원가 상승 압력에

이어 배선 기술이다. TechInsights분석에 따르면 1층의 다결정 실리콘(코발트 실리 사이드)배선과 5층 금속 배선(4층의 동(Cu)배선과 1층의 알루미늄(Al)배선), 그리고 텅스텐(W)의 단어 전류선과 비트 에너지로 구성되고 있다. 단순 합계하면 7층의 배선 층수이다.이 층수는 반도체 메모리로는 상당히 많고 제조 원가 상승 압력이 된다.

5층 금속 배선다는 층 수는 반도체 메모리로는 꽤 많다.배선층 수가 많아지는 것은 크로스 포인트 구조의 고밀도 메모리 셀 배열에서 신호와 배선을 끌어내기 때문이라고 본다.

단어 전류선과 비트선의 잔디는 38.5nm와 40nm로 상당히 좁다.미세 가공 기술로는 이 부분에 자기 합리형 더블 정형화(SADP)의 ArF액침 리소그래피가 도입되고 있다.

교차점 구조의 메모리 셀 배열은 제조 마스크의 장수를 늘리기도 한다. 메모리 셀 배열 부분의 마스크 매수는 11장. 실리콘 다이 전체에서 마스크 매수는 42개에 달한다.이 매수도 반도체 메모리로는 꽤 많다.

3D XPoint메모리 제조 프로세스 개요.Flash Memory Summit으로 TechInsights가 발표한 내용을 필자가 정리한 것

메모리 셀 배열 구조와 단면 관찰 사진.Flash Memory Summit으로 TechInsights가 발표한 강연 슬라이드에서

메모리 셀 배열 구조를 각층에 분해한 표.Flash Memory Summit으로 TechInsights가 발표한 내용을 필자가 마련한

실리콘 다이에 형성된 수수께끼의 위장 셀 배열

여기 실리콘 다이의 레이아웃을 TechInsights의 분석 결과 흥미로운 사실이 몇가지 드러났다. 최초의 흥미로운 사실은 더미의 셀 배열 영역의 존재이다. 직사각형의 위장 셀 배열 영역이 본래의 메모리 셀 배열 영역에 인접하고 배치됐다.용장 셀 배열로서 위상, 시험 장치(TEG)로서의 위상 등이 생각할 수 있지만, 상세는 불명이다.

벌써 1가지 흥미로운 사실은 메모리 셀 배열에서 외부로 신호를 끌어내배선의 표본이다. 톱 전극과 중간 전극은 메모리 셀 배열 밖으로 빠져나가고 있어 상당한 실리콘 다이 면적을 점유하고 있다. 이에 대해서 보텀 전극은 메모리 셀 배열에서(CMOS주변 회로로 내려지고 있다.교차점 구조는 극히 고밀도 메모리 셀 배열을 실현할 수 있고 신호 배선의 서랍엔 고생하는 모습이 엿보인다.

실리콘 다이의 레이아웃. 왼쪽은 메모리 셀 배열 부근의 층에 있어서의 레이아웃. 유령 세포(Dummy)가 확인할 수 있다. 오른쪽은 CMOS주변 회로 부근의 층에 있어서의 레이아웃. 중앙이 메모리 셀 배열과 보텀 전극(워드선)주변 회로의 영역, 왼쪽 끝이 톱 전극(단어 전류선)인출 영역, 하단이 중간 전극(비트선)인출 영역이 되는 것으로 나타났다.Flash Memory Summit으로 TechInsights가 발표한 강연 슬라이드에서

기억 밀도는 DRAM의 3배에서 6배, 3D NAND의 약 2할

2015년 7월 말 3D XPoint메모리가 발표됐을 때"기억 밀도는 DRAM의 10배"라고 공표되고 있었다.실제로 TechInsights이 비교한 결과 10배까지는 가지 않지만 3배에서 6배로 높은 기억 밀도를 달성하고 있다는 것이 밝혀졌다.

구체적으로는 Samsung Electronics의 18nm기술에 의한 DRAM과 비교해서 3.2배, Micron Technology의 20nm기술에 의한 DRAM과 비교해서 6.6배로 높은 기억 밀도(실리콘 다이의 Gbit/제곱 mm환산치)을 실현했다.

한편 3D NAND플래시 메모리에 비하면 역시 낮은 기억 밀도에 머물렀다.구체적으로는 Samsung Electronics가 개발한 48층 TLC방식 NAND플래시의 24%, 도시바-SanDisk(Western Digital)연합이 개발한 64층 TLC방식 NAND플래시의 18%이다.

DRAM과 3D XPoint메모리의 기억 밀도를 비교한 결과.Flash Memory Summit으로 TechInsights가 발표한 강연 슬라이드에서

NAND플래시 메모리와 3D XPoint메모리의 기억 밀도를 비교한 결과.Flash Memory Summit으로 TechInsights가 발표한 강연 슬라이드에서

양산 개시 후 2년 강은 3D XPoint메모리를 적자로 만들

화려하게 발표된 3D XPoint메모리인데 지금까지 말한 것처럼 제조 비용은 상당한 것이다. 예를 들어 시장 조사 기관인 Objective Analysis는 Flash Memory Summit으로 양산 개시 후 2년 이상은 적자가 될 것이라는 예측을 말하고 있었다.Micron Technology 다른 SSD제품에서는, 3D XPoint메모리는 어려운 사업이 된다.

다만 Intel뿐 별도로 CPU라는 고액 상품과 세트로 판매함으로써 3D XPoint메모리에 따른 적자를 상쇄할 수 있다.예를 들어 CPU에 따른 이익이 50달러 이상 있으므로 3D XPoint메모리로 적자가 10달러 있었다고 해도 전체적으로는 흑자다.

 

Intel과 Micron의 3D XPoint메모리 사업의 차이.Flash Memory Summit으로 Objective Analysis가 발표한 강연 슬라이드에서

3D XPoint메모리 응용 제품 출하는 당초 예정보다 늦어지고 있다. SSD제품의 출하가 시작된 것은 금년의 전반이다.컨설팅 회사의 MKW Ventures Consulting은 지난해(2016년)8월 Flash Memory Summit으로 발표하고 있던 시장 전망을 하향 조정했다.

지난해 8월에는 올해 3D XPoint메모리 시장 규모를 3억달러로 예상됐지만 올해 Flash Memory Summit에서는 시장 규모를 2억달러 이하로 수정했다.내년(2018년)이후 시장 규모 예측도 2018년은 전년 예측의 절반, 2019년은 전년 예측의 3분의 2로 정정했다.

3D XPoint메모리(과 SCM:스토리지 반 메모리)시장 예측. 위의 표는 전년의 Flash Memory Summit으로 발표한 것. 아래 표는 올해 발표한 수정 버전이다.MKW Ventures Consulting의 강연 슬라이드에서

원래 새로운 디바이스에 의한 시장의 첫 시작은 느린 것이다.플래시에서도 처음부터 시장이 급속히 일어난 것은 아니다.

시장의 시작이 늦는 요인의 1개에 3D XPoint기억 장치를 탑재한 DIMM제품의 시장 투입은 늦어진다. MKW Ventures Consulting은 DIMM제품의 출하는 2018년에 늦는다고 예측한다.3D XPoint메모리의 고속성을 최대한 살릴 수 있는 것으로 알려진 DIMM제품 개발 지연은 아프다.

3D XPoint기억 장치를 탑재한 DIMM의 구상.Intel이 2016년 8월에 개발자 포럼"IDF"에서 발표한 슬라이드에서

이 밖에 3DXPoint메모리의 크로스 포인트형 메모리 셀 배열을 현재의 2층으로 갑절의 4층으로 늘린 대용량 제품 개발이 업계에서는 흘러나오고 있었다. 원리적으로는 실리콘 다이인당 기억 용량은 256Gbit과 2배가 된다.이" 제2세 대용품"이라고도 불러야 할 3DXPoint메모리가 등장하는 것은 2017년 말부터 2018년 업계는 기대하고 있다.