3D 크로스 포인트 기술로 제작한 128Gbit 고속 대용량 비휘발성 메모리의 실리콘 다이 사진

 

SK 하이닉스는 3D 크로스 포인트 구조를 채용해 128Gbit의 큰 용량을 제공하는 비휘발성 메모리를 개발하고 그 기술을 IEDM에서 발표했습니다. 

 

크로스 포인트 구조는 워드라인과 비트라인이 교차하는 영역에 메모리 셀 전체를 두는 구조입니다. 기억 소자와 셀렉터(2 단자의 셀 선택 소자)를 크로스 포인트에 적층해 1개의 메모리 셀을 구성합니다. 3D 낸드 플래시 기술을 제외하고 가장 높은 밀도의 메모리 셀 어레이를 구현할 수 있습니다.

 

크로스 포인트 구조는 메모리 셀 어레이를 적층해 저장 용량을 늘립니다. 즉 3D 구조를 만들기 쉽습니다 쉽다. 예를 들어 2층의 3D 크로스 포인트 구조를 만들면 저장 용량은 2배, 4층으로하면 저장 용량은 4배가 됩니다. 이론적으로는 DRAM을 훨씬 넘어서는 비휘발성 메모리를 만들 수 있습니다.

 

3D 크로스 포인트 구조의 대용량 비휘발성 메모리를 세계에서 가장 빨리 실용화 한 회사는 인텔과 마이크론 테크놀러지의 공동 개발 그룹입니다. 3년 전인 2015년 7월에 두 회사는 실리콘 다이 하나로 128Gbit의 대용량을 실현한 고속 비휘발성 메모리를 개발했다고 발표했습니다. 이것이 3D Xpoint 메모리란 이름으로 알려진 고속 대용량 비휘발성 메모리입니다.

 

불행히도 아직까지도 인텔과 마이크론은 3D XPoint 메모리의 제품 스펙과 기술을 공개하지 않았습니다. 공식적으로 밝힌 건 2층의 3D 크로스 포인트 구조이며, 메모리 셀은 기억 소자와 셀러터로 구성, 20nm 세대의 CMOS 기술을 생산에 쓴다는 것 정도입니다. 데이터 읽기와 쓰기 동작 속도, 전력, 재기록 사이클 수명, 데이터 유지 기간, 실리콘 다이 면적, 메모리 셀 면적, 기억 소자의 원리와 재료 선택의 원리/재료는 여전히 비밀입니다.

 

일부 정보는 반도체 실리콘 다이를 원자 수준에서 분석하는 조사 회사인 TechInsights가 2017년 8월에 밝혀 냈습니다. 기억 소자의 원리는 상변화 메모리(PCM), 선택 소자의 원리는 OTS입니다. 다만 3D XPoint는 메모리 칩만 팔지 않고 인텔이 HDD 버퍼나 SSD의 완성품으로 판매하고 있습니다.

 

 

저장 용량과 기억 원리는 3D XPoint 메모리와 비슷함

SK 하이닉스가 IEDM에서 발표한 메모리의 용량은 128Gbit, 2층의 3D 크로스 포인트 구조로 실현했습니다. 저장 용량이 128Gbit에 2층의 3D 크로스 포인트인 점은 3D XPoint 메모리와 같습니다.

 

기억 원리는 상변화 메모리 (PCM : Phase Change Memory)의 개량형으로, SK-하이닉스는 이렇게 개선된 재료를 N-PCM (New Phase Change Material)이라고 부릅니다. 선택 소자는 칼코게나이드 재료 스위치로 NCS (New Chalcogenide Selector)라고 부릅니다. 기존의 OTS가 아닌 그걸 개선한 재료로 보입니다. 기억 소자가 PCM, 선택 소자가 칼코게나이드 재료라는 점도 3D XPoint 메모리와 비슷합니다.

 

제조 기술은 2Znm 세대의 CMOS입니다. 실리콘 다이 면적과 메모리 셀 면적은 공개하지 않았습니다. 제조 공정은 실리콘 기판에 CMOS의 주변 회로를 만들고, 그 위에 구리 금속 다층 배선을 형성하고, 그 위에 크로스 포인트 구조의 메모리 셀 어레이를 만드는 식입니다.

 

 

실리콘 다이 단면을 전자 현미경으로 관찰한 사진.

 

 

크로스 포인트 구조 메모리 셀의 제조 공정. 아래에서부터 워드 라인 층, 중간 전극층에 메모리 계층, 그 위 전극층에 선택기, 가장 위에 전극층 같은 박막을 증착하는 과정이 (a). 워드라인을 따라 자기 정합 패턴을 가공하는 과정이 (b). 중간 절연막을 묻어 편탄화시키고 비트 라인을 증착하는 (c). 마지막으로 비트 라인을 따라 자기 정합 패턴을 가공하는 (d).

 

16Mbit 메모리 장치에서 다양한 특성을 평가

128Gbit 실리콘 다이의 메모리 셀 어레이는 16뱅크 구성이며, 1개의 뱅크는 512개의 메모리 유닛(MAT)으로 구성됩니다. 1개의 MAT 저장 용량은 16Mbit입니다. 이 16Mbit의 MAT에 데이터 읽기/쓰기 작업이나 다시 쓰기, 데이터 보존성을 평가했습니다. 1개의 메모리 셀의 데이터가 아니라 16Mbit이기에 통계적으로도 의미가 있는 결과임을 강조했습니다.

 

　

데이터 읽기쓰기 동작은 읽기 지연 시간이 100ns, 리셋 동작 쓰기 지연 시간이 30ns, 세트 동작 쓰기 지연 시간이 300ns입니다. 리셋 동작은 상변화 메모리가 결정 상태(저 저항 상태)에서 비정질 상태(고 저항 상태)로 전환하는 작업 세트 동작과는 반대로 비정질 상태에서 결정 상태로 이행하는 동작을 의미합니다. 지연 시간이 낸드 플래시 메모리에 비해 상당히 짧습니다. 즉 동작이 빠릅니다.

 

10만번의 재기록 사이클을 반복해서 열화가 없는지 확인

 

 

리셋 동작과 세트 동작을 반복하는 재기록 사이클은 10만번을 반복해도 게이트 전압과 판독 마진에 모두 변화가 거의 없다고 확인됐습니다. 10만번을 넘어서면 게이트 전압이 조금씩 오릅니다. 게이트 전압의 상승이 판독 마진에 미치는 영향은 거의 없습니다. 1,000만번의 재기록을 반복해도 읽기 마진은 별로 달라지지 않습니다. 이는 데이터 기록이 잦은 스토리지에서유리한 특성입니다. 

 

 

데이터 보존 특성 시험 결과

 

저항 변화 메모리를 쓰지 않은 이유

 

크로스 포인트 구조의 메모리 소자 저항 변화 메모리(ReRAM) 대신 상변화 메모리(PCM)을 쓴 이유도 설명했습니다. ReRAM의 문제점은 크게 두 가지가 있습니다. 하나는 온/오프 비율이 작아 읽기 마진이 좁고, 다른 하나는 랜덤 텔레그래프 노이즈가 크다는 겁니다. SK 하이닉스는 작년 IEDM에서 ReRAM 기반 크로스 포인트 구조의 16Kbit 메모리 셀 어레이를 발표했습니다. 그런 회사의 설명이다보니 위 주장에 무게가 느껴집니다.

 

또 SK 하이닉스는 128Gbit 메모리의 상품화가 멀지 않았다고 밝혔습니다. 128Gbit의 대용량 고속 비휘발성 메모리가 조만간 완제품으로 등장하기를 기대해 봅니다.