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어플라이드 머티어리얼즈 코리아, 새로운 메모리 제조 요건 발표
사진 - 어플라이드 머티어리얼즈 코리아 제공

[G밸리뉴스 이아름 기자] 어플라이드 머티어리얼즈 코리아가 새로운 메모리의 제조 요건을 발표했다.

MRAM(Magnetic RAM), PCRAM(Phase Change RAM), ReRAM(Resistive RAM) 3종의 새로운 메모리가 수십년 연구 끝에 상용화 단계로 접어들면서 반도체와 컴퓨팅 산업에 호재가 되고 있다. 위의 3가지 메모리는 새로운 소재(재료)로 이용 가능하고 공정 기술 및 제조 분야 혁신을 필요로 한다.

이상적인 반도체 메모리는 ▶빠른 읽기 속도 ▶빠른 쓰기 속도 ▶랜덤 액세스 ▶저비용 ▶3D 확장성 ▶저전력 ▶비휘발성 ▶높은 내구성 ▶높은 온도 허용오차 ▶멀티 비트 저장을 위한 멀티 스테이트(multiple states)를 모두 제공해야 한다.

현재 어떤 메모리도 위와 같은 속성을 모두 제공하지는 않는다. MRAM, PCRAM, ReRAM과 같은 신종 메모리는 주류 메모리를 보완할 주요 후보다. MRAM은 빠른 속도, 비휘발성, 저전력(마그네틱 기술)뿐만 아니라 메모리 배열이 단 3개의 부가 마스크(additional masks)로 백엔드 인터커넥트 레이어에 내장될 수 있어 경제성이 높다.

MRAM은 SRAM보다 느리지만 많은 내장 컴퓨팅 애플리케이션의 작업 메모리로 사용될 수 있을 만큼 빠르다. 또한 레벨3 캐시 요구를 충족할 정도로 빠르다는 잠재력을 갖고 있다.

여러 로직·파운드리 선도 기업은 내장 MRAM을 사용한 시스템 온 칩(SoC) 설계의 조기 생산을 발표했다. 특히 MRAM은 인공지능(AI) 연산을 지원해야 할 사물인터넷(IoT) 기기의 주요 메모리 후보가 되고 있다.

기술 및 제조 관점에서 MRAM의 가장 큰 과제는 디지털 데이터를 나타내는 데 기본 프로그래밍 요소인 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 형성에 필요한 많은 박막 스택을 정확히 증착하는 것이다. 많은 금속 및 절연층은 대기보다 낮고 깨끗한 고진공 상태에서 PVD(Physical Vapor Deposition) 방법을 이용해 증착돼야 한다.

또한 코어 산화마그네슘(MgO) 박막층은 엄격히 통제된 상태에서 정확한 결정 배열로 증착돼야 한다. 단 하나의 원자에서 높이 변화가 발생해도 성능과 신뢰성에 영향을 미칠 수 있다.

PCRAM은 프로그래밍 메커니즘으로 열에 의해 고도의 비결정 소재 배열에서 결정 배열로 전환되는 ‘상 변화(phase change)’ 소재를 기반으로 한다.

PCRAM은 랜덤 액세스, DRAM보다 낮은 비용, 3D 확장성 및 비휘발성 등의 특징을 갖는다. 그 결과 주요 메모리 업체들은 PCRAM이 일부 DRAM 기반의 DIMM(Dual In-line Memory Module)과 고가의 SSD(Solid State Drive)를 대체하기 위해 비휘발성 DIMM과 같은 애플리케이션에 적합한지 평가하고 있다.

PCRAM은 임계 구조를 형성하기 위해 멀티 레이어(layer) 소재가 정확히 증착돼야 한다. PCRAM 층은 MRAM만큼 얇지 않지만 불순물에 매우 민감하다. 때문에 다양한 소재를 사용할 수 있고 미세 입자와 불순물을 예방할 수 있는 PVD(Physical Vapor Deposition) 공정 기술이 요구된다. 일단 PCRAM 스택이 형성되면 플라즈마 식각 방식을 이용해 개별 메모리 셀이 형성되고 캡슐화는 노출된 상 변화 소재를 보호한다.

확장성은 PCRAM 비용 로드맵을 추진하는 핵심이다. 2D 스케일링은 CD(Critical Dimension)를 20nm 하프 피치로 줄이기 위해 사용되고 15-16nm 디자인 룰이 곧 등장할 것으로 보인다. PCRAM의 3D 스케일링은 더욱 장래성이 있다. 초기 디자인은 2 레이어 스택을 이용했지만 기술 로드맵에 따르면 4레이어, 심지어 8레이어 스택도 가능할 전망이다.

ReRAM 기술은 여러 형태가 있다. 이온 브릿지 내 금속 필라민트에 삽입된 ReRAM이 있는가 하면 기본 소재 내 생성된 산소 정공으로 생성되는 ReRAM도 있다. 정보 비트(bit)는 저항성 소재 중 주로 금속 산화물에 저장된다. 저항성 소재에 전류를 가해 프로그래밍이 수행되고 각기 다른 수준의 저항성을 감지해 읽기를 수행한다. 또한 ReRAM은 광범위한 소재를 사용할 수 있다.

지금까지 ReRAM은 내구성에 한계를 보였기 때문에 소재와 제조 기술을 개선해 신뢰성을 확보할 수 있도록 실패 원인을 파악하는 노력이 필요하다. 이 문제가 해결된다면 ReRAM은 스토리지 애플리케이션에 높은 밀도와 낮은 비용을 제공할 수 있을 것이다.

이아름 기자  ar7@gvalley.co.kr

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