SK Hynix는 3차원 크로스 포인트 구조를 채택하여 128Gbit의 큰 기억용량을 실현한 비휘발성 메모리를 개발했고, 그 기술 개요를 국제학회 IEDM(미국 캘리포니아주 샌프란시스코 개최)에서 12월 5일(현지시간) 공표했다.(강연번호 및 논문 번호는 37.1)

크로스 포인트 구조란 워드선과 비트선이 교차한 미소한 영역에 메모리 셀 전체를 넣는 구조를 말한다. 기억소자와 셀렉터(2단자의 셀 선택소자)를 교차영역(크로스 포인트)으로 적층함으로써 하나의 메모리 셀을 구성한다.

크로스 포인트 구조에는 또 하나의 특징이 있다. 메모리셀 어레이를 적층함으로써 기억용량을 늘릴 수 있는 것이다. 이른바 3차원 구조를 만들기 쉽다. 예를 들어 2층의 3차원 크로스포인트 구조로 하면 기억 용량은 2배, 4층으로 하면 기억 용량은 4배가 된다. 이론적으로 기억용량은 D램을 훨씬 넘는 비휘발성 메모리를 만들 수 있다.

3차원 크로스포인트 구조의 대용량 비휘발성 메모리를 세계에서 가장 먼저 실용화한 것은 Intel과 Micron Technology(이하 Micron 이라고 표기)의 공동 개발 그룹이다. 3년 정도 전인 2015년 7월에 양 회사는 실리콘 다이당 128Gbit 대용량 고속 비휘발성 메모리를 개발했다고 발표했다. 이것이 "3D XPoint 메모리" 명칭으로 알려진 고속 대용량 비휘발성 메모리다.

유감스럽게도 현재에 이르기까지 Intel과 Micron은 "3D XPoint 메모리"의 제품 사양이나 기술 내용 등을 일절 공표하고 있지 않다. 공식적으로 밝혀진 것은 2층의 3차원 크로스 포인트 구조인 것, 메모리 셀은 기억 소자와 셀렉터로 구성되어 있는 것, 20nm세대의 CMOS 기술을 제조에 사용하고 있는 것 정도. 데이터를 읽고 쓰기의 동작속도, 소비전력, 쓰기 사이클 수명, 데이터 보유기간, 실리콘 다이 면적, 메모리 셀 면적, 기억소자의 원리와 재료, 셀렉터의 원리와 재료 등은 아직 숨겨진 그대로다.

일부 정보는 반도체 실리콘 다이를 원자 레벨로 분석하는 조사회사 TechInsights에 의해서 2017년 8월에 공표되었다. 기억소자의 원리는 상변화메모리(PCM), 셀렉터의 원리는 오보닉슬레셔르드스위치(OTS)인 것 등이다.

아쉽게도 3D XPoint 메모리는 단일체제로는 시판되지 않고 있다. HDD 버퍼나 SSD 등의 모듈 제품으로서 Intel이 판매하고 있을 뿐이다.

기억용량-기억원리는 3D XPoint 메모리와 유사

SK Hynix가 국제학회 IEDM에서 발표한 메모리의 기억용량은 128Gbit로 2층의 3차원 크로스 포인트 구조로 실현되었다.

기억원리는 상변화 메모리(PCM : Phase Change Memory)의 개량형으로, SK-Hynix는 개량형 재료를 "N-PCM(New Phase Change Material)"이라 부르고 있었다. 셀렉터는 카르코게나이드 재료 스위치로 NCS(New Chalcogenide Selector)라고 부르고 있다. 셀렉터는 종래부터 잘 알려져 있는 OTS가 아닌 그 개량판으로 보여진다. 기억소자가 PCM, 셀렉터가 칼코게나이드(calcogenad) 재료라는 조합도 3D XPoint 메모리와 비슷하다.

제조기술은 2Znm세대의 CMOS 기술이다. 실리콘 다이면적과 메모리 셀 면적은 공표하고 있지 않다. 제조공정은 실리콘 기판에 CMOS의 주변회로를 만들고 그 위에 구리금속의 다층배선을 형성하며 나아가 그 위에 크로스포인트 구조의 메모리 셀 어레이를 만들어 넣는 것이다.

16Mbit의 메모리 유닛으로 다양한 특성 평가

개발된 128Gbit의 실리콘 다이 메모리 셀룰레이는 16개 뱅크 구성이며 1개 뱅크는 512개의 메모리 유닛(MAT로 SK Hynix는 지칭)으로 구성된다. 1개의 MAT 기억 용량은 16Mbit다. 이 16Mbit의 MAT에 대해 데이터를 읽고 쓰기 동작 특성이나 재기록 사이클 특성, 데이터 보유 특성등을 평가했다. 1개의 메모리 셀에 의한 톱 데이터가 아니라 16Mbit라는 통계적이고 실용적인 의미가 있는 용량에 대해 테스트를 실시한 결과임을 강조하고 있었다.

데이터를 읽고 쓰기의 동작 특성은 읽기 지연 시간이 100ns, 리셋 동작의 쓰기 지연 시간이 30ns, 세트 동작의 쓰기 지연 시간이 300ns. 또한 리셋 동작이란 상변화 메모리가 결정 상태(저항 상태)에서 어몰퍼스 상태(고저항 상태)로 이행하는 동작으로, 세트 동작과는 반대로 어몰퍼스 상태에서 결정 상태로 이행하는 동작을 의미한다. 모든 지연 시간도 낸드플래시 메모리에 비하면 매우 짧다.

10만회의 재기록 주기를 반복해도 열화가 없음을 확인

리셋 동작과 세트 동작을 반복하는 재기록 사이클에 관해서는 10만회의 재기록를 반복해도 이상 전압과 읽기 마진 양쪽 모두에 변화가 거의 없는 것을 확인했다. 10만회를 넘으면 끝전압이 조금씩 상승한다. 이것은 쓰기가 많은 스토리지에 응용을 상정했을때 강한 기대를 가질 수 있는 특성이라고 말할 수 있을 것이다.

데이터 보유 특성에 대해서는 리셋 동작 후에 대해서만 데이터를 공표하고 있었다. 85°C의 온도 조건으로 1만 시간(약 1.14년)을 넘는 데이터 보유기간을 확보할 수 있다. 세트 동작에 관한 데이터의 제시가 없었던 것은 조금 아쉽다.

저항변화 메모리를 선택하지 않은 이유

또한 강연에서는 첫머리에 크로스 포인트 구조의 기억 소자에 저항 변화 메모리(ReRAM)가 아닌 상변화 메모리(PCM)를 선택한 이유를 설명하고 있었다. Re램의 문제점은 크게 두 가지가 있다고 한다. 하나는 온/오프비가 작기 때문에 읽기 마진이 좁은 것. 다른 하나는 랜덤 텔레그래프 노이즈가 큰 것이다. Re램의 재료는 산화하프늄계 박막이다.

SK Hynix는 지난해(2017년) IEDM에서 Re램을 통한 단층 크로스 포인트 구조의 16Kbit 메모리 셀어레이를 제작한 결과를 발표하면서 차세대 반도체 제조 기술과 메모리 기술이였던 만큼 상기 코멘트에는 무게감 느껴진다.

그리고 이번 논문에서 SK Hynix는 개발한 128Gbit 메모리에 대해 상품화 준비가 되어 있다(nearly ready commercialization)고 했다. 동사가 메모리 반도체 제품으로서 128Gbit 고속 대용량 비휘발성 메모리의 판매를 가까운 미래에 시작할 것을 기대한다.