메모리 소자

예상문제 풀이

예상문제 ❶

이머징(Emerging) 메모리 소자에 대해 설명해 보시오.

STEP1 접근 전략

• 설명형 문제로 난이도는 중상 수준이며 기존 메모리의 한계 극복 방안 중 하나로 중요도가 높아지는 추세이다.

• 기존 DRAM과 낸드 플래시의 문제점과 차세대 메모리 등장의 배경에 대해 설명한다.

• 주요 차세대 메모리 3종에 대한 구조, 동작 원리 및 특성에 대해 간략히 설명한다.

STEP2 답안 구조화 TIP

Q DRAM과 낸드 플래시 이후의 메모리 소자?

• 메모리 기능 요소 → 집적도, 비휘발성, 속도

• 기존 메모리(전하 기반) → DRAM: 미세화 한계, 휘발성

  \qquad\qquad\qquad\qquad낸드 플래시: 동작 속도↓

• 차세대 메모리(저항 기반)

  - PRAM: 칼코지나이드 물질 상변화 → 속도↑, 집적도↓

  - RRAM: 금속 산화물 필라멘트 → 집적도↑, 스위칭 산포↑, 내구성↓

  - STT-MRAM: MTJ, TMR, STT → 속도↑, 집적도↓

STEP3 모범답안

메모리 소자가 갖춰야 할 기능 요소는 집적도(Density), 비휘발성(Non-Volatility), 속도(Speed)라고 할 수 있습니다. DRAM의 경우 이미 미세화의 한계에 도달해 있고 휘발성이라는 단점이 있으며, 낸드 플래시는 3차원 구조로 고집적화가 가능하고 비휘발성이라는 장점이 있는 반면, 느린 동작 속도라는 치명적인 단점이 있습니다. 이 외에도 기존 메모리는 전하 기반 소자로서 미세화에 따른 저장 전하의 개수의 감소 및 누설 전류로 인한 동작의 신뢰성에 문제가 있습니다. 이런 상황에서 저항 기반의 모든 기능 요소를 다 갖춘 다양한 이머징 메모리 중, 현재 상용화 중인 것은 PRAM(Phase change RAM), RRAM(Resistive RAM)과 STT-MRAM(Spin-Transfer Torque Magnetic RAM)입니다. PRAM은 6족 원소인 칼코지나이드(Chalcogenide) 물질의 비정질과 결정질의 가역적 변화를 이용하여 비정질 시 저항이 크고 결정질 시 저항이 작은 성질을 이용하여 메모리 소자를 만드는 방법입니다. 최근 인텔이 이를 기반으로 한 3D X-point 메모리 소자를 상용화하였지만, 쓰기(Write) 속도가 약 1$\mu$s 수준으로 낸드 플래시 대비 매우 빠르나 DRAM보다는 10~20배 정도 느린 문제가 있고, 상변화를 일으키기 위한 열의 확산으로 인해 주변 셀들과의 간섭 현상이 일어나 집적도에 한계가 있다는 단점이 있습니다.

RRAM은 두 개의 금속 전극 사이에 절연막을 삽입한 구조로서, 전기적 신호에 따라 저항이 변화하는 원리를 이용한 소자이며 스위칭 전류가 낮아 이를 구동하는 트랜지스터의 크기를 줄일 수 있어 고집적화에 유리하고 저비용인 점이 장점이나 금속 산화물(Metallic oxide) 부도체가 외부 전압 인가 시 필라멘트가 형성되어 전하가 이를 통해 흘러 전도체가 되는 메커니즘입니다. 따라서 무작위(Random)한 필라멘트 형성으로 인해 스위칭 산포가 커 안정적인 동작이 어렵고 DRAM보다는 느리며 내구성에 문제가 있습니다.

STT-MRAM은 데이터 쓰기를 위한 별도의 배선이 필요해 집적도 및 자화 시 간섭 문제가 있었던 기존 M램 기술에서 진보한 기술입니다. 한쪽 자성층이 외부 전류 인가 시 자화 방향이 바뀌는 자유층이고 다른 한쪽은 자화 방향이 고정되어 있는 고정층으로 구성된 두 개의 자성층 사이에 얇은 절연층(MgO)이 존재하는 자기 접합 터널(Magnetic Tunnel Junction, MTJ)이라는 구조에서, 두 자성층의 자화 방향이 일치하면 저항이 낮아지는 상태를 '0'으로, 반대로 자화 방향이 엇갈리면 저항이 증가하는 상태를 '1'로 인지하는 TMR(Tunnel Magnetro Resistance) 현상을 이용하여 읽기 동작이 일어납니다. 쓰기 동작은 높은 밀도의 강한 전류가 MTJ의 강자성층을 통과할 때, 강자성체의 자화 방향이 전류 속 전자의 스핀 방향과 일치하지 않으면 강제로 일치시키는 STT(스핀 전달 토크) 현상을 이용합니다. 이 원리를 이용하여 고정층에서 자유층으로 높은 전류를 흘려주면 두 자성층의 방향이 일치하게 되어 이것을 '0'으로 기억하고, 자유층에서 고정층으로 전류를 흘려주면 경계층인 절연막에서 스핀 축적 현상이 일어나 두 자성층의 자화 방향을 반대로 엇갈리게 배열시키게 되는데, 이때를 '1'로 기억하게 되는 원리를 이용합니다. STT-MRAM은 비휘발성이면서도 D램급의 고속 동작이 가능하며 전력소모가 적고 무한대의 기록 및 재생 능력이 강점이지만, 메모리 셀 간의 자기적 간섭으로 인한 집적화의 문제와 고비용, 소자 소형화라는 문제점을 개선해야 하므로, 현재는 단독 메모리 (Stand-Alone) 보다는 SoC(System on Chip)의 내장(Embedded) 메모리 용도로 상용화되어 있습니다.