[인더스트리뉴스 최기창 기자] 최근 MRAM(Magnetic RAM)과 PCRAM(Phase Change RAM), ReRAM(Resistive RAM) 등 3종의 새로운 메모리가 상용화 단계로 접어들면서 반도체와 컴퓨팅 산업에 호재가 되고 있다. 위 3가지 메모리는 새로운 소재(재료)로 이용할 수 있고, 공정 기술 및 제조 분야 혁신을 필요로 한다는 것이 특징이다.

이상적인 반도체 메모리는 다양한 특성을 갖추는 것이 일반적이다. 빠른 읽기/쓰기 속도, 랜덤 액세스, 저비용, 3D 확장성, 저전력, 비휘발성, 높은 내구성, 높은 온도 허용오차, 멀티 비트 저장을 위한 멀티플 스테이트(Multiple States) 등이 메모리의 성능을 구분하는 요소로 평가된다. 그러나 현재 어떤 메모리도 위와 같은 속성을 모두 제공하지 않는다. 다만 MRAM과 PCRAM, ReRAM 등은 주류 메모리를 보완할 주요 후보로 꼽힌다. 성능 개선, 전력 및 비용 절감 등에서 긍정적인 영향을 주기 때문이다.

IoT 기기의 주요 메모리 후보로 꼽히는 MRAM

MRAM은 다양한 속성이 있다. 빠른 속도와 비휘발성, 저전력(마그네틱 기술) 등이 장점이다. 메모리 배열이 단 3개의 부가 마스크(Additional Masks)이기 때문에 백엔드 인터커넥트 레이어에 내장될 수 있어 경제성이 높다는 것도 강점으로 꼽힌다. MRAM은 SRAM보다 느리지만, 많은 내장 컴퓨팅 애플리케이션의 작업 메모리로 사용될 수 있을 만큼의 속도는 보장한다. 또한 레벨 3 캐시 요구를 충족할 정도로 빠르다는 잠재력을 갖추고 있다.

여러 로직·파운드리 선도 기업들이 이러한 내장 MRAM을 사용한 시스템 온 칩(SoC) 설계의 조기 생산을 발표한 바 있다. 특히 MRAM은 인공지능(AI) 연산을 지원해야 할 사물인터넷(IoT) 기기의 주요 메모리 후보로 꼽힌다. 더불어 시간이 지날수록 MRAM은 임베디드 시장의 자동차 분야에서도 고온 요구 조건을 충족시킬 수 있을 것으로 보인다.

기술 및 제조 관점에서 MRAM의 가장 큰 과제는 디지털 데이터를 나타낼 때 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 이용한다. 특히 코어 산화마그네슘(MgO) 박막층은 엄격히 통제된 상태에서 정확한 결정 배열로 증착되어야 한다. 단 하나의 원자에서 높이 변화가 발생해도 성능과 신뢰성에 영향을 미칠 수 있다.

새로운 스토리지 클래스 메모리, PCRAM

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 특징이 있다. 현재 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 증착되어야 한다. PCRAM 층은 MRAM만큼 얇지 않지만, 불순물에 매우 민감하다. 결국 다양한 소재를 사용할 수 있고 미세 입자와 불순물을 예방할 수 있는 PVD(Physical Vapor Deposition) 공정 기술이 필요하다. 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.

고밀도 애플리케이션 겨냥한 ReRAM

ReRAM 기술은 여러 형태가 있다. 이온 브릿지 내 금속 필라민트에 삽입된 것도 있고, 기본 소재 안에 생성된 산소 정공으로 만들어진 형태도 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 보였다. 소재와 제조 기술을 개선해 신뢰성을 확보할 수 있도록 실패 원인을 파악하는 노력이 필요하다는 지적이다. 이 문제가 해결된다면 ReRAM은 스토리지 애플리케이션에 높은 밀도와 낮은 비용을 제공할 수 있을 것으로 전망된다.

오늘날 주류 메모리인 DRAM, 플래시 및 SRAM은 지속해서 진화하고 있다. 반면 성능과 전력, 비용 측면에서 스케일링이 더욱 어려워지고 있다. 컴퓨팅도 지속적으로 확장하고 있다. 메모리 분야에서도 혁신이 필요한 이유다.

재료 공학 솔루션 분야 전문으로 새로운 기술 개발에 주력하는 혁신 기업인 어플라이드머티리얼즈(Applied Materials) 관계자는 “많은 사람은 수백억 개의 저가 컴퓨터가 모든 산업과 소비자 제품에 내장되어 IoT를 형성하거나 퍼블릭·프라이빗 클라우드 데이터센터에 저장하는 데이터가 폭발적으로 증가하는 세상을 상상한다. 앞으로 더 많은 정보 공유를 통해 많은 사람들이 새로운 재료 공학 솔루션을 이용할 수 있도록 노력할 것”이라고 말했다.

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