차세대 메모리의 무서운 정체, 후지쯔+Nantero (NRAM)

카본 나노 튜브 구조. 육각형의 정점에 자리잡은 작은 구체가 탄소 원자(Nantero의 공개 자료)

 

후지쯔 그룹의 반도체 업체인 후지쯔 세미 컨덕터가 미국의 기술 개발 벤처와 공동으로 차세대 비휘발성 메모리를 개발하겠다고 발표한 것은 8월 31일이다.(후지쯔 세미콘과 Nantero, 카본 나노 튜브를 이용한 차세대 비휘발성 메모리 "NRAM" 개발에 협업)

 

정확히는 후지쯔 세미 컨덕터와 생산 자회사인 삼중 후지쯔 세미 컨덕터, 미국의 Nantero 3개 업체로 카본 나노 튜브(Carbon Nanotube)를 기억 재료로 하는 차세대 비휘발성 메모리를 공동 개발하고 2018년 말까지 이러한 비휘발성 메모리를 내장하는 SoC를 상품화한다. SoC 뒤에는 독립형 메모리 제품도 개발할 계획이다.

 

카본 나노 튜브는 수많은 탄소 원자가 연결된 미세한 원통형의 구조체를 말한다. 보통은 탄소 원자들이 육각형의 각 정점에 위치하고 있으며 육각형이 벌집처럼 연이어 나가는 것으로 지름이 나노 미터(nm)급의 미세한 원통을 형성한다. 전기적으로는 금속, 혹은 반도체다.

 

카본 나노 튜브를 비휘발성 메모리의 기억 소자에 사용한다는 아이디어는 상당히 드물다. 반도체의 연구 개발 커뮤니티에서 카본 나노 튜브의 응용으로 상정해 온 것은 배선, 그리고 트랜지스터의 채널이다.

 

카본 나노 튜브는 허용 가능한 전류 밀도가 구리 배선보다 훨씬 높다. 거기서 구리 배선을 대체해 차세대 배선 재료로서 연구가 진행되고 있으며 카본 나노 튜브는 전자의 이동성이 매우 높다. 여기서 트랜지스터 채널로 탄소 나노 튜브를 사용한 차세대 초고속 트랜지스터가 연구되고 있다.

인접한 카본 나노 튜브의 거리를 제어

미국의 기술 개발 벤처인 Nantero는 2001년에 매사추세츠주 보스턴에 설립됐다. 카본 나노 튜브를 사용한 비휘발성 메모리를 개발한 기업이다. 이 회사는 개발한 메모리를 "NRAM(Nanotube RAM)" 이라고 호칭하고 있다.

 

NRAM은 어떠한 메모리일까. 대략적으로 얘기하면 저항 변화 메모리(ReRAM)로 분류된다. 다만 정기의 ReRAM은 금속 산화막을 기억 소자에 사용하고 있으므로 카본 나노 튜브를 쓴 NRAM은 ReRAM의 일부가 아닌 독자적인 카테고리로 분류해야 할 것이다.

 

NRAM의 동작 원리는 인접한 카본 나노 튜브의 거리를 조정함으로써 저항 값을 제어한다는 것으로 인접한 카본 나노 튜브가 접촉(혹은 근접) 하고 접촉점을 통해서 전류가 흘러가는데 저항이 낮아진다. ReRAM의 저 저항 상태(LRS)에 해당하고 인접하는 카본 나노 튜브가 너무 멀면 전류가 흐르지 않고 저항 값이 높아진다. ReRAM의 고 저항 상태(HRS)에 해당한다.

 

메모리 셀은 1개의 트랜지스터와 1개의 기억 소자(수많은 카본 나노 튜브에 의한 박막)으로 구성한다. 1개의 셀 셀렉터 트랜지스터와 1개의 기억 소자로 메모리 셀을 구성하는 것은 상변화 메모리나 자기 메모리, 저항 변화 메모리와 같은 차세대 비휘발성 메모리와 유사한 구성이며 일반적이다.

 

일반적이지 않은 것은 쓰기 동작, 즉 카본 나노 튜브간 물리적 위치의 조정이다. 리셋 동작(고 저항 상태의 쓰기 동작)에 필요한 전압은 약 3V로 낮다. 카본 나노 튜브에 격자 진동을 일으킴으로써 인접한 카본 나노 튜브를 떼어 낸다. 세트 동작(저 저항 상태의 쓰기 동작)에 필요한 전압은 극성이 반대로 약 -2V로 더 낮다. 전압 인가에 따른 정전력에 의해서 인접한 카본 나노 튜브를 접촉시킨다. 모든 동작 후에는 전원을 끊어도 같은 상태를 유지한다. Nantero의 공개 자료에는 NRAM의 동작을 위와 같이 설명한다.

 

이 설명으로 납득할 수 있는 반도체 메모리 엔지니어는 아마 없을 것이다. 공표되지 않은 방대한 노하우가 존재하며 그것은 Nantero가 2011년 8월 플래시 메모리 서밋(FMS)에서 133건이 넘는 미국 특허를 취득하고 있는 것으로도 유추할 수 있다. 노하우의 일부가 미국 특허로서 공개되어 그것이 133건을 넘고 있기 때문이다.

2010년에 4Mbit의 개발 칩을 국제 학회에서 발표

Nantero가 연구 개발 성과를 공표하기 시작한 것은 설립 이후 9년후인 2010년으로 보인다.

 

이 해 가을 반도체 기술 국제 학회 "ESSDERC/ESSCIRC"에서 기억 용량이 4Mbit의 실리콘 다이의 테스트 결과를 발표했기 때문이다. 이듬해 여름에 플래시 메모리 업계 이벤트 "플래시 메모리 서밋(FMS)" 에서 동사의 활동에 관한 프레젠테이션을 실시했다.

 

FMS의 강연 슬라이드를 보면 Nantero의 연구 개발이 진화한 모습이 잘 나타난다. 설립 이듬해 2002년에는 표준적인 반도체 제조 프로세스 안에서 카본 나노 튜브를 구성하고 NRAM의 스위칭 동작을 확인했다. 이어 2003년에는 CMOS 프로세스와 CNT 프로세스를 조합하는데 성공했다. 2005년에는 CNT를 사용한 IC를 개발하는 동시에 지름이 22nm로 미세한 기억 소자를 제조했다. 2007년경에는 NRAM의 개발에 성공하고 있었다고 보여지며 4Mbit의 NRAM을 만들어 우주 왕복선에 실어 대기권 밖 환경 성능을 평가했다.

 

2001년부터 2010년까지 Nantero의 성과(NRAM 개발의 진전) ※Nantero의 FMS 2011강연 슬라이드

 

이들의 행보를 보면 우주 왕복선에서의 평가가 완료된 이후부터 개발 칩의 대외 발표를 의미한다. 실제 국제 학회 "ESSDERC/ESSCIRC"에서 발표된 4Mbit 칩의 완성도는 상당히 높다.

 

개발 칩 제조 기술은 0.25μm의 CMOS 프로세스. 금속 배선의 층 수는 적어도 4층이다. 3층 금속 배선과 4층 금속 배선 사이에 카본 나노 튜브의 기억소자들을 배치했다. 기억층의 지름은 약 140nm. 메모리 셀 셀렉터 트랜지스터는 n채널 MOS FET. 실리콘 다이 치수와 메모리 셀 면적은 모두 공개하지 않고 있다.

4Mbit NRAM의 실리콘 다이 사진. 다이 치수는 공개하지 않고 있다. ※Nantero가 2010년 가을에 국제 학회 "ESSDERC/ESSCIRC" 에서 발표한 논문

 

차세대 비휘발성 메모리 중에서는 단연 소비 전력이 낮다

쓰기 동작에 필요한 전압 펄스의 기간은 리셋 동작이 약 50ns, 세트 동작이 약 500ns로 상당히 짧다. 쓰기 동작에 필요한 전류는 리셋 동작이 약 15μ A, 세트 동작이 약 1μ A로 낮다. 상변화 메모리(PCM) 및 스핀 주입 자성 기억기(STT-MRAM)와 비교해도 상당히 낮은 값이다.

 

읽기 동작에 필요한 전압 펄스의 기간은 세트 동작 후(저 저항 상태) 출력이 50ns, 리셋 동작 후(고 저항 상태) 출력이 30ns로 이것도 매우 짧다. 출력에 필요한 전류는 세트 동작 후가 2μ A~3μ A, 리셋 동작 후가 10μ A 미만으로 낮다. 또한 출력 전압은 약 1V.

 

이들 데이터로부터 NRAM이 차세대 비휘발성 메모리 중에서는 뛰어난 소비 전력을 갖는다는 것을 알 수 있다. 4Mbit의 소용량 칩이라고는 하지만 고속·저소비, 저전압을 6년 이상 전에 달성했다는 것은 대단한 것이다.

쓰기 수명과 내열성에도 매우 뛰어나다

엄청난 것은 이것뿐만이 아니다. 쓰기 사이클 수명과 내열성도 뛰어났다. 2011년 플래시 메모리 서밋에서 Nantero는 그 뛰어난 특성을 선보였다.

 

세트 동작과 리셋 동작의 반복에 의한 갱신 사이클 수명은 10억회를 넘었다. 게다가 10억회를 넘어도 음질의 조짐이 보이지 않는다. 이 수준에서 수명을 달성할 수 있는 비휘발성 메모리는 강유 전체 메모리와 자기 메모리만 있다. 상변화 메모리와 저항 변화 메모리에 이르러서는 100만번 가량의 쓰기 수명을 확보하는 것이 고작이다.

쓰기 사이클 수명의 특성(Nantero의 FMS 2011강연 슬라이드)

 

내열성은 더욱 멋지다. 300°C의 고온 방치로 데이터의 보유 기간이 10년을 넘는다. 이렇게 되면 오히려 카본 나노 튜브가 아니라 실리콘 부분에서 오류가 일어나는 것을 걱정할 정도의 내열성이다. 공업용은 당연하며 자동차용(파워 트레인 부분)에도 채용이 가능하다.

 

고온 방치에 의한 데이터 유지 특성(Nantero의 FMS 2011 강연 슬라이드)

 

NRAM은 학회 발표 수준이라고는 하지만 5년 전의 시점에서 이 정도의 실력을 과시했다. 이어 5년이 지난 현재 NRAM은 더 많이 진행 되었을 것이다. 이에 대해서는 후편에서 자세히 설명한다.

 

출처 - http://pc.watch.impress.co.jp/docs/column/semicon/1020225.html