본문 바로가기
관련링크 : https://pc.watch.impress.co.jp/docs/colu...56692.html 

1.jpg

 

메모리 스루 홀, 혹은 펀치 앤 플러그 기술의 개요. 도시바가 2017년 5월에 국제 메모리 워크샵 IMW의 튜토리얼에서 강연한 자료.

 

벨기에의 연구 개발 기관인 imec을 비롯한 연구팀은 초 대용량 비휘발성 메모리 제조 기술인 3D 낸드를 강 유전체 메모리에 적용해 메모리 셀을 제작한 성과를 IEDM 국제 학회에서 발표했습니다.

 

 

2013년부터 양산을 시작한 3D 낸드 플래시 기술 

 

이 연구는 두 가지 상황을 깔고 있습니다. 하나는 플래시 메모리 제조 기술의 혁신으로, 3D 낸드 기술이 등장해 상업적인 성공을 거뒀다는 겁니다. 3D 낸드 플래시 기술을 사용한 메모리의 양산은 2013년에 시작, 2016년에는 낸드 플래시 메모리의 주력 양산 기술로서의 지위에 올라섰습니다.

 

여기서 3D 낸드 기술이란 실리콘 다이 표면에 수직 방향으로 쌓은 메모리 셀을 한번에 제조하는 기술입니다. 메모리 스루 홀, 혹은 펀치 앤 플러그라고도 부릅니다.

 

중요한 건 제조 공정입니다. 제어 게이트(워드 라인)과 절연막을 교대로 쌓아 트랜지스터의 채널에 해당하는 길쭉한 구멍 (메모리 스루 홀)의 배열을 한번에 형성합니다. 메모리 스루 홀의 수는 1개 웨이퍼 전체에서 몇 조 개에 달합니다. 메모리 스루 홀 내벽에 전하를 포획하는 절연 층(실리콘 질화막)을 균일하게 증착하고 구멍의 나머지를 다결정 실리콘 채널에 포함시킵니다. 이렇게 하면 64단을 비롯해 수많은 워드라인 층 수를 갖춘 방대한 양의 셀 스트링을 빠르게 만들 수 있습니다. 

 

 

10nm 두께로 강유전성을 유지하는 재료가 2011년에 발견 


또 다른 배경은 10nm까지 얇게 줄여도 강 유전성을 유지하는 박막 재료의 발견입니다. 하프늄 산화물 박막을 특별하게 가공하면 강유전체로 변화한다는 사실이 2011년 IEDM 학회에서 발표됐습니다. 2016년 IEDM에서 독일 NaMLab과 글로벌 파운드리는 28nm CMOS 기술의 64Kbit 강유전체 비휘발성 메모리를 개발한다고 발표했습니다.  

 

강 유전체의 하프늄 산화물을 사용한 비 휘발성 메모리 셀은 주로 두 가지가 있습니다. 하나는 DRAM 셀과 유사한 구조로 개의 셀 선택 트랜지스터와 1개의 강유전체 캐패시터로 구성됩니다. 다른 하나는 플래시 메모리 셀 트랜지스터와 마찬가지로 1개의 트랜지스터(강 유전체 트랜지스터, 또는 FeFET)가 셀 선택과 데이터 저장을 겸하는 방법입니다. 당연히 두번째  방법의 기억 밀도가 높습니다.

 

2.jpg

 

글로벌 파운드리와 NaMLab이 개발한 강 유전체 트랜지스터(FeFET)의 전자 현미경 관찰 사진

 

 

메모리 스루 홀 기술로 초 고밀도 강 유전체 메모리를 구현


여기에서 imec가 고안한 방법이 강 유전체 트랜지스터(FeFET)의 셀 어레이를 3D 낸드 플래시 메모리 스루 홀 기술로 제조하는 것입니다. 2017년 6월 VLSI 심포지엄에서 imec가 발표한 구성으로, 플래시 메모리와 이론적으로 같으며 저장 밀도가 크게 늘어납니다. 

 

3.jpg

 

imec가 발표한 FeFET 셀 어레이를 3D 낸드 플래시 메모리 스루 홀 기술로 제조한 이미지. 차지 트랩 방식의 3D 낸드 플래시 메모리 셀과 매우 닮은 구조입니다. 

 

FeFET는 제어 게이트(워드 라인)과 게이트 절연막(강 유전체 박막과 얇은 산화 질화막), 채널(기판)으로 구성됩니다. 이에 비해 3D 낸드 플래시 메모리의 셀 트랜지스터는 제어 게이트(워드 라인)과 게이트 절연막(차지 트랩 질화막과 산화막), 채널 (기판)로 구성되며, 셀 트랜지스터의 구조가 매우 비슷합니다. 

 

따라서 3D 낸드 플래시 메모리의 셀 트랜지스터 게이트 절연막 부분을 강 유전체 박막으로 대체하면, '이론적으로는' 3D 낸드 타입의 대용량 강유전체 비 휘발성 메모리를 실현할 수 있습니다. DRAM은 물론이고 3D 크로스 포인트 구조의 대용량 비휘발성 메모리의 용량과 밀도도 넘어서는 게 가능합니다. 강 유전체 메모리 특성상 재기록 속도도 플래시 메모리보다 높습니다.

 

 

3층 게이트에 메모리 스루 홀을 형성

 

2018년 12월 IEDM 학회에서 imec는 3D 낸드 기술(메모리 스루 홀 기술)로 제조한 강 유전체 셀 어레이를 만들어 비휘발성 메모리로서 동작함을 확인하고, 장기 신뢰성과 평가 결과를 발표했습니다. 셀 어레이는 3층의 게이트 층으로 구성되니 트랜지스터의 수는 3개입니다. 그러나 최상층/최하층의 게이트 층은 셀렉트 게이트라서 실제로 데이터를 읽고 쓰는 건 중앙 게이트의 셀 트랜지스터입니다.

 

4.jpg


3D 낸드 기술(메모리 스루 홀 기술)로 제조된 강 유전체 셀 트랜지스터의 구조도(중앙 및 오른쪽)과 제조 공정(왼쪽)

 

5.jpg

 

메모리 스루 홀과 셀 트랜지스터의 단면을 전자 현미경(TEM)으로 관찰한 사진.

 

셀 트랜지스터의 채널 길이는 약 50nm, 강유전체 재료인 이산화 하프늄(HfO2)의 두께는 15nm입니다. 채널의 재료는 n형 비정질 실리콘. 메모리 스루 홀 직경은 70nm~100nm. 셀 트랜지스터의 온 전류는 약 1μA, 오프 전류는 몇 pA입니다. 

 

 

10V, 100ns의 전압 펄스를 인가해 기록/삭제를 확인

 

6.jpg

 

데이터의 쓰기 동작과 삭제 동작은 극성이 서로 다른 10V의 펄스 전압(펄스 폭 100ns)를 인가해 실행합니다. 게이트 전압의 차이는 최대 2V 정도입니다. 프로토타입이라 그런가 쓰기/삭제 특성이 아주 좋다고는 하지 못합니다.

 

7.jpg

 

10사이클 리프레시를 반복하자 게이트 전압 차이가 상당히 커졌습니다. 삭제 이후 게이트 전압의 편차를 다소 줄었으나 그래도 1V 정도 차이납니다. 쓰기 동작 후에는 게이트 전압 차이가 4V까지 벌어졌습니다.

 

8.jpg

 

재기록 특성(내구성)은 1만번까지 확인했습니다. 이 역시 우수하다고 말하긴 어렵습니다. 쓰기 작업은 게이트 전압이 먼저 떨어져 격차가 생기고, 10~100회에서 게이트 전압이 가장 줄어들어 격차가 가장 크게 벌어집니다. 이후에는 게이트 전압이 급상승합니다. 삭제 동작은 게이트 전압이 비교적 안정적으로 변화합니다. 

 

쓰기 동작의 특성이 그리 좋지 않은 이유는 이산화 하프늄 박막의 강 유전체 특성, 이산화 하프늄 박막 내부의 결함에 의한 전하 포획 때문입니다. 추가 실험 결과 이산화 하프늄 박막 내부의 결함이 전자를 포획해, 셀 트랜지스터의 게이트 전압에 영향을 준다고 나타났습니다.

 

9.jpg

 

고온에서 데이터를 유지했을 때의 특성(데이터 보존)은 온도 85℃ 조건에서 100시간까지 확인됐습니다. 삭제 시 게이트 전압은 안정되지만, 쓰기 동작 시 게이트 전압은 100시간이 지났을 때 상당 수준 올랐습니다. 이산화 하프늄 막의 결함에 포획된 전자가 열에너지를 얻고 방출되며 게이트 전압에 영향을 줬을 가능성이 있습니다. 

 

3D 낸드 플래시 메모리에서 개발된 독특한 제조 기술(메모리 스루 홀과 펀치 앤 플러그)는 이론적으로 다른 비휘발성 메모리에도 쓸 수 있습니다. 즉 플래시 메모리 이외의 비휘발성 메모리에서 기억 밀도를 높일 기회를 제공한다고 보면 됩니다. 그 첫번째 연구 사례가 강유전체 메모리와의 조합입니다.

 

물론 초기 단계에선 좋은 결과가 나오지 않았으나 이는 당연하다고 볼 수 있습니다. 강유전체 메모리의 연구 과정을 돌이켜보면 오히려 시작 치고는 괜찮은 수준이라 보입니다. 강유전체 메모리 개발의 노하우와 3D 낸드 플래시 제조의 노하우가 본격적으로 융합하면 성능이 크게 개선될 것입니다.  

 

List of Articles
번호 제목 글쓴이 최근 수정일 추천 수 조회 수
인기글↑ 주변기기 화면 보호기 작동을 막는 USB 장치 file [1] 회원_69026735 2019-03-14 11:44   22
602 CPU/MB/RAM 화웨이의 첫 ARM 서버 프로세서, 7nm 64코어 file 회원_27008205 2018-12-25 13:15   10
601 CPU/MB/RAM 인텔 CPU 뚜따용 아이템, OC 프레임 file 회원_55803098 2018-12-25 13:14   9
» 업계동향 초 대용량 메모리를 만들 수 있는 3D 낸드 강 유전체 셀의 개발 file 회원_42982114 2018-12-25 13:13   7
599 노트북 특허받은 저소음 / 고효율 공기냉각 솔루션 AeroBlade™ 3D Fan 회원_54353563 2018-12-23 16:57   12
598 업계동향 핀란드 슈퍼컴퓨터에 AMD 7nm EPYC이 20만 코어 탑재 [1] 회원_75975372 2018-12-16 09:05   46
597 업계동향 AMD Ryzen 3000 시리즈 7nm CPU는 이미 내부 테스트를 마쳤습니다. file 회원_90371866 2018-12-11 05:53   56
596 VGA 아쿠아 컴퓨터의 RTX 2080 Ti용 풀 커버 워터블럭 file 회원_62720873 2018-12-11 01:55   117
595 케이스 인텔 고스트 캐년 하이엔드 NUC file 회원_91122309 2018-12-11 01:55   46
594 OS 윈도우 10 10월 업데이트에서 NVIDIA 드라이버가 설치 안 되는 문제의 해결 file 회원_52797765 2018-12-11 01:54   91
593 업계동향 도레이 울트라 스웨이드를 쓴 필코의 키보드 팜레스트 file 회원_46350833 2018-12-11 01:54   18
592 주변기기 OWC USB-C Travel Dock 도킹 스테이션 file 회원_50866462 2018-12-11 01:53   19
591 업계동향 AMD 라데온 베가 II의 상표 등록 file 회원_57571649 2018-12-11 01:53   12
590 VGA 출력 포트가 없는 RX 470을 개조해서 그래픽카드로 사용 file 회원_20477552 2018-12-11 01:53   67
589 VGA 지포스 GTX 1060 6GB 가격 인하정보 회원_05171610 2018-12-11 01:52   15
588 VGA NVIDIA 지포스 RTX 20 모바일의 스펙/성능? 회원_67054178 2018-12-11 01:52   20
587 VGA 라데온 RX 480 벤치마크 공개 file 회원_15890133 2018-12-11 01:50   17
586 VGA RX 480 패키지 사진 및 성능 테스트 file 회원_44666471 2018-12-11 01:50   11
585 VGA AMD RX 480의 고해상도 이미지 file 회원_31674899 2018-12-11 01:49   19
584 업계동향 최초의 PCI-E 4.0 개발 플랫폼이 등장. 속도는 18GB/s file 회원_63755073 2018-12-11 01:49   25
583 VGA GTX 1080의 물량부족. 수율이 아닌 인기 때문 회원_61353049 2018-12-11 01:47   10
582 VGA RX 480의 스팀 VR 성능 테스트 file 회원_98238686 2018-12-11 01:47   12
581 저장장치 도시바의 대용량 SSD 계획. 128TB는 2018년에 출시예상함 회원_86723991 2018-12-11 01:46   8
580 VGA 기가바이트 GV-N1070WF2OC-8GD 실물유출 file 회원_45303062 2018-12-11 01:46   12
579 VGA ASUS TURBO-GTX1070-8G file 회원_47513387 2018-12-11 01:45   6
578 업계동향 지포스 GTX 1080/1070의 DVI 출력 문제 회원_21964530 2018-12-11 01:44   6
서버에 요청 중입니다. 잠시만 기다려 주십시오...