차세대 탄소나노튜브 메모리 NRAM

2022년 8월 15일

차세대 메모리 기술 NRAM

차세대 비휘발성 메모리 기술 카본나노튜브 메모리(NRAM).

PCM, MRAM, ReRAM의 다음을 노리는 비휘발성 메모리 기술.

신소재 카본나노튜브(CNT)를 이용한 비휘발성 메모리 'NRAM'이다. 전원이 없어도 데이터를 저장할 수 있는 비휘발성 메모리는, IT 시스템 절전화와 처리 고속화의 절찰의 하나. HDD와 DRAM의 중간에 위치하는 차세대 비휘발성 메모리 중에서도 종래 기술의 약점을 커버하는 것이다.

NRAM 이란

NRAM은 미국 Nantero가 개발한 카본 나노튜브를 이용한 차세대 비휘발성 메모리다. 국내에서는 55나노미터 기술로의 상품화를 위해 후지쯔 세미컨덕터 및 미에 후지쯔 세미컨덕터가 라이센스를 받아 3사에서 공동 개발할 것을 2016년 8월에 발표했다.

비휘발성 메모리는, 통전하지 않아도 기억을 유지할 수 있는 메모리 디바이스이다. PC나 서버에 탑재되는 제품으로는 HDD나 플래시 메모리(SSD, USB 메모리 등) 등이 대표적인 예이다. 임베디드 디바이스의 경우, 반도체 비 휘발성 메모리가 많이 사용된다.

메모리 디바이스는, 용량, 고속성, 패키지 사이즈, 소비 전력, 내구성(재기록 가능 횟수나 기억 유지 기간), 코스트라고 하는 6개의 항목으로 비교 검토되어, 목적이나 용도에 맞추어 최적인 것이 선택된다.

컴퓨터 사용자에게는 휘발성 메모리인 DRAM이나 SRAM은 친숙할 것이다. 이들은 고속의 읽고 쓰기가 가능한 반도체 메모리로서 많이 사용되지만, 기억을 유지하기 위해서는 상시 통전할 필요가 있기 때문에, 대부분은 HDD나 SSD 등의 비휘발성 메모리와 병용된다.

비휘발성 메모리에는 광디스크 등도 있지만, 향후 발전이 기대되는 IoT 디바이스를 비롯해 각종의 임베디드 기기에 탑재하는 비휘발성 메모리로서 주목하는 점은 컴팩트하고 작은 소비전력의 반도체 칩의 형태로 사용할 수 있고, 데이터 재기록을 자유롭게 할 수 있는 메모리 디바이스다. 여기에는 EEPROM, NAND Flash, NOR Flash 등이 지금까지 사용되었다.

SSD에서는 NAND Flash 기술이 이용되어 현재는 케이스 크기당 용량으로 HDD를 추월하는 제품도 등장했다. 대용량이면서 HDD보다 고속으로 동작하는 곳에서 HDD 대체 혹은 병용이 진행된 것은 아시다시피.

그러나 HDD보다 고속이라고는 해도 다른 반도체 메모리와 비교하면 결코 빠르지는 않고, 재기록 가능 횟수의 상한도 10만회 정도라고 하며, 비교적 조기에 한계가 온다.

NOR 플래시 디바이스는 읽기 속도가 빠르다는 장점이 있으며, 임베디드 기기의 펌웨어 저장에 많이 사용된다. 한편 집적도가 낮고 쓰기에 시간과 고전압이 필요하다는 약점이 있는데다 다시 쓰기 가능 상한은 10만회 정도다.

EEPROM은 재기록 상한이 120만회 정도로 1자리수 뛰어나지만, 다른 것은 같은 약점을 가진다. 같은 용도로 사용되는 것이 FRAM(FeRAM)으로, 이쪽은 읽기 쓰기 모두 10조회 정도, 쓰기 속도는 DRAM에는 미치지 않지만 다른 비휘발성 메모리보다 훨씬 빠르고, 소비 전력도 낮다.

탄소 나노튜브 메모리(NRAM)의 기억 원리

탄소 나노튜브 메모리(NRAM)의 기억 원리는 복잡하지 않다. 기억 소자는, 수많은 카본 나노 튜브를 포함한 층(카본 나노 튜브층, CNT층)을, 2매의 전극층으로 사이에 끼운 구조이다. 카본 나노튜브는 직경이 0.4nm~2nm, 길이가 수 마이크로미터인 중공 원통형(튜브형)에 탄소(카본) 원자가 접속된 구조의 재료로, 반도체 혹은 금속으로서의 성질을 구비한다. 즉, 도전체이다.

데이터 기입 동작에서는, 기억 소자의 전극에 적절한 전압 펄스를 가함으로써, CNT층의 카본 나노 튜브끼리의 접속을 제어한다. 인접한 카본 나노튜브가 접촉하여 전극 사이에 전류 경로를 형성하면, 기억 소자의 전기 저항이 저하된다. 이것이 "저 저항 상태 (LRS)"입니다. 또한, 전압 펄스의인가에 의해 인접하는 카본 나노 튜브끼리가 떨어져 전극 사이의 전류 경로가 소실되면, 기억 소자의 전기 저항이 상승한다. 이것이 "고 저항 상태 (HRS)"입니다. 데이터의 판독 동작에서는, 저전압 펄스를 기억 소자에 더하여 전류값을 검출하고, 저항 상태를 판별한다.

데이터 기입의 원리는 간단하지만, 실제로 이러한 제어가 잘 되는 것은 아니다. NRAM의 기본 기술은 기술 개발 벤처인 Nantero(난테로)가 소유하고 있어 독자적인 노하우가 있는 것으로 보인다.

탄소 나노튜브 메모리(NRAM) 개요.

Nantero의 공동 개발 및 기술 라이센스

NRAM의 개발회사 Nantero는 공동 개발 및 기술 라이센스 등으로 사업 확장한다.

Nantero는 자사에서 비휘발성 메모리 제품을 개발하지 않는다. 비즈니스의 기본적인 사고방식은 공동 개발이나 기술 라이센스 등이다. 최근의 개발 동향을 이하에 서술낸다.

중앙대학은 2014년 6월에 Nantero와 공동으로, 140nm 세대의 제조 기술에 의한 NRAM 기억 소자를 프로토 타입 해, 20ns로 짧은 전압 펄스에 의해 데이터를 재기록할 수 있는 것이나, 1000억회의 재기록 수명이 있는 것 등을 확인했다.

후지쯔 세미 컨덕터와 미에 후지쯔 세미 컨덕터는 2016 년 8 월 Nantero와 NRAM 기술에 의한 반도체 제품의 공동 개발에서 합의했다고 발표했다 (참고 기사 : " 후지쯔 세미, CNT 응용 메모리 "NRAM"을 상품화에 "). 55nm 세대의 제조 기술에 의해 NRAM 혼재 커스텀 LSI나 단체 NRAM 등을 공동 개발한다. 발표 당시의 뉴스 릴리스 에서는 제품화 예정을 2018년 말로 하고 있었지만, 2019년 6월 중순의 시점에서는, 제품은 릴리스되지 않은 것 같다.

또 Nantero는 2018년 8월에 반도체에 관한 복수의 이벤트로, 「대용량 NRAM에 의해 주 기억의 DRAM을 옮겨놓는다」아이디어를 발표했다. 28nm 세대의 제조 기술에 의해 4G비트 NRAM 실리콘 다이를 시작으로 개발한다. 메모리 셀은 1개의 트랜지스터와 1개의 CNT 기억 소자로 구성된다.

이어 제조 기술을 14nm 세대로 미세화한 NRAM을 개발한다. 실리콘 다이 당의 기억 용량은 4배의 16G비트가 된다고 한다. 이것은 현재의 DRAM 실리콘 다이의 최대 용량에 필적한다. 제조 기술을 7nm 세대로 더욱 미세화하면 실리콘 다이 당 64G비트의 대용량 비휘발성 메모리를 실현할 수 있다고 Nantero는 주장한다.

게다가 3차원 크로스포인트 구조를 채용해 기억 용량을 확대하는 NRAM의 아이디어에 대해서도 Nantero는 발표하고 있다. 다만, 크로스포인트 구조에서 필수로 여겨지는 셀렉터의 기술에 대해서는 접하지 않았다.

NRAM과 다른 반도체 메모리를 비교한 일람표. 2018년 8월 플래시 메모리 정상 회담(FMS)에서 Nantero가 발표한 슬라이드.

후지쯔와 벤처기업의 공동 개발

후지쯔 그룹과 미국의 반도체 벤처 낸테로가 차세대 비휘발성 메모리 'NRAM(에누람)'을 공동 개발한다고 공식 발표한 것은 2016년 8월 31일이다. 대략 5년 전의 일이다. 후지쯔 그룹의 공동 개발 멤버는 후지쯔 세미 컨덕터와 미에 후지쯔 세미 컨덕터의 두 회사입니다.

공동 개발하는 차세대 비휘발성 메모리 'NRAM'은 수많은 탄소 나노튜브(CNT:Carbon Nanotube)를 포함하는 박막을 기억 소자로 한다. '나노튜브 메모리(NRAM)', 'NRAM', '나노튜브 RAM' 등으로 불린다. CNT의 박막은 전압의인가에 의해 저항이 크게 변하는 가변 저항 소자가 된다. 그리고 전압인가를 정지해도 고 저항 상태 또는 저 저항 상태를 유지한다. 따라서, 비 휘발성 메모리의 기억 소자로서 이용할 수있다.

반도체 벤처인 Nantero는 2001년 미국 매사추세츠주 보스턴에서 창업했다. 이후, 탄소나노튜브를 사용한 비휘발성 메모리를 계속해서 개발해 왔다. 2010년에는 메모리 용량 4Mbit의 실리콘 다이를 250nm(0.25μm)의 CMOS 기술로 시작 하여 국제 학회에서 기술 개요와 평가 결과를 발표했다.

탄소 나노튜브의 구조. 탄소 원자의 연속이 미소한 원통을 형성하고 있다. Nantero의 공표 자료로부터

Nantero는 나노튜브 메모리의 고밀도화와 양산화를 분담하는 공동 개발 파트너를 찾고 있으며, 그 상대가 된 것이 후지쯔 그룹이었다. 2016년 8월 31일 시점의 발표에서는 2018년 말까지 55nm의 CMOS 기술에 의한 NRAM 혼재 LSI를 상품화한다는 목표를 내걸고 있었다 . 또 단체 메모리(독립형 메모리)와 실리콘 파운더리 서비스로 NRAM 사업을 확대해 나갈 예정이었다.

그러나 당초의 개발 예정은 결과적으로 대폭 늦어진다. 2018년 시작 시점에서 후지쯔 세미컨덕터의 시스템 메모리 컴퍼니장을 맡은 마츠노미야 마사토씨(당시)는 NRAM 관련 제품화 시기를 "2019년의 상품화를 목표로 한다"고 발언하고 있다(출처: 후지쯔 세미컨덕터 웹사이트 ). 2019년 커녕, 2021년 5월이 되어도 제품화 발표는 이루어지지 않았다.

64Mbit NRAM의 55nm CMOS 공정

64Mbit NRAM을 55nm CMOS 생산공정으로 생산한다.

실제로는 상품화의 목표 시기로부터 3년 정도 늦게, 공동 개발의 성과가 국제 학회에서 발표된 것이 된다. 필자가 아는 한, 공동 개발의 성과가 공표되는 것은 처음이다.

공동 개발 성과 발표 기관은 후지쯔 세미 컨덕터 메모리 솔루션과 유나이티드 세미 컨덕터 재팬, Nantero이다. 2016년 8월에 공동 개발의 시작을 공표한 시점에 비하면 후지쯔 그룹 측의 멤버가 모두 바뀌고 있다. 후지쯔 세미 컨덕터 메모리 솔루션은 후지쯔 세미 컨덕터의 메모리 사업 부문이 분사함으로써 2020 년 3 월 31 일에 설립되었다. 유나이티드 세미컨덕터 재팬은 미에 후지쯔 세미컨덕터를 대만의 실리콘 파운더리 UMC가 인수함으로써 2019년 10월 1일에 발족했다. 어느 움직임도 후지쯔 그룹 측의 연구 개발 진행 속도에 영향이 없었다고 말하기 어렵다.

국제 학회 IMW에서 발표한 것은 기억 용량이 16Mbit인 NRAM 실리콘 다이이다. 제조 기술은 55nm의 CMOS 프로세스로 2016년 8월 발표한 대로다. 기억 용량은 Nantero가 2010년에 발표한 NRAM보다 4배로 늘었다. 제조 기술을 250nm 노드에서 55nm 노드로 대폭 미세화하고 있기 때문에, 실리콘 다이 면적은 반대로 감소하고 있는 것으로 보인다. 또한, 모두 국제 학회의 발표 논문에서는 실리콘 다이 면적을 밝히지 않았다.

16Mbit NRAM의 실리콘 다이 사진. 실리콘 다이의 치수와 면적은 공개되지 않았다. IMW2021에서 후지쯔 그룹과 Nantero가 공동 발표 한 논문에서

메모리 셀은 1개의 셀 선택용 MOS FET(약호는 T)와 1개의 CNT 저항 소자(약호는 R)로 구성된다. 「1T1R」이라고 부르는 표준 방식이다. CNT 저항 소자는 하층 전극(BE), CNT 가변 저항 박막, 상층 전극(TE)의 3층 구성으로 구조는 상당히 간소하다. 전극의 재료는 질화 티타늄 (TiN)이다.

프로토타입 CNT 저항 소자의 단면을 전자 현미경으로 관찰한 화상. IMW2021에서 후지쯔 그룹과 Nantero가 공동 발표 한 논문에서

시작한 16Mbit 실리콘 다이는 모든 비트가 정상적으로 작동했다. 기입 성능은 세트 동작(저저항 상태의 기입)이 200ns(전압 2.5V), 리셋 동작(고저항 상태의 기입)이 100ns(전압 3.5V)이다. 4Mbit의 프로토타입 실리콘 다이(세트 5.0V, 리셋 4.5V)에 비하면 낮은 전압에서 동작했다.

장기 신뢰성은 임베디드 플래시 메모리를 대체하기에 충분한 수준이다. 재기록 사이클 수는 100만 사이클, 데이터 유지 기간은 +150℃에서 10만 시간(약 11년)을 실현했다.

카본 나노 튜브 메모리(NRAM)의 프로토 타입 예. 과거에 학회나 이벤트 등에서 공표된 데이터를 정리한 것

'MRAM(자기저항 메모리)'의 장점은 차세대 메모리 중에서 가장 빠른 것이다. 최대 저장 용량(실리콘 다이 당)으로 1Gbit의 단체 메모리 제품이 샘플 출하되고 있으며, 256Mbit의 단체 메모리 제품이 판매되고 있다. 단점은 저장 용량 당 비용이 매우 높다는 것입니다. 이 비용이 저해 요인이 되어, 64Mbit 이상의 대용량품은 별로 사용되고 있지 않다. 16Mbit 이하의 소용량품이 현재도 판매의 주류이다.

NRAM(Carbon Nanotube Memory)의 장점은 고속, 고밀도로 재기록 사이클 횟수가 많아 데이터 유지 특성이 우수하다는 것이다. 단점은 핵심이 되는 기술의 개발 기업이 벤처 1사에 한정되고 있는 것과, 양산품의 데이터가 없는 것이다. 이전에는 2018년에 최초의 메모리 제품이 등장한다고 발표되었지만, 개발은 늦고 있다.