차세대 메모리 ReRAM의 원리 특징

저항 변화 메모리(ReRAM)의 기억 원리

저항 변화 메모리(ReRAM)의 소자 기억 원리에 대해 자세히 설명한다.

저항 변화 메모리(ReRAM)의 기억 소자는, 2매의 얇은 전극층에 의해 기억층을 사이에 두는 구조를 하고 있다. 기억층은 단층 혹은 2층, 3층이다. 데이터의 기입에서는, 기억 소자에 전압 펄스를 인가함으로써, 전극간의 전기 저항을 변화시킨다. 데이터의 판독에서는, 기입보다 낮은 전압 펄스를 기억 소자에 인가함으로써, 전류의 차이로부터 저항값을 판독한다.

저장 소자는 저항 값의 차이에 따라 "저 저항 상태 (LRS)"또는 "고 저항 상태 (HRS)"라고 불리는 상태 중 하나를 유지한다. 기입 동작에는, 「세트 동작」이라고 부르는 HRS로부터 LRS로의 스위칭과, 「리셋 동작」이라고 부르는 LRS로부터 HRS로의 스위칭이 있다.

저항값을 변화시키는 원리는 주로 2개. 하나는, 기억층이 절연층과 합금층으로 구성되어 있는 것. 초기 상태에서는 고저항 상태(HRS)에 있다. 전압 펄스의 인가에 의해 절연층 내를 합금층의 금속 이온이 이동하여, 절연층 내부에 도통 경로("필라멘트")를 형성한다. 그러면 전극간의 저항이 내려가 저저항 상태(LRS)가 된다. 이것이 설정 동작입니다. 리셋 동작에서는, 역극성의 전압 펄스를 인가한다. 그러면 금속 이온이 합금 층의 방향으로 이동하여 절연 층 내부의 필라멘트가 절단된다.

또 하나는, 기억층이 산화물의 도전층과 절연층으로 구성되어 있는 것. 이것도 초기 상태는 고저항 상태(HRS)이다. 전압 펄스의 인가에 의해 절연층의 산소 이온이 도전층으로 이동하여 절연층 내에 도통 경로를 형성한다. 이것으로 저저항 상태(LRS)가 된다.

또 ReRAM의 기억 소자에서는 보통, 최초로 「포밍」이라고 부르는 전처리가 필요하다. 포밍은 고전압의 펄스를 인가함으로써, 기억 소자 내부에 도통 경로를 만들어, LRS로 하는 처리이다. 이렇게하면 설정 작업을 쉽게 수행 할 수 있습니다.

저항 변화 메모리(ReRAM)의 장점과 미래

ReRAM은 당초 1개의 셀 선택 트랜지스터와 1개의 메모리 소자로 메모리 셀(1T1R 셀)을 구성하고, 그 메모리 셀을 어레이 형태로 배열하는 방식으로 연구 개발이 진행되었다. 극히 보통의 방식이다.

이 방식으로 개발된 ReRAM의 읽기 지연 시간은 100나노초, 재기록 사이클 수명은 100만회로, 모두 NAND 플래시 메모리보다 양호한 값을 얻고 있다. 그러나 기억 밀도는 그다지 높지 않다. NAND 플래시 메모리는 물론 DRAM에도 미치지 못한다.

따라서, 기억 밀도 향상의 수단으로서 기대가 걸리는 것이 크로스 포인트화이다. 원리적으로는 3차원 적층의 크로스 포인트 구조에 의해, 기억 밀도를 DRAM보다 높게 할 수 있다. 단, NAND 플래시 메모리에 비하면 기억 밀도는 낮다.

크로스 포인트 구조의 ReRAM은 과거에, 파나소닉이 2층 구조로 기억 용량이 8M비트의 실리콘 다이, 도시바와 SanDisk(현재는 Western Digital)의 공동 연구 그룹이 2층 구조로 기억 용량이 32Gbit의 실리콘 다이를 각각 국제학회에서 발표하고 있다. 파나소닉 발표는 2012년 ISCCC, 도시바와 SanDisk의 공동 발표는 2013년 ISCCC이다. 또 소니가, 100G비트급의 ReRAM을 크로스 포인트 구조에 의해 개발중이라고 한다.

RRAM (또는 ReRAM)은 15년 전에 발명 된 메모리 소자입니다.

"절연체를 금속 전극으로 끼운 것"의 커패시터와 똑같은 구조입니다. 트랜지스터의 "게이트"에 해당합니다.

세 번째 단자가 필요 없기 때문에 원칙적으로 가장 미세화 할 수있는 메모리 소자입니다.

단어의 R은 전기 저항 (resistance), 두 단자 사이의 저항이 낮을 때 "1", 높을 때 "0"에 해당합니다.이 "1"과 "0", 즉 켜짐 상태와 꺼짐 상태는 전압을 0으로 유지합니다. 즉 비 휘발성 메모리입니다.

필수 고속 메모리는 전압이 0이면 정보가 손실되는 휘발성 메모리입니다.

에너지 절약 컴퓨터가 탄생합니다. 실제로 RRAM이 고속 동작을 나타내는 연구 보고서도 늘어나 기대가 높아지고 있습니다.

왜 저항 값이 비 휘발로 변화하는가? 흥미로운 원리가 주장되었지만, 현재 "금속 전극과 절연체 사이의 계면에서의 전기 화학 반응, 원자가 변화, 구조상 전이와 같은 현상"이 메모리 동작의 기원이라고 생각됩니다.

이러한 계면 현상의 재현성을 전자 장치로 실용화 할 수있을 정도로 향상시키는 것은 쉬운 일이 아니며, 현상에 대한 이해가 깊어짐에 따라 실용화를 의문시하는 목소리가 들릴 때도 있었습니다.

그러나 최근 몇 년 동안 상황이 바뀌 었습니다.

고속 무선 기술과 방대한 데이터를 공유 할 수있는 클라우드 기술이 급격히 발전하여 모바일 장치는 물론 웨어러블 장치까지 차례로 등장했습니다.

"사물 인터넷 (IoT)"시대의 도래입니다.

IoT의 열쇠를 잡는 것은 "소형화에 유리하며 절전 및 고속으로 읽고 쓸 수있는"메모리입니다. 바로 RRAM입니다

.IoT 관련 시장 규모는 2020 년에는 9 조 달러가 될 것으로 예상되며, 4 차 산업 혁명이라고까지 알려져 있습니다. 특히 몸에 내장 된 웨어러블 기기는 RRAM의 독단장이 될지도 모릅니다.

현재의 반도체 메모리에는 의료 기기의 살균 처리에 필요한 감마선에 대한 내성이 없기 때문입니다.

ReRAM의 원리

전계 유도 거대 저항 변화에는, 금속 산화물 과 전극 의 계면 에서의 저항 변화와, 금속 산화물 중에서의 전도 경로의 저항 변화의 2종류의 원리가 있다.

이 중 전자의 계면형은 인가 전압의 방향에 의존하는 바이폴라형 의 거동을 나타내고, 페로브스카이트 구조 의 금속 산화물을 사용하는 것이 많다. 후자의 전도 경로형은 전압의 방향보다 절대값 에 의존하는 비폴라형의 거동을 나타내며, 2원계 금속 산화물에서 많이 보인다.

RRAM 중의 CMR막에는 이 중 어느 한쪽이 사용되고, 메이커마다 특색이 있다.

ReRAM 디바이스의 개별 셀은 오른쪽 그림과 같이 전계 효과 트랜지스터 (FET)에 CMR막이 직렬 로 조합된 구조를 하고 있다.

워드선에 전압을 인가하여 셀을 선택하고, 기입선과 비트선 사이에 전압을 인가하여 저항값을 변화시키고, 데이터를 기입한다. 트랜지스터와 저항이 하나씩밖에 필요없는 1T1R이라고 불리는 단순한 구조이기 때문에 셀 면적이 작고 고밀도화가 가능하다.

ReRAM의 장점

ReRAM(resistive random access memory )은 전압의 인가에 의한 전기 저항 의 변화를 이용한 반도체 메모리. RRAM, 저항 변화형 메모리 등이라고도 불린다. RRAM은 샤프 의 등록 상표입니다.

ReRAM은 전압 인가에 의한 전기 저항의 큰 변화( 전계 유도 거대 저항 변화 , CER 효과)를 이용하고 있으며

전압으로 재기록하기 때문에 흐르는 전류의 양이 적어 소비전력이 작다.

비교적 단순한 구조이기 때문에 셀 면적이 약 6F(F는 배선의 직경으로 수십 nm정도)로 작고, 고밀도화(=저비용화)가 가능.

전기 저항의 변화율이 수십 배로 늘어나 다치화도 용이.

읽기 시간이 10 나노초 정도로 DRAM 병렬 로 고속.

같은 장치로서의 이점이 있다.

ReRAM(저항변화형 메모리) 최대 메모리 용량이 12메가비트 제품을 개발

후지쯔 세미컨덕터 메모리 솔루션 주식회사는 ReRAM(Resistive Random Access Memory)으로서는 최대 메모리 용량이 되는 12Mbit ReRAM 「MB85AS12MT」를 개발해, 이달부터 샘플 제공을 개시했습니다.

본 제품은 12Mbit의 메모리 용량을 약 2mm x 3mm의 소형 패키지에 저장한 비휘발성 메모리 입니다. 1.6V ~ 3.6V의 넓은 범위 전원 전압으로 동작합니다. 판독 전류가 평균 0.15mA인 매우 적은 전류로 보청기나 스마트 워치와 같은 웨어러블 디바이스에 이상적입니다.

실장 면적 비교(SOP vs WL-CSP)

MB85AS12MT는 현재 양산 중인 8메가비트 제품과 동일한 WL-CSP(Wafer Level Chip Size Package)를 채용하여 동일한 패키지 크기, 동일한 범프 배치이면서 메모리 용량을 1.5배로 확장하고 있습니다. 즉, 약 2mm x 3mm의 소형 패키지에 신문지로 약 90 페이지분의 텍스트 데이터를 기록할 수 있는 메모리입니다. SPI 인터페이스의 메모리에 사용되는 8핀 SOP와 비교하면 WL-CSP는 구현 면적을 약 80% 줄일 수 있습니다.

본 ReRAM 제품은 다른 비휘발성 메모리와 비교하면 읽기 전류가 매우 적은 것이 특징입니다. 10MHz 동작시의 최대 판독 전류는 1.0mA, 5MHz 동작시에는 평균 판독 전류는 0.15mA로 억제되어 있습니다. 따라서, 읽을 때의 소비 전력을 억제할 수 있는 MB85AS12MT를 사용하는 것으로, 초기 설정 데이터를 메모리에 기입한 뒤 자주 데이터를 읽어내는 배터리 구동의 어플리케이션에서는, 배터리의 소모를 최소화할 수 있습니다 . 따라서 보청기나 스마트 워치 등 소형 웨어러블 디바이스에 최적입니다.

소형 디바이스를 개발 중인 회사가 EEPROM이나 플래시 메모리의 사용으로 다음과 같은 문제를 가지고 있는 경우에는 이 ReRAM에 의해 해결할 수 있는 경우가 있습니다.

케이스 1)

문제: ReRAM을 사용하고 싶지만, 메모리 용량이 8메가비트에서는 부족하다.

해결안: 8메가비트품과 같은 핀아웃의 12메가비트품을 사용

효과: 최종 제품의 기능 향상

케이스 2)

문제: 메모리 의 실장 면적이 한정되어 있으므로 패키지 사이즈를 크게 할 수 없는

해결안: 소형·대용량의 ReRAM에 의해 최소한의 실장 면적으로 메모리 용량의 확장이 가능

3) 문제: 종래의 비휘발성 메모리에서는 소비전력의 절약이 어렵다.

해결안: 저독출 전류의 ReRAM에 의해 소비전력의 절약이 가능.

메모리 솔루션은 빈번한 데이터 재기록이 필요한 애플리케이션을 위한 대용량 FRAM(Ferroelectric Random Access Memory) 제품을 계속 개발하고 있습니다. 그와 병행하여, 데이터 읽기를 자주 실시하는 어플리케이션용의 메모리 개발도 진행하고 있어, 이번의 12메가비트 ReRAM 제품의 발표에 이르렀습니다.

ReRAM(저항 변화 메모리)의 장점은, 꽤 고속인 것과, 메모리 셀의 구조가 심플하다(제조 비용을 낮게 할 수 있다) 것이다. 마이크로컨트롤러(마이컴)의 ROM을 대체하는 메모리로서 제품화가 시작되고, 현재는 단체 메모리 제품도 시판되고 있다. 단품 메모리 제품의 최대 용량은 4Mbit로 그다지 크지 않다. 최근에는 저장 용량을 8Mbit로 확대한 단위 메모리 제품의 판매가 발표되고 있다.

ReRAM의 대용량화로 기대가 걸리는 것은 3차원 크로스포인트 구조이다. 일부 메모리 벤더에서 연구 개발이 진행되고 있다.