3차원 고성능 메모리를 위한 Crossbar Array Architecture용 선택소자에 관한 연구

Abstract

현재 사용되고 있는 메모리는DRAM(Dynamic Random Access Memory)과 플래시메모리가 주류로 되어 있다. DRAM은 퍼스널컴퓨터의 주 메모리에 사용되고 있는데 전원을 끄면 기억이 소실되는 휘발성이며, 동작 중에 데이터가 소실되지 않도록 항상 Refresh 동작을 해 주어야 하기 때문에 소비전력이 크다는 단점을 갖고 있다. 한편 플래시메모리는 비 휘발성이지만 쓰기에 시간이 걸리고, 재기록 회수(Endurance)에도 신뢰성의 문제가 생겨서 고속으로 몇번이라도 재기록 할 필요가 있는 용도에 적합하지 않다. 또한 기존의 메모리는 집적도 문제에서도 한계에 이르고 있다. 현재 DRAM은 2X nm급까지 제품화를 이루었으며, 1X nm급 이하에서는 switching 소자의 한계로 제품화에 어려운 실정이라고 예상하고 있다. 이러한 switching 소자의 문제를 해결하기 위해서는 Crossbar Array가 필수적이다. 그러나 Crossbar Array 구조에서는 인접 셀들의 Crosstalk문제가 심각하기 때문에 휘발성인 DRAM에서는 적용하기가 어려운 문제가 있게 된다. 그리하여 Crossbar Array를 적용할 수 있는 차세대 메모리 개발이 필요한 실정이며, 차세대 메모리 중에 저항성 메모리 소자를 가지고 있는 ReRAM, PcRAM, STT-MRAM등이 Crossbar Array를 적용 할 수 있는 차세대 메모리이며, 연구결과들이 발표되고 있다. 이러한 차세대 메모리 중에서도 스핀토크를 이용한 자성기반의 메모리인 STT-MRAM은 높은 집적도 빠른 속도 그리고 비 휘발성과 높은 Retention Time의 장점을 갖고 있어 기존의 DRAM 의 성능과 Crossbar Array를 동시에 만족 시킬 수 있는 차세대 메모리로 최근 빠르게 연구가 진행되고 있다 또한 STT-MRAM은 Crossbar Array에서 양방향으로 구동 할 수 있는 2단자 스위칭 소자가 필수적으로 요구된다. 따라서 본 논문에서는 STT-MRAM의 Crossbar Array를 위한 Si기반의 N+/P/N+ 형태의 2 단자 양방향 스위칭 소자를 제안하고, 모의실험을 통하여 검증하였다. 이 소자는 면적, N과P의 도핑농도, P영역의 폭에 따라서 구동전류와 on/off 비가 변화 된다. 이러한 스위칭 특성을 결정짓는 여러 가지 요소들을 변화시켜 STT-MRAM의 셀인 MTJ를 스위칭 할 수 있는 적절한 조건을 검증하였으며, 실제 MTJ데이터와 모의실험 데이터를 통하여 STT-MRAM셀 내에서의 I-V 특성을 검증하였다. 모의실험을 통하여 검증된 스위칭 소자는 현재 공정 및 제작과정 중에 있으며, 차후 MTJ와 제안된 스위칭 소자를 결합한 형태의 STT-MRAM 셀 제작 및 평가를 진행 할 예정이다.