어플라이드 머티어리얼즈 코리아(Applied Materials)는 7월 17일 서울 강남구 그랜드 인터컨티넨탈 서울 파르나스 호텔에서 기자간담회를 열고, IoT, 클라우드 컴퓨팅 시대를 위한 차세대 메모리의 양산을 위한 혁신적인 대량 생산 솔루션을 소개했다. 이 솔루션은 차세대 메모리를 위한 새로운 금속 물질들을 원자층 단위의 정밀도로 증착할 수 있는 대량 생산 환경을 제공한다.

MRAM(Magnetic RAM), PCRAM(Phase Change RAM), ReRAM(Resistive RAM)과 같은 차세대 메모리는 기존 메모리에 비해 차별화된 장점을 가지고 있지만 대량생산이 어려운 신소재에 기반을 둬 상용화에 어려움을 겪고 있다. MRAM은 고감도 자성 소재를 포함하며, 전원이 제거되었을 때도 소프트웨어와 데이터를 유지할 수 있고, 빠른 속도와 높은 반복 기록 횟수로 SRAM의 대체가 기대된다. 또한 클라우드 데이터센터에서 ReRAM과 PCRAM은 서버용 DRAM과 저장장치 사이에서 성능과 비용 측면의 격차를 메워줄 수 있는 ‘스토리지 클래스 메모리’로 활용이 기대되는, 고속, 비휘발성, 저전력, 고밀도의 메모리다.

어플라이드 머티어리얼즈의 새로운 Endura Clover MRAM PVD 플랫폼은 고청정, 고진공 상태를 유지한 상태로 조합된 최대 9개의 독특한 웨이퍼 공정 챔버들로 구성되어, 각각의 챔버당 최대 5개 개별 물질 박막을 증착할 수 있는 업계 최초의 대량 생산용 300mm MRAM 시스템이다. 또한 PCRAM과 ReRAM을 위한 어플라이드 머티어리얼즈 Endura Impulse PVD 플랫폼은 차세대 메모리에 사용되는 다성분계 소재의 정밀한 증착과 통제가 가능하게 해주는 내장형 계측기와 함께 최대 9개 웨이퍼 공정 챔버들로 구성된다.

▲ 어플라이드 머티어리얼즈 코리아 최범진 상무

▲ 새로운 메모리들은 각각 엣지와 클라우드에서 이런 형태로 사용이 기대된다

어플라이드 머티어리얼즈 코리아의 최범진 상무는 이 자리에서, 최근 대두되는 IoT와 인더스트리 4.0은 폭발적인 데이터 증가 추세를 만들고 있으며, 이미 2018년부터 기계가 만드는 데이터의 양은 사람이 만드는 데이터의 양을 넘어섰고, 2022년에 이르면 기계가 만드는 데이터의 비중은 전체의 90%를 넘어, 10ZB 이상의 규모가 될 것으로 예상된다고 소개했다. 그리고 이러한 데이터 폭발 시대에 대응하는 데 있어, 기존의 DRAM 기반 기술은 이미 그 한계가 제기되고 있으며, 공정 미세화의 어려움과 성능 향상 폭의 둔화 등이 보이고 있다고 지적하며, 이제는 칩 아키텍처 자체의 변화가 요구되고 있다고 덧붙였다.

AI와 빅데이터 시대의 대두는 하드웨어 개발과 투자에 있어서도 큰 기회가 되고 있다. 이미 데이터 처리를 위한 ‘가속기’는 클라우드와 엣지 양 쪽에서 활용되고 있으며, DDR, SRAM, HBM, NAND, 스토리지 클래스 메모리(SCM) 등의 ‘니어 메모리(Near Memory)’ 또한 클라우드와 엣지 양 쪽에서 활용되어, 성능과 용량, 비용의 최적화 측면을 도울 것으로 예상된다. 그리고 MRAM, ReRAM, PCRAM, FeRAM 등 새로운 유형의 메모리들은 향후 2~5년 정도 뒤부터 본격적으로 시장에 확산될 것으로 예상되며, 엣지에서 클라우드 쪽으로 확산되어 갈 것으로 예상된다고 덧붙였다.

기존의 엣지 디바이스는 로직-SRAM-플래시의 구조로 구성되는데, MRAM이 적용되면, 플래시와 일부 SRAM의 영역을 MRAM이 대체해 전력소비량과 비용, 면적 측면에서 유리한 특징을 제공할 것으로 기대된다. 특히 비휘발성 특성의 MRAM은 대기전력이 필요 없기 때문에, SRAM과 플래시의 조합 대비 전력 소비량을 크게 줄일 수 있고, SRAM 보다 칩 사이즈당 더 큰 밀도를 제공할 수 있다. 그리고 클라우드 데이터센터에서 PCRAM과 ReRAM은 전통적인 DRAM과 스토리지 계층 사이에 자리잡아, DRAM과 스토리지간의 성능 격차를 줄이고, DRAM 대비 더 큰 용량을 더 적은 비용으로 사용할 수 있게 하는 등의 효과를 기대할 수 있다고 소개했다.

▲ Endura Clover MRAM PVD 플랫폼의 주요 특징

▲ 양산의 어려움으로는 아주 정밀한 박막 스택과 MgO 박막층의 생성이 꼽혔다

MRAM은 터널 배리어를 사이에 두고, 레퍼런스 레이어와 프리 레이어간의 자화 방향 관계를 사용해 정보를 저장하는 방식으로, 비휘발성과 빠른 속도, 높은 반복 기록 횟수로 SRAM의 대체가 가능할 것으로 기대된다. 또한 IoT 칩의 BEOL(Back-End-Of-Line) 층 사이에 위치할 수 있어 MRAM을 위한 추가적인 다이(Die) 면적을 최소화할 수 있기 때문에 다이 소형화와 비용 절감이 가능하다. 하지만 MRAM의 기술 및 제조 관점에서 가장 큰 과제로는 디지털 데이터를 나타내는 데 기본 프로그래밍 요소인 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 형성에 필요한 많은 박막 스택을 정확히 증착하는 것이 꼽힌다.

MRAM은 진공을 유지한 상태로 최소 30층 이상의 정밀한 박막의 연속 증착이 요구된다. 그 중 일부는 사람의 머리카락보다 50만배 얇은 것도 있다. 또한 원자 지름 정도의 작은 두께 변화가 전체 메모리 소자의 성능과 신뢰도에 중대한 영향을 미칠 수 있다. 많은 금속 및 절연층은 대기보다 낮고 깨끗한 고진공 상태에서 PVD(Physical Vapor Deposition) 방법을 이용해 증착되어야 하며, 코어 산화마그네슘(MgO) 박막층은 엄격히 통제된 상태에서 정확한 결정 배열로 증착되어야 한다. 이 때, 단 하나의 원자에서 높이 변화가 발생해도 성능과 신뢰성에 영향을 미칠 수 있다고 지적했다.

어플라이드 머티어리얼즈의 새로운 Endura Clover MRAM PVD 플랫폼은 고청정, 고진공 상태를 유지한 상태로 조합된 최대 9개의 독특한 웨이퍼 공정 챔버들로 구성되어, 각각의 챔버당 최대 5개 개별 물질 박막을 증착할 수 있는 대량 생산용 300mm MRAM 시스템이다. 이를 통해 30개 이상의 레이어와 10개 이상의 소재 증착 공정을 단일 통합 시스템에서 처리할 수 있다. 또한 증착한 박막들의 두께를 외부 대기에 노출될 위험 없이 1옹스트롬(1Å=0.1nm) 이하의 정밀도로 측정 및 모니터링해 원자 수준의 박막 균일도를 보장하는 내장형 계측기를 탑재해, 생산 수율의 최적화를 제공한다.

어플라이드 머티어리얼즈는 이 Endura Clover MRAM PVD 플랫폼이 더욱 뛰어난 특성의 산화마그네슘(MgO) 박막을 생성할 수 있어, 기존 방법 대비 MRAM 제품의 성능을 더욱 끌어올릴 수 있다고 소개했다. 이 자리에서는 Clover MRAM PVD 플랫폼이 사용하는 세라믹 스퍼터링(Ceramic Sputtering)은 기존의 금속 증착과 산화를 사용한 MgO 박막 생성 대비, 20% 향상된 성능과 100배까지 향상된 내구성을 제공할 수 있는 것으로 소개되었다.

▲ Endura Impulse PVD 플랫폼의 주요 특징

▲ 새로운 유형의 메모리 생산을 위한 높은 균일성이 중요한 특징으로 꼽혔다

클라우드 데이터센터에서 ReRAM과 PCRAM은 서버용 DRAM 과 저장장치 사이의 가성비 측면에서 그 격차를 채워줄 수 있는 고속, 비휘발성, 저전력, 고밀도의 스토리지급 메모리(Storage Class Memory)’로 사용될 수 있다. ReRAM과 PCRAM 모두 NAND 플래시 메모리와 하드디스크보다는 현저히 빠른 읽기 성능과 함께 DRAM 보다 비용 측면에서 저렴하다. 또한 ReRAM은 컴퓨팅 소자와 메모리 소자를 하나의 칩에 통합해 Al 컴퓨팅과 관련된 데이터 흐름의 병목현상을 극복할 수 있는 미래의 인메모리(in-memory) 컴퓨팅 아키텍처 분야에서 가장 유력한 차세대 주자로 꼽힌다.

ReRAM은 퓨즈(fuse)와 유사한 기능을 하는 신소재를 사용한다. 수십억 개 스토리지 셀 중에서 원하는 각각의 셀에 선택적으로 필라멘트를 형성시키고 그로 인한 전기 전도도의 차이를 발생시켜 데이터를 저장한다. 반면 PCRAM은 DVD 디스크에 이미 사용되는 상변화 소재를 이용해, 이 소재를 비결정질(amorphous)과 결정질(crystalline) 등으로 가역적으로 상변화시키고 그로 인해 발생된 상변화 소재의 저항 차이를 이용하여 정보를 저장한다. ReRAM과 PCRAM은 3D NAND 플래시와 유사하게 3D 구조로 배열할 수 있어 메모리 용량을 지속적으로 증가시키고 제조 비용을 절감할 수 있다. 또한 ReRAM과 PCRAM도 각각 한 셀 안에서 전기 전도도와 저항을 여러 단계로 변화시킬 수 있어 NAND 플래시처럼 각 메모리 셀에 여러 비트의 데이터를 저장하게 할 수 있다.

PCRAM과 ReRAM을 위한 어플라이드 머티어리얼즈 Endura Impulse PVD 플랫폼은 차세대 메모리에 사용되는 다성분계 소재의 정밀한 증착과 통제가 가능하게 해주는 내장형 계측기와 함께 최대 9개 웨이퍼 공정 챔버들로 구성된다. PCRAM과 ReRAM의 제조에 있어 소재의 조성 균일도, 증착 균일도는 소자의 성능과 신뢰성 등에 큰 영향을 미치는데, Endura Impulse PVD 플랫폼은 이 부분에서 높은 균일도를 보여 주며, 내장형 계측기는 실시간으로 정밀한 품질 관리와 최적화된 생산성을 제공한다고 소개되었다.


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