[교양이 되는 반도체] 물질의 상변화를 이용한 메모리 반도체, PRAM

[교양이 되는 반도체] 물질의 상변화를 이용한 메모리 반도체, PRAM: 이예담 / 기사승인 : 2021-03-29 20:08:10

데이터를 저장하는 역할을 하는 메모리 반도체. 메모리 반도체는 전원이 끊겼을 때, 데이터를 저장하는지에 따라 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리로 분류할 수 있다.

지난 기사에서는 비휘발성 메모리인 HDD와 낸드플래시 기술이 사용된 SSD에 대해서 다뤄보았다.

비휘발성 메모리의 특징은 전원이 꺼져도 데이터를 저장하지만, 휘발성 메모리보다 속도가 느리다는 단점이 있다. 하지만, 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리 간의 속도 차이 때문에 병목현상이 발생한다. 따라서 이 기사에서는 병목현상을 해결하기 위한 차세대 메모리 중 하나인 PRAM 관련 내용을 이야기해보겠다.

차세대 메모리는 비휘발성을 가지면서 속도는 빠른 메모리라고 할 수 있다. 메모리는 크게 전하 기반/저항 기반 소자로 나눌 수 있다. DRAM과 낸드 플래시는 전하 기반 소자이며, 차세대 메모리는 대부분 저항기반 소자이다.

그 중, PRAM(혹은 PCRAM)은 특정 물질의 상변화를 이용해 정보를 저장하는 메모리 반도체이다. PRAM은 전압을 걸면 열 때문에 PRAM안의 물질의 상태가 변하고, 비정질에서 결정질로 상변화가 일어남에 따라 저항값이 달라지는 것으로 0과 1을 구분한다.

PRAM 소자의 전극에 긴 시간 동안 낮은 전압을 걸면, 적당한 온도가 물질에 가해져 원자구조를 규칙적으로 만들게 된다. 즉, 결정질 상태가 되어 전자가 이동하기 쉬워져, SET상태('1')가 된다.

반대로 전극에 짧은 시간동안 높은 전압을 걸면, 물질의 온도가 급격하게 올라가고 원자구조가 불규칙하게 변화되어 물질의 상태가 비정질 상태로 변한다. 즉, 비정질 상태에서는 전자가 이동하기 어려워져 RESET('0')상태가 된다.

PRAM은 크기가 작고 낮은 전압에서도 동작하여, 구조 및 제작 공정이 단순하여 생산비용이 가장 저렴하고 대량 생산이 가능하다. 또한, 70도 고온에서 10년간 데이터를 보관할 수 있다. NOR 플래시 메모리 대비 빠른 동작 속도와 저전력이 특징이다.

빠른 쓰기 능력을 갖춘 탓에 차세대 메모리 및 NPU 단위 소자로의 응용 가능성이 큰 기술이며, 향후 높은 경쟁력을 갖기 위해서는 RESET 전류 감소, SET속도 증가, 저항 드리프트 감소, 쓰기 내구성 개선등의 과제가 남아있다. 특히, 소자의 크기가 작아질수록 셀 간의 열 간섭 문제가 주요 도전과제인데, 인접한 셀 간의 열 차폐 방법이 현재까지도 다각도로 연구되고 있다.