뉴메모리의 등장
반도체 소자의 Cell Size가 감소되면서, 여러 문제가 발생하였다.
DRAM의 경우 cell이 계속 작아지며 트렌지스터 특성 열화, capacitor 공정 난이도 상승이 일어났고
NAND의 경우 3D 구조 적층 공정 난이도 증가..
SRAM의 경우 chip 내 SRAM 면적 비중이 증가하며 cost와 파워소모가 증가하였다.
- 사이즈 스케일링의 한계
- 공정 기술 난이도 증가
- 전력 소모 감소 요구 증가
- 새로운 응용분야 대응
등의 이유에 의해 새로운 메모리의 개발을 필요하였고, 이에 뉴메모리에 대한 연구가 계속되고 있다.
메모리의 분류
메모리는 다음과 같이 분류된다. 전원 공급이 끊기면 데이터가 사라지는 휘발성, 그렇지 않은 비휘발성 부터 나뉘며,
뉴메모리는 모두 비휘발성 메모리이고 MRAM, PRAM, RRAM은 기존 메모리와 다르게 저항 기반 메모리입니다.
저항 기반 메모리는 아무래도 전하저장의 캐퍼시터 대신 저항으로 전류를 컨트롤 하기 때문에 캐패시터에 의한 여러 문제들에선 벗어나서, 고집적화에 유리할 것이다.
MRAM의 경우 속도, endurance 측면에서 DRAM대체 가능한 유일한 후보이다.
MRAM 구조
우선 CELL을 간소화 해서 표현하면, capacitor 대신 저항이 들어가게 된다.
그리고 기본 원리는 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 을 사용하는데, 자성층 2개 사이에 얇은 절연층의 구조로 하나는 고정 자성층(fixed magnetic layer)으로 자화 방향이 고정되어 있고 다른 하나는 자유 자성층(free magnetic layer)로 자화 방향을 바꾸는 층이다.
자화 방향이 같은지 다른지에 따라 Parallel 과 Anti-Parallel 으로 나뉘어 지는데 자성 물질 내에선 전자의 스핀방향과 자화 방향이 같을때 에너지가 더 낮아진다. (그림 상 에너지가 더 낮다는것은 아래 방향)
물질에 따라 스핀분극이 다르며, 스핀분극이 클수록 TMR( Tunnel Magnetoresistance )을 높이기 좋다. 그래서 Spin Polarization이 큰 FeCoB 물질을 많이 사용한다.
먼저 직관적으로 생각해보자.
Parallel할때 보면, 양쪽 자성체의 각 스핀의 에너지 분포가 같다. 이는 호텔에 들어가는 사람과 들어갈 자리가 딱 맞다는 말이고, 저항이 적어진다. 하지만 Anti-Parallel의 경우에는 에너지 분포가 달라져서, 호텔에 들어가는 사람이 적거나 자리가 적거나 하는 매칭이 안되는 경우가 생기는 것이다. 그러면 저항이 커지는 것인 느낌이다.
MRAM의 동작
MRAM은 MTJ 외부 도선에 흐르는 전기로 외부 자기장의 형성하여 자화 방향을 바꾸는 Field Switching Mram 방식과
MTJ 내부에 흐르는 전기로 자화 방향을 변경하는 STT-MRAM(Spin Transfer Torque MRAM) 방식이 있다.
우선, Field Switching 방식을 살펴보면 Write Word Line의 전류 방향을 바꾸면서 유도기전력으로 free layer의 자화 방향을 바꾸는 방식이다.
전류를 세게 하려면, 모든 다른 구조들도 커져야 하기에 셀 사이즈가 기본적으로 크다는 단점이 있다.
다음 STT MRAM 방식을 살펴보면,
전자가 강자성체에 부딪히면서 전자의 spin angular momentum이 강자성체에 전달된다.
부딪히는 전자 밀도가 임계치를 넘어가면 free layer의 자화 방향이 바뀐다.
셀 구조가 비교적 단순하고 사이즈가 작아질수록, 자화를 바꾸는데에 필요한 전류가 적기때문에 셀 사이즈를 줄이기 좋다.
STT 방식과 Field Switching 방식을 비교해보면 다음과 같다. 셀 사이즈를 작게 할수록 field switching 방식은 필요 전류가 증가하고, stt 방식은 셀 사이즈가 작을수록 필요한 전류가 줄어든다.