진짜 오랜만에 RRAM에 대한 글을 쓰게 되네요, 완전히 기억속에서 사라지기 전에 정리해볼까 합니다.
지난 1, 2편에서는 RRAM 소자 하나의 작동 원리(Filament theory)와 특성에 대해 알아보았습니다. 하지만 반도체 비즈니스에서 소자 하나만으로는 아무런 가치가 없습니다. 수십억 개의 소자를 집적하여 ‘메모리 칩’을 만들어야 하죠.
RRAM이 차세대 메모리로 각광받는 가장 큰 이유는 이론상 가장 작은 면적을 구현할 수 있는 Crossbar Array 구조 때문입니다. 하지만 이 구조에는 Sneak Path Current(누설 전류)라는 치명적인 단점이 존재합니다.
이번 글에서는 RRAM의 집적도를 결정짓는 Crossbar Array 구조와, 이를 방해하는 Sneak Path Current, 그리고 해결책인 Selector(선택 소자) 기술에 대해 설명해보겠습니다.
1. Crossbar Array 구조란?
기존의 메모리(DRAM, NAND)는 복잡한 트랜지스터와 커패시터 구조 때문에 집적도를 높이는 데 한계가 있었습니다. 반면 RRAM의 Crossbar Array 구조는 아주 단순합니다.
구조적 특징
- 가로줄 (Word Line)과 세로줄 (Bit Line): 배선이 격자무늬로 교차합니다.
- 교차점 (Crosspoint): 배선이 만나는 그 사이에 RRAM 소자(Metal-Insulator-Metal)가 샌드위치처럼 끼어 있습니다.
- 장점:
- Cell Size: 트랜지스터 없이 배선 너비(F)만으로 면적이 결정되어, 이론상 가장 고집적이 가능합니다.
- Stackable (적층 가능): 3D NAND처럼 위로 계속 쌓아 올리기 유리합니다. (3D Crosspoint Memory)
2. 치명적 문제: Sneak Path Current (누설 경로 전류)
Crossbar 구조는 배선들이 모두 연결되어 있다는 점이 양날의 검입니다. 특정 셀을 읽으려 할 때, 전류가 원하지 않는 Sneak Path으로 새어 나가는 현상이 발생합니다.
발생 메커니즘
빨간색 cell(HRS)을 읽고 싶다고 가정해 봅시다.
- 의도: 선택된 Word Line에 전압을 걸고 Bit Line으로 흐르는 전류를 측정합니다. HRS cell은 저항이 크므로 전류가 거의 안 흘러야 정상입니다.
- 현실 (Sneak Path): 하지만 해당 cell 주변에 LRS인 cell들이 있다면(파란색) 전류는 저항이 큰 HRS cell을 통과하는 대신, 주변의 저항 작은 cell들을 타고 흘러버립니다.
- 결과 (Read Failure): 센스 앰프(Sense Amp)는 “어? 전류가 많이 흐르네?”라고 판단하여, 타겟 cell을 HRS가 아닌 LRS로 오판하게 됩니다.
이 문제 때문에 소자(Resistor)만 단독으로 있는 Passive Crossbar Array는 대용량화가 불가능합니다.
3. 해결책 1: 1T1R (1 Transistor – 1 Resistor)
가장 확실한 해결책은 각 RRAM 소자마다 트랜지스터를 달아주는 것입니다.
- 원리: 트랜지스터의 Gate를 열어줄 때만 전류가 흐르므로, Sneak Path를 완벽하게 차단할 수 있습니다.
- 단점: 트랜지스터가 들어가면 면적이 커집니다. 그래서 고집적 메모리(Storage Class Memory)용으로는 부적합하고, 주로 Embedded Flash 대체용으로 쓰입니다.
4. 해결책 2: 1S1R (1 Selector – 1 Resistor)
고집적 메모리를 위해서는 트랜지스터 대신, 두 개의 단자만 가지면서 스위치 역할을 하는 Selector(선택 소자)가 필요합니다. 이를 RRAM과 직렬로 쌓은 구조가 1S1R입니다.
Selector의 역할 (비선형성, Nonlinearity)
Selector는 일종의 다이오드와 비슷합니다.
- 낮은 전압 (Sneak Path 구간): 전류를 차단(OFF)합니다. 주변에서 새어 들어오는 미세 전류를 막습니다.
- 높은 전압 (Read/Write 구간): 전류를 통과(ON)시킵니다.
즉, 특정 전압(Threshold Voltage, Vth) 이상에서만 문이 열리는 특성을 이용해, 선택된 cell만 정확히 읽고 쓸 수 있게 해 줍니다.
Selector의 종류
- Ovonic Threshold Switch (OTS): 인텔 3D XPoint에 사용된 핵심 기술. 칼코게나이드 물질의 상전이를 이용하며 스위칭 속도가 매우 빠릅니다.
- Mott Insulator (MIT): 전압에 따라 절연체 <-> 금속으로 성질이 변하는 물질을 사용합니다.
- Mixed Ionic-Electronic Conduction (MIEC): 이온과 전자의 이동을 동시에 이용하는 방식입니다.
5. 결론 및 요약
RRAM이 차세대 메모리로 사용되기 위해서는 신뢰성 있는 1S1R 구조의 확립이 필수적입니다.
- Crossbar Array: 집적도가 높지만, 모든 길이 연결되어 있어 간섭이 발생함.
- Sneak Path: 주변의 저저항(LRS) 셀들로 전류가 새어 나가 데이터를 잘못 읽는 치명적 오류.
- Selector (1S1R): 낮은 전압에서는 전류를 막고, 높은 전압에서만 흘려주어 Sneak Path를 억제하는 핵심 소자.
