차세대 반도체 메모리 MRAM - Magnetic Random Access Memory 이란 ?

메모리 반도체 하면 보통 DRAM 와 FLASH 가 가장 먼저 떠오른다.

 

간단하게 설명하자면

DRAM 은 외부 전원에 의존하여 Active 상태에 있어야만 정보가 남아있고, 외부 전원이 차단되면 정보가 사라지는 휘발성 메모리 소자이다. 그리고 FLASH는 외부전원이 차단되어도 정보를 갖고 있는 비휘발성 메모리가 맞는데,

 

차세대 반도체 메모리는 FLASH 에 비하여 기존 특성들(전력, 데이터 유지, write/read 특성 등)이 뛰어나기 때문에 최근 미래 먹거리로 많이 연구되고 있는 메모리이다.

 

연구되고 있는 차세대 메모리는 정말 다양하게 있는데 그 중 내가 자주 들어본 건 MRAM과 PRAM 이다. ( 둘 다 비휘발성 메모리이다.) 그중 MRAM이 무엇인지 찾아보았다.

 

 

 

 

 

 

MRAM : Magnetic Random Access Memory, 강자성체 메모리

 

MRAM은 Magnetic 이라는 이름에서부터 알 수 있듯이 자성재료를 이용하여 자화(Magnetization)를 응용하여 외부 전원이 없는 상태에서도 정보를 유지할 수 있게 하는 메모리이다.

 

대용량 메모리에서 데이터는 자기모멘트 형태로 저장되는데 이는 자체적으로 발생되는 작은 자기장에 의해 생성된다. 이러한 자기 모멘트를 이용한 M-RAM(Magnetic-electric Random Access Memory) 기술이 차세대 메모리 기술로 부각되고 있다

 

 

MRAM 셀의 단순화된 구조 - 출처 : Wikipedia Magnetoresistive

 

 

MRAM의 데이터는 자기 저항 effect를 이용하여 자기 저장 소자에 의해 저장된다.

 

 

*** 자기 저항이란 ? Magnetoresistance ***

 

자기 저항은 외부에서 적용된 자기장에서 물질(ex 강자성)이 전기 저항 값을 변경하는 경향을 말한다.

자기 저항 현상으로는 이방성 자기 저항(AMR), 거대 자기 저항(GMR), 터널 자기 저항(TMR), CMR, EMR 등 이 있다.

외부자계가 인가되었을 때 저항이 변하는 박막형 물질을 '자기저항물질'이라 하며 자기 디스크의 신호를 읽는 데에 사용된다. 금속이나 반도체에 자기장을 걸어주면 일반적으로 전기저항이 증가하고 그 증가량은 약한 자기장에 대해서는 자기장의 세기의 제곱에 비례하는 현상이다.

 

 

소자는 얇은 절연층으로 분리된 두 개의 강자성 판으로 형성되며, 각 판은 자화를 유지할 수 있다.

판 하나는 특정 극성으로 설정된 영구 자석이고, 다른 판은 메모리를 저장하기 위해 외부 필드의 자화와 일치하도록 변경할 수 있다. 이 구성은 자기 터널 접합으로 알려져 있으며 MRAM bit 의 가장 간단한 구조이다.(cell)

 

 

 

자기 터널 접합 - 출처 : Wikipedia : Tunnel Magnetoresistive

 

 

터널 자기 저항(TMR)은 얇은 절연체로 분리된 두 개의 강자성체로 구성된 구성요소인 자기 터널 접합(MTJ) 에서 발생하는 자기 저항 효과이다. 절연층이 충분히 얇으면(~nm) 전자는 한 강자성체에서 다른 강자성체로 Tunneling 할 수 있다.

 

 

 

동작 1. Read

 

이 MRAM cell(여기서는 MTJ)에서 read 동작의 가장 간단한 방법은 이 자기터널집합 MTJ의 저항을 측정하는 것이다.

특정 cell은 연결된 트랜지스터에 전원을 공급함으로써 선택(select)된다. 터널 자기저항 때문에 셀의 전기 저항은 두 판에서의 자화의 상대적 방향에 따라 변하게 된다.

 

결과 전류를 측정함으로써 특정 셀 내부의 저항을 결정할 수 있으며, 이것으로부터 writable한 판의 자화 극성을 결정할 수 있다. 일반적으로 두 판이 동일한 자화 정렬 상태인 경우 낮은 저항을 갖는 상태이고 전류량이 커진다.

반대로 정렬이 역평행인 경우 높은 저항을 갖고 전류량이 작아진 상태이다. 각각의 상태에 로직 '0'과 '1' 이 결정된다.

 

 

동작 2. Write

 

MRAM에서 데이터를 write 하는 동작은 위에서 설명했던 두 개의 강자성 판 중 변경할 수 있는 판의 자화 방향을 바꾸는 것을 말한다. 외부로부터의 자장에 따라 강자성 판의 자화 방향을 변경함으로써 그 데이터를 '0' 또는 '1'로 변경할 수 있는 것이다.

 

 

---

 

MRAM의 장점과 단점(?)...이라기보단 한계

 

 

장점

 

- 일단 DRAM에 비해 좋은 건 당연히 비휘발성 메모리라는 점이다. 비휘발성이기 때문에 Refresh 작업 없이 정보를 계속 갖고 있을 수 있는 메모리이다.

- DRAM과 비교하여 Refresh 동작이 필요없으니 더 낮은 전력 소비를 한다.

- 그리고 DRAM이나 Flash와 같이 고집적화가 가능한 점도 장점이다. 한 번에 많이 생산할 수록 생산 단가가 낮아지는것이고, 시장 경쟁력이 더 생기는 것이기 때문이다.

- 비휘발성 메모리임에도 고속의 read/write가 가능하다.

- 방사능에 대한 내성도 좋아 우주에서 사용할 메모리로도 주목 받고 있다고 한다.

 

 

단점

 

- 자성을 이용하여 정보를 read/write 등의 동작을 수행하기 때문에 집적도가 증가할수록 인접한 셀 간의 간섭이 심해질 수 있다는 단점이 있다고 한다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wikipedia - Magnetoresistive RAM 참고