[산업분석] IMW 2021 : 고밀도 임베디드 플래시 메모리 기술을 삼성전자와 GF가 발표

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5월 16~19일에 개최된 2021 IEEE 13th International Memory Workshop(IMW 2021)에서 발표된 내용 중 임베디드 플래시 메모리에 대한 내용입니다.

1. 28nm 자동차용 반도체 수준의 임베디드 플래시 메모리

• 삼성은 2017년에 28nm 공정의 임베디드 플래시 메모리를 발표하고 계속 개량해왔습니다.
  작동온도 105℃ → 125℃ → 150℃로 증가했고, 자동차용 반도체 등급 1등급입니다.
• 임베디드 플래시 메모리는 40nm~28nm가 한계라고 알려져있습니다.
  • Program과 Erase에 높은 전압이 필요하기 때문에 메모리 셀 미세화가 힘들기 때문입니다.

• 임베디드 플래시 메모리의 구조는 위와 같이 일반적인 NAND 플래시 구조를 가집니다.
  • BL(Bit Line), WL(Word Line)이 서로 교차하는 구조로 돼있음을 주목하세요.
  • FG(Floating Gate), CG(Control Gate)가 기판(substrate)로부터 oxide 층으로 분리돼있습니다.
    특히 CG는 누설전류(leakage current)를 막기 위해 유전도가 큰 HKMG(High-K Metal Gate)를 사용합니다.
  • EG(Erase Gate)가 따로 분리돼있다는 점을 주목하세요.
  • SL(Ground Select Line 또는 Common Source Line)도 있습니다.

• 위 그림은 삼성전자에서 만든 28nm HKMG CMOS 임베디드 플래시 메모리의 스펙을 설명하는 도표입니다.

  • 저장 용량은 4Mbit 짜리 bank 5개로 이뤄진 20Mbit == 2.5MB입니다.
  • 데이터 입력은 144bit, 출력은 288bit 버스를 사용합니다.
  • 동작전압은 1.0V~1.8V (±10%)이며 동작온도는 -40~150℃.
  • 재기록 사이클(P/E cycle)은 100K로 상당히 높습니다.
  • Program에 25μs, Erase에 2ms가 소요되고 Read access time은 12.5~25가 소요됩니다.

• 또한, 동일한 28nm HKMG CMOS 공정으로 4MB SRAM도 만들었는데, 이 역시 자동차용 반도체 1등급 판정을 받았습니다.

  • 평가기준에는 HTOL(고온 동작 수명), Endurance (갱신 주기), HTDR(고온 데이터 보존 기간), LTDR(저온 데이터 보존 기간), HTOL, uHAST(가속 스트레스), TC (온도 변화) 등이 있습니다.

2. 22nm 차세대 임베디드 플래시 메모리

• 앞서 우리는 FG 기반의 임베디드 플래시 메모리는 28nm가 한계로 여겨지고 있음을 배웠습니다.
• Global foundary(GF)는 FDSOI 공정을 이용해서 substrate(bulk Si)에 얇은 절연 산화막 층을 만들어서 SOI층을 만든 뒤 이를 control gate로 사용합니다. 따라서 결합 용량은 상대적으로 늘어나지만 공간은 줄어드니 더 미세화가 가능해집니다.
• 이때 기존 공정보다 요구되는 마스크 개수도 적어지니 공정이 더 쉬워진다는 장점도 있습니다.
• 따라서, GF는 임베디드 플래시 메모리를 22nm 공정을 사용해서 만들 수 있었습니다.