나노램

나노램(Nano-RAM)은 난테로(Nantero)라는 회사의 독점적인 컴퓨터 메모리 기술이다. 이는 칩과 유사한 기판 위에 증착된 탄소 나노튜브의 위치를 기반으로 하는 비휘발성 랜덤 액세스 메모리의 일종이다. 이론적으로 나노튜브의 작은 크기는 매우 높은 밀도의 메모리를 가능하게 한다. 난테로는 이를 NRAM이라고도 부른다.

기술

1세대 난테로 NRAM 기술은 세 번째 단자를 사용하여 메모리 셀을 메모리 상태 간에 전환하는 3단자 반도체 소자를 기반으로 했다. 2세대 NRAM 기술은 2단자 메모리 셀을 기반으로 한다. 2단자 셀은 더 작은 셀 크기, 20nm 이하 노드에 대한 더 나은 확장성(반도체 제조 참조), 그리고 제조 중 메모리 셀을 부동태화할 수 있는 능력과 같은 장점이 있다.

탄소 나노튜브(CNT)의 부직포 매트릭스에서 교차된 나노튜브는 위치에 따라 서로 접촉하거나 약간 분리될 수 있다. 접촉할 때 탄소 나노튜브는 반데르발스 힘에 의해 함께 고정된다.^[1] 각 NRAM "셀"은 그림 1에 설명된 바와 같이 두 전극 사이에 위치한 CNT의 상호 연결된 네트워크로 구성된다. CNT 직물은 두 금속 전극 사이에 위치하며, 이는 포토리소그래피에 의해 정의되고 식각되어 NRAM 셀을 형성한다.

탄소 나노튜브 직물

NRAM은 저항성 비휘발성 랜덤 액세스 메모리(RAM)로 작동하며 CNT 직물의 저항 상태에 따라 두 개 이상의 저항 모드에 있을 수 있다. CNT가 접촉하지 않을 때 직물의 저항 상태는 높고 "꺼짐" 또는 "0" 상태를 나타낸다. CNT가 접촉하게 되면 직물의 저항 상태는 낮고 "켜짐" 또는 "1" 상태를 나타낸다. NRAM은 두 저항 상태가 매우 안정적이기 때문에 메모리 역할을 한다. 0 상태에서는 CNT(또는 그 일부)가 접촉하지 않고 CNT의 강성으로 인해 분리된 상태를 유지하여 상단 및 하단 전극 사이에 높은 저항 또는 낮은 전류 측정 상태를 초래한다. 1 상태에서는 CNT(또는 그 일부)가 접촉하고 CNT 사이의 반데르발스 힘으로 인해 접촉 상태를 유지하여 상단 및 하단 전극 사이에 낮은 저항 또는 높은 전류 측정 상태를 초래한다. 전극과 CNT 사이의 접촉 저항과 같은 다른 저항원도 중요할 수 있으며 고려해야 한다.

NRAM을 상태 간에 전환하려면 상단 및 하단 전극 사이에 읽기 전압보다 큰 작은 전압을 인가한다. NRAM이 0 상태에 있으면 인가된 전압은 서로 가까운 CNT 사이에 정전기적 인력을 유발하여 SET 작업을 일으킨다. 인가된 전압이 제거된 후 CNT는 약 5eV의 활성화 에너지(E_a)를 갖는 물리적 접착(반데르발스 힘)으로 인해 1 또는 낮은 저항 상태를 유지한다. NRAM 셀이 1 상태에 있으면 읽기 전압보다 큰 전압을 인가하면 CNT 접합을 분리하기에 충분한 에너지를 가진 CNT 포논 여기를 생성한다. 이것이 포논 구동 RESET 작업이다. CNT는 높은 기계적 강성(영률 1 TPa)으로 인해 활성화 에너지(E_a)가 5eV보다 훨씬 큰 OFF 또는 높은 저항 상태를 유지한다. 그림 2는 스위치 작동에 관련된 개별 CNT 쌍의 두 상태를 모두 보여준다. 상태 간 전환에 필요한 높은 활성화 에너지(> 5eV)로 인해 NRAM 스위치는 작동 온도와 같은 외부 간섭에 저항하여 DRAM과 같은 기존 메모리를 지우거나 뒤집을 수 있다.

그림 2: 탄소 나노튜브 접촉 지점

NRAM은 그림 1에 표시된 바와 같이 트랜지스터와 같은 사전 제작된 드라이버 어레이 위에 CNT의 균일한 층을 증착하여 제작된다. NRAM 셀의 하단 전극은 셀을 드라이버에 연결하는 기본 비아와 접촉한다. 하단 전극은 기본 비아의 일부로 제작될 수 있거나, 셀이 포토리소그래피로 정의되고 식각될 때 NRAM 셀과 동시에 제작될 수 있다. 셀이 포토리소그래피로 정의되고 식각되기 전에 상단 전극은 CNT 층 위에 금속 필름으로 증착되어 NRAM 셀의 정의 중에 상단 금속 전극이 패턴화되고 식각된다. 어레이의 유전체 부동태화 및 채움 후에 상단 금속 전극은 화학적-기계적 평탄화와 같은 평탄화 공정을 사용하여 위에 놓인 유전체를 에칭하여 노출된다. 상단 전극이 노출되면 다음 수준의 금속 배선 상호 연결이 제작되어 NRAM 어레이를 완성한다. 그림 3은 쓰기 및 읽기를 위해 단일 셀을 선택하는 한 가지 회로 방법을 보여준다. 교차 그리드 상호 연결 배열을 사용하여 NRAM과 드라이버(셀)는 다른 메모리 어레이와 유사한 메모리 어레이를 형성한다. 어레이의 다른 셀을 방해하지 않고 워드 라인(WL), 비트 라인(BL) 및 선택 라인(SL)에 적절한 전압을 인가하여 단일 셀을 선택할 수 있다. 또는 하단 전극과 상단 금속층 사이에 두 개의 CNT 층이 있을 수 있다. 하나는 균일하게 배열된 CNT이고 다른 하나는 무작위로 배열된 CNT이다. 균일하게 배열된 CNT는 무작위로 배열된 CNT를 상단 금속층으로부터 보호하는 데 사용된다.^[2]

그림 3: CNT 스위치

특징

NRAM은 적어도 이론적으로는 DRAM과 유사한 밀도를 가지고 있다. DRAM은 본질적으로 얇은 절연체 사이에 두 개의 작은 금속판이 있는 커패시터를 포함한다. NRAM은 DRAM의 판과 대략 같은 크기의 단자와 전극을 가지고 있으며, 그 사이의 나노튜브는 훨씬 작아서 전체 크기에 영향을 미치지 않는다. 그러나 DRAM이 구축될 수 있는 최소 크기가 있는 것으로 보이며, 그 아래에서는 판에 저장되는 전하가 충분하지 않다. NRAM은 리소그래피에 의해서만 제한되는 것으로 보인다. 이는 NRAM이 DRAM보다 훨씬 더 밀집될 수 있으며, 아마도 더 저렴할 수도 있음을 의미한다. DRAM과 달리 NRAM은 "새로 고침"하기 위해 전력을 필요로 하지 않으며, 전원이 제거된 후에도 메모리를 유지한다. 따라서 장치의 메모리 상태를 쓰고 유지하는 데 필요한 전력은 셀 판에 전하를 축적해야 하는 DRAM보다 훨씬 낮다. 이는 NRAM이 비용 면에서 DRAM과 경쟁할 수 있을 뿐만 아니라 전력 소비가 적고, 쓰기 성능이 필요한 총 전하량에 따라 크게 결정되기 때문에 훨씬 빠를 수 있음을 의미한다. NRAM은 이론적으로 SRAM과 유사한 성능을 달성할 수 있는데, SRAM은 DRAM보다 빠르지만 밀도가 훨씬 낮고 따라서 훨씬 더 비싸다.

다른 비휘발성 메모리와의 비교

다른 비휘발성 랜덤 액세스 메모리(NVRAM) 기술과 비교할 때 NRAM은 여러 장점을 가지고 있다. 일반적인 NVRAM 형태인 플래시 메모리에서 각 셀은 제어 게이트(CG)가 CG와 FG 사이에 삽입된 플로팅 게이트(FG)에 의해 변조되는 MOSFET 트랜지스터와 유사하다. FG는 일반적으로 산화물과 같은 절연 유전체로 둘러싸여 있다. FG는 주변 유전체에 의해 전기적으로 격리되어 있으므로 FG에 놓인 모든 전자는 FG에 갇히게 되며, 이는 트랜지스터의 채널에서 CG를 차단하고 트랜지스터의 임계 전압(VT)을 변경한다. FG에 놓인 전하량을 쓰고 제어함으로써 FG는 선택된 셀의 VT에 따라 MOSFET 플래시 장치의 전도 상태를 제어한다. MOSFET 채널을 통해 흐르는 전류는 셀의 상태를 결정하기 위해 감지되며, 이는 적절한 CG 전압이 인가될 때 1 상태(전류 흐름)와 CG 전압이 인가될 때 0 상태(전류 흐름 없음)를 형성하는 이진 코드를 이룬다.

기록된 후에는 절연체가 FG에 전자를 가두어 0 상태로 고정한다. 그러나 그 비트를 변경하려면 절연체를 "과충전"하여 이미 저장된 전하를 지워야 한다. 이를 위해서는 배터리가 제공할 수 있는 것보다 훨씬 많은 약 10볼트의 더 높은 전압이 필요하다. 플래시 시스템에는 전력을 천천히 축적하고 더 높은 전압으로 방출하는 "전하 펌프"가 포함되어 있다. 이 과정은 느릴 뿐만 아니라 절연체를 손상시킨다. 이러한 이유로 플래시는 장치가 효과적으로 작동하지 않기 전에 제한된 횟수의 쓰기만 가능하다.

NRAM의 읽기 및 쓰기는 플래시(또는 "새로 고침"으로 인한 DRAM도 마찬가지)에 비해 모두 "저에너지"이므로 NRAM은 배터리 수명이 더 길 수 있다. 또한 둘 중 어느 것보다 쓰기 속도가 훨씬 빠르므로 둘 다 대체하는 데 사용될 수 있다. 최신 전화기는 전화번호를 저장하기 위한 플래시 메모리, 플래시가 너무 느리기 때문에 더 높은 성능의 작업 메모리를 위한 DRAM, 그리고 훨씬 더 높은 성능을 위한 일부 SRAM을 포함한다. 일부 NRAM은 CPU 캐시 역할을 하도록 CPU에 배치될 수 있으며, 다른 칩에서는 DRAM과 플래시를 모두 대체할 수 있다.

NRAM은 NRAM과 동일한 방식으로 플래시부터 DRAM, SRAM에 이르기까지 모든 것을 대체하는 "범용 메모리"라고 주장하는 다양한 새로운 메모리 시스템 중 하나이다.

사용 가능한 대체 메모리는 강유전체 RAM(FRAM 또는 FeRAM)이다. FeRAM은 DRAM 셀에 소량의 강유전체 재료를 추가한다. 재료 내 필드의 상태는 비파괴적인 형식으로 비트를 인코딩한다. FeRAM은 NRAM의 장점을 가지고 있지만, 가능한 가장 작은 셀 크기는 NRAM보다 훨씬 크다. FeRAM은 플래시의 제한된 쓰기 횟수가 문제가 되는 애플리케이션에 사용된다. FeRAM 읽기 작업은 파괴적이므로 나중에 복원 쓰기 작업이 필요하다.

더 투기적인 다른 메모리 시스템으로는 자기저항 랜덤 액세스 메모리(MRAM)와 상변화 메모리(PRAM)가 있다. MRAM은 자기 터널 접합 그리드를 기반으로 한다. MRAM은 터널자기저항 효과를 사용하여 메모리를 읽으므로 비파괴적으로 매우 적은 전력으로 메모리를 읽을 수 있다. 초기 MRAM은 필드 유도 쓰기를 사용했으며,^[3] 크기 면에서 한계에 도달하여 플래시 장치보다 훨씬 크게 유지되었다. 그러나 새로운 MRAM 기술은 크기 제한을 극복하여 MRAM이 플래시 메모리와도 경쟁할 수 있게 만들 수 있다. 이러한 기술은 크로커스 테크놀로지가 개발한 열 보조 스위칭(TAS)과^[4] 2009년에 크로커스, 하이닉스, IBM 및 기타 회사들이 연구하고 있던 스핀토크 전가이다.^[5]

PRAM은 쓰기 가능한 CD 또는 DVD와 유사한 기술을 기반으로 하며, 광학적 특성 대신 자기 또는 전기적 특성을 변경하는 상변화 물질을 사용한다. PRAM 재료 자체는 확장 가능하지만 더 큰 전류원이 필요하다.

역사

난테로
Nantero, Inc.

형태	비공개
창립	2001
산업 분야	반도체, 나노테크놀로지
해체	2024
본사 소재지	US  워번, 매사추세츠
제품	Nano-RAM
웹사이트	www.nantero.com

난테로는 2001년에 설립되었으며, 워번, 매사추세츠에 본사를 두고 있다. 플래시 반도체 제조 공장에 대한 막대한 투자로 인해, 2003년 초 NRAM의 임박한 속도와 밀도에 대한 예측에도 불구하고 시장에서 플래시를 대체할 다른 메모리는 나타나지 않았다.^[6][7]

2005년 NRAM은 범용 메모리로 홍보되었고, 난테로는 2006년 말까지 생산될 것이라고 예측했다.^[8] 2008년 8월, 록히드 마틴은 난테로의 지적 재산권에 대한 정부 애플리케이션에 대한 독점 라이선스를 획득했다.^[9]

2009년 초, 난테로는 30개의 미국 특허와 47명의 직원을 보유하고 있었지만 여전히 엔지니어링 단계에 있었다.^[10] 2009년 5월, NRAM의 방사선 내성 버전이 미국 우주왕복선 애틀랜티스의 STS-125 임무에서 테스트되었다.^[11]

이 회사는 2012년 11월 벨기에 연구 센터 아이멕과의 추가 자금 조달 및 협력 발표 전까지 조용했다.^[12][13] 난테로는 2012년 11월 D 시리즈 라운드를 통해 총 4,200만 달러 이상을 유치했다.^[14] 투자자로는 찰스 리버 벤처스, 드레이퍼 피셔 주벳슨, 글로브스팬 캐피탈 파트너스, 스태타 벤처 파트너스 및 해리스 & 해리스 그룹이 포함되었다. 2013년 5월, 난테로는 슐룸베르거의 투자로 D 시리즈를 완료했다.^[15] EE 타임스는 난테로를 "2013년에 주목해야 할 10대 스타트업" 중 하나로 선정했다.^[16]

2016년 8월 31일: 후지쯔 반도체 사업부 두 곳이 난테로 NRAM 기술을 라이선스하고, 2018년에 발표된 칩 생산을 위해 난테로-후지쯔 공동 개발을 진행하고 있다. 이들은 임베디드 플래시 메모리보다 수천 배 빠른 재기록 속도와 수천 배 더 많은 재기록 주기를 가질 것으로 발표되었다.^[17] 2024년 현재, 이 제품들은 여전히 발표되었지만 시장에 출시되지는 않았다.

2024년 중후반에 난테로는 운영을 중단했다. 웹사이트는 주차되었고 일부 장비는 2024년 8월까지 경매로 판매되었다.^[18]

같이 보기

• RAM
• 자기 저항 메모리
• 상변화 메모리
• 강유전체 RAM