간단한 적층 구조로 쓰기속도 1000배, 용량 1.5배 높은 저항변화 소자
국내 연구진이 USB 등 초소형 저장메모리에 사용되는 낸드 플래시의 한계를 극복할 수 있는 자가 정류·저항변화 메모리를 개발했다.
본 소자는 기존 낸드 플래시 대비 정보를 저장하고 쓰는 속도가 1000배 빠르고 용량이 1.5배 높으며 1/2 이하로 작아질 수 있을 뿐 아니라 공정 비용이 낮아 차세대 메모리로 상용화가 기대된다.
현재 연 27조 원 규모의 낸드 플래시 시장을 계승·확대함으로써, 플래시 메모리 시장의 50% 이상을 차지하는 한국 반도체의 경쟁력을 강화할 수 있을 것으로 기대한다.
서울대 황철성 교수(교신저자)가 주도하고 윤정호 박사후연구원 (제1저자)이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌 연구실 사업의 지원을 받아 수행되었으며, 과학적 성과를 인정받아 재료분야 최고 권위지인 어드밴스드 머터리얼스 (Advanced materials)에 5월 14일 온라인 게재되었다.
※ 논문명 : Pt/Ta2O5/HfO2−x/Ti Resistive Switching Memory Competing with Multilevel NAND Flash
낸드 플래시(NAND flash)는 복잡한 공정과 집적화*의 한계 등으로 가까운 미래에 개발할 수 있는 성능의 한계에 도달할 것으로 전망한다. 저항변화 메모리(RRAM)는 낸드 플래시의 바톤을 넘겨받을 수 있는 차세대 주자로 학계의 주목을 받고 있다.
* 집적화 : 주어진 칩(Chip)의 면적에 더 많은 메모리 소자를 넣어 용량을 늘리는 과정
그러나 용량을 늘리면서도 안정적인 저항상태를 유지하는 문제와 고품질 다이오드* 제작이 어려워 상용화가 불가했다.
* 다이오드(diode) : 가까운 소자들이 서로 전기적으로 간섭하지 않도록 한 쪽 방향으로 전류가 흐르도록 유도(정류)하는 소자
한 메모리 소자에 기존 2비트(bit) 보다 많은 3비트를 저장하기 위해서는 8가지 상이한 저항상태를 기록해야 한다. 감지 증폭기는 이 기록을 읽고 확대하여 외부로 신호를 보내는 역할을 한다. 하지만 기존의 저항변화 메모리 소자에서는 저항의 변동 폭이 수만 배로 커져서, 감지증폭기가 읽어 낼 수 없었다.
본 연구팀은 ‘전극 - 다이오드층 - 메모리층 - 전극’을 쌓은 간단한 메모리 구조를 바탕으로, 8가지 저항상태를 안정적으로 동작하게 하였다. 이를 통해 각 메모리 소자에 3비트를 저장하여 기존대비 용량을 1.5배 늘리고, 감지 증폭기를 직접 연결해 외부로 신호를 보내는 성공하였다.
이 메모리 구조에서는 기존 대비 성능이 약 천배에 달하는 우수한 다이오드가 ‘전극-다이오드 층’에 내제되어 정류 작용을 하고, 아래에는 ‘메모리층-전극 층’이 저항변화 메모리 역할을 수행 한다.
기존에 별개였던 다이오드와 메모리를 한 소자에 동시에 구현함으로써, 저항변화와 정류작용이 신속히 이루어져 용량을 늘리는 데에 최적화된 구조를 만들었다.
황철성 교수는 “동 성과로 차세대 메모리로써 각광받는 저항변화 소자 분야에서 세계적 기술을 선점”하였으며, “새로운 회로 및 소자 구조를 제안하여 감지 증폭기 활용 문제를 해결함으로써, 상용화에 한 걸음 더 나아갔다”고 연구의의를 밝혔다.
아울러 이번 성과로 정부가 지난 2014년 2월 창조경제 실현을 위한 융합기술 발전전략(안)에서 밝힌 15대 국가전략 융합기술 중 차세대 반도체(초미세 반도체 초고집적 회로설계·공정·테스트)에 더욱 탄력이 붙을 것으로 기대된다.
연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
기존의 NAND flash 메모리는 많은 연구와 산업체의 양산 기술을 바탕으로 하여 현재의 저장 매체 시장에서 가장 큰 점유율을 가지고 있는 소자이다. 하지만 10nm 급 이하의 고집적화 및 초소형 소자의 필요성이 대두되면서 평면적 적층 구조의 한계로 인해 수직 소자로의 개발을 착수하게 되었으며 이 과정에서 여러 가지 문제점에 봉착하게 되었다. 이러한 흐름에서 NAND 플래시 메모리를 비롯한 현재의 저장 매체로 사용되는 여러 메모리들의 한계를 극복하기 위해 차세대 메모리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 저항변화 메모리 (RRAM) 는 그 중 가장 큰 잠재력을 가지고 있는 소자로 주목받고 있다. 그 동안 많은 연구를 통해 단일 소자 안에서 저항변화 특성과 정류 특성을 모두 가지며 수직 구조에 적합하고 멀티레벨 동작이 가능한 소자가 필요함이 확인되었고 본 연구팀에서는 이와 같은 배경을 바탕으로 하여 연구에 착수하여 모든 필요 특성을 만족하는 소자를 개발하는 성과를 이루었다.
2. 연구내용
기존의 NAND flash 메모리는 transistor에 전하를 저장 하고, 이에 따른 transistor의 저항의 변화를 이용하여 2bit 또는 3bit의 data를 저장하였다. 그러나 본 연구에서 개발한 메모리는 transistor를 사용 하지 않고 diode를 사용하여 인접한 cell간의 전기적 간섭을 배제 하였고, 3bit의 정보를 8개의 서로 다른 저항 값에 대응 할 수 있는 소자를 구현 하였다. 또한 이와 같은 diode의 정류 특성과 저항변화특성이 하나의 소자에서 구현 되도록 하여 자가 정류 저항변화 소자를 얻었다.
자가 정류 저항변화 소자의 적층 유전막은 모두 단일 원자 증착법을 통해 증착되었기 때문에 평면 적층 소자와 3차원 수직 소자 형태에 모두 적용이 용이한 장점이 있다.
이 소자는 동작 과정에서 전류 한계값을 조절해줌에 따라서 서로 다른 저항 상태를 안정하게 확보할 수 있고 반복적인 동작에서도 매우 균일한 저항 값을 유지하고 최소 1년 동안 저항 상태를 유지할 수 있는 특성을 확보하였다.
저항변화 소자 어레이에 병렬 저항체를 연결하는 새로운 회로 구조를 제안하여 기존에 사용하는 감지 증폭기의 특성에 부합하는 선형 단위에서의 8개의 저항 상태의 안정적 분포를 확인하였으며 이를 통해 3bit 멀티레벨 동작이 가능함을 확인하였다.
3. 기대효과
본 연구진이 개발한 3차원 수직소자 적용이 용이하며 3bit 멀티레벨 동작이 가능한 자가 정류 저항변화 소자는 기존의 NAND flash 대비 성능과 제작의 용이성 및 저비용 측면에서 큰 장점을 가지고 있고, 새로운 회로 구조를 제안하여 읽기 과정에서의 상용화 문제의 난관을 돌파하였다. 메모리 반도체는 대략 600억 달러 이상의 우리나라 연간 반도체 수출액의 대부분을 차지하는 중요 품목이며, NAND flash는 그 중 대략 40% 이상의 비중을 가지는 전략 상품이다. 이 NAND flash의 추가적인 집적화와 고성능화의 한계가 수 년 이내에 도달 할 것으로 보이는데, 본 연구는 그와 같은 상황에 대비 할 수 있는 핵심 기술 이다. 이와 같은 핵심 기술이 대학의 연구를 통하여 개발된 것은 우리나라의 반도체 분야의 학계의 R&D 역량을 보여 주는 것이다. 또한 이는 메모리 반도체 분야의 연구 개발 가능성이 무궁무진함을 실증 하여, 관련 분야에 우수한 인재가 계속 유입되고, 이에 의하여 우리나라의 메모리 반도체 분야 기술우위를 계속 해서 이어 갈 수 있는 계기가 될 것이다.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 뭐가 다른가
저항변화 소자가 NAND flash 메모리를 대체하기 위해 필요한 요소였던 3차원 수직소자 적용 가능성, 멀티레벨 가능성에 대한 해답을 제시하였다.
어디에 쓸 수 있나
차세대 고용량 초소형 저장 매체에 사용이 가능할 것으로 생각된다.
실용화까지 필요한 시간은
약 5년 정도
실용화를 위한 과제는
현재 해당 기술의 특허를 출원중이며, 기술 이전 및 대량 생산 시스템 구축 등이 필요하다.
연구를 시작한 계기는
본 연구실에는 선도적으로 차세대 메모리 분야를 연구하고 있고, 현재 저항변화 메모리의 문제점을 모두 해결할 수 있는 소자를 개발하고자 하였다.
꼭 이루고 싶은 목표는
본 연구가 저항변화 소자의 상용화의 길을 제시하고 향후 연구자들에게 새로운 시각을 줄 수 있기를 기대한다.
신진연구자를 위한 한마디
각 연구 분야에서 봉착해 있는 난관을 극복하기 위한 방법을 끊임없이 생각하면 좋은 결과를 얻을 수 있을 것이다.
용 어 설 명
1. Advanced Materials
재료 분야의 국제 최고 권위 학술지 (2013년 기준 영향력지수 15.409)
2. 단일 원자 증착법 (Atomic layer despotion)
박막을 증착하기 위한 방법으로써 원자 단위로 막을 증착하여 매우 균일한 박막을 얻을 수 있고 수직 소자 적용에 최적화되어 있는 증착 방법.
3. 자가 정류 저항변화 소자
기존의 transistor를 사용하는 메모리 소자와는 달리 본 저항 변화 소자는 각각의 cell을 인접 cell과 구분하기 위하여 diode를 사용 함. 이때 본 연구에서 사용된 소자는 저항변화 cell 내부에 diode가 함께 들어가 있어 별도의 diode가 필요하지 않음. Diode의 기본 기능은 전압이 음의 값에서 양의 값으로 바뀔 때 한쪽 방향에서만 전류가 흐르게 하는 것이며, 이를 정류 현상 이라고 함. 따라서 본 소자는 저항 변화 소자와 정류 소자가 동시에 한 소자에서 구현 되었으므로 자가 정류 저항 변화 소자라고 함.
4. 3bit 멀티레벨 동작
디지털 회로에서 3개의 데이터 (3 bit) 를 하나의 메모리cell에 저장하기 위해서는 2의 3승, 즉 8개의 상태가 필요함. 본 소자의 경우는 8개의 서로 다른 저항 상태를 하나의 메모리 cell에 구현 할 수 있으므로 3bit에 대응 하는 멀티 레벨 메모리 임.
5. 3차원 수직 소자
평면적 적층 소자가 아닌 집적화 및 초소형 소자 개발을 위해 수직 형태를 바탕으로 한 3차원 소자 구조 형태. 2차원 소자를 여러 층 겹쳐 쌓는 것 보다 제조원가 절감과 소장 성능 향상을 도모 할 수 있음. 아래 그림 1 참고.
그 림 설 명
그림 1. 본 연구에서 제시하는 차세대 수직 저항 변화 소자 구조 그림
(a) 수평형 신호 선 (bit line) 구조 저항변화 메모리 (b) 수직형 신호 선 (bit line) 구조 저항변화 메모리 (c) 단위 메모리셀의 구조. 저항변화층 (RS layer) 과 정류층 (rectification layer 또는 diode layer)가 신호선과 신호 구동면 (word plane)사이에 존재하고 있음.
(a), (b)는 각각 본 연구에서 만들어지 단위 메모리 cell을 3차원 구조로 집적을 할 때 가능한 두 가지 기본 구조로서, 데이터가 지나가는 선 (bit line)이 수평으로 배열된 경우와 수직으로 배열된 경우를 나타냄. 어느 경우건 이 bit line과 word plane이 만나는 교차 지점에 diode층과 저항변화 메모리 층이 삽입되어야 함. 이 구조를 나타낸 것이 중간 아래 있는 작은 그림 (c)임. 위에서 이번 연구의 소자 구조는 전극-diode-memory-전극 이라고 했었는데 여기서 word plane은 첫 번째 전극, bit line은 두 번째 전극에 해당함.
그림 2. (a) 제작된 단위 소자의 전기적 특성을 보여주는 전류-전압 그래프.
그림에 표시된 숫자 순서 대로 전압을 가함에 따라 양의 전압 방향에서는 전류가 크게 흐르는 경우 (On 상태)와 흐르지 않는 경우 (off 상태)로 바뀜을 알 수 있음. 그러나 음의 전압 영역에서는 항상 전류가 흐르지 않는 정류 현상을 보여 줌. 따라서 이 그래프는 정류현상과 저항 변화 메모리 현상이 하나의 소자에서 동시에 이루어지고 있음을 나타냄. 그래프 안의 작은 그림은 제작된 소자의 원자힘 현미경 사진. (b)크로스바 저항변화 소자에 병렬 저항을 연결하여 구성한 회로를 이용하여 안정적으로 선형 단위에서 얻어지는 8개의 저항상태의 분포를 보여 주는 그래프. 총 8개의 저항이 약 10배 이내의 상태에서 안정하게 존재함을 나타내고 있음. 내부 그래프는 각각 저항 상태의 전류-전압 그래프가 50회 이상 안정하게 얻어짐을 나타냄.
