차세대 컴퓨터 메모리 소재기술 개발 동향

정 두 석_ 한국과학기술연구원 전자재료연구센터 선임연구원

메모리 및 비메모리를 포함하는 반도체산업은 현재 한국산업의 근간을 이루고 있는 분야로 국내 반도체 기업은 단기간의 집중 연구개발을 통해 현재 세계 반도체시장 내 높은 점유율을 기록하고 있다. 특히 DRAM(Dynamic Random Access Memory)과 플래쉬 메모리 등의 메모리 분야는 국내 반도체 기업의 주력분야로 우수한 기술력을 바탕으로 전 세계 반도체 기술을 선도하고 있다. 반도체 분야는 반도체소자 생산원가 절감, 신기능 구현, 성능개선 등의 연구개발이 필수적이며 전 세계 반도체 기업은 상당량의 연구비를 투입하여 차세대 반도체산업의 헤게모니 선점을 위해 노력하고 있다.

                                             
현재 일반 컴퓨터는 크게 정보저장장치, DRAM, 중앙처리장치(CPU: Central Processing Unit)로 구성되어 있다.(그림 1) 데이터 저장은 하드드라이브, SSD(Solid State Drive) 등의 정보저장장치가 담당하며 중앙처리장치는 저장된 정보의 연산 등의 기능을 수행한다. DRAM은 중앙처리장치가 필요로 하는 정보를 정보저장장치로부터 불러들여 중앙처리장치에 연계해주는 역할을 한다. DRAM은 대표적인 휘발성메모리(volatile memory)로 정보저장장치로부터 불러들인 정보를 단기간 저장할 수 있을 뿐 반영구적인 정보저장은 불가능하다. DRAM의 휘발성은 DRAM의 동작원리에 기인한다. DRAM은 기본적으로 하나의 트랜지스터와 하나의 축전기(capacitor)로 구성된 1T1C(one-transistor and one-capacitor)를 기본단위로 하는 어레이로 구성되어 있다. DRAM의 구성은 그림 2에 도식화하였다. 각 1T1C형 기본 단위는 1비트의 정보저장을 담당한다. 1비트(bit)는 Boolean형 정보의 최대량에 해당하며 두 가지 상이한 값 - ‘0’과 ‘1’ - 으로 하나의 비트를 구성한다. 축전기의 충전과 방전 여부에 따라 1비트를 구성하는 ‘0’과 ‘1’을 각각 표현 가능하다. 하지만 축전기는 축전기 양단의 전압차가 사라질 경우 순간적으로 방전이 되어버리므로 DRAM에 저장된 정보는 사라지게 된다. 이는 DRAM의 휘발성을 의미한다.

DRAM과 유사한 구조를 갖으며 비휘발성메모리 특성을 갖는 새로운 메모리에 대한 연구는 이미 오래전에 시작되어 다양한 종류의 비휘발성메모리의 원형이 이미 보고된 바 있으며 현재도 보고되고 있다. 비휘발성메모리는 DRAM과 달리 메모리칩 자체에 정보를 저장할 수 있으므로 궁극적으로는 DRAM과 정보저장장치의 역할을 아우를 수 있는 보편적인 메모리 역할을 할 수 있을 것으로 예상된다. 비휘발성메모리의 가장 대표적인 예는 플래쉬메모리이며 현재 SSD, 이동식메모리장치 등 광범위하게 사용되고 있다. 플래쉬메모리의 기본 구성단위는 하나의 금속-산화물-반도체 접합 트랜지스터(MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor)로 이 MOSFET은 플로팅게이트(floating gate)라 불리는 추가적인 층을 포함한다. 플로팅게이트 내 전하의 존재유무에 따라 이 MOSFET의 여닫이 전압이 영향을 받으므로 동일 게이트전압 하 MOSFET의 on/off 상태를 이용하여 ‘0’과 ‘1’을 구성할 수 있다. 하지만 플래쉬메모리의 가장 큰 단점은 매우 느린 동작속도에 있으며 쓰기, 지우기에 필요한 시간이 msec에 이르는 단점이 있다.[1]

플래쉬메모리 이외 현재까지 보고된 비휘발성메모리는 원형은 다양하다. 크게 비휘발성메모리는 정전용량 기반 메모리와 저항 기반 메모리로 구별할 수 있다. 앞서 설명한 DRAM은 정전용량 기반 휘발성메모리에 속한다. 정전용량 기반 비휘발성메모리로 강유전체의 자발분극(spontaneous polariza-tion) 현상을 이용한 FRAM(Ferroelectric Random Access Memory)이 있다. 강유전체는 상유전체로의 상전이 온도 이하에서 자발분극을 보이며 외부 인가전기장의 방향에 따라 자발분극의 방향을 바꿀 수 있다. 강유전체의 전형적인 분극-전기장 관계곡선은 그림 3에 도식화하였다. DRAM의 축전기와 달리 FRAM의 강유전체 기반 축전기는 강유전체의 자발분극 현상으로 인해 축전기 양단의 인가 전위차가 존재하지 않는 경우 역시 충전상태를 유지할 수 있다. 따라서 FRAM 기본 단위에 저장된 정보는 외부 전원의 유무에 관계없이 존재하게 된다.
정전용량 기반 비휘발성 메모리는 동작원리 상 집적화에 취약한 단점이 있다. 축전기의 정전용량(C)은 유전체의 유전율()과 축전기의 면적(A)에 비례하며 유전체의 두께(t)에 반비례하며 아래의 수식으로 표현이 가능하다.

식 1

정전용량 기반 메모리의 읽기마진 확보를 위하여 특정 정전용량 이상을 확보해야하지만 메모리칩의 집적도 증가를 위해 단위소자의 크기감소는 반드시 필요하다. 2차원 축전기의 경우 단위소자의 감소는 축전기 면적(A)의 감소를 의미하므로 유전체 유전율의 증가 혹은 3차원 형태의 축전기 제작을 통한 축전기 면적증가가 필요하다. FRAM의 경우 3차원 강유전체 축전기 제작의 어려움 등의 이유로 현재까지 집적도가 낮은 수준이다.
반면 저항 기반 비휘발성메모리의 경우 앞서 언급한 정전용량 확보의 어려움 등의 문제로부터 자유로우며 상대적으로 다양한 형태의 비휘발성메모리 원형이 제시된 바 있다. 상변화메모리(PRAM: Phase-change Random Access Memory)는 대표적인 저항 기반 비휘발성메모리의 예이다. 칼코제나이드1) 소재는 미세구조와 전기전도도 사이 강한 상관관계를 보여주는 소재로 비정질 상태의 경우 낮은 전기전도도를 반대로 결정질 상태의 경우 높은 전기전도도를 보여준다. 뿐만 아니라 소재를 통해 흐르는 전류의 흐름에 기인한 줄열(Joule heat)을 이용하여 비정질과 결정질 상태 사이에 상변화를 유발할 수 있다. 비정질로부터 결정질로의 상변화에 따른 전기전도도 변화를 보여주는 전류-전압 이력곡선은 그림 4와 같다. 따라서 칼코제나이드 소재의 미세구조에 따른 상이한 저항상태를 이용하여 단위 비트를 구성하는 ‘0’과 ‘1’상태를 구성할 수 있으며 이 현상을 응용한 비휘발성메모리가 PRAM이다. PRAM의 기본 구성단위는 하나의 트랜지스터와 하나의 칼코제나이드 소재 기반 저항(1T1R)이다.
.

.

.

,

.

.

더 자세한 내용은 세라믹코리아 3월호 참조