▲ 황철성 서울대학교 재료공학부 교수 .

국내 연구진이 USB등 초소형 저장메모리에 사용되는 낸드 플래시의 한계를 극복할 수 있는 자가 정류·저항변화 메모리를 개발했다.

기존 낸드 플래시 대비 정보를 저장하고 쓰는 속도가 1,000배 빠르고 용량이 1.5배 높으며 1/2 이하로 작아질 수 있을 뿐 아니라 공정비용이 낮아 차세대 메모리로 상용화가 기대된다.

현재 연27조원 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.

낸드 플래시(NAND flash)는 복잡한 공정과 직접화의 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.

그러나 용량을 늘리면서도 안정적인 저항상태를 유지하는 문제와 고품질 다이오드 제작이 어려워 상용화가 불가했다.

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 ‘14년 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.

▲ 연구에서 제시하는 차세대 수직 저항 변화 소자 구조 그림 .