차세대 메모리, 절연체 및 금속재 물리변화 저항 차 활용

상변화·자성·저항변화·강유전체 등 처리속도↑, 에너지소모↓

단위면적당 최대 집적, 외부저장소 불필요 10nm↓ 공정 유리

■ 기술의 정의 및 분류

스마트폰과 태블릿 등 새로운 형태의 전자제품이 개발되고 대중화되면서 정보를 접할 수 있는 시간적 제약과 공간적 한계가 사라졌다. 동시에 통신 기술의 향상으로 전자기기 간 음성 정보 등의 비정형화된 정보를 공유하는 사물 인터넷(Internet-of-Things) 시대를 맞이했다.

인류가 문명을 시작하고 파피루스에 기록하여 정보를 저장하던 이래로 2000년대까지 생성된 정보의 양은 1018수준인 엑사바이트(Exabyte) 규모로 여겨진다. 그런데 2020년도에만 이 정보의 양의 1,000배에 해당하는 60제타바이트(Zettabyte)가 생성됐음을 국제 데이터 협회(International Data Corporation, IDC)가 발표했으며, 향후 전 세계의 연결이 점점 더 가속화되어 정보의 양은 기하급수적으로 늘어날 것으로 예측된다.

많은 양의 정보를 저장하기 위해 현재 실리콘(Si) 소재로 구성된 트랜지스터를 기반으로 하는 메모리 반도체를 이용하는데, 이는 추가적인 외부 저장소를 만들고 전하의 존재 여부에 따라 메모리 특성이 나타나는 전하 기반 반도체이다. 디램(DRAM)의 경우 커패시터(capacitor)를 저장소로 사용하고 플래시메모리(FLASH memory)는 트랜지스터 게이트(transistor gate) 아래 위치한 플로팅게이트(floating gate) 혹은 전하 트랩 층(charge trap layer)을 저장소로 이용한다.

하나의 트랜지스터와 하나의 커패시터로 구성된 디램의 단위 소자들이 서로 연결된 어레이(Array)에서 임의의 위치에 있는 디램 소자로의 접근이 가능해 고속으로 동작할 수 있다.

반면 플래시메모리는 하나의 트랜지스터로 구성된 단위 소자가 배열된 형태에 따라 낸드(NAND)와 노어(NOR)로 구분된다.

노어 플래시는 디램과 유사하게 임의 접근(random access)이 가능한 모습을 보인다. 반면 낸드플래시의 경우 여러 개의 단위 소자들이 신호를 전달하는 하나의 라인에 의해 직렬로 연결된 스트링(string) 구조로서 디램 대비 집적도에 장점이 있다.

메모리 반도체 산업은 성능 개선은 물론이고 미세화 공정으로 집적도를 높여 동일한 웨이퍼에서 생산되는 메모리 칩의 개수를 증가시켜 가격 경쟁력을 확보하는 것이 중요하다. 로직용 트랜지스터 기술은 현재 7/5nm까지 계속 미세화가 진행되고 있지만, 디램에서 저장소 역할을 하는 커패시터 성능 저하로 트랜지스터 공정이 10nm 중반에 머물러 있다.

미세화가 느려지면서 디램의 태생적 한계인 커패시터에 저장된 전하가 자연적으로 감소하는 휘발성으로 주기적인 전력 공급이 필요했던 전력 소모 문제 역시 부각되고 있다. 비휘발성을 갖는 낸드플래시 역시 20nm 이하부터 물리적 한계에 직면했으나, 또 한 번의 구조적 혁신을 통해 평면형 낸드플래시를 3차원 수직으로 쌓아 올려 메모리 용량을 지속적으로 늘리고 있다.

하지만 전하를 저장하고 제거하는 쓰기/지우기 동작이 느리며 반복적으로 사용할 시 내구성이 약하다. 따라서 낸드플래시처럼 비휘발성을 가지며 디램만큼 쓰기/지우기 내구성과 고속 동작을 구현할 수 있는 차세대 메모리 기술이 2000년대 초반부터 주목받기 시작했다.

■ 기술의 원리

차세대 메모리는 입력 신호에 따라 재료 내 물리적 변화에 따른 저항 차이를 이용한다. 기존 메모리에서 사용된 3단자 트랜지스터 구조 대신 입력과 출력 신호를 전달하는 두 개의 금속 전극 사이에 절연체가 존재하는 금속-절연체-금속 2단자 커패시터 형태로 구성된다.

2단자 구조로 되어있어 입력과 출력 라인이 서로 수직으로 교차하는 영역에 메모리가 존재하는 크로스포인트(cross-point) 아키텍처에 적용돼 단위 면적 당 최대 메모리 집적도 가능해진다.

또한, 전하 저장방식을 사용하지 않기 때문에 외부 저장소가 불필요해 10nm 이하 초미세 공정에 유리하다. 차세대 메모리는 사용된 절연체와 금속 소재에 따라 저항이 변하는 방식이 달라지며, 물리적 동작 원리에 따라 기술명이 다음의 표와 같이 세분된다.

1) 상변화 메모리(Phase Change RAM)

원소 주기율표 6족에 해당하는 텔루륨(Te) 및 셀레늄(Se) 등의 칼코겐(Chalcogen) 원소를 포함하는 이원계 이상의 칼코지나이드(Chalcogenide) 화합물을 절연체로 사용하며, 재료의 결정(crystal) 구조와 비정질(amorphous) 구조 간의 가역적인 상(phase) 변화를 이용한다.

전압의 인가로 전류가 흘러 줄 열(Joule heating)이 발생하면, 칼코겐 원소의 특성으로 고체지만 녹은 것과 유사한 유리 상태(Chalcogenide glass)가 만들어진다. 이때 원소들이 규칙적으로 배열될 수 있는 충분한 시간이 주어지면 결정 구조가 만들어지며 저항이 낮아진다.

반면 유리 상태에서 줄 열을 급속하게 차단하면(quenching) 원소들이 무작위로 배열된 비정질이 만들어져 높은 저항을 나타낸다.

2) 저항 변화 메모리(Resistive RAM)

이원계 이상 전이 금속 산화물 및 칼코지나이드 계열을 절연체로 사용하고, 고체 내 결함의 움직임을 이용한다. 열역학적으로 소재 내부에서 금속이나 산소 공공(vacancy)의 발생은 피할 수 없으며, 소재 내에서 전기적으로 중성을 유지하기 위해 공공은 전하를 띤다.

결함을 지닌 소재에 전압을 인가하면, 전압 극성에 따라 양전하 혹은 음전하들이 서로 모여 전도성 필라멘트(conductive filament)를 만든다. 절연체에 의해 상부 금속과 하부 금속이 분리되어 절연 특성이 나타나던 메모리는 국부적인 필라멘트의 형성으로 금속이 서로 연결되어 저항이 낮아지게 된다.

절연체와 금속 전극 소재에 따라 저항이 변하는 원리가 달라질 수 있다. 일함수(work function)가 작은 금속을 전극으로 사용할 경우 산화물과 금속 전극의 계면에서 화학 반응이 일어나 산화막이 형성된다. 산소 이온이 움직이는 방향에 따라 산화-환원 반응이 일어나 계면 산화막의 두께가 균일하게 증감하여 전도성 필라멘트 없이도 소재 내에서 저항의 변화가 나타난다.

3) 자성 메모리(Magnetic RAM)

물질을 구성하는 입자의 고유 성질인 스핀(spin)을 활용한다. 금속-절연체-금속 커패시터 구조에서 외부 자기장이 없는 상태에서도 특정 방향으로 자화되어 있는 강자성체를 금속으로 사용한다. 하부 강자성체 금속은 특정 방향으로 스핀이 정렬된 고정층, 상부 강자성체 금속의 경우 스핀의 방향을 자유롭게 조절할 수 있는 자유층으로 구성된다.

상·하부 금속의 스핀 방향의 일치 여부에 따라 저항 차이가 나타난다. 상부 금속의 스핀 방향 전환을 위하여 외부에서 자기장을 발생시키는 토글 자성 메모리(Toggle MRAM), 직접 전류를 인가하는 스핀전달토크 자성 메모리(Spin-Transfer Torque MRAM, STT-MRAM), 자성 메모리의 하부 전극에 연결된 추가 전극으로 전류를 흘리는 스핀궤도토크 자성 메모리(Spin-Orbit Torque MRAM, SOT-MRAM)로 나눈다.

4) 강유전체 메모리(Ferroelectric RAM)

삼성분계(三成分系) 이상 산화물의 특정 결정질 구조에서 원자의 작은 변위로 인해 외부 전기장이 없어도 자발 분극(spontaneous polarization)이 나타나는 강유전성 소재를 절연체로 사용한다. 자성 메모리와 유사하게 소재 내 분극들이 정렬된 방향에 따라 저항 차이가 나타난다.

다른 차세대 메모리 소자와 다르게 3단자 트랜지스터 구조에 도입되기도 하며 이를 강유전체 전계 효과 트랜지스터(Ferroelectric Field Effect Transistor)라 한다. 게이트 절연막(gate dielectric)으로 고유전율 산화물 대신 강유전체 소재를 사용하여 분극 방향에 따라 트랜지스터 채널(channel)에 흐르는 전류량의 변화를 이용한다.

■포스트 코로나 대응 관점에서의 기술의 중요성

코로나-19와 같은 전염성 높은 질병의 경우, 유동 인구가 많은 건물의 출입구에서부터 사람의 얼굴을 인식하고 비대면 체온 측정을 통해 의심환자를 조기 차단하는 것이 중요하다.

출입자들을 차례대로 검사하는 것이 아니라 신속하게 여러 사람을 동시에 인식하고 판별하기 위해선 많은 정보를 효율적이고 실시간으로 처리할 수 있는 시스템이 필요하다.

인식 성능의 경우 사람의 얼굴을 포착하여 온도를 확인하는데 사용되는 컴퓨팅 에너지보다 분석한 정보를 메모리에 저장하기 위해 전달되는 과정에서 50% 이상의 에너지가 소모된다.

차세대 메모리의 간단한 구조 덕분에 사용할 수 있는 크로스포인트 구조를 도입하면, 정보가 저장되어 있는 메모리에서 패턴 인식에 필요한 연산을 수행하여 불필요한 정보 전달 과정을 줄일 수 있어 처리 속도 향상과 에너지 소모 절감을 얻을 수 있다. 비대면 안면 인식 등 방역 시스템 구축 외에도, 휴대용 진단키트나 자가 격리 이탈자 동선 파악에 사용하는 웨어러블 기기의 보급이 필요하다.

기존 메모리 대비 비휘발성과 저전력 동작이 가능한 차세대 메모리 기술로 배터리 효율 향상으로 언제 어디서나 상황 진단과 위치 파악이 가능한 올웨이즈 온(always-on) 제품 개발에 중요한 역할을 할 것이다.

▲ 차세대 메모리 소재 기술 분류