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제6장 차세대 컴퓨팅을 위한 첨단메모리 소재기술(3)-우지용(경북대)_신소재경제·재료연 공동기획 소재기술백서 2020(21) - 차세대반도체 자성·강유전체 메모리 주목
  • 기사등록 2022-11-18 12:55:34
  • 수정 2022-11-18 16:32:34
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재료연구원이 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 12번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘포스트 코로나 대응소재’다. 2020년 3월 이후 코로나가 전세계적으로 확산되며 세계 경제 및 사회에 전례없는 큰 충격을 주고 있다. 포스트 코로나 시대의 거대한 변화를 도약의 기회로 만들기 위한 과학기술 기반의 준비가 필요하다. 이에 소재기술백서 2020는 ‘포스트 코로나 대응 소재기술’을 주제로 방역·의료소재, 언택트 환경·디지털 소재, 친환경·신에너지 소재와 관련한 기술동향을 분석했다. 이에 본지는 재료연구원과 공동기획으로 ‘소재기술백서 2020’를 연재한다.

차세대반도체 자성·강유전체 메모리 주목



자성메모리, 원천연구 및 집적화 공정기술 개발 활발

강유전체메모리, 서울대·KAIST 등 소재 및 공정연구 진행



■ 자성메모리


자성 메모리 개발은 강자성 금속-절연체-강자성 금속 커패시터 구조를 일컫는 자기터널접합(Magnetic Tunnel Junction, MTJ)에서 금속과 절연체 소재의 개발로 저항 차이를 높이고, 스핀 방향의 변경을 효율적으로 할 수 있는 새로운 동작 원리 개발이라는 원천 연구와 제품화 단계에서 신뢰성과 수율을 고려한 집적화 공정기술 개발의 두 가지 큰 축으로 진행된다.


1) 국내 동향

삼성전자는 2010년대부터 20nm 이하에서 메모리 동작이 가능한 자기터널접합의 구조설계 및 공정 최적화 연구를 진행하였다. 단위 자성 메모리에서 보여주는 초고속 동작 및 높은 내구성을 칩 레벨에서도 구현하여 2016년 자사의 28nm CMOS 플랫폼에서 제작된 8Mb 스핀전달토크 자성 메모리를 발표했다.


2019년 동일 메모리 기술을 완전공핍형 실리콘 온 인슐레이터(fully depleted-silicon-on-insulator, FD-SOI) 플랫폼에 적용하여 제품으로 양산했다.


같은 해, 공정기술의 개선과 낸드플래시 제품에 사용하는 오류 검출 정정(error correction code)을 도입하여 90% 이상의 수율과 높은 신뢰성을 보이는 1Gb 메모리 기술을 발표했다.


SK하이닉스의 경우 일본 키옥시아와 2011년 맺은 전략적 기술 제휴를 계속 유지하며 공동으로 개발하고 있다. 자사의 로직용 CMOS 플랫폼이 없는 SK하이닉스는 고집적 자성 메모리 개발을 목표로 한다. 2016년 단일 자성 메모리에선 최대 메모리 용량인 4Gb 스핀전달토크 메모리 기술을 발표했다.


2) 해외 동향


가. 미국

2006년 프리스케일(Freescale)에서 세계 최초로 4Mb 토글 자성 메모리를 양산했다.


굉장히 빠른 속도로 스핀 방향이 전환되어 35나노초(sec.) 이하 고속 동작이 가능하며 1016 이상의 내구성을 보여준다. 메모리 특성이 –40oC의 저온부터 150oC의 고온에서 동작해 엄격한 온도 조건을 요구하는 차량용 반도체에 적용될 수 있음을 보여주었다.


토글 자성 메모리의 경우 자기터널접합 주변에 자기장을 생성하기 위한 전극이 추가로 필요하여 전력 소모 증가와 미세화 공정 한계로 고집적이 불가능했다. 하지만 2012년 프리스케일에서 분사한 에버스핀(Everspin)은 스핀전달토크 방식의 동작 원리를 채택하여 미세공정의 한계를 극복하고, 스핀이 수평 방향으로 정렬된 기존의 인-플래인(In-plane)에서 수직으로 정렬된(perpendicular) 형태로 변경하여 신뢰성 높은 64Mb 메모리를 양산했다.


에버스핀의 경우 자사 자성 메모리 기술을 미국의 반도체 위탁생산 업체인 글로벌 파운드리(Global Foundries)에서 생산 중이다. 2018년 40nm CMOS 플랫폼에 256Mb 스핀절달토크 자성메모리를 양산 중이고, 2019년 28nm CMOS 플랫폼을 이용한 1Gb 자성 메모리의 초도 양산을 발표했다.


현재 삼성전자와 유사하게 22nm 완전공핍형 실리콘 온 인슐레이터(fully depleted-silicon-on-insulator, FD-SOI) 플랫폼에서 개발한 자성 메모리가 용량은 4Mb에서 48Mb지만 105번의 내구성 등 엄격한 신뢰성 평가를 통과했다고 발표했다.


2019년 인텔은 22nm 핀펫 플랫폼에 저항 변화 메모리 외, 7Mb 자성 메모리를 적용했다. 두 가지 차세대 메모리는 소자 크기는 유사했지만, 105oC에서의 유지성과 103의 다소 짧은 내구성을 보이는 저항 변화 메모리와 다르게 자성 메모리는 210oC의 고온과 내구성이 104배 향상된 결과를 보여주었다.


스타트업 Avalanche는 2018년 대만의 UMC와 위탁생산 서비스를 이용해 28nm CMOS 플랫폼에 자성 메모리를 양산하는 공동개발 협약을 체결했다. 업계 최초로 고집적 자성 메모리를 위해 크로스포인트 도입을 시도하고 있으며 상변화 메모리 및 저항변화 메모리에 적용했던 이온 기반 2단자 선택 소자를 사용 중이다.


나. 일본

2006년 미국 프리스케일에서 처음 양산한 자성 메모리는 자기터널접합의 절연체로 비정질 알루미늄 산화물(Al2O3)를 사용하여 100% 이하의 저항 차이를 이용한다. 2004년 도호쿠(Tohoku) 대학 및 산업기술총합연구소(AIST)는 새로운 절연체로 결정질 마그네슘 산화물(MgO)을 개발해 저항 비가 180%까지 증가할 수 있음을 보고하였고, 이는 Gb 수준의 메모리 용량이 가능함을 보여준 결과였다.


이후 반도체 장비 업체인 캐논 아넬바(Canon Anelva)와 함께 마그네슘 산화물을 원자층 수준으로 증착할 수 있는 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition)을 개발하여 280%의 높은 저항 비를 확보했다. 2016년부터 도호쿠 대학은 고용량 메모리에 적합한 스핀전달토크 방식에서 1나노초 이하의 초고속 동작에 적합한 스핀궤도토크 방식의 메모리를 개발 중이다.


앞서 살펴본 저항 변화 메모리처럼 신소재 개발이 메모리 특성 한계를 극복하고 고집적화를 이루는 데 매우 중요한 역할을 함에 따라 새로운 산업 분야로의 확장과 성장까지 이끌 수 있었다.


또, 학계 수준에서의 소재 탐색으로 그치지 않고 실제 반도체 공정에 적용할 수 있는 증착 장비의 개발과 함께 새로운 반도체 부품을 만들어낸 사실을 통해 소재·부품·장비 기술 협력의 중요성을 보여주었다.


다. 대만

2019년 TSMC는 자사의 초저전력 22nm CMOS 플랫폼을 이용한 32Mb 스핀토크전달 자성 메모리를 발표했다.

-40oC~125oC의 넓은 온도 환경에서 목표로 하는 메모리 내구성의 비트 오류율(bit error rate)이 백만분의 일(1ppm)을 달성한 결과와 함께 메모리 유지성과 외부 자기장에 대한 면역 등을 평가하여 신뢰성 높은 특성을 보고했다. 현재, 16nm 핀펫 플랫폼에 적용하여 위탁생산 서비스를 계획하고 있다.


■ 강유전체 메모리


1) 국내 동향

삼성전자는 1999년 티탄산 지르콘산 연(PbZrTiO3, PZT)의 복잡한 삼성분계 강유전체 소재를 이용하여 4Mb 메모리를 세계 최초로 양산했다. 디램과 낸드플래시보다 빠른 동작 속도 등 좋은 특성을 보여주고 있음에도, 강유전성을 구현하기 위해선 강유전체 소재의 두께가 100nm 이상 두꺼워야 하는 단점이 있다.


따라서 미세화 공정이 진행될수록 자발적 분극 형성이 어려워져 130nm 수준에서 한계에 봉착해 연구가 중단됐다. 10여 년이 지나 강유전체 메모리 기술은 트랜지스터의 게이트 절연막으로 사용 중인 하프늄 산화물에서 강유전성이 보고된 이후 다시 주목받기 시작했다. 국내의 경우, 서울대학교와 한국과학기술원 등 학계에서 지르코늄이 첨가된 하프늄 산화물 소재 및 공정 개발 연구를 주로 진행 중이다.


2) 해외 동향

가. 미국

미국 노트르담 대학에서는 글로벌 파운드리에서 제작한 강유전체 트랜지스터 기술을 뉴로모픽 시냅스 소자와 고속 동작과 소형 면적의 장점을 활용하여 고속 정보 처리에 적합한 내용 주소화 기억장치(Ternary Content-Addressable Memory, TCAM)에 적용하고 있다. 미국 버클리 대학교는 최근 하프늄 산화물 소재 성장 방법을 개발하여 1㎚ 수준의 두께에서 강유전성을 구현했다.


나. 유럽

2007년 독일의 디램 회사 키몬다(Qimonda)에서 디램 커패시터의 전하 저장 성능을 증가시키기 위해 추가적인 원소를 추가해 하프늄 산화물의 유전율을 높이는 연구 과정에서 강유전성을 발견했다.


이후 2009년 키몬다와 독일의 드레스덴 공과대학교와의 합작 법인으로 만든 NaMLab에 의해 강유전성은 다시 반도체 업계에 관심을 끌게 되었다. 독일의 프라운호퍼(Fraunhofer) 연구소와 벨기에 IMEC에서 소재 연구를 통해 하프늄 산화물의 다양한 결정질 중 사방정계(orthorhombic)에서 자발적인 분극이 형성됨을 밝혔다.


결정 구조의 변화가 고온에서 발생하기에 실리콘과 지르코늄 등의 원소를 도입하여 상전이에 필요한 온도를 낮추는 연구가 주로 진행 중이다. 2012년 글로벌 파운드리의 28㎚ CMOS 플랫폼 기술을 이용한 강유전체 트랜지스터를 보고했는데, 최근 FMC(Ferroelectric Memory Company) 스타트업이 글로벌 파운드리와 라이센스를 체결하고 국내 SK하이닉스로부터 지원을 받아 개발 중이다. 벨기에 IMEC에서는 2017년 3차원 낸드플래시에 채널 소재로 강유전체를 도입한 3차원 강유전체 낸드메모리(Fe-NAND) 기술을 보고하는 등 다양한 적용 가능성을 보여줬다.


■ 국내외 선도기관

차세대 메모리는 각 동작 원리에 적합한 소재를 탐색하여 후보군을 정하는 게 최우선이다. 소재 확보 후, 기존 메모리 기술 대비 경쟁력 확보를 위해 집적도를 높일 수 있는 구조 도입 및 신뢰성 확보의 개발 방향성을 보이는데, 메모리 기술 관련 국내외 선도연구기관과 주요 연구내용을 다음의 표로 정리하였다.



▲ <그림2>집적도와 동작속도 향상할 수 있는 자성 메모리 소자 구조 변화


▲ <그림3>절연체 소재에 따른 자성메모리의 저항비


▲ <표3> 상변화 메모리 기술-해외 선도연구기관


▲ <표4> 저항변화 메모리 기술-국내 선도연구기관


▲ <표5> 저항변화 메모리기술-해외 선도연구기관


▲ <표6> 자성 메모리 기술 –국내 선도연구기관


▲ <표7> 자성 메모리 기술 -해외선도연구기관


▲ <표8> 강유전체 메모리기술-해외선도연구기관


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