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물리학과첨단기술의세계 차세대비휘발성메모리최근연구동향 비휘발성메모리기술의개요 모바일및디지털정보통신산업, 가전산업의급속한발달로인하여 DRAM 일변도만으로는수년내에국내반도체산업은큰위기를맞을수있다. 그이유는현재모바일, 디지털환경에대응하기위해 DRAM 이나플래시메모리 (Flash Memory) 를논리소자와결합시킨 embedded 메모리는제조공정상의여러어려움뿐만아니라, 모바일, 디지털응용에서요구되는전원이차단된상태에서도안정적으로장기간데이터를보존할수있는비휘발성, 저전력, DRAM과같은빠른동작속도, Gb급이상의높은집적도, 낮은생산원가등에서한계점에도달해있기때문이다. 따라서 DRAM과플래시메모리의태생적한계를원천적으로극복할수있고, SoC와접목할수있는새로운비휘발성메모리가개발되어야하는당위성에는의심의여지가없다. 현재개발되고있는차세대메모리는모두 DRAM의고집적성과낮은소비전력의특성, FLASH 메모리의비휘발성, SRAM의고속동작을결합하려는시도들이이루어지고있다. 현재비휘발성차세대메모리로유력하게대두되고있는소자는 PRAM (phase change RAM), NFGM (nano floating gate memory), ReRAM (resistive RAM), PoRAM(polymer RAM) 등이있으며, 그이외에도 MRAM, FeRAM, 스핀트로닉스소자등도많은연구가진행중이다. 이들소자는기존의플래시메모리에비해저전력소모, 장기간데이터를유지할수있는비휘발성이월등히뛰어나고, 쓰기 / 읽기동작특성이낮은동작전압에서도월등히빠르며, 열악한환경에서도데 김용태 김성일 김영환 이터를안정적으로보존할수있다. 또한, Gb급이상의초고집적화가가능할것으로예상되며, 다양한논리소자와인터페이스가가능함으로써모바일및디지털정보통신산업, 가전분야에서이상적인메모리로각광받고미국, 일본, 유럽에서대단히활발하게연구가진행되고있다. 여러가지비휘발성메모리의기술적특성 1. Phase Change RAM(PRAM) PRAM은물질의상변화에따른저항의차이를이용하는메모리이다. 주요특성으로는비휘발성, 낮은동작전압, 빠른액세스시간, non-destructive read out (NDRO), 새로운재료및소자기술등이있다. PRAM의액세스시간은현재비휘발성메모리의대표격인 Flash( 수μs~ 수십μs) 보다 10 3 배이상빠르고, DRAM 과같은 2~5 V 이하의낮은전압에서동작이가능하다. SRAM과같은빠른읽기-쓰기가가능하고, 비교적간단한 그림 1. PRAM 소자에서상변환이일어나는부분의단면구조. 셀구조를가질수있기때문에소자크기를 DRAM 만큼낮출수있다. 또한전하의축적을이용한기억소자가아니고물질의상변화에따른저항의차이를이용하기때문에우주복사선이나전자기파에영향을받지않아우주공간에서도제기능을발휘할수있으며, 10 10 회이상반복해서정보를쓰고지울수있다. 또한한번기록된정보는 70 의고온에서도 20년이상보존할수있다. 그림 4는 PRAM 소자에서상변환이일어나는부분의기본적인구조이다. [6,7,10-12] 2. Nano Floating Gate Memory(NFGM) NFGM은기존의 Flash 메모리의셀크기를축소하고저전력화할수있는구조로서 storage node에나노미터크기의 dot를인위적으로형성함으로써전자로정보를저장할수있는기술이다. 처음 nanocrystal 메모리소자가제안되었을때는휘발성특성때문에크게주목을받지못했지만, NAND type flash 메모리의크기가 100 nm 이하로작아짐에따라인접한셀사이의부유게이트 capacitive coupling이증가하여소자동작특성이불안정해지므로 nanocrystal을초고집적 Flash 메모리의부유게이트로사용하는것이중요한응용과제가되었다. 그림 2에서보여주듯이 70 nm 이하의크기에서현재의 Flash 메모리기술과단일전자메모리의제한점을극복할수있을것이다. [1] 3. Resistance RAM(RRAM) RRAM은두가지구조를가지고있다. 그림 2. 기존플래시메모리스케일의한계와가능성의상관관계. 24

(a) (b) (c) 그림 5. Organic Memory 의개략도 (a, b) 및 Stacked 메모리구조에대한개략도 (c). 그림 3. CMR 형태의 RRAM 구조. 첫번째는그림 3과같이초거대자기저항물질을전극사이에삽입하여전기장에의한저항의변화를이용하는것이다. 대표적으로는 Pr 1-xCa xmno 3(PCMO) 물질을 YBa 2Cu 3O 7-x(YBCO) 나 Pt 전극, 또는 LaAlO 3(LAO) 절연층위에쌓아형성하여준다. 두번째구조는그림 4와같이 PRAM과비슷한구조를가지나 PRAM이상변화를위해높은전류를요구하는것에반해항상비정질구조를유지하면서 Ovonic switch의문턱전압을변화시켜서저항의차이가생기게만드는것이다. 아직정확한메커니즘이밝혀지지는않았지만비정질구조의미세구조의변화나전자적변화에의해문턱전압의변화가생기는것으로생각된다. RRAM은자체적인정류기능을가지고있으므로접근트랜지스터가필요하지않아고집적에용이하다. [8,13] 4. Polymer RAM 폴리머 (Polymer) 재료를이용한메모리기술은현재두가지방향으로진행이되고있다. 첫번째는전계에의한이온의전달에의해저항이변화하는것을그림 4. Chalcogenide 물질을이용한 RRAM 구조. 이용하는방법 ( 이후 Polymer RAM) 과 polymer의강유전특성을이용하여금속사이에삽입된폴리머의분극의변화를이용하여정보를저장하는방법이있다 ( 이후 FP RAM). 그림 5(a), (b) 는 Polymer RAM 의구조를보여주고, 그림 5(c) Stacked 메모리구조에대한개략도이다. FP 메모리는 zero-transistor-per-bit 기술로, 수직방향과수평방향의두도체세트사이에영구전하를저장하는플라스틱폴리머체인층으로구성된다. 수평라인과수직라인사이에전압을인가함으로써, 폴리머비트는영구전하의분극을변화시킨다. 이후같은라인에서의분극을감지함으로써, 메모리비트값을읽을수있다. 폴리머메모리는실리콘메모리보다는낮은속도를가지지만, 디스크보다는고속이다. 한개의칩에여러층을겹쳐쌓을수있어, 큰용량의메모리를만들수있다. 폴리머메모리는소비전력이매우적고, 제조단가도매우낮다. 즉, 1달러당메모리용량이커서, MP3 플레이어, PDA, 디지털카메라등의휴대용디바이스의저장장치로적합하다. 이기술은메모리내용을읽으면, 그내용이없어지는단점이있지만, refresh 회로를통해, 이를해결할수있다. 차세대비휘발성메모리소자의최근연구동향 차세대비휘발성메모리소자들은세계적으로아직초기단계이고상용화까지는해결해야할과제들을많이안고있다. 본기고에서는지면제약상 PRAM, NFGM, ReRAM, PoRAM의최근연구동향에대해서만기술한다. PRAM과 NFGM 의경우 16 Mb급의고집적화소자를개발성공사례가발표되어그상용화가능성이조금더구체화되어가고있고 ReRAM 과 PoRAM의경우는단위소자형태를통해기초적인물성및소자특성을연구하고있는단계이다. 1. PRAM PRAM 기술은기존의 CMOS 공정을사용하면서새로운층 (Chalcogenide material) 을덧붙여 thin-film memory를만든다. 이로인해간단한소자구조를가지며, 매우작은능동기억매체가될수있다. 소자구조가간단해지기때문에공정상에서발생하는결함을현저하게줄일수있고, 짧은 cycle time과소자제작에있어서높은유통성을가질수있다. 정보기억을위해 chalcogenide 박막을비정질상태로만들기위해서는기록층의일부분을전기적가열또는빛조사방법으로녹인후급속하게냉각시키고, 정보삭제를위한결정상태로만들기위해서는상변화를일으키는데필요한일정시간동안결정온도보다약간더높은온도를인가하는것이요구된다. 일반적으로 GeSbTe 기록층의온도는기 25

Nanocrystal memory가상용화되기위해서는지금까지동작과공정이안정되어약 65 nm 크기까지는발전할 Flash 메모리와같은수준의읽기 / 쓰기, retention 및공정의안정성이확보되어야한다. 그리고 nanocrystal의안정적인크기와분포를확보하여대량생산시일정한특성을확보할수있는기술이여전히필요한상황이다. 그림 6. PRAM 의메모리셀구조의개략도및 SEM 사진. 그림 7. PRAM의 SET/RESET voltage 영역과 Read voltage 영역에대한 I-V 특성. 록시에는대략 600 이고삭제시에는약 179 이상으로알려져있다. 상변화형스위칭소자나메모리소자의경우에는결정상은저항이작게되어전류가도통되는상태가된다. 그러나열이나빛이매질에인가된후냉각되어비정질상이되면매질의저항이커지게되어전류의흐름이차단되는상태가된다. 그림 6은상변화물질을이용한 PRAM 의단위셀구조를나타내고있다. PRAM 의메모리셀은 1Tr-1Resistor의구조를가지게된다. PRAM의장점중의하나는 FLASH나 DRAM처럼축적되는전하의양을조절함으로써정보를저장하는방식이아닌물질의상변화로인한저항의차이이므 로우주복사선이나전자기파에영향을받지않아우주선에서사용되는컴퓨터의메인메모리나군사용목적의장비에사용될수있다. 그림 7은 SET 상태 ( 결정질상태 ) 와 RESET 상태 ( 비정질상태 ) 에서의 I-V 특성을나타낸것이다. 2. NFGM 그림 8(a) 는모토롤라에서제작하여발표한 nanocrystal memory의구조이다. 부유 nanocrystal은 CVD 방법으로 5 nm 의두께를가지는 tunnel oxide 위에형성되었다. 그림 8(b) 는 IBM에서제안한구조이다. CVD나 aerosol 증착에의한방법은 nanocrystal의크기와위치가넓게분포하여소자의동작과 scalability, 생산성에제한요건이되므로이를극복하기위해자기정렬된 copolymer thin film을이용하여약 20 nm 크기의, 각각이분리된 nanocrystal을형성한것이다. 그림 8(c) 는 Tohoku 대학에서제안한것으로실리콘 nanocrystal 대신에 W이나 Co 같은일함수가실리콘보다큰금속으로 metal nano-dots를형성하여부유게이트로사용한구조를나타낸다. [2-5] 3. ReRAM 초거대자기저항 (Colossal magneto-resistive) 물질인 Pr 0.7Ca 0.3MnO 3(PCMO) 는상온에서외부자기장을가하지않은상태에서전기장펄스를가해주면가역적저항변화가생겨나게된다. 100 ns의펄스폭과 ± 5 V의크기를가지는전기장의방향에따른저항의변화율이 1700% 에이르게된다 ( 그림 9 참조 ). 가해준전기장을제거한후에도 PCMO 물질의저항값은변화하지않아비휘발성특성을나타내고있다. 이러한현상은 PCMO 물질의내부에전기장에의해생성되는섬유모양의높은전도도통로가형성되어저항이낮아지기때문인것으로알려져있다. 이전도도통로는전기장펄스가없어진후에도특성을유지하는비휘발성이다. 이러한전도도통로가생기는현상은강한전기장에의해임의의방향으로배열되어있는강자성체클러스터가일정방향으로재편성되면서형성되는것으로전하들의통로가형성되면서섬유모양의전도도통로가형성되는것이다. 전기장의방향에의존하는 PCMO 물질은순방향펄스가가해지면저항이감소하게되 그림 8. 여러가지형태의 nanocrystal 메모리. (a) (b) (c) 26

그림 9. 펄스방향에따른저항의변화. 고역방향펄스가가해지면저항이증가하게되는것이다. Electric Pulse induced resistance (EPIR) 는 CMR 산화물이상온에서외부자기장이가해지지않은상태에서전기장에의해변화하는저항의크기를나타낸다. TF-RRAM은 PRAM과같이 chalcogenide 계열 (Ge 2Sb 2Te 5) 의물질을이용하지만결정질과비정질간의저항의차이를이용하는것이아니라비정질상태에서전압크기에따른 Vth 변화를이용하는것이다. TF-RRAM에서는 chalcogenide 물질이항상비정질상태로유지되게된다. TF-RRAM은항상비정질상태를유지하다가전류펄스를가하면 chalcogenide 물질내부에서 microstructure의변화가일어나 Ovonic switching 현상이발생하게되어결정구조는비정질상태를유지하면서갑자기많은전류가흐르게된다. Ovonic switching 현상에대해서는아직명확하게규명되지않았으며, 단지비정질상태내에서 microstructrure ( 또는 nanostructure) 의변화또는전기적인특성변화가일어나는것으로만추정하고있다. TF-RRAM은 chalcogenide의상변화를이용하는것이아니기때문에메모리셀의프로그램시간이 10 nsec 이하로이루어질수있다. 그외의 endurance와 retention 시간등에대한특성은 PRAM의특성과비슷하다. 그림 10. TF-RRAM의전압변화에따른 Vth 의변화. 저항고분자메모리와외부인가전장에의한강유전성의제어에의한 (2) 강유전성고분자메모리가있다. (1) 전기저항고분자메모리메모리기억소자로고분자물질을사용한다. 고분자물질은진공증착및스핀코팅이가능하여복잡한공정을많이줄일수있다는장점이있다. 또한메모리셀의구조도단순화할수있다. 그러나 organic 물질의온도안정성에대한문제가있어 CMOS back end of line (BEOL) 공정으로해야한다. 메모리물질은전극사이에위치하며셀간의혼선을막기위해 dielectric 물질로사이를채워준다. 고분자물질은두개의다른전압차에의해두개의저항상태를가지며, 프로그래밍전압보다낮은전압을가해전류를측정하게된다. 고분자물질의높은전도도상태와낮은전도도상태간의저항비는셀신호를분별해내는데있어서매우중요하므로 그림 11. 프로그래밍전압과 READ 펄스의크기. 차이값이 100배이상으로나타나야한다. (2) 강유전성고분자메모리 Ferroelectric Polymer Langmuir-Blodgett Films(FP-RAM) 은 Langmuir-Blodgett 분자단층변환기술을이용하여 polyvinylidenefluoride (PVDF) 이라는 2차원강유전체필름을이용한다. PVDF는영구분극을가지는결정질폴리머로써강유전체특성을띠게된다. PVDF는강한분극히스테리시스를가지며 1 nm 두께의필름으로만들수있기때문에 2차원강유전체로작용하게된다. 이강유전체폴리머 LB 필름은 high energy capacitor로서 FRAM의구조에서강유전체를대체하여비휘발성메모리의기억소자로의응용에많은연구가되어지고있다. FP-RAM의동작방법은 FRAM과동일하다. 현재연구되어지고있는메모리구조로는 MFM(metal-ferroelectric polymermetal) 구조와 MFIS(Metal-Ferroelectric polymer-insulator-silicon) 구조가있다. 4. PoRAM 비휘발성유기고분자메모리의작동원리는전기저항의제어에의한 (1) 전기 (a) 그림 12. (a) 강유전체폴리머구조 (b) 고분자메모리소자의동작특성. (b) 27

향후전망 PRAM기술은먼저상변화물질에대한원천적이고근본적인물성이해가철저히이루어져야한다. 이를바탕으로나노사이즈의상변화소자에대한열적, 기계적, 전기적특성분석과 CMOS 반도체공정기술의접목을통해대용량초고집적메모리를개발해나가야할것이다. NFGM기술은기존의플래시메모리의 gate stack재료및구조를나노사이즈의 Si입자들로이루어진 gate로바꿈으로써플래시메모리의문제점을극복할수있는새로운소자가가능하다는점에서그중요성이증대되고있다. 특히, 전세계적인나노클러스터제어기술에대한연구개발에힘입어최근초고집적 NFGM 개발은급속히진행되고있다. ReRAM은 PRAM과같이저항의변화를이용하는메모리소자로써향후새로운개념의 PRAM 창출이가능할것으로보인다. 따라서 ReRAM은새롭고다양한저항변화소재에서부터시작하여저항변화원리에대한궁극적인이해와소자동작특성에대한분석이선행된후고집적화를모색해야할것이다. PoRAM은유기고분자를이용하여 resistive PoRAM 혹은 ferroelectric PoRAM으로두갈래로나뉠수있다. 유기고분자를이용함으로써단순하면서도저가의비휘발성메모리를제조할수있어 E-cart에사용될수있는 RF ID소자로응용이기대되는등새로운형태의소자로서세계적으로그가능성을시험하고있는단계이다. 이제까지전자제품에유기물과고분자를사용하는데는신뢰성에대한의문이아직남아있어서먼저 resistive 및 ferroelectric 유기고분자를합성하는소재개발이선행되어야하고, mono-layer로 coating하는기술에서부터단위소자특성을개발하여순차적으로고집적화가능성을살펴야할것이다. 특히고분자메모리는원천기술확보가능성이매우높은분야이다. 이들비휘발성차세대메모리개발은제각기다른특징을가지고있으면서공통적으로물성변화와소자특성을예측할수있는 simulation tool이필요하다. 이를위해서는각소재및소자구조에따 른열적, 전기적, 기계적물성치의초정밀정량적측정과소자변수의추출이필수적이다. 맺음말 본기고에서는여러가지비휘발성차세대메모리들중에서 PRAM(phase change RAM), NFGM(nano floating gate memory), ReRAM(resistive RAM), PoRAM(polymer RAM) 기술개발현황을소개하였다. 현재개발되고있는차세대메모리중 PRAM 은개발속도가고집적의상용화를앞에두고있다. 그러나고집적화와상용화를위해서는여전히해결해야할과제들이존재한다. PRAM의경우 GeSbTe의일부가 RESET시의과전류에의해열화되어 GeSb로변화하는현상과고집적시인접셀의열간섭등이해결되어야하는과제이다. NFGM, RRMA, PoRAM 등은아직초기의연구단계에있으며물질특성의규명과소자설계, 제작공정의확립이먼저요구되며이의해결을통한집적화의과제로나아가야할것이다. 향후시장진입단계에있어서는단일차세대메모리로서의고집적화기술과함께 SoC 집적화기술에적용이용이해야하므로공정기술의개발과물질의안정성확보도중요한과제중의하나가될것이다. 참고문헌 [1] S. J. Baik et al., High Speed and Nonvolatile Si Nano-crystal Memory for Scaled Flash Technology using Highly Field-Sensitive Tunnel Barrier, 22.3. [2] R. Muralidhar et al., A 6V Embedded 90 nm Silicon Nano-crystal Nonvolatile Memory, 2003 IEDM Technical Digest, Session 26.2. [3] S. Tiwari et al., Few Electron Memories: Finding the compromise Between Performance, Varibility, and Manufacturability at the Nano-Scale, 2003 IEDM Technical Digest, Session 10.5. [4] K. W. Guarini et al., Low voltage, scalable nanocrystal FLASH memory fabricated by templated self assembly, 22.2. [5] M. Takata et al., New Non-Volatile Memory with Extremely High Density Metal Nano-Dots, 2003 IEDM Technical Digest, Session 22.5. [6] Y. Hwan et al., Writing Current Reduction for High-density Phasechange RAM, 2003 IEDM Technical Digest, Session 37.1. [7] N. Takaura et al., A GeSbTe phasechange memory cell featuring a Tungsten Heater Electrode for Low-Power, Highly Stable, and Short-Read-Cycle Operations, 37.2. [8] Y. Chen et al., An Access-Transistor- Free (0T/1R) Non-Volatile Resistance Random Access Memory(RRAM) Using a Novel Threshold Switching, Self- Rectifying Chalcogenide Device, 2003 IEDM Technical Digest, Session 37.4. [9] R. Sezi et al., Organic Materials for High-density Non-Volatile Memory Applications, 2003 IEDM Technical Digest, Session 10.2. [10] S. Ovshinsky, Amorphous materials - the key to new devices, IEEE Proc, of CAS 1, 33 (1998). [11] Ovonic Unified memory - a high performance nonvolatile memory technology for stand-alone memory and embedded application, in ISSCC Dig, of Tech. Papers, pp. 202-459, (2002). [12] OUM - A 180 nm nonvolatile memory cell element technology for stand alone and embedded applications, in IEDM Tech. Dig., pp. 803-806 (2001). [13] S. Q. Liu, N. J. Wu, Applied Physics Letters 76(19), 2749 (2000). 김용태박사는한국과학기술원공학박사 (1992) 로, 현재한국과학기술연구원시스템연구부장실에책임연구원으로재직중이다. (ytkim@kist.re.kr) 김성일박사는한국과학기술원이학박사 (1994) 로, 현재한국과학기술연구원시스템연구부장실에책임연구원으로재직중이다. 김영환박사는서울대학교공학박사 (1997) 로, 현재한국과학기술연구원시스템연구부장실에선임연구원으로재직중이다. 28