차세대 비휘발성 메모리 반도체 기술 동향 ①

반도체 산업은 이제 보다 높은 직접도와 성능을 달성하기 위해 새로운 공정, 새로운 소재, 그리고 반도체 디자인이라는 변곡점에 가까워지고 있는 상황이다. 비휘발성 메모리 반도체 기술도 이러한 난제에 직면해 있으며 기술적 진보로 인해, 3D NAND 플래시메모리가 플래시메모리의 대세로 자리를 잡아가고 있다.

이 글은 앞으로 발전해나갈 메모리 반도체 기술에 대해 개괄적으로 살펴보고 요약한 분석물이다. 방대한 내용으로 인하여 기술의 특징과 해결해야 할 문제점을 위주로 소개하였으며 비휘발성 메모리 기술을 전반적으로 정리하는 데 도움이 많이 될 것이다. 

실리콘 메모리
실리콘 메모리 기술
실리콘 메모리는 전원이 끊겼을 때 메모리가 지워지는지 메모리가 계속 저장되어 있는지에 따라 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리로 구분할 수 있다. 휘발성 메모리는 SRAM(Static Random Memory)와 DRAM(Dynamic Random Memory)가 있으며, 비휘발성 메모리는 플래시메모리(Flash Memory)가 대표적이다. 

플래시메모리는 트랜지스터 게이트와 채널 사이에 산화 실리콘으로 둘러싸인 FG(Floating Gate)에 전자를 통한 전기적 포텐셜 차이를 이용해 소스와 드레인 간의 전류를 조절하는 방법을 사용한다. 예를 들어 게이트에 높은 전압을 가해 ‘Fowler-Nordheim’ 터널링에 의해 전자가 산화 실리콘을 통과하여 FG에 도달하게 되면, 전자로 유발된 음전하(negative potential)는 게이트가 트랜지스터의 전류를 조절하고 통제하기 어렵게 만든다. 

다시 말하자면, 게이트 전압이 일정한 경우 FG에 있는 전자의 전하량이 전류의 흐름을 결정할 수 있게 되는 것이다. 이렇게 FG에 있는 전자의 전하량을 조절하는 동작이 ‘program’ 또는 ‘erase’ 동작이고, 결국 program이나 erase 동작으로 FG의 전하량을 결정하여 정해진 전압이 가해졌을 때 목표한 양의 전류가 흐르거나 흐르지 않는 것을 이진법으로 코딩해 데이터를 저장하거나 읽어 들이게 되는 것이다. 플래시메모리는 정보의 저장하는 데 전력이 필요하지 않지만 DRAM 대비 속도가 느린 단점이 있다. 

플래시메모리는 셀 크기가 크고 단일 셀을 프로그램할 수 있는 NOR 메모리와 셀 크기가 작지만 직렬로 연결된 여러 셀들을 동시에 프로그램하는 NAND 메모리로 세분할 수 있다. 차세대 플래시메모리로는 ferroelectric random-access memory(FeRAM), magnetic random-access memory(MRAM), phase-change memory (PCM), resistive randon access memory (RRAM) 등이 주목받으며 개발 중에 있다.

앞에서 열거한 차세대 메모리가 상용화되기에는 아직도 많은 개발 시간이 필요하겠지만 상용화가 되기 위해서는 반드시 현재를 능가하는 높은 수준의 집적도(memory density)를 달성할 수 있어야 하고, 현존하는 메모리보다 빠르고 전력의 소모가 훨씬 적어야만 시장에서 받아들여져 대량 판매가 가능하게 될 것이다.

디지털 정보를 저장하기 위해 점점 더 많은 메모리의 집적도가 필요하게 되었고 이 요구에 부응하여 최근 플래시메모리는 2차원에서 3차원 구조로 진화하였다. 셀을 위로 쌓아나가면서 집적도를 늘리는 방법으로 16nm에서 셀 크기를 더 이상 줄이기 어려운 기술적 문제를 해결한 것이다.(그림 1) 

실리콘 메모리 시장
그림 2에서와 같이 비휘발성 메모리는 컴퓨터와 자동차에서부터 일반 가전제품에 이르기까지 매우 다양한 분야에 사용되고 있다. 1990년 이후 무선 전화의 생산량은 10년 동안 300배가 증가하였으며 플래시메모리의 가장 큰 응용 분야가 된 점이 괄목할 만하다. 최근에는 몸에 착용이 간편하도록 접거나 휠 수(flexible/wearable)있는 새로운 물질을 이용한 메모리 개발이 진행되고 있다. 

유기물질을 이용한 메모리는 현 실리콘 기반의 메모리를 대체하기 위해서 제작비용이 저렴하다면, 실현 가능할 수 있는 것으로 보인다. 만일 제작비용의 감소가 가능하면서 메모리의 성능을 구현할 수 있다면, 넒은 면적에 유기물질을 인쇄기가 신문을 제작하는 것처럼 찍어내면서(printing) 메모리를 생산하는 방식으로 획기적인 대량생산이 실현될 것으로 기대된다. 

바로 앞에서 언급하였듯이 최근에 3차원으로 비휘발성 메모리를 제작하는 방식이 실현되었다. 2차원 구조에서 직면한 집적도에 대한 기술적 문제를 3차원 구조로 해결한 것인데, 삼성과 도시바가 현재 양산에 들어가 있고, 마이크론과 SK하이닉스도 곧 양산에 돌입할 것으로 보인다. 
 
새롭게 주목받는 비휘발성 메모리 기술
스마트폰 등에 요구되는 메모리 기술은 빠르고 집적도가 높으며 전력 소모가 적고 대량생산에 적합해야 한다. 현재의 플래시메모리 기술이 다양한 시장의 요구를 전부 다 만족하기는 어렵기 때문에, 새로운 비휘발성 메모리 기술들이 일부 대체할 것으로 기대되고 주목받고 있다.

FeRAM, PCM, MRAM 등이 소규모로 생산이 되고 있는데, 앞으로 5년 정도면 집적도와 양산 기술의 발전으로 비휘발성 메모리의 중요한 부분을 담당하게 될 것으로 기대된다. 

STT-MRAM과 PCM 캐시 메모리는 기업의 대규모 정보 저장 분야(enterprise storage system)에 일부 사용되고 있다. 기업 정보 저장은 앞으로 비휘발성 메모리 기술의 최대 수요처가 될 것으로 전망되며, 최근에 발표된 웨스턴디지털의 샌디스크 합병 시도도 이 사업 분야의 중요성을 나타내는 것이라 할 수 있다. 

모바일 전화에 들어가는 NOR 플래시메모리를 PCM이 점점 더 대체하고 있고 낮은 전력 소모의 장점을 갖고 있는 STT-MRAM이 SRAM을 대체할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 2017년에 3D NAND 플래시의 집적도의 증가가 점점 더 어렵게 되기 시작할 때 RRAM이 3D NAND 플래시메모리를 대체하기 시작할 가능성이 높은 것으로 전망되고 있다.

그림 3은 여러 비휘발성 메모리 기술의 시장성 및 응용 분야, 매출 등의 예상치를 정리해놓은 것이다. NAND와 DRAM의 본격적인 대체는 2020년 이후에 가능할 것으로 전망되고 있다. 

플래시메모리 기술의 발전
NOR, NAND 플래시메모리 기술
플래시메모리는 MOSFET 기반의 비휘발성 메모리 소자로서 전기적으로 프로그램할 수 있는 장치이다. FN 터널링 현상을 이용하여 프로그램하거나 프로그램을 지우는 erase 동작을 통해 Floating gate(FG)에 정보를 저장하는 원리를 이용한다. 이 플래시메모리는 USB, 모바일 전화, 노트북 컴퓨터, GPS, 디지털카메라 등 많은 곳에 사용되고 있다.

플래시메모리는 실리콘 반도체 기반으로 제작되고 하나의 셀(cell)에 1 bit의 정보를 저장하며, 플래시메모리 소자는 대단히 많은 수의 셀들로 구성된다. 셀의 집적도(Memory Density)가 높으면 높을수록 더 많은 정보의 저장이 가능해진다.

플래시메모리는 NOR와 NAND 타입이 가장 많이 활용되고 있다. NOR는 집적도는 낮지만 개별 셀에 정보를 처리할 수 있고, NAND는 개별 셀에 정보를 처리할 수 없지만 높은 집적도를 갖는 특징이 있다. 두 플래시메모리의 구조는 아래 그림 4에 나와 있다.

NOR 플래시는 셀들이 비트 라인에 평행하게 연결이 되어 있어 각각의 셀들을 하나씩 읽고 프로그래밍할 수 있는 구조이고, NAND 플래시는 셀들이 직렬로 연결돼 각각의 셀을 읽고 프로그래밍할 수는 없으나 연결 간격이 작고 더 줄어들 수 있는 여지가 있어 많은 집적도의 실현이 가능한 장점을 갖는 구조를 갖는다.

NOR 플래시가 셀에 저장된 정보를 지우고 쓰는 속도는 NAND 플래시에 비해 느리다. NOR 플래시는 정보를 읽는 속도는 NAND에 비해 조금 빠를 수 있다. 각각의 셀에 저장된 정보를 읽고 프로그래밍할 수 있기 때문에, NOR 플래시는 ROM BIOS를 대체하고 임베디드 시스템에 사용하기에 매우 적합한 소자다. 

많은 집적도를 갖는 NAND 플래시는 NOR 플래시에 비해 많은 정보를 보다 저렴한 비용으로 저장할 수 있으며, USB나 SD 카드, MMC 카드 등이 NAND 플래시메모리로 제작된다. 표 1에 NOR와 NAND가 비교되어 있다. 

플래시메모리는 앞으로도 정보를 저장하는 주된 기술로 발전될 것이지만 터널링에 관여하는 산화 실리콘 막의 두께가 더 이상 줄어들지 못하는 문제로 인해 더 많은 정보를 저장하기 위한 집적도의 증가는 결국 한계에 도달하게 된다.

산화막의 두께가 일정치 이상으로 줄어들게 되면 자발적인 터널링에 의한 정보의 손실이 발생해 정보를 일정 시간 이상 저장해야 하는 정보의 보유 기간(retention)이 줄어들어 정보를 실용적으로 관리하지 못하게 되기 때문이다. 
많은 연구가 플래시메모리를 대체하기 위해 진행되어왔으나 현재 CMOS 공정에 적용하기 어려운 질화물 기반의 메모리, 나노결정 메모리 등으로 플래시메모리를 대체할 기술은 여전히 개발 단계에 머물러 있다.  

플래시메모리가 당면한 기술 과제
터널 산화실리콘의 두께는 집적도의 증가와 함께 감소해왔는데 전하의 유실을 막고 10년 이상의 정보를 유지하기 위해서는 어느 두께 이상 감소할 수가 없게 된다. 따라서 산화실리콘보다 성능이 우수한 새로운 유전체의 개발이 집적도의 증가에 반드시 필요하게 되었고 개발된 유전체의 신뢰성과 성능은 집적도의 증가에 따른 기술의 발전에 부합하고 정보의 유지에 적합할 만큼 우수해야만 플래시메모리 양산에 적용이 가능하게 된다.

산화물에 원하지 않는 전하의 터널링을 유발할 수 있는 트랩이 없어야 하고, 특히 플래시메모리의 동작으로 인한 스트레스로 기인하는 전류가 발생하지 않도록 유전체의 품질이나 두께가 적합해야만 한다. 예를 들어 조절하지 못하는 터널링이 발생하거나 유전체 두께가 너무 얇으면 정보의 저장이 10년이 아니라 수초에 불과할 정도로 나빠지게 될 수도 있다.  

FG, SONOS 플래시메모리 기술
FG
그림에서와 같이 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 구조에 다결정 실리콘을 전하를 저장하는 floating gate(FG)로 더한 것이 플래시메모리 구조이다. 이 게이트는 전기적으로 유전체에 둘러싸여 전하가 터널링 등으로 유입될 경우 이 FG에 머물게 된다. 전하가 이 FG에 저장이 되었는지 아닌지에 따라 전류가 흐르지 못하거나(bit 0), 흐를 수 있게 된다(bit 1). 이 기술로 플래시메모리가 높은 집적도를 가지면서 좋은 신뢰성과 낮은 전력 소모를 갖게 되어 많은 분야에 응용될 수 있었다. 

SONOS
집적도의 증가를 위해 산화물과 질화물을 이용한 SONOS(Silicon/Oxide/Nitride/Oxide/ Silicon) 기술이 제안되었다(그림 6). 이 구조는 기본적으로 MOSFET 구조에 FG 구조 대신 ONO 구조로 대체한 것인데, 질화물이 전하를 가두는 것으로 FG의 역할을 대신한다.

특히 집적도의 증가로 산화실리콘의 두께가 10nm 이하일 경우 FG에 비해 더 안정적인 정보의 유지(retention)가 가능하다. 질화실리콘이 산화실리콘에 둘러싸인 이유는 지우는 동작 시 Fowler-Nordheim 터널링에 의해 전자가 게이트로 유입되는 것을 막기 위해 필요하기 때문이며, gate 쪽과 닿아 있는 산화물의 두께가 게이트로의 전자 유입을 막고 ‘leakage’ 전류를 최소화하는 데 중요한 역할을 하게 된다.

FG와 SONOS의 한계
터널링 산화실리콘 막의 두께가 10nm이하로 줄어들면 FG에 저장된 전하는 반복되는 플래시메모리의 동작으로부터 leakage 전류가 증가하는 성능 저하 현상이 발생한다. SONOS는 이러한 문제점을 상당히 극복할 수 있으나 여전히 산화실리콘 막의 두께는 7nm 이상이다. 따라서 이 막의 두께를 집적도 증가를 위하여 7nm 이하로 줄이게 되면 산화막의 낮은 준위에 존재하는 전자의 트랩(shallow-level trap)이 플래시 정보 관리를 어렵게 해 결국 집적도를 높이는 데 한계에 봉착하게 된다. 

플래시는 전하를 저장하여 생기는 포텐셜의 변화가 전류의 흐름에 영향을 미치는 것을 정보로 인식하게 되는데, 저장된 전하가 leakage로 인해 유출되면 소스와 드레인 간 전류의 흐름이 넓은 분포를 보이게 된다.

특히 하나의 셀에 여러 정보를 저장하게 되는 현재의 기술(MLC, TLC: Multi-level cell, triple-level cell)은 전류의 분포가 넓어지게 되면 각각의 레벨에 따른 정보를 식별하기 어려워지며, 정보의 관리가 어렵게 되어 에러를 유발하게 되는 문제점을 가지게 된다. 플래시를 대체하기 위한 많은 종류의 소자가 연구 · 개발 중에 있다.

현재 주목받는 비휘발성 메모리 기술
MRAM
Magnetic RAM은 메모리 셀에 자기적 극성이 고정되어 있거나 극성을 바꿀 수 있는 두 종류의 자기적 정보 저장 방법을 사용하는 구조로 되어 있다. 이 두 종류의 다른 극성을 갖는 자기 요소(magnetic element)는 얇은 절연 물질이 사이에 위치해 접합하지 않는다. 금속이 자기장에 놓여 있을 때 약간의 저항의 변화가 있다면 전류의 변화가 생기게 되고, 이 전류 변화를 이용해 정보를 저장하고 조정할 수 있게 된다. 그림 7에 MRAM의 기본 구조가 나와 있다.

두 자기 요소의 자기 모멘트가 평행하면 전자의 터널링이 터널 배리어를 통해 가능해지고 낮은 저항을 갖는 ‘on’ 상태가 된다. 반대로 두 자기 요소의 자기 모멘트가 수직하면, 저항값이 올라가는 ‘off’ 상태가 된다. 쓰기와 지우기 등의 메모리 동작은 쓰기 라인에 전류를 흘려 전기장을 유발하여 실행한다.

삼성, IBM, 히타치, 도시바 등이 개발 중에 있으며 전력 소모가 적고 데이터에 접근하는 속도가 매우 빠른 장점이 있다. 그러나 MRAM은 플래시메모리에 비해 1천 배에 달하는 비싼 공정비용을 줄여야 시장성이 있다는 단점이 있다. 이러한 비용 문제가 해결된다면 MRAM은 플래시를 대체할 가장 큰 시장 규모를 차지할 것으로 기대되며 그 뒤로 FeRAM, PCRAM, 그리고 memristor가 각광받을 것으로 기대된다.

STT-MRAM
MRAM과 마찬가지로 자기적 성질을 이용하는 STT-MRAM은 전자의 스핀의 극성을 이용하여 MRAM에 비해 낮은 전력을 요구하고 보다 빠르게 동작하고 DRAM 및 SRAM과 쉽게 연동할 수 있는 등의 장점을 갖는다. STT-MRAM의 기본 구조가 다음 그림 8에 나와 있다.

Magnetic tunnel junction(MTJ)로 명명되는 부분이 두 개의 자기적 성질을 갖는 층과 하나의 터널층으로 이루어지는데, 전자의 스핀에 영향을 받아 이곳을 흐르는 전류의 흐름이 영향을 받게 되고 전류의 차이를 이용하여 정보를 저장, 인식하는 방식을 사용한다[3]. 현재 삼성, SK하이닉스, 도시바 등 주요 메모리 업체에서 개발 중에 있으며 집적도를 높이고, 낮은 스위칭 전력 소모와 열적으로 안정된 소자(Thermal Stability)를 개발하는 것이 현재의 목표이다. 

FeRAM
FeRAM은 DRAM의 빠른 동작 속도를 구현할 수 있는 메모리로 강유전체(ferroelec-tric)를 콘덴서로 이용하는 구조를 갖는다.(그림 9) 강유전체는 lead zirconate titanate(PZT)가 주로 연구 대상이고 램트론인터내셔널(Ramtron International)이 FeRAM을 집중적으로 개발하고 있다. DRAM과는 달리 FeRAM은 전력이 끊긴 상태에서도 정보를 저장할 수 있다.

강유전체에 저장된 정보가 전력이 없어도 유지가 되는 이유는 그림과 같이 강유전체가 히스테리시스 거동을 보이므로 전기장이 없어져도 극성은 남아 있게 되기 때문이다. 낮은 전력의 소모로 스마트폰 등 작은 디지털 기기에 주로 응용된다. 현재 플래시보다는 빠르고 DRAM보다는 느린 정도의 동작 속도를 갖는 소자가 시장에 나와 있다. 

PCRAM
PCRAM은 PRAM(Perfect RAM)으로 명명되기도 한다. 그림 10에 기본적인 구조가 소개되어 있다. 주로 주기율표 6족에 해당되는 원소를 이용한 컴파운드가 사용되는데, CD나 DVD에 쓰이는 GST(GeSbTe)가 대표적인 소재다.

비정질에서 결정질로 상변화가 일어나면 전기적 저항값이 현저하게 줄어들게 되어 이러한 상변화와 전기적 성질의 변화를 이용하여 정보를 저장하는 방식을 사용한다. 이 방식으로 정보를 읽고 저장하는 데 수십 나노초(nanosec-ond) 정도의 빠른 동작이 가능하다는 것이 입증됐다[4].

이 속도는 기존의 플래시메모리의 동작 속도를 능가하는 수준이며 PCRAM의 전력 소모 또한 플래시메모리보다 적다. 저장된 메모리 정보를 지울 때 많은 전류가 필요하다는 단점이 있으나, 집적도가 증가하면 필요한 전류의 크기도 줄어들 것으로 기대된다. 삼성, 인텔, ST마이크로일렉트로닉스 등이 현재 개발 중에 있다. 

RRAM
RRAM은 기존 반도체 공정으로 양산이 가능하다는 장점으로 많은 관심을 받아왔다. Memristor 기반의 RRAM은 모든 메모리 반도체를 대체할 가능성이 있다는 주장도 있으며 그만큼 많은 기대를 받는 기술이기도 하다[5]. 그림 11에 나와 있듯이 RRAM은 금속, 절연체, 금속으로 이루어진 간단한 구조를 갖는다. 이 구조에 전압을 걸었을 때, 두 가지로 구분되는 전도성을 갖게 하여 스위치를 켜고 끄는 동작을 응용해 정보를 저장하고 읽을 수 있다.

전기장을 펄스로 적용하여 절연체 내에 전도성을 갖는 필라멘트를 유도할 수 있다고 여겨지며 빠른 동작 속도와 간단하면서도 집적도를 높일 수 있는 구조를 갖는다는 장점 때문에 가장 기술적으로 실현 가능성이 높은 메모리로 여겨진다[6]. 전도성을 가질 수 있는 절연체의 선택이 가장 중요한데, NiO, ZrO2, HfO2, SrZrO3, BaTiO3 등이 후보군으로 연구 대상이 되고 있으며 삼성과 IBM이 활발하게 연구 중인 것으로 보고되고 있다. 

RRAM은 연구 개발자의 관심을 받고 차세대 메모리로 기대되고 있으나, 10년 이상 정보를 저장할 수 있는 메모리 저장 및 동작 신뢰성을 달성하는 것이 가장 큰 기술적 문제로 지적받고 있다. 
 
고분자 메모리
고분자 소재가 비휘발성 메모리 분야에 응용될 가능성이 높아진 것은 최근의 일이다. 일반적으로 유기고분자에 메모리 정보를 저장할 분자와 나노입자가 합쳐진 구조로 이루어진다.(그림 12)

제작이 비교적 용이하고 물성의 조작이 가능하다는 장점을 갖는다. 또 기존의 실리콘 기반의 메모리에 비해 집적도를 크게 증가시키는 데 유리할 것으로 기대된다[8]. 보통 솔겔(sol-gel) 스핀 코팅 방식으로 제작되며 필요한 나노입자 등을 용매에 녹여서 기판 위에 올리게 되면, 용매가 증발하였을 때 고분자가 코팅이 되어 기판 위에 제작된다.

그 위에 다시 전극을 제작하는 것으로 기본 구조가 완성 된다. 고분자의 전도성은 전극에 가해진 전압으로 조절하게 되는데, 이 전도성 변화를 이용하여 정보를 저장한다. 비휘발성 메모리 정보를 분자 레벨에서 저장할 수 있다면, 특히 비용 면에서 큰 절감을 가져올 수 있다.

문제는 고분자를 이용한 메모리를 상업화하는 데 풀어야 할 기술적 난제들인데 동작 속도와 신뢰성에서 기존의 메모리 기술에 비해 뛰어나야 하기 때문에 현재의 기술 수준으로 판단하자면 몇 년 안에 상업화될 가능성은 높지 않다. 

글 : 전성원 / 어플라이드 마테리얼스(Applied Materials, Inc.) 
자료 협약 및 제공 : KOSEN(한민족과학기술자 네트워크) / www.kosen21.org