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.
이번 글에서는 분자 메모리와 분자 나노선, 반도체 나노선 등 기타 새로운 메모리 기술들에 대해 알아보겠다.
기타 새로운 메모리 기술들
분자 메모리:
분자 메모리는 말 그대로 분자가 정보를 저장하는 요소가 되는 메모리를 말한다. 정보를 저장하는 분자가 전극에 연결되며 분자가 스위치 역할을 수행하게 된다. 전극에 가해지는 전압의 변화로 분자의 전도성의 변화를 꾀하고 이 변화를 이용하여 정보를 조작하는 방식을 사용한다.
분자 나노선(Molecular Nano-wire):
정보의 저장이 전하의 변화에 의존하지 않고 나노선 물질의 산화와 환원에 따라 이루어지는 방식을 사용한다. 전압에 따라 나노선 물질의 산화와 환원에 의해 정보를 조작하므로 동작 속도가 느리다는 단점이 있다.
반도체 나노선(Semiconductor Nano-wire):
반도체 나노선과 SONOS 기술을 접합하여 제작함으로써 높은 전자의 이동도, 낮은 전력의 소모와 뛰어난 성능을 기대한다. 나노선을 이용하여 반도체 메모리를 3차원으로 제작할 수 있게 되면 현재 기술로 달성할 수 있는 수준보다 높은 집적도를 얻을 것으로 기대된다.
CNT(Carbon Nano-Tube) 메모리:
CNT는 탄소 나노튜브를 정보를 저장하는 셀로 이용하는데, 나노튜브의 물리적인 상태에 따라 0과 1의 정보 bit를 부여한다. 나노튜브의 물리적 상태는 매우 안정적이며 DRAM 보다 동작 속도가 빠를 수 있고 집적도도 공정 기술이 개발된다면 더 높을 수 있다. 그림 14에 CNT의 구조가 나와 있다.
CNT가 그림 13-a처럼 물리적인 상태에 있다면 전류가 흐르지 않아 off state, 0가 되며 13-b 처럼 전극과 닿는 상태에 있으면, 전류가 흐르게 되어 on state, 1이 된다. 이렇게 나노튜브의 물리적 상태를 정보로 인식하여 저장할 수 있는 원리를 이용한다. 나노튜브의 물리적 상태는 Van der Waals 힘을 통하여 변화시킬 수 있다.
CNT가 플래시메모리를 대체할 수 있으려면 탄소 나노튜브의 제작의 어려움을 극복하여 안정적이고 신뢰할 수 있는 소자의 제작이 가능해야 하는데, 현재의 공정 기술 수준으로는 상용화하기 어려운 것이 현실이다.
Millipede memory:
2002년에 IBM은 고분자 기반의 punch card 방식을 이용한 millipede memory를 발표하였다. 그림 15에서와 같이 비휘발성 메모리 정보를 높은 집적도를 갖도록 제작할 수가 있다. 우표 크기만 한 면적에 DVD 25개 분량의 정보를 저장할 수 있고 좀 더 개발되면 10GB 정도의 집적도를 가질 수 있을 것으로 기대된다.
해결해야 할 기술적인 문제는 일정 시간이 지나면 고분자의 물리적인 형태가 변화하여 hole이 없어지게 되는데 이는 정보의 손실을 가져오게 된다. 결국 고분자의 온도에 따른 상변화를 어떻게 조절하여 정보를 유지할 것인가가 기술을 적용시키는 데 관건이 될 것이다.
WORM memory based on DNA biopolymer
nanocomposite:
광전자 소재에 사용되는 고분자와 함께 공정에 사용될 수 있는 DNA는 특정 광파장에 반응하며 이를 이용하여 대만과 독일의 과학자들이 WORM 메모리(Write Once Read Many times)를 개발하였다. 그림 16에 기본 구조가 나와 있는데, 자외선을 비춰 고분자에 합성 과정이 일어나 은이 나노입자로 모이는 클러스터링이 일어나고 전류의 흐름을 변화시키는 저항의 크기를 조절하는 방식을 이용한다.
QD memory:
실리콘 (111) 기판에 희토류 원소를 근간으로 하는 oxide gadolinium oxide(Gd2O3)를 양자점으로 성장시키거나, 그림 17에 나온 것 같이 SiGe(Ge > 60%)를 양자점으로 성장시켜 메모리에 응용할 수도 있다. 제곱인치당 1테라바이트의 정보를 6나노초만에 읽어낼 수 있다는 연구자들의 보고가 있었다. 이 기술이 실현되면 낮은 전력으로 상당한 성능을 갖는 반도체의 제작이 가능해진다.
3D cross-point memory:
메모리 소자의 디자인 변경으로 공정과 소재의 변화 없이 3차원으로 메모리를 제작하게 되면 집적도를 높이는 데 크게 유리할 수 있다.
이러한 노력들은 10여 년 전부터 있어 왔으며, 최근에 3D NAND 메모리의 양산으로 이어졌다. 소재의 변화가 크게 있는 것은 아니지만, 3D NAND를 제작하기 위해서는 기존의 공정에 새로운 공정이 메모리 제작에 첨가되는 등, 여러 기술적인 난제들을 해결해야만 했었다.
TFM:
Transparent and flexible electronics(TFE)은 transparent conducting oxides(TCOs)를 이용하여 투명한 메모리를 실현하려는 목적으로 개발되고 있다[18]. 산화물 외에 질화물과 카바이드를 소재로 사용하는데, 이들이 절연체 등으로 사용되는 것뿐만 아니라 전도체로 반도체 소자에 적극 사용되는 점이 특이 사항이다. 10년 정보의 보유와 상용화되기 위한 기술의 진보가 필요하지만, 차세대 반도체 메모리로 많은 관심을 받고 있는 기술이다.
1T1R-RRAM:
1 트랜지스터, 1 리지스터의 구조를 갖는 1T1R-RRAM이 그림 20에 나와 있다. 정보 bit는 리지스터에 저장되고 트랜지스터가 이 정보를 조작하는 스위치 역할을 한다.
MTM, PFRAM, SPBMM, CMORRAM:
molecular tunnel memory(MTM), polymeric ferroelectric RAM(PFRAM), spinpolarized beam magnetic memory(SPBMM), light memory, complex metal-oxide RRAM(CMORRAM) 등이 앞에 언급된 메모리 외에 개발 중에 있다.
결론
플래시메모리를 중심으로 MOS 기반의 메모리의 발전 동향에 대해 리뷰하였고 미래의 기술 발전 방향에 대해 짚어보았다. 메모리 기술은 혁신적인 기술의 개발을 통해 발전해왔으며 높은 집적도와 빠른 속도, 낮은 전력 소모 및 가격을 계속적으로 이루어냈다.
비휘발성 메모리는 플래시메모리, multi-level cell, RRAM, 3차원 구조에 이르는 기술 발전이 이루어졌으며 디지털 시대의 중요한 견인차 역할을 해냈다. 계속되는 집적도의 증가 요구는 현재 기술로 풀기 어려운 많은 도전을 불러일으켜 새로운 기술 개발의 필요성이 요구되고 있는데, 새롭게 대두되는 메모리 기술이 관련 산업을 키우고 삶의 질을 향상시키는 데 기여할 것으로 기대된다.
글 : 전성원 / 어플라이드 마테리얼스(Applied Materials, Inc.)
자료 협약 및 제공 : KOSEN(한민족과학기술자 네트워크) / www.kosen21.org
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