고려대학교 전기전자전파공학과
1990년대 후반 이후 반도체 메모리의 응용 분야는 PC에 국한되지 않고 각종 전자 기기에 사용되면서 그 수요가 급격히 증가해 왔으며 이러한 시장의 요구에 따라 반도체 소자의 집적도는 반도체 공정 기술의 발전에 힘입어 무어의 법칙(Moore's law)과 황의 법칙(Hwang's law)에서 묘사된 바와 같이 해마다 급격한 증가를 거듭해 오고 있다.
글/ 안승언, 강병현, 김규태, 주병권
고려대학교 전기전자전파공학과
www.korea.ac.kr/cauboss@korea.ac.kr
ITRS(international technology roadmap for semiconductors, www.itrs.net)에 따르면 2015년에는 25nm 급 소자 구현을 할 것으로 전망된다(그림 1 참조).
하지만, 2000년대에 들어서면서부터 100nm 이하 소자의 크기와 관련된 물리적 한계의 문제는 쉽게 해결하기는 힘들 것으로 보고 이를 극복하기 위한 근본적인 접근이 필요하다는 의견들이 대두되어왔다. 더불어 각종 전자기기를 사용하는 소비자들은 비휘발성의(non-volatile) 특성을 가지면서 SRAM(Static Random Access Memory)과 같이 빠른 고용량의 메모리를 기업에게 요구하고 있어 이에 대한 연구가 필요할 것으로 보인다.
이에 이 글에서는 위에 언급한 필요조건을 충족시키기 위한 차세대 메모리 후보군 중 하나인 산화물 기반의 저항 변화 메모리에(RRAM, Resistance Random Access Memory) 대해 알아보고자 한다.
고집적을 위한 방향
소자의 고집적도를 위해 지금까지는 소자의 크기를 줄이는 데 많은 연구를 해 왔으나 서두에서 언급한 바와 같이 물리적인 한계에 다 달아 최근에는 소자의 크기 이외의 조건을 바꾸어 집적도를 향상시키고자 하는 연구가 활발히 진행 되고 있다. 그 중 주로 연구되고 있는 세 가지를 소개를 하면 하나의 셀에 여러 개의 정보를 저장할 수 있도록 소자의 정보 저장 능력를 향상시키는 연구(Multi Level Cell)가 있다. 이는 한 셀(cell)을 전기적인 동작을 통해 두 개의 상태를 만들어 "0"과 "1"만 저장했던 예전 방식과는 다르게 네 개의 상태를 만들어 "0", "1", "10", "11" 즉 4가지의 정보를 한 셀에 저장 할 수 있도록 만들어 집적도를 높이는 방식이다. MLC 방법은 각 셀의 특성을 향상시키되 기존의 공정 크기는 변하지 않기 때문에 상당히 효율이 높은 방식이다(그림 2-a 참조).
두 번째로 Wafer bonding/Die stacking 방식이다(그림 2-b 참조). 이는 기존의 방식대로 각각의 웨이퍼 단위로 공정을 마친 뒤 물리적으로 본딩 통해 웨이퍼 및 다이를 적층하여 집적도를 높이는 방식이다. 이 방법 역시 기존 공정을 그대로 가져가면서 본딩 기술을 향상시켜 안정적으로 집적도의 증가를 가져올 수 있어 많은 곳에서 응용되고 개발되고 있는 실정이다. 세 번째로 적층구조(3D cell stacking) 방식으로 적층이(그림 2-c 참조) 가능한 물질을 이용한 메모리를 공정을 통해 셀들을 층층이 쌓아 올리는 방법이다.
이는 아파트를 지어 좁은 땅에서도 많은 사람들이 살 수 있도록 하는 것과 같은 개념으로 웨이퍼 본딩 방식을 통해 적층하는 방식과 유사 한 면이 있지만 웨이퍼 본딩을 통한 적층 시 적층 수가 많을수록 기판의 전극 패드가 차지하는 면적이 점점 커지게 되어 많은 층을 적층하지 못하는 한계를 넘어 설 수 있는 방법으로 많은 연구가 진행되고 있다.
RRAM의 특성과 분류
RRAM은 기존의 전하 저장용 축전기를 이용하는 DRAM, flash와는 다르게 간단한 금속/절연체/금속(MIM, metal/insulator/metal) 구조로 이루어져 있으며 MIM구조에서 보이는 산화물의 여러 특성 중에 비휘발성을 보이는 '저항 스위칭' 현상을 이용한다. RRAM에서는 스위칭 동작의 특성에 따라 두 가지로 분류되는데 그림 4에서 그 전형적인 전류-전압 특성 곡선을 보여주고 있다. 두 종류 모두 하나의 전압 하에서 두 가지 상이한 저항 상태를 가질 수 있음을 알 수 있는데, 한번 state가 변한 상태에서는 다음 스위칭이 일어나기 전에는 외부전원이 공급되지 않는 상태에서도 계속해서 그 state를 유지하게 된다. 연구팀에 따라 부르는 명칭이 조금씩 상이하지만 일반적으로 저항이 작은 상태를 'ON', 큰 상태를 'OFF'라 부르고 두 state를 이용하여 2비트(bit) 정보를 저장할 수 있는 메모리로 이야기를 한다.
그림 4를 자세히 보면 a)와 b)의 메모리 스위칭 시 전압 극성의 차이가 있는데 이에 따라 Unipolar RRAM, Bipolar RRAM으로 분류를 한다. Unipolar RRAM의 경우에는 한쪽 극성에서 두 state 모두를 스위칭 시킬 수 있다. 즉 한쪽 극성 전압에서 전압의 크기 변화만으로도 ON으로 스위칭 시켰다가 OFF로 스위칭을 시킬 시 있다. 반면에 Bipolar RRAM은 한쪽 극성 전압에서 ON으로 스위칭을 시키면 OFF 스위칭을 시키기 위해서는 다른 극성 전압 즉 극성의 변화가 있어야 스위칭 시킬 수 있다. 현재 국내외 많은 연구진들이 두 종류의 RRAM을 차세대 메모리의 후보로서 연구가 되고 있지만 아직 까지는 어느 쪽이 더 좋다 라고 할 수 없을 정도로 장단점이 있는 상황이다. 대표적으로 Unipolar RRAM은 한쪽 극성만으로도 동작이 가능하기 때문에 양 극성을 다 쓰는 bipolar RRAM보다 설계적, 전력 소비 면에서 장점이 있다. 또한 한 번 저장해 놓은 정보는 오랜 시간이 지나도 변하지 않는 retention 특성이 상대적으로 좋다.
국내에서는 삼성과 서울대, 광주과학기술원, 한양대 등에서 두 가지 분류의 RRAM을 활발히 연구 중이며 해외에서는 Fujitsu, HP, IBM, Spansion, SHARP 등의 기업에서도 RRAM에 관심을 가지고 연구 개발 중이다. 특히 삼성과 Fujitsu에서는 NiO 이성분계 산화물을 이용한 unipolar RRAM 분야에서 두각을 나타내고 있으며 HP에서는 bipolar RRAM에 관심을 가지고 연구하고 있다. 이렇듯 RRAM 개발을 위해 사용되는 물질들은 문헌에 발표된 것만 해도 수십 가지가 넘고 크게 두 부류로 나누어져 있지만 저항이 변하는 메커니즘도 상당히 많아 모든 면에서 장점을 가지는 RRAM을 개발하기 위해서 물리적 화학적 동작 메커니즘을 분석하는 등의 노력이 많이 필요한 실정이다. 이렇듯 RRAM에도 상당히 많은 연구 분야들이 있어 여기에서는 unipolar RRAM의 동작 원리와 특성 그리고 개발 현황에 대하여 이야기 하도록 하겠다.
RRAM(Unipolar)의 동작원리와 특성
한번 On state로 스위칭이 되면 또 다른 특정 전압이 인가되기 전에는 그 상태를 유지 하게 되는데 이때의 전압을 "Reset Voltage"라고 하며 그 거동을 "Reset"이라고 한다. 메모리의 상태를 읽기 위해서는 저장된 메모리 값을 변하게 하지 않기 위해서 reset voltage 보다 낮은 전압을 걸어 메모리 상태를 읽는데 이때의 전압을 "Reading Voltage"라고 한다. (그림 5 참고)
Set 과정은 절연체 층에 전압이 인가 될 때 특정 임계 전압의 크기를 넘게 되면 발생하는 절연파괴(dielectric breakdown) 현상과 유사한 과정으로 RRAM에서는 soft break down이 set voltage 에서 생기게 되고 절연층에는 국소적으로 전도성 필라멘트(conducting filament)가 생성되어 On state로 변하게 된다.
(그림 9). RRAM은 위에 언급한 후보군중 가장 늦게 연구가 시작되어 초기에는 가장 낮은 성능을 보여주었지만 최근에 보고된 결과들이 이러한 조건들을 하나씩 채워 나가고 있는 실정이다.
그림 9는 cell 단위의 결과들이긴 하지만 그 가능성을 확인하고 그에 따른 RRAM의 성장 가능성을 나타내고 있는데 동작 전류는 10uA, 동작 속도는 10nsec 에서 RRAM 메모리가 동작 되는 것을 확인하여 발표하였다
RRAM 3D 메모리 소자 연구
서두에 언급 했듯이 기존의 메모리들은 단결정 실리콘 트랜지스터를 이용하기 때문에 적층을 할 수 없는 한계를 가지고 있다. 다결정 실리콘을 이용하여 적층을 하더라도 각종 고온 공정들로 인해 하부층이 손상되어 수율이 크게 떨어지는 문제를 일으킬 수밖에 없다. 따라서 저온공정이 가능하고 메모리 구조가 간단한 산화물 기반의 메모리 소자를 사용하다면 다층 메모리 구현이 가능할 것으로 보인다. 또한 트랜지스터를 사용한 메모리와는 달리 2 단자 소자이기 때문에 집적도를 최대화 할 수 있는 Cross-Point 구조를 적용 하여 4F2 집적도를 구현 할 수 있는 장점도 가진다.
그러나 앞에서 RRAM의 특성을 소개했듯이 양 극성에서 동일한 스위칭이 생기기 때문에 한 쪽 극성에서는 전류가 흐르지 못하도록 하는 소자를 연결하여 메모리를 어레이로 만들었을 때 셀들 간의 간섭효과에 의한 에러를 방지 하여야 한다.
그림 10-b는 실제 산화물다이오드와 저항변화물질을 적층하여 한쪽에서만 메모리 특성이 나오도록 구현한 사례이다. 다이오드 특성상 역 전압이 인가 될 때에는 다이오드에 모든 전압이 인가되고 저항변화 물질에는 전압이 인가되지 않아 스위칭이 일어나지 못하게 막아 버리는 것이다.
이러한 역할은 메모리 셀들이 cross-point 구조로 만들어져 있을 때 인접 cell을 읽을 때 다른 셀들에 역 전압이 걸렸을 때에도 다른 cell의 정보를 잘 못 읽는 오작동이 일어나지 않도록 하는 기능을 한다.
이렇게 구현된 셀들을 cross-point array 형식으로 구현 한 뒤 2층으로 적층 한 결과를 그림 11에서 보여주고 있다. 실리콘 기반의 소자가 적층으로 공정으로 진행했을 때 하부 층의 메모리 소자들이 받는 열적 스트레스로 인한 수율 및 성능 저하는 크게 없음을 보여주었다.
굳이 성능이 우수한 실리콘 트랜지스터를 사용 하지 않는 이유는 RRAM이 성공적으로 적층이 이루어진다 하더라도 각 층의 메모리에 신호를 전달하는 디코더 및 주변회로가 하부 기판에 형성이 되어 진다면 층이 높아지면 높아질수록 그 주변 회로가 차지하는 면적이 더욱 커지게 되어 메모리를 적층하여 높인 집적도의 효율이 감소하게 되기 때문이다.
따라서 실리콘 기판이 아닌 곳에서도 구현이 가능한 산화물 트랜지스터를 사용하는 접근이 RRAM 구현에 필수적인 연구 분야라고 할 수 있다.
그림 13은 GaInZnO 박막을 채널 영역으로 사용하는 박막 트랜지스터를 crossp-point 구조로 구현한 RRAM에 적용하여 메모리 특성을 관찰한 결과이다. 실제로 트랜지스터와 다이오드 저항변화 물질 세가지 소자를 이어서 구현이 되었다는 점이 흥미롭고 디코더로 설계가 될 정도의 산화물 트랜지스터가 개발이 된다면 더욱 현실적인 실험을 진행 할 수 있을 것으로 생각된다.
이렇듯 RRAM이 성공하기 위해서는 저항변화물질의 특성 자체를 개선시키는 일 이외에도 지금 언급한 산화물다이오드와 산화물 트랜지스터의 성능 개선도 필수적이다.
층이 가능하다 라는 이점으로 산화물 기반의 소자를 사용하는 것이지만 실리콘 기반 소자 대비 성능이 떨어지는 것도 부인할 수 없는 사실이다. 그러나 저항 변화 물질이 동작할 수 있을 정도의 성능만 확보 된다면 굳이 실리콘 기반의 소자가 가지는 특성까지 구현할 필요는 없을 것이다. 산화물 다이오드의 경우 필요한 수준의 Current density와 On/Off ratio 확보를 하는 것이 중요한데 이를 위해 산화물 반도체의 밴드 구조 및 계면 제어를 통한 소재 및 소자 구조의 개발이 필요하다. 또한 산화물 트랜지스터 역시 현재 연구되어 발표되는 N형 트랜지스터의 소자특성 및 신뢰성을 개선시킴은 주변 회로의 효과적으로 설계하기 위해서는 P형 트랜지스터 역시 개발이 필요하다.
RRAM의 미래
메모리의 응용처가 다양해지고 요구되는 수준이 더 높아지면서 고집적, 고속동작, 저전력, 저비용의 universal 차세대 비휘발성 메모리의 등장을 기대하는 상황이 되었다. 산화물을 이용한 RRAM 소자는 이러한 필요조건들을 이룰 수 있는 가능성을 보여주면서 차세대 메모리 후보로서 크게 주목을 받고 있다. 하지만 기존의 메모리들이 수 십 년 간 개발 과정을 통해 사용되고 있고 현재도 지속적으로 연구되고 있다는 점을 감안할 때 RRAM이 기존 메모리들 보다 우수한 메모리로 탄생하기 위해서는 여러 가지 과제들을 해결 해야 할 것이다. 예를 들어 저항변화의 동작 원리인 이온의 이동 또는 전기적 화학적인 불규칙적 반응에서 기인하는 신뢰성에 검증 및 확보, endurance 특성, 반복적인 스위칭에 따른 피로현상등을 들 수 있을 것이다. 또한 향후 10nm 이하의 크기에서 구현 시 발생할 양자역학적 현상에 대해서도 깊이 있는 연구가 필요하다. 이러한 연구들이 내실 있게 진행될 때 산화물 반도체기반의 고성능의 3차원 메모리가 가까운 미래에 탄생할 것으로 기대한다.
약어표
DRAM: Dynamic Random Access Memory
ITRS: International Technology Roadmap for Semiconductors
MIM: Metal/Insulator/Metal
MLC: Multi Level Cell
RRAM: Resistance Random Access Memory
SRAM: Static Random Access Memory
HRS: High Resistance State
LRS: Ligh Resistance State
TEM: Transmission Electron Microscope
C-AFM: Conducting Atom Force Microscope
참고문헌
- M. J. Lee et al., Two Series Oxide Resistors Applicable to High Speed and High Density Nonvolatile Memory, Adv. Mater. 19, 3919-3923, 2007
- R. Waser et al., Nanoionics-based resistive switching memories. Nature materials. 6, 833, 2007
- S. C. Chae et al., Random Circuit Breaker Network Model for Unipolar Resistance Switching. Adv. Mater, 20, 1154, 2008
- M. Janousch et al., Role of Oxygen Vacanicies in Cr-Doped SrTiO3 for Resistance-Change Memory. Adv. Mater. 19, 2232, 2007
- J.-B. Yun, "Random and localized resistive switching observation on Pt/NiO/Pt", Phys. Stat. sol. (RRL), 1, No. 6, 280-282, 2007.
- G.-S. Park, "Observation of electric-field induced Ni filament channels in polycrystalline NiOx films", Appl. Phys. Lett.,91, 222103 2007
- S.-E. Ahn, "Write current reduction in transition metal oxide based resistance change memory", Adv. Mater., 20, 924-928 2008.
- M. J. Lee., A Low-Temperature-Grown Oxide Diode as a New Switch Element for High-Density, Nonvolatile Memories. Adv. Mater. 19, 73, 2007
- B. S. Kang, "High-Current-Density CuO x/InZnOx Thin-Film Diodes for Cross-Point Memory". Adv. Mater. 20, 3066, 2008
- M. J. Lee, "2-stack 1D-1R Cross-point Structure with Oxide Diodes as Switch Elements for High Density Resistance RAM Applications", IEDM Tech. Dig.771-774, 2007.
- M. J. Lee., "Low Temperature Grown Transition Metal Oxide Based Storage Materials and Oxide Transistor for High Density Nonvolatile Memory", Adv. Funct. Mater. 18, 1-7, 2008.
회원가입 후 이용바랍니다.
개의 댓글
댓글 정렬
BEST댓글
BEST 댓글
답글과 추천수를 합산하여 자동으로 노출됩니다.
댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글수정
댓글 수정은 작성 후 1분내에만 가능합니다.
내 댓글 모음