Memory Technology
글: 김희동, 이동명, 최선영, 김태근, 이근수, 정신우, 김상식, 이전국, 주병권
고려대학교 전기전자전파공학과 / http://ee.korea.ac.kr
비휘발성 메모리의 연구 동향
현재는 유비쿼터스 컴퓨팅을 테마로 휴대 전화나 가전 등 네트워크에 접속되는 모든 기기를 '스마트화'하는 시대에 접어들고 있다. 메모리는 언제, 어디서나, 누구에게나 필요한 유비쿼터스 기술이며 제품이고 아담과 이브시대부터 지금까지 변하지 않는 시장이므로 기록매체에 도전하는 메모리는 그 자체가 이미 유비쿼터스적인 블루오션 시장이라 할 수 있다.
현재의 휴대기기에 사용될 비휘발성 메모리의 특성은 고속화의 요구에 의해 데이터 입출력이 동시에 가능한 듀얼 오퍼레이션 기능과 저전력화 요구에 의하여 동작전류, 스탠바이 전류의 감소 기술, 저전압 기술, 시스템 소형화에 따른 칩 사이즈의 축소, 소형 패키지 기술 등이 필요하게 된다. 또한, 퍼스널 컴퓨터와 같이 전원을 투입하고 나서 하드 디스크 프로그램을 주메모리에 로드하고, 그것으로부터 애플리케이션을 실행할 때까지 몇 분 정도라고 인내를 할 수 있는 것도 아니고, 당연하게 전원 ON과 함께 애플리케이션의 기동을 사용자는 요구하게 될 것이다.
비휘발성 메모리의 고밀도화, 고용량화, 고성능화가 새로운 기능을 가지는 휴대형 이동기기의 발명을 가능하게 할 수도 있고, 반대로 새로운 휴대형 기기에 대한 수요가 비휘발성 메모리에 대한 신기술을 개발하게 하는 구동력 역할을 하기도 한다. 가까운 시일 내에 본격적인 '인터랙티브' 시대를 맞이하고 궁극적으로는 '프로액티브' 시대를 맞이하여, 저장용 메모리의 임의접근성이 작업용 메모리의 수준이 될 것으로 예상되고 있다.
이 경우 저장용 메모리와 작업용 메모리의 기능을 동시에 구현하는 '유니버셜 메모리'가 표준메모리로 자리매김할 것으로 예상되고 있으며, 고도화된 메모리 덕분에 상상 속에서만 꿈꾸어 왔던 다양한 디지털 복합기기를 현실 속에서 만나게 될 날이 머지않을 것으로 기대된다. '언제 어디서나 하고 싶은 일을 할 수 있는' 유비쿼터스 환경에서 사용할 수 있도록 가능한 한 많은 정보관련 기능을 하나의 모바일 기기로써 구현하고자 정보 저장과 처리를 동시에 구현할 수 있는 유니버설 메모리 혹은 통합솔루션이 그 어느 때보다 필요한 시기이다.
메모리 기술의 발전은 학계 및 산업계의 노력에 힘입어 시대에서 요구하는 저장장치의 생산능력은 경이로울 정도로 발전해 왔고 이에 따른 제품의 소형화 및 초고집적화가 이루어짐에 따라 박막 제조 공정 기술과 박막 재료의 특성평가에 대한 연구 또한 활발히 이루어지고 있다. 그럼에도 불구하고, 현재의 휘발성 메모리의 성장은 소자의 스케일다운이 진행됨에 따른 현실적으로 물리적 한계에 다다를 것으로 분석되며, 이를 대체할 차세대 메모리의 개발에 박차를 가하고 있는 시점이다.
이러한 경제/산업적인 고용량 정보 저장에 필요한 초고집적화가 가능한 비휘발성 메모리 소자 개발의 필요성이 그 어느 때보다도 커지고 있는 것 또한 의심의 여지가 없다. 이러한 배경은 기존의 DRAM 공정은 1 트랜지스터/1 캐패시터(1T1R) 구조의 단위셀을 이루고 있는데, 소자의 크기가 작아짐에 따라, 캐패시터 공정의 난이도가 점점 더 올라가게 되어, 높은 수율을 가지는 DRAM 셀의 제작이 매우 어렵게 되는데 있으며 기존 DRAM을 대체할 수 있는 메모리의 필요성이 크게 요구되고 있다. 현재 개발되고 있는 차세대 메모리는 DRAM의 고집적성과 낮은 소비 전력, 플래시 메모리의 비휘발성, SRAM의 고속 동작을 모두 구현하기 위한 유니버셜 메모리 연구가 활발히 진행되고 있다.
그림 2는 향후 플래시 메모리 기술의 현재 수준과 향후 전망을 ITRS를 기준으로 정리한 것이다. 최근 ITRS 로드맵에 따르면, 차세대 메모리로 유력하게 대두되고 있는 소자는 PRAM(phase change RAM), NFGM(nano floating gate memory), ReRAM(resitance RAM), PoRAM(polymer RAM), MRAM(magnetic RAM), 분자 전자 소자 등이 있다.
그 중 ReRAM은 간단한 메탈 인솔레이터 메탈(MIM) 구조와 우수한 동작 특성으로 차세대 비휘발성 메모리로 가장 주목을 받고 활발히 연구가 진행 되고 있다. ReRAM의 경우 플래시 메모리보다 프로그램 동작이 100배 이상 빠르고 5V 이하의 낮은 전압에서 동작이 가능하다. 이는 SRAM과 동등한 정보처리 스피드가 가능하고, 또한 간단한 구조이기 때문에 공정상의 결함을 현저히 줄일 수 있어, 낮은 생산 단가를 가지고 있으며 임베디드 IC와 같은 시스템 온 칩(SoC)화 되어가는 기억소자의 용도에 적합한 특성을 가지고 있다.
하지만, 아직까지는 가능성 있는 대안 중에 하나이며, 현실적으로 상용화되기 위해서는 몇 가지 개선되어야 할 점들이 있다. 첫째. 저항 변화 물질의 최적화이다. 현재는, 연구되고 있는 물질마다 저항변화 특성이 다르게 관찰되고 있으며, 또한 제조 방법 및 후 공정에 따라 그 특성이 매우 복잡하게 변화하는 것이 보고되고 있다. 따라서 물질 최적화는 현시점에서 ReRAM이 상용화되기 위해 가장 우선적으로 해결 되어야한다. 또한 저항 변화의 스위칭 메커니즘 또한 반듯이 밝혀져야 할 주요 과제이며, 이에 대해서는 뒤에 스위칭 메커니즘 부분에서 다루겠다. 우선, 현재 연구 되고 있는 ReRAM 물질들은 크게 4가지로 분류될 수 있다.
1. Binary metal oxide: Nb2O5, NiO, MgO, TiO2, ZrO2, CuO2
2. Cubic perobskite oxide: Nb:SrTiO3, Cr:SrTiO3, Cr:SrZrO3
3. Ferromagnetic materials: PrXCa1-XMnO3
4. Metal-nitride: AlN, ZrN, CrN, FeN, Si3N4
위와 같이 저항변화 물질의 최적화를 위해 매우 다양한 물질들이 연구되고 있음을 알 수 있으며, 그 물질에 따라 스위칭 메커니즘 및 동작 방법이 다르게 보고되고 있고, 더욱이 같은 물질에 대한 연구결과가 연구 그룹에 따라 그 특성이 다르게 보고되기도 한다. 따라서 ReRAM 연구에서 물질 최적화에 따른 동작 방법 및 메커니즘 해석은 ReRAM 연구에서 가장 중요한 키 이슈이다.
ReRAM 소자의 동작 원리
ReRAM 소자는 하부 전극은 접지 되고, 상부 전극에 인가되는 바이어스를 조절하여 동작하게 된다. 소자의 동작은 크게 셋과 리셋을 동작 시킬 때 사용되는 전압의 극성에 따라 구분된다. 첫째, 그림 3(a)와 같이 셋과 리셋 동작이 서로 반대 극성에서 동작 할 경우 이를 bipolar 동작이라 하며, 그림 3(b)와 같이 셋과 리셋 동작이 하나의 극성에서 모두 이루어지면 이를 unipolar 동작이라 부른다.
그림 3(a)의 bipolar 동작은 ①네거티브 바이어스 영역으로 (-)전압이 인가될 때 초기 전류는 낮은 값을 유지하다가 특정 임계전압이 될 때 급격하게 전류가 증가하게된다. 이를 셋 동작이라 부르며, 저항의 상태가 고저항 상태(HRS)에서 저저항 상태(LRS)가 됨을 의미한다. 다음으로 ②와 같이 네거티브 바이어스 영역에서 포지티브 바이어스 영역으로 전압이 인가될 때 소자의 상태는 (+)임계전압에 도달 할 때 까지 LRS 상태를 유지하게 하게 된다. 하지만, ③과 같이 (+)임계전압에 도달하게 되면 소자의 전류 값이 급격하게 감소하게 된다. 이를 리셋 동작이라 부르며, 저항의 상태가 저저항 상태(LRS)에서 고저항 상태(HRS)가 됨을 의미한다.
마지막 단계로 ④와 같이 소자는 ①의 셋 동작이 다시 발생하기 전까지 HRS 상태를 유지하게 된다. 이와 반대로 unipolar 동작은 그림 3(b)에서 보는 것과 같이 각각 한쪽의 극성에서 셋과 리셋동작이 이루어짐을 볼 수 있다. 예를 들어 포지티브 바이어스 영역에서 소자의 동작을 살펴보면, ①과 같이 인가전압이 증가될 때 임계전압이 될 때 까지 고저항 상태(HRS)를 유지하다가 임계전압에서 소자의 전류 값이 급격하게 증가되는 이때 전류값은 컴플라이언스 커렌트 값을 이용하여 제한을 둔다. 이를 셋 동작이라 부르며, 저항의 상태가 고저항 상태(HRS)에서 저저항 상태(LRS)가 됨을 의미한다. unipolar 동작에서 리셋 동작은 bipolar에서와는 다르게 ②같은 동일한 포지티브 바이어스 영역에서 컴플라이언스 커렌트 값을 조절함으로써 리셋 동작이 가능하다.
이러한 두 가지 동작은 소자의 제작과정에서 동일한 재료를 선택하더라도 두께 최적화, 후처리 공정 등에 따라 제어 되며, 두 가지 동작 모드 모두 장단점을 가지고 있다. bipolar 동작의 경우 컴플라이언스 커렌트가 필요하지 않기 때문에 회로가 단순하며, 바이어스 스트레스에 대한 간섭이 적다. 이에 반면, unipolar 동작 모드에 비해 상대적으로 소비전력이 높다. unipolar 동작 모드의 장점은 하나의 극성에서 소자가 동작되기 때문에 동작이 비교적 간단하며, 상대적으로 낮은 전압에서 동작하기 때문에 소비 전력이 낮은 장점을 갖고 있는 반면, 하나의 바이어스에서 동작하기 때문에 바이어스 스트레스에 의한 간섭현상으로 disturb 문제가 발생할 수 있으며, 컴플라이언스 커렌트를 사용해야 하는 문제로 추가적인 회로가 필요하며, 상대적으로 높은 동작 전류를 사용하여 신뢰성 문제가 발생 할 수 있다.
국내외 연구 동향을 살펴보면, 국내에서는 삼성과 하이닉스, 고려대, 서울대, 한국과학기술연구원, 광주과학기술원, 한양대 등에서 두 가지 분류의 ReRAM을 활발히 연구 중이며 해외에서는 후지쯔, HP, IBM, 샤프 등의 기업에서도 ReRAM에 관심을 가지고 연구 개발 중이다. 특히 삼성과 후지쯔에서는 NiO 이성분계 산화물을 이용한 unipolar ReRAM 분야에서 두각을 나타내고 있으며 HP에서는 bipolar ReRAM에 관심을 가지고 연구하고 있다. 이렇듯 ReRAM 개발을 위해 사용되는 물질들은 문헌에 발표된 것만 해도 수십 가지가 넘고 크게 두 분류로 나누어져 있지만 저항이 변하는 메커니즘도 상당히 많아 모든 면에서 장점을 가진 ReRAM을 개발하기 위해서 물리적 화학적 동작 메커니즘을 분석하는 등의 노력이 많이 필요한 실정이다.
저항 변화 메커니즘
저항 변화 메모리의 스위칭 특성은 크게 금속의 이온화에 의한 금속 필라멘트 모델과 산소 vacancy의 발생에 의한 모델로 설명된다.
첫째, 금속 필라멘트 모델은 그림 4의 (1단계)→(2단계)→(3단계)→(4단계)로 설명 할 수 있다. 그림 4의 첫 번째 단계에서 보는 것과 같이 하부 전극(Pt)이 접지 된 상태에서 상부 전극 Ti에 양 전압이 인가되면 Ti 금속이 이온화되기 위한 충분한 Joule 에너지를 얻어 이온화 되어 Ti ⇒ Tix++xe-로 분리 되며, Tix+ 양이온은 Pt 쪽으로 이동하게 되고, Pt까지 도달한 Tix+ 이온은 더 이상 이동하지 못하고 Pt에서 Ti 방향으로 이동 중인 전자들과 결합하여, Ti 원소가 되며 결국엔 두 번째 단계에서와 같이 금속 필라멘트 브리지가 형성되게 되며, 이 과정을 ReRAM에서 포밍(or soft break-down)과정이라 부르며, 이는 소자의 상태가 고저항 상태(HRS)에서 저저항 상태(LRS)가 되었음을 의미 한다.
이렇게, 포밍 과정을 거친 후 소자는 낮은 전압에서 리셋과 셋 동작이 가능하게 된다. 리셋 동작의 경우(-) 전압이 상부 전극에 인가되었을 때 상부 전극과 경계의 필라멘트에는 전자의 이동으로 인해 금속 필라멘트가 이온화되기 위한 충분한 Joule 에너지가 발생하여 다시 Ti ⇒ Tix++xe- 가 되고, 상부 전극에 (+)전압이 인가되면 그림 4의 마지막 단계에서와 같이 Tix++xe- ⇒ Ti이 형성되어 다시 금속 필라멘트 브리지가 형성되며, 소자가 고저항 상태에서 저저항 상태가 되었음을 보여 준다.
두 번째는 절연막과 금속/절연막 계면의 트랩에 의한 저항 변화 특성 설명이다. 트랩 모델은 다시 크게 계면 트랩에 전하의 충전과 방전에 의한 일렉트로닉 스위칭 모델과 저항 물질 내의 트랩 호핑에 의한 스페이스 차지 리미티드 커렌트(SCLC) 모델로 구분될 수 있다.
일렉트로닉 스위칭 모델은 Simons과 Verderver에 의해 제안 되었으며, 고농도로 도핑된 트랩의 내부 전기장에 의한 스위칭동작 원리로 해석이 되는데 Simons과 Verderver는 박막 내 적어도 1019/cm3 이상의 고농도 트랩들이 존재한다면 트랩에 의한 밴드가 형성되고, 전극과 박막의 계면에서 밴드-밴딩이 생기는 모델을 제안하였다. 금속 p형 반도체의 접합에서 전극으로 쓰인 금속의 특성에 기인한 계면에서의 인터페이스 스테이트가 생기게 된다면 인가된 전압의 극성에 따라 Schottky barrier의 변화로 인한 저항 변화 특성을 설명하였다.
즉, 트랩핑 된 전하는 화학결합의 미세구조를 변환시켜 트랩핑 된 상태를 유지시킨다. 임계 전압 이상이 인가되면 전자는 터널링을 하게 되고, 전류가 최대로 흐르는 경우, 많은 전자의 주입에 의해 전극과 박막의 계면에서 트래핑이 생기게 되어 내부 전기장의 감소를 가져오게 된다. 즉 계면에서의 이러한 현상에 의해 메모리 특성이 나타나게 된다.
트랩 컨트롤 스페이스 차지 리미티드 커렌트(SCLC)는 Hickmott에 의해 제안 되었으며, 절연막 내에 존재하는 트랩이 1016-1018/cm3 존재할 경우, Mott, Gurney는 적어도 하나의 금속 전극과 절연막이 ohmic 컨택을 하고 있고, 트랩 프리 스테이트를 유지한다면, 절연막의 컨덕션 밴드를 통한 전자의 인젝션 거동이 아닌 공간 전하에 의해 전류가 제어될 수 있음을 설명하였다. SCLC 모델에 따르면 전류의 전송의 그림 5와 I ∝ V1(region 1), I ∝ V2(region 2), 급격한 증가 영역(region 3)의 세 구간으로 구분되어 설명된다.
ReRAM 소자의 응용
투명 저항 변화 메모리
ReRAM 재료로 사용되는 금속 산화물, 금속 질화막의 광학적 밴드갭은 3eV 이상이며 가시광영역의 파장 대역은 모두 투과한다는 것을 알 수 있다. 이러한 ReRAM의 광학적 특성을 이용한 투명 저항 변화 메모리에 대한 연구결과가 보고되었다.
연구진에 따르면, 개발된 투명 메모리 소자는 현재 일반인들이 주머니 속에 하나씩 가지고 다니는 USB 형태의 플래시 메모리와 같이 전원이 제거되어도 저장된 데이터가 지워지지 않는 비휘발성 메모리 소자와 같은 종류이지만 투명 유리 또는 투명 플라스틱 기판 위에 투명 전극과 투명 산화물 박막 등으로만 구성되어 있어 전체적으로 투명하게 보이며, 기존 실리콘 기반 CMOS(상보적 금속/산화물/반도체) 플래시 메모리 소자보다 제조 공정이 훨씬 간단하고 사용 수명도 10년 이상으로 예상된다.
이 투명 메모리 소자는 기술적으로는 이미 상업개발이 진행되고 있는 저항 변화 메모리(ReRAM)를 응용한 것이며, 향후 투명디스플레이등과 같은 투명전자기기와 집적화하여 통합형 투명 전자시스템 구현도 가능하게 되었다.
플렉시블 저항 변화 메모리
그림 7은 2009년 미국응용물리학회 Applied Physics Letters 12월호에 개재된 플렉시블한 저항변화 메모리 연구 논문이다. 그림 7(a)는 제작 된 소자의 휘는 정도를 보여 주며, 그림 6(b)는 이때의 I-V 결과이며, 측정 결과에서 볼 수 있듯이 평탄한 상태에서 뿐만 아니라 휘어진 상태에서도 저항 변화 메모리 특성이 안정적으로 관찰됨을 볼 수 있다. 또한, 연구진의 dc-endurance 결과에서 보면 100번의 반복 실험에서 안정적인 스위칭 결과를 보이며, 이는 저항 변화 메모리가 향후 플렉시블 메모리로의 응용 가능성을 잘 보여 준다.
결론
현재까지의 연구 결과를 봤을 때 저항 변화 메모리 소자는 차세대 메모리 소자로 손색이 없다. 5V 이하의 낮은 동작 전압 특성, 108번 이상의 우수한 endurance 및 10년의 우수한 리텐션 특성, 그리고 투명 메모리 소자 및 플렉시블 소자로의 응용 등 매우 우수하고 매력적인 특성이 이를 직접적으로 보여준다. 하지만, 이러한 우수한 특성에도 불구하고 아직까지 몇 가지 해결해야할 이슈들이 존재한다.
가장 큰 문제가 되고 있는 점은 저항변화 메모리의 저항 변화 메커니즘이다. 따라서 저항변화 메모리 소자가 기존의 메모리 소자를 대처해 새로운 메모리 소자로서 시장에 진출하기 위해서는 반드시 저항변화 물질 최적화를 통한 저항 변화 메커니즘을 밝혀내야 할 것이다.
감사의 글
본 연구는 2009년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업(No 2009-0083126) 및 세계수준의 연구중심대학사업(R32-2008-000-10082-0)의 지원 하에 의해 수행되었습니다.
약어표
CMOS: Complementary Metal-Oxide Semiconductor
CTF: Charge Trap Flash
DRAM: Dynamic Random Access Memory
HRS: High Resistance State
ITRS: International Technology Roadmap for Semiconductors
LRS: Low Resistance State
MIM: Metal/Insulator/Metal
PRAM: Phase Random Access Memory
ReRAM: Resistance Random Access Memory
SRAM: Static Random Access Memory
SCLC: Space Charge Limited Current
TRRAM: Transparent Resistive Random Access Memory
USB: Universal Serial Bus
참고문헌
1) Q. Liu et al, "Resistive switching memory effect of ZrO2 films with Zr+ implanted" Applied Physics Letters, 92, 012117(3), 2008
2) B. Cho et al, "Rewritable Switching of One Diode-One Resistor Nonvolatile Organic Memory Devices" Advanced Materials, 22, 1228-1232, 2010
3) S. Lee et al, "Resistive switching characteristics of ZnO thin film grown on stainless steel for flexible nonvolatile memory devices" Applied Physics Letters, 95, 262113(3), 2009
4) C. Chen et al, "Bipolar resistive switching in Cu/AlN/Pt nonvolatile memory device" Applied Physics Letters, 97, 083502(3), 2010
5) J. Seo et al, "Transparent resistive random access memory and its characteristics for nonvolatile resistive switching" Applied Physics Letters, 93, 223505(3), 2008
6) J. Yun et al, "Resistance switching memory devices constructed on plastic with solution-processed titanium oxide" Journal of Materials Chemistry, 19, 2082-2085, 2009
7) R. Waser et al, "Nanoionics-based resistive switching memories" Nature Materials, 6, 833-840, 2007
그림 1 (a)유비쿼터스 컴퓨팅, (b) 유니버셜 메모리
그림 2 향후 플래시 메모리 기술의 현재 수준과 향후 전망
그림 3 인가되는 전압에 따른 소자의 동작 특성 (a)Bipolar 동작 (b)Unipolar 동작(Nature Materials, 6, 833-840, 2007).
그림 4 금속 필라멘트 모델: 금속의 이온화 ⇒ 금속 이온과 전자의 결합에 의한 금속필라멘트 브리지 형성 ⇒ 금속
필라멘트의 이온화에 의한 브리지 분리 ⇒ 금속 이온과 전자의 재결합에 의한 금속필라멘트 브리지 형성
그림 5 트랩 컨트롤 스페이스 차지 미리티드 커렌트(SCLC)에 의한 전도 특성(Applied Physics
Letters, 92, 012117(3), 2008）
그림 6 (a) 투명 ReRAM (b) 투과도 특성(Applied Physics Letters, 93, 223505(3), 2008）
그림 7 (a) 플렉시블 ReRAM 소자 (b) I-V 특성(Applied Physics Letters, 95, 262113(3), 2009）
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