플래시 메모리 한계 넘는 ‘강유전체 메모리’ 나왔다
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플래시 메모리 한계 넘는 ‘강유전체 메모리’ 나왔다
  • 대학지성 In & Out 기자
  • 승인 2021.01.17 18:00
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[연구 성과]
- POSTECH 이장식 교수 연구팀, 강유전체 낸드 플래시 메모리 개발
포스텍 신소재공학과 이장식 교수

초지능·초연결 4차 산업혁명 시대를 맞아 고집적·고성능 메모리의 중요성이 더욱 커지고 있다. 현재 가장 많이 사용되는 낸드 플래시는 전하 트랩 현상을 이용하여 정보를 저장하기 때문에 높은 전압에서 동작하는 데다 속도가 느리고 반복적인 동작에 취약하다는 문제가 있다. 최근 POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀에서 기존 플래시 메모리보다 4배 이상 낮은 전압에서 작동하면서도 성능은 훨씬 우수한 강유전체 메모리를 구현했다.

POSTECH 신소재공학과 이장식 교수, 통합과정 김민규씨, 김익재씨 연구팀은 하프니아† 기반 강유전체와 산화물 반도체를 이용하여 강유전체 메모리‡를 구현하는 방법을 제시했다. 또한, 새로운 방식으로 구현된 강유전체 메모리는 기존 플래시 메모리나 페로브스카이트 기반 강유전체 메모리보다 훨씬 우수한 메모리 특성을 보였으며, 수직 구조의 소자 제작을 통해 고집적 3차원 메모리에 적용될 수 있음을 확인했다.

† 하프니아(Hafnia): 하프늄(Hafnium) 산화물
‡ 강유전체 메모리(Ferroelectric memory, 强誘電體 memory): 강유전체 물질의 분극 현상을 이용하여 만든 비휘발성 메모리. 플래시 메모리보다 빠른 속도로 읽기나 쓰기를 할 수 있다.

지금까지 차세대 강유전체 메모리는 강유전 물질의 분극 현상을 활용해 정보를 저장하기 때문에 플래시 메모리에 비해 낮은 작동 전압에서 빠르게 동작 가능하다는 점에서 주목받아 왔다. 하지만 높은 열처리 온도, 불안정한 동작 특성, 기존 반도체 공정과의 호환성 문제 등이 상용화의 발목을 잡았다.

연구팀은 하프니아 기반 강유전체와 산화물 반도체를 활용해 이런 한계를 돌파했다. 새로운 소재와 구조를 통해 낮은 작동 전압과 빠른 동작 속도를 확보하고, 산화물 반도체를 채널 물질로 사용해 공정온도를 낮추고 계면층 형성을 억제해 높은 동작 안정성을 구현했다. 그 결과, 기존 플래시 메모리보다 4배 이상 낮은 전압에서 작동하면서 수백 배 이상 빠른 동작 속도, 1억 번의 반복적인 동작에도 안정적인 특성을 보이는 것을 확인했다. 특히, 강유전체 물질과 산화물 반도체를 원자층 증착(atomic layer deposition) 방식으로 적층하여 3차원 소자 제작에 적합한 공정 기술을 확보했다. 또한, 기존 플래시 메모리 소자 제작보다 훨씬 간단한 공정으로 400°C 이하에서 고성능 소자 제작이 가능함을 제시했다. 관련 내용들은 국내 특허 출원이 완료되었고, 해외 특허 출원을 준비하고 있다.

연구를 주도한 이장식 교수는 “이번 연구 결과는 기존 3차원 낸드 플래시 메모리의 한계를 돌파할 수 있는 차세대 고집적·고성능 메모리를 구현하기 위한 기반 기술을 확보하고, 그 가능성을 직접 확인했다는 데 큰 의미가 있다”며 “이러한 기술은 고성능, 고집적 메모리 소자뿐만 아니라 향후 자율주행자동차, 인공지능 등에 필수적인 초저전력·초고속 고집적 유니버설 메모리와 인메모리 컴퓨팅에 적용할 수 있다”고 덧붙였다. 

한편, 국제학술지 '사이언스 어드밴스(Science Advances)' 1월 14일자에 게재된 이번 연구는 삼성미래육성사업의 지원을 받아 수행됐다.

 

(a) 하프니아 기반 강유전체와 산화물 반도체를 도입하여 개발된 강유전체 메모리 소자의 모식도. 새로운 소재와 구조를 통해 낮은 작동 전압과 빠른 동작 속도를 확보하면서 산화물 반도체를 채널 물질로 도입하여 공정온도를 낮추고 계면층 형성을 억제해 높은 동작 안정성을 구현했다. (b) 강유전체 낸드 플래시 메모리 소자 사진. 개발된 강유전체 메모리를 기반으로 강유전체 낸드 플래시 메모리를 구현했다. 3차원 강유전체 메모리 소자의 (c) 모식도와 (d) 소자 사진. 원자층 증착 방식을 이용하여 수직 구조의 3차원 강유전체 메모리 소자를 구현했다.(e) 3차원 고집적 강유전체 낸드 플래시 메모리의 모식도. 소자 시뮬레이션을 통하여 개발된 강유전체 메모리가 고집적 3차원 메모리에 적용될 수 있음을 확인했다.
(a) 하프니아 기반 강유전체와 산화물 반도체를 도입하여 개발된 강유전체 메모리 소자의 모식도. 새로운 소재와 구조를 통해 낮은 작동 전압과 빠른 동작 속도를 확보하면서 산화물 반도체를 채널 물질로 도입하여 공정온도를 낮추고 계면층 형성을 억제해 높은 동작 안정성을 구현했다.
(b) 강유전체 낸드 플래시 메모리 소자 사진. 개발된 강유전체 메모리를 기반으로 강유전체 낸드 플래시 메모리를 구현했다. 3차원 강유전체 메모리 소자의 (c) 모식도와 (d) 소자 사진. 원자층 증착 방식을 이용하여 수직 구조의 3차원 강유전체 메모리 소자를 구현했다.
(e) 3차원 고집적 강유전체 낸드 플래시 메모리의 모식도. 소자 시뮬레이션을 통하여 개발된 강유전체 메모리가 고집적 3차원 메모리에 적용될 수 있음을 확인했다.

* 논문명: CMOS-compatible ferroelectric NAND flash memory for high-density, low-power, and high-speed three-dimensional memory (고집적, 저전력, 고속 동작 가능한 3차원 메모리를 위한 CMOS 공정 호환 강유전체 낸드 플래시 메모리 개발)
* 연구자: 이장식(교신저자, POSTECH), 김민규(공동 제1저자), 김익재(공동 제1저자)
* DOI: 10.1126/sciadv.abe1341


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