그림 1
(1-1) 저항변화 나노기억 소자의 스위칭 과정 (1-2) 어레이(array) 구조의 누설 전류 현상 (1-3) 비선형 셀렉터 소자의 누설 전류 차단 원리
(1-4) 다이오드-레지스터 스위칭 기술 (1-5) 트랜지스터-레지스터 스위칭 기술 (1-6) 상보적 저항 스위칭 기술1)
1.2. 핵심 요소 기술 및 내용
● 셀렉터
-
레지스터 기술- 비선형 저항 특성을 갖는 임계값 스위칭 소자와 저항변화 기억소자를 어레이(array) 구조 내부의 단일 셀 공간(4F2) 안에서 수직으로 적층 형성하여 각각의 단위 소자를 형성
- 임계값 스위칭 소자는 낮은 전압에서의 저항 값이 매우 급격히 증가하여 비선형 전류-전압 특성을 보유 - 저항변화 기억소자와 직렬로 연결되는 경우 중첩된 스위칭 곡선의 낮은 전압 부분의 저항 상태는 모든
경우에서 꺼짐 상태를 나타내게 되고 읽기 전압 영역에서는 저항비가 유지
- 어레이(array) 소자 구조에서 특정 셀에 접근하기 위하여 해당 라인으로 전압을 가해줄 때 인접 셀은 일반적으로 인가 전압의 절반만큼의 전압을 받게 되는데, 셀렉터가 추가된 복합 소자의 경우 이러한 낮은 전압 영역에서는 높은 저항 값으로 인해 전류가 흐를 수 없으므로 해당 셀 이외의 어레이(array) 라인 에서의누설 전류를 차단 가능
1) (1-1) C. Ye et al., J. Mater. Sci. Technol (2016) (1-2) H. Ma et al., Nanoscale Res. Lett (2017) (1-3) J. Shin et al., J. Appl. Phys (2011) (1-4) T.-W. Kim et al., Adv. Mater. (2012) (1-5) Y. Ji et al., Org. Electron (2016) (1-6) E. Linn et al., Nat. Mater. (2010)
● 다이오드
-
레지스터 기술- 다이오드 정류 소자를 저항변화 소자와 직렬 연결하여 어레이(array) 라인을 따라서 흐르는 역방향 누설 전류 차단
- 전극 라인을 따라 흐르는 누설 전류는 소자 블록을 지나갈 때 마다 순방향과 역방향을 반복하게 되는데, 다이오드의 정류 특성을 활용하여 역방향 전류를 차단하면 나란히 연결된 순방향 누설 전류까지 차단 - 저항변화 소자가 두 방향 전압이 모두 필요한 구동일 경우 다이오드로 인해 저항상태 변화를 가할 수 없기
때문에 한 방향 전압만을 사용하는 저항변화 소자에만 적용 가능
● 트랜지스터
-
레지스터 기술- 트랜지스터 소자를 스위칭 소자로 사용하여 특정 워드 라인에만 전압을 인가하고 지정된 라인에서 또 다시 스위칭 소자를 선택하여 셀에 접근하는 기술
- 게이트 전압을 통해 특정 셀에 직접 접근하기 때문에 누설 전류를 원천 차단할 수 있지만, 기존의 저항변화 소자 라인에 덧붙여서 게이트 라인이 추가되어 전체적인 셀 크기가 증가하는 단점이 존재
● 상보적 저항 스위칭 기술
- 양방향 저항변화 스위칭 소자를 서로 반대로 직렬 연결함으로써 켜짐과 꺼짐 동작을 같은 전압 방향에서 유도하고 낮은 전압에서 꺼짐 상태를 확보하여 누설 전류를 차단하는 양방향 스위칭 기술
- 어레이(array) 구조와 단일 소자 공정을 그대로 활용하여 쉽게 누설 전류를 차단할 수 있는 기술이지만 전체 소자에서 동작 전압 영역을 균일하게 확보하는 것이 불가능
1.3. 잠재 수요 분야 및 기대효과
● 저항변화 나노기억 소자 어레이
(array)
기술- 현재 세계적으로 메모리 반도체 시장 규모는 800억 달러 이상이며 그 중 절반을 플래시 메모리가 담당2) - 높은 데이터 저장 능력과 집적도를 가진 셀렉터 기반의 저항변화 기억소자가 상용화될 경우 글로벌
수요를 감안하였을 때 플래시 메모리를 뛰어넘는 시장 가치를 가질 것으로 예상
-2018년 기준, 플래시 메모리의 성장 증가율은 9.3%이며 빠르게 늘어나는 글로벌 모바일 데이터 수요와 더불어 시장 규모는 더욱 커질 것으로 예상
- 셀렉터 저항변화 기억소자는 플래시 메모리가 가질 수 없는 구조적 단순함과 공정의 편의성이 크기 때문에가격 경쟁력에서 장점이 분명하며 이는 500억대에 달하는 사물인터넷 시장에서 주도적인 위치 확보가 가능
2) KB 산업 보고서 (2018)
● 아날로그 연산 처리 기술
- 아날로그 저항변화가 가능한 기억소자를 셀렉터와 연결하여 어레이(array) 소자로 구현할 경우 머신 러닝의 학습 저장 매체로 직접적으로 사용할 수 있으며 이는 4차 산업혁명의 빅데이터 기반의 사물/산업인터넷 시장의 핵심 부품 요소로 활용될 것으로 전망
- 전 세계적으로 머신 러닝 시장은 가파르게 증가하고 있으며 2017년 약 14억 달러에서 2022년에는 약 88억 달러에 이를 것으로 전망3)
- 머신 러닝의 학습 기반 소자인 아날로그 스위칭 기억소자의 상용화를 통해 더욱 정확하고 효율적인 개별적 연산 시스템을 사물인터넷으로 확대 가능
1.4. 해결해야 할 기술 이슈
● 선택성 계수
- 선택성 계수의 크기는 누설 전류 제한 능력과 함께 구현할 수 있는 최대의 어레이(array) 개수와 직결되기 때문에 저항변화 스위칭 곡선의 구동 영역에서의 변화를 주지 않으면서 가능한 높은 값을 확보하는 것이 요구
- 선택성 계수와 같은 비선형 저항 특성은 소재 특성에 크게 의존하므로 안정적인 임계값 스위칭 소재를 꾸준히 개발하고 있으며 최근에는 칼코지나이드 물질 기반의 오보닉 스위칭 소자가 주목
- 높은 선택성 계수 확보로 누설 전류를 차단하면 어레이(array) 전체의 라인 전류 값이 감소하므로 불필요한 전력 소모 감소가 가능
- 현재 105까지 확보된 선택성 계수 값을 점차적으로 1010수준으로 향상시키는 개발이 목표
● 저전력 구동과 균일성
- 셀렉터-레지스터 소자의 낮은 전압 영역에서의 전류 제한성으로 인한 구동 전압 상승 문제를 해결하고 전압 범위를 통계적으로 안정화하는 기술이 요구
- 기억소자의 전력 소모는 구동 전압과 스위칭 시간에 비례하므로 전압 영역을 낮추고 빠른 동작 속도를 확보하는 것이 필요
- 구동 전압의 균일성이 모든 어레이(array) 영역에서 확보되어야 하므로 높은 균일도의 이진 금속 산화물 소재를 적합한 원소 비율로 셀렉터와 레지스터 소자에 적용하려는 연구가 진행 중
- 기존의 셀렉터와 레지스터 소자의 호환성을 향상시켜서 최적의 임계 스위칭 특성을 확보하는 이중 박막 구조의 자체-정류 소자 개발이 진행 중
● 저항변화 소자 특성
- 셀렉터 소자의 비선형 저항 특성은 스위칭 소자의 특성에 영향을 줄 수 있기 때문에 소자의 내구성과 안정성확보가 중요
- 셀렉터-레지스터 소자의 안정성 확보를 위해 박막 계면과 공정 시스템을 최적화하기 위한 연구가 진행 중 - 현재 106정도의 쓰기/지우기 반복성을 109이상으로 향상시키는 개발이 목표
● 미세 반도체 공정
- 빅데이터 시대에는 처리하고 저장해야 할 정보의 양이 많기 때문에, 같은 소자 공간에서 기억소자의 저장 공간 개수를 최대로 확보하는 것이 중요
- 나노 스케일의 미세 반도체 공정과 수직적 박막 소자 형성 기술로 1Tbit 이상의 고집적 소자 구현이 목표 - 공정의 단순화를 위해 하나의 박막만을 사용하는 자체-정류 소자를 개발
표 1 주요 기술 및 이슈4)
구 분 세 부 내 용
선택성 계수
금속 산화물 셀렉터 기술 실리콘 기반의 셀렉터 기술 임계값 스위칭 기술 혼합 이온성 전도체 기술
저전력/균일성 혼합 이중 박막 셀렉터-레지스터 기술 신뢰성 스위칭 반복성, 상태 유지 안정화 레지스터 기술
터널링 현상을 이용한 비선형 저항변화 소자 기술
미세 공정
계면처리를 통한 자체-정류 소자 기술 수직적 메모리 구현 기술
3차원 적층 어레이(array) 기술
2 기술 동향
2.1. 국내 동향
● 서울대학교
- 칼코지나이드 물질 기반 오보닉 스위칭 소자의 구성 물질(Si24Te76) 비율 최적화를 통해 45ns 이하의 스위칭 시간과 0.6V 이하의 구동 전압 영역 확보
4) Journal of the Electron Devices Society (2016.08.23.)
● 포항공과대학교
- 이원 텔루라이드 물질의 최적화 공정을 통해 10ns 수준의 스위칭 시간과 450도 이상의 고온에서도 견딜 수 있는 소자 안정성 그리고 108이상의 반복성을 나타내는 셀렉터-레지스터 소자 개발
●
SK
하이닉스- 칼코지나이드 셀렉터 소자를 활용하여 3차원 크로스 포인트 구조의 비휘발성 메모리 소자 구현 - 128Gbit 의 용량에 100ns 의 구동 시간, 그리고 10만 번 이상의 반복성 확보
- 저항비 확보를 위해 저항변화 메모리가 아닌 상변화 메모리 채택
2.2. 해외 동향
● 칭화대학교
,
대만- 타이타늄 산화물 기반의 수직 나노 로드의 자연 산화 특성을 활용하여 단일 박막 자체-정류 소자 기술을 구현하고 타이타늄 아산화 물질의 정류 메커니즘을 분석
● 중국과학원
,
중국- 3nm의 HfO2박막을 저항변화 박막과 전극 사이에 형성하여 자체-정류 소자 기술을 구현하고 100배 이상의 선택성 계수, 그리고 500ns 이하의 짧은 스위칭 시간으로 109의 쓰기/지우기 반복성을 확보
3 시사점(기술수준)
● 셀렉터 소자 기술의 국내 기술수준은 약
60%
수준으로 평가- 대부분의 셀렉터 소자 개발 연구는 칼코지나이드 물질을 중심으로 최적화 실험이 이루어지고 있으며 구성원소의 종류와 비율에 따라 정류 특성이 상이
- 칼코지나이드 물질 중에서 가장 핵심적인 텔루륨 물질을 연구하는 기관은 벨기에의 IMEC이며 불순물과 의 비율에 따라 정류 특성이 달라지는 메커니즘을 제안
- 셀렉터 소자의 특성 향상 부분에서 앞서 나가고 있는 국내 기관은 서울대학교와 포항공과대학교이며, 서울대학교는 0.6V 이하의 낮은 전압 기술을, 포항공과대학교는 10ns 수준의 스위칭 시간을 확보 - 셀렉터-레지스터 어레이(array) 소자의 선택성 계수의 향상을 통한 특정 마진 영역에서 어레이(array)
크기 향상을 연구하는 기관은 국립 자오퉁 대학(대만)이며 단일 어레이(array) 10Mbit까지 대면적을 확보 - 셀렉터 소자의 3차원 크로스 포인트는 SK하이닉스에서 연구하고 있으며, 16뱅크(1뱅크는 512 메모리
유닛)에서 1,128Gbit까지 용량을 확보