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−차세대 자기저항메모리 MRAM 기술의 특허동향 분석
노수정·이지성·조지웅·김도균·김영근
*
고려대학교 공과대학 신소재공학부, 서울특별시 성북구 안암동 5-1, 136-713
유양미·하미영·서주원
(주)이디리서치, 서울특별시 금천구 가산동 371-16, 153-768
(2009년 1월 22일 받음, 2009년 1월 23일 최종수정본 받음, 2009년 1월 28일 게재확정)
차세대메모리소자 중
MRAM(Magnetic Random Access Memory)
은자기저항효과를이용한비휘발성메모리로기존메모리를대체할것으로주목을 받고있다
. MRAM
은자기터널접합 소자를이용해 구동할수있는데,
현재고집적,
저전력 소모등의 장점을 극대화하기 위해 수직자화 특성을 갖는 자기터널 접합 개발과 스핀전달토크를 이용해 구동하는
STT-MRAM(Spin Transfer Torque-MRAM)
개발이활발히이루어지고있다.
따라서미국,
일본등MRAM
강국에서고집적,
스위칭전류감소,
열적안정성등의 문제를해결하기 위한기술 특허출원이 증가하고있으며
,
국내의MRAM
연구기관에서의특허 출원도꾸준히이루어지고있다
.
본고에서는기존국내외특허 출원및등록 경향을분석하고향후MRAM
개발방향을 제시하였다.
주제어
: MRAM,
자기터널접합,
특허동향I. MRAM 기술 특징 및 개발 현안
휴대용 단말기의 많은 보급과 정보 저장매체의 초소형화
,
고속화
,
통합화 등고성능 저장 매체에 대한 요구가 높아짐에 따라 차세대 정보저장 매체가 주목을 받고 있다
.
이 중MRAM
은자기저항(magnetoresistance)
이라는 양자역학적 효과를이용한기억소자로전원이꺼져도정보가지워지지않 는비휘발성
(nonvolatile)
메모리소자로서,
소비 전력이적고높은온도 범위에서동작이가능하며
Flash
가갖는비휘발성이외에
,
기존의DRAM
급의 빠른 응답속도등의 특성을 갖고기존의다양한 저장 매체를 대체할 수있을 것으로 주목 받고있다
[1, 2].
MRAM
은 두 자성체의 자화 방향의 배열에 따라 저항이달라지는자기저항특성을 이용한메모리소자이다
. MRAM
에서사용하는 자기터널접합
(magnetic tunnel junction, MTJ)
은터널링 장벽
(tunneling Barrier)
으로 절연층 사이에두강자성층
(ferromagnetic layer)
이샌드위치 형태로 구성되어 있 으며 큰터널자기저항 비를 갖기 때문에고밀도 헤드와 자 기메모리에사용하기 좋은특성을가지고있다[3].
이러한강자성 터널자기저항 현상을 이용한
MRAM
은 차세대 메모리로서 큰관심을 끌게 되었으며
,
현재까지 발표된MRAM
연구결과는수
Mbit
급용량이지만향후MRAM
의고집적화 를 이룬다면 장차 수Gbit
급의 결과를 얻을 것으로 예상한 다[4].
MRAM
의읽기 동작은 데이터“0”
과“1”
사이에MR
비 에의한저항차이가발생하고이에따른 전류차이를구분하는 방식이다
.
기존의MRAM
은인접한 외부 도선에서 발생하는 자기장을이용하여자화반전을유도하는방식으로일정 량이상의 전류가 흘러 임계자기장을 넘으면 자성층의자화 방향이 반전하게되는데
,
이는도선에 전류를흘리면 도선의주위에 원형의 자기장이 유도되고 임계값 이상의전류를 도 선에 흘려자성박막의보자력보다 큰자기장을셀근처에형 성할 때도선에흐르는전류에방향에따라자성박막으로이 루어진 자유층의 자화방향을 결정할 수있다는 원리를활용
한것이다
[3].
최근 제안된STT-MRAM
은쓰기 방식에스핀전달토크
(spin transfer torque, STT)
현상을 이용한 것으로,
스핀전달토크란스핀이 정렬된전류가강자성체내를지날때 순간적으로발생된각운동량의변화에의해강자성체의각운 동량으로 전달되는 현상이다
.
정렬된 스핀방향을 지닌 높은 밀도의전류를강자성체에입사할경우에강자성체의자화방 향이 전류의 스핀 방향과 일치하지 않으면 전류의 스핀방향으로 정렬하려 한다
[5].
스핀전달토크 구조를MTJ
에적용하면
,
전자가 고정층에서자유층으로흐를 때고정층의 자화방 향으로스핀 방향이정렬된전자의흐름에의해 자유층의자 화방향이정렬되려는토크를 받게되며,
결국일정 전류이 상에서 자유층의 자화 방향이 고정층의 자화 방향과 일치하 게된다.
반대로자유층에서고정층으로 전자가입사하면고 정층과 자유층의 경계에 스핀 축적 현상이 일어나 자유층의 자화방향이고정층과반대방향으로평행하게배열시키는특성을 보인다
. STT
기록방식은외부 자기장에의해 자기터널*Tel: (02) 3290-3281, E-mail: [email protected]
접합의자화방향을바꾸는방식이아니라직접전류를주입 하여 스위칭하는 방식이므로 소자크기가 작아질수록 요구되 는전류밀도가적어져
(
전력소모감소)
고집적화에유리하다는특징이 있다
. STT-MRAM
의구현에 가장 해결해야 할기술적난관은 자화 반전시임계전류밀도
(
Jc)
의감소와 열적 안정성확보라 할수있다
.
II. MRAM 특허의 정량적 분석
MRAM
분야의 선행 특허 조사와 특허 분석을 위해MRAM
의 구동셀인 자기터널 접합의 특허분석을 통해MRAM
의기술 개발 현황과 공백기술 파악을 통한 발전 가능성을도모하였다
.
이중기본적인MRAM
과자기터널접합구조에관한원천특허 이외에특히활발히연구가이루어지
고있는
STT-MRAM
과수직이방성특성을 가지는자기터널접합분야를 선행특허로 선정하여분석을 실시하였다
.
1.전체특허동향
Fig. 1
은MRAM
의구동셀인자기터널 접합 기술관련 특허출원동향을나타낸것으로
90
년대중반이후부터고성장을이루었고
2003
년에 최다출원을 보였으나 이후2000
년대 중반에는다소감소한것으로나타난다
. MRAM
이처음으로제안된 것은
1980
년대 전반이며, 1994
년에는 미국Honeywell
사가 처음으로 거대자기저항
(Giant Magneto-Resistance:
GMR)
구조를 이용한MRAM
을개발하여제품화한것이 시발점이 되었고
1995
년미국MIT
와 일본 동북대에 의해 자기터널접합에서높은 자기저항비를얻은 후 고집적
MRAM
구현이가시화되면서부터관련기술의특허출원이활발해진계 기가되었다
.
Fig. 2
는MRAM
의자기터널접합기술의국가별특허동향을나타낸것으로 한국
,
미국,
일본및유럽 모두90
년대 중 반부터 특허출원이왕성하였고2000
년대 초반에최다출원을 기록하며4
개국모두 비슷한성장추이를보인다.
그중미국이월등히많은특허를보유하고있는것으로나타났으며이
는 미국이 지난
10
년간 국방성DARPA(
국방 고등 연구 기획청
)
주도로MRAM
기초기술개발을수행하였고현재는기업을중심으로상용화를진행하고있어타국가보다국가적차 원으로관련기술의연구개발에집중했기때문이라고생각한다
.
Fig. 3
을 살펴보면 미국기업IBM
과 독일기업Infineon
Technologies
의공동출원을 중심으로한미국과 독일의국제협력 출원이
17
건으로 가장 많았으며 독일기업Infineon
Technologies
와프랑스기업Altis Semiconductor
의공동출원으 로한독일과프랑스의국제협력이다음을차지하고미국기업Grandis
와 일본기업Renesas Technology
와 같이 미국과 일 본의 공동출원도 나타난다. IBM
은Infineon Technologies
에기술을 이전하여
0.13 CMOS
기술을 적용한 양산용256
Mb
급MRAM
을 개발하고 있으며Infineon Technologies
와Altis Semiconductor
는CBRAM(conducting bridging RAM)
을공동발표한 바있고
Renesas Technology
는미국Grandis
사와 공동으로
STT
스위칭현상을 이용한65 nm
급MRAM
기술을 제시하여 현재
,
국가 간의 공동협력연구가 진행되고 있음을 알수있다.
Fig. 4
는특허점유율및증가율로각기술의최근특허활동에대한 활동도를알아있는 그래프이다
.
한국에서는 재료와 구동방식이현재특허출원이활발히진행되고있는기술로분 석되며구조기술은점유율은높으나최근에특허출원이감소 하였고,
미국에서는 구동방식과구조기술은점유율이 높지만 최근에 특허출원이 감소하였다.
일본에서는 재료,
구조 구동 Fig. 1.Patent trends of MRAM.
Fig. 3.
Status of international collaboration.
Fig. 2.
National patent application trend of MRAM.
방식이평균점유율을상회하나증가율이평균이하로최근특 허출원이 감소한 것으로 나타났으며 유럽에서는 구동방식과 구조기술이증가율및점유율모두가평균이상으로활발한특 허출원활동을하고있다
.
구동방식,
구조,
재료기술은모든국 가(
재료:
미국제외)
에서평균이상의 점유율을차지고있어최근특허출원증가율은감소하였어도연구개발집중분야임을확 인할수있다
.
2.기술분류별특허동향
Fig. 5
는MRAM
의자기터널접합의기술별특허현황을나타낸 것으로 구조기술특허가가장 많은 건을 차지하고 있고 다음으로는구동방식기술
,
재료기술순으로특허출원되어자 기저항소자기술은 구조기술관련 연구개발에집중하고있는 것으로 나타난다.
기술별 연도별의 출원건수 동향을 보면5
가지 기술 모두
1995
년 이후부터 증가하기 시작하였으며2000
년대 초반에 최다특허를 기록한 것으로나타나 각기술 에 대한 연구개발 집중도는 다를 수 있으나 비슷한 추세로 기술이개발되고 있다.
Fig. 6
의국가별기술분포를 살펴보면한국,
미국,
일본 및유럽모두구조기술에 가장많은특허가분포되어있음을알
수 있다
.
구조기술 다음으로 각국가마다 점유하고 있는 기술은 한국과 일본은 재료기술
,
미국과 유럽은 구동방식으로 나타난다.
공정과재료기술 특허건이미국과일본이 큰차이가나지 않은 것은 일본은미국에 비해 뒤늦게 개발에착수 하였으나 반도체 공정
,
자성재료 분야의 풍부한 기반기술과인적자원을 가지고있어매우빠른기술의신장을보이고있 기때문이다
.
Table I
은1998~2002
년과2003~2007
년 두구간으로나누 Fig. 4.Graph analysis depending on patent share and increasing rate of patent application.
1.
제1
출원인기준(
공동출원인경우처음나오는출원인) 2.
분석구간:
한국,
미국,
일본,
유럽'87.01~'07.12(
출원연도)
3. X
축:
해당기술의특허점유율, Y
축:
분석구간의연평균증가율의기하평균값4.
분석의미: 1
사분면-
지속적으로특허출원이활발, 2
사분면-
최근특허출원이활발3
사분면-
초창기(
도입기)
기술, 4
사분면-
최근특허출원이감소추세Fig. 5.
Patent trend of MRAM with specific technical field.
어각출원인의특허활동을영향력지수와 기술력지수로비교
한표이다
. IBM
은피인용비로알아보는 영향력지수가두구간모두에서높고
,
특허건수의양적인 측면뿐아니라 기술영향력에서도높은 질적수준을보이는 출원인은
1998~02
년에 서는IBM, 2003~2007
년에서는Toshiba
로IBM
과Toshiba
는다출원인 중양적·질적 영향력이제일 큰출원인으로나타 났다
.
영향력지수(PII; Patent Impact Index)
는 한시점을 기준으로 삼아 과거의 기술적 활동을 반영하는 지표이며특정 출원인이 소유한기술의질적수준을측정하는지수로
,
영향력지수가
1
이면 평균 인용빈도임을 나타내고, 2
이면 평균보다2
배 많은 빈도로 인용된 것을 의미한다.
기술력지수(TS;
Technology Strength)
는 인용관계에의한 영향력지수에특허활동의 규모를 나타내는 특허건수를 곱해줌으로써 특허활동 의질적수준과함께양적인측면을고려한평가가가능하게 해주며 기술력지수가 클수록 해당출원인의기술력이 높음을 의미한다
.
Fig. 6.
National status of patent about MRAM thchnology distribution.
Table I.
Technological level with patent applicant.
출원인 특허등록건수 영향력지수
(PII)
기술력지수(TS)
98~02 03~07 98~02 03~07 98~02 03~07
Toshiba 12 115 1.2 1.0 014.9 114.6
Renesas Technology 00 085 0.0 0.8 000.0 067.2
Hitachi Global Storage Technologies 01 072 0.3 0.6 000.3 041.9
IBM 78 069 1.5 1.6 117.2 112.4
Seagate Technology 09 056 0.5 1.2 004.4 065.0
Headway Technologies 00 053 0.0 0.6 000.0 029.4
HP 04 049 0.5 1.0 001.9 049.6
Infineon Technologies 03 038 0.4 0.8 001.2 028.6
Freescale Semiconductor 00 033 0.0 0.6 000.0 019.1
Grandis 00 033 0.0 1.2 000.0 040.8
Hitachi 08 030 0.5 0.9 003.9 025.7
TDK 11 026 0.8 1.3 008.3 034.1
Samsung Electronics 01 023 0.2 0.3 000.2 007.3
NEC 23 023 0.5 0.8 011.3 017.3
Fig. 7.
Status of MRAM thechnology with patent main applicants.
3.주요출원인별특허동향
Fig. 7
은MRAM
의자기터널접합기술의다출원인과다출원인의기술별현황을나타낸것으로
NEC
와공동개발팀으로16 Mb
의MRAM
기술을 발표하고2006
년64 Mb MRAM
테스트결과를발표하는등왕성한기술개발을하고 있는일 본의
Toshiba
는2
위인 미국의IBM
과의 격차를 뚜렷하게 나타내며
MRAM
기술의 선두 기업임을 잘 나타내고 있다.
다출원인
2
위는미국의IBM
으로,
이기업은0.13
µm
상보 금 속산화물 반도체 트랜지스터 기술을 적용한 양산용256 Mb
급
MRAM
을 개발하고 있으며TDK
와제휴해STT-MRAM
의개발을 진행하여
65 nm
프로세스의시제품을4
년이내에개발한다는계획을갖고있는기업으로
IBM
또한왕성한기 술개발활동을펼쳐나가는기업임을알수있다. 3
위는한국의삼성전자로서
2004
년셀면적을8F
2로획기적으로줄일수 있는On-Axis
구조를 제시하였고, 2006
년에는Digit Line
이필요 없는 저 전력 스위칭 방식인
Local Field
스위칭을 이용한
MRAM
을 발표하였으며, STT-MRAM
개발을 위해 자기터널접합 셀패터닝을비롯한 공정개발을 진행 중인 것으 로나타나한국기업으로서는세계시장에가장영향력있는기 업임을알수있다
.
다출원인에속한 출원인들중일본기업 이많으며이는 일본이미국에비해뒤늦게개발에착수하였 으나반도체 공정,
자성재료분야의풍부한 기반기술과인적 자원을가지고 있어매우 빠른 기술의신장을보이고 있다.
Fig. 8
은 다출원인들의 국적별 출원현황을 나타낸 것으로Toshiba
는 일본이 국적이나 미국에 더 많은 건을 출원한것으로 볼 수 있고
,
네덜란드의Hitachi Global Storage Technologies(HGST)
와 일본의Renesas Technology
등도 자 국보유특허보다미국에특허를많이낸것으로 나타났으며이는미국이
MRAM
관련시장이 제일빨리 열렸고,
기술력이높은 주요한 기술시장이므로 미국으로의 시장진입과 특허권 확보를위해 미국출원에중점을 두는것으로 볼수있다
.
III. MRAM 기술개발 추진방향과 핵심특허 확보를 위한 특허전략
1.특허망분석
대부분의특허는고밀도
(
셀사이즈 축소),
저스위칭전류,
저전력소비라는 공통적인해결과제를가지고있으며이를 해결 하기 위하여다양한 방법들을제안하고있다
.
해결 수단으로는
STT
구동방식의수직 자화층을이용한기술이다수 존재하였으며
2
개의 고정층을 사용한 자기소자도 다수 존재하였다
.
또한 해결수단은 크게 자기터널 접합 구조에 변화를 준 구조분야및새로운박막 추가,
주변회로 소자의조절 등으로볼수있다
.
2.특허전략
MRAM
의기술 개발과 핵심 특허 확보를 위해서 위Fig.
9
의MRAM
특허망에서도볼 수있듯이MRAM
과MRAM
에사용되는자기터널접합소자에관한 특허는대부분의특 허가 고밀도
(
셀사이즈 축소),
저스위칭 전류,
저 전력소비를 해결하는 방향으로 몰려있다.
따라서 높은 자기저항비,
열적 안정성,
낮은저항구현,
스위칭임계전류밀도저감등중요한 부분에 공백 기술이 많으므로 공백 기술 분야를 집중적으로 연구하는 것이 기술 개발과 핵심 특허 확보를 위한 방안이될 수있다
. MRAM
및자기터널 접합에 관한 연구는 국내외대학
,
기업,
연구소에서활발히 진행되고 있으며 특허출 원도 상당히 이루어지고있으나 현재STT-MRAM
에서가장 큰해결과제인낮은저항치확보와임계 전류밀도저감기술 을 위한 특허출원은 상대적으로 적은 편이다.
따라서 고자 기저항비와낮은저항치를유지하면서스위칭전류밀도를감 소시킬 수있는 신물질,
구조 등에대한 연구를진행하여성 과를 얻는다면 상당히 우수한 기술 우위를 점유할 가능성이 높다.
Fig. 8.
National Status of MRAM patent with applicant.
또한
MRAM
개발과핵심특허 확보를위한방안으로산·학·연 등의공동 연구 가필수적이다
.
핵심기술 연구 개발을위한 인프라를설정하고
,
경쟁 상대인 미국,
일본의 예상성과보다 비약적으로 앞서갈 수있는 목표를 설정하여국내
MRAM
관련대표연구기관인삼성전자,
하이닉스,
한국과학기술연구원
,
고려대학교,
한국과학기술원등의 기관들이긴밀 Fig. 9.Analysis of main patent mapping about MRAM.
한협동연구를 수행하여야 한다
.
이런MRAM
대표 연구기관들간의역할 분담을통해산학연의유기적인집적화연구 가필요하고
,
삼성,
하이닉스 등의 기업은연구소 및대학과의공동연구를 통해
STT-MRAM
실용화를위한연구 개발에 집중적인 투자 및 인력 지원하여야 한다
.
자성재료 및MRAM
분야의 연구를 진행하는 대학 내연구실은 국책 사업과제 지원등을통하여정부로부터 직접적인투자와지원 을받아 자성재료에 대한 기초연구를집중적으로 꾸준히 수 행하여야 하며 기업과 연구소와의공동 연구뿐만 아니라 대
학
-
대학,
연구실-
연구실간의MRAM
연구의공동목표를설정하여 공동 연구를 활성화 하여야 한다
.
연구소에서는MRAM
의핵심기술을 갖고 지적재산권을 주로 확보하여 대 형반도체회사에 기술이전을통한사업화를 추구,
연구비규모의대형화를통한고가장비구축과공동활용을지원해야한 다
.
즉,
축적된공정 기술을 바탕으로 산학연국가가 합심하여역할 분담과 자원의집중화를 통해
MRAM
의핵심 기술과원천 특허를 확보할수있을것이다
.
MRAM
관련 연구는미국,
일본등해외에서보다 활발하게진행 중이며
,
해외기업,
연구소들의국내및해외 출원이MRAM
관련 특허의 대부분을 차지하고 있다.
하지만 국내MRAM
관련 기술개발도꾸준히이루어지고있으므로우수한연구 성과를 특허로 출원하고
,
이때 국내 특허뿐만 아니 라해외 특허확보에도 투자를 해서 특허보유를 통한 원천 기술 확보와기술 이전 등을 통한 수익 창출을도모 하여야 할것이다.
IV. 결 론
현재
MRAM
기술의 연구 및개발의주요 목표는 고집적MRAM
구현,
스위칭 전류 감소,
열적 안정성 확보 등에 있다
.
이런과제를 해결하기위해STT
구동방식의 기술을이용한
MRAM
개발,
수직자화를 가지는 자기터널 접합 소자를
MRAM
에도입하는 연구를진행 중이다.
특허분석을통하여 확인한것처럼자기저항소자의구조에관한연구는국 내및해외기업에서다각도로진행되고있으며특허출원도상 당히 이루어지고 있으나 새로운 재료를 도입한 자기저항소 자에 관한 연구 및 특허출원은 상대적으로적은 편이다
.
따라서
MRAM
적용을 위한 신물질 개발에 대한 연구를집중적으로 진행하여야 한다
.
연구결과는 해외출원을 통한 국제재산권확보에도 노력해야 할 것이다
.
한국에는 신규성 의제 제도가 있어서논문발표등으로 인해신규성을상실하여도이 를구제하고있으나동일한제도를실시하고있는국가가많 지않으므로 논문발표로 인한 신규성 상실에 각별히 유의하 여야 할것이다.
감사의 글
본고는
2008
년8
월한국 발명진흥회에서시행한 중점연구분야 특허맵 작성사업
(
과제분류번호 상반기-03)
보고서의일 부내용을 발명진흥회의승인을받아서 소개하였으며,
교육과 학기술부의재원으로한국과학재단국가지정연구실사업과제 번호(M10500000105-05J0000-10510)
의 지원을 받아 작성하 였습니다.
특허맵 보고서 작성에 도움을 주신 발명진흥회의 이지영계장님께감사의 뜻을전합니다.
참고문헌
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김영근,
물리학과첨단기술,
16, 28 (2007).
[2] G. Grynkewich, J. Åkerman, P. Brown, B. Butcher, R. W.
Dave, M. DeHerrera, M. Durlam, B. N. Engel, J. Janesky, S.
Pietambaram, N. D. Rizzo, J. M. Slaughter, K. Smith, J. J. Sun, and S. Tehrani, MRS Bulletin,
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전병선,
김영근,
한국자기학회지,
16, 186 (2006).
[4] NanoMarket, “Magnetic Memory: An analysis and forecast of the market for MRAM” (2005).
[5]
이경진,
물리학과첨단기술,
16, 15 (2007).
Patent Analysis of MRAM Technology
S. J. Noh, J. S. Lee, J. U. Cho, D. K. Kim, and Y. K. Kim *
Department of Materials Science and Engineering, Korea University, Seoul 136-713, Korea
Y. M. Yoo, M. Y. Ha, and J. W. Seo
ED Research Co, Ltd., Seoul 153-768, Korea
(Received 22 January 2009, Received in final form 23 January 2009, Accepted 28 January 2009)
Among the next generation memory, MRAM (Magnetic Random Access Memory) is worthy of notice for substituting the preexisting memory thanks to its non-volatile property and other advantages. Recently perpendicular MRAM and spin transfer torque MRAM techniques are under active investigation to realize a high density and low power consumption. As a result, there are increasing of patents applications for high density, low current density for magnetization switching and high thermal stability. In this paper, we analyze the trend of patent applications and registrations about MRAM and propose a direction of future investigation.
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