Sub-10 nm 단일 나노 포어 이용한 초고속 실리콘 산화물 기반 저항 메모리 기술 개발
차세대 고성능/고집적 비휘발성 메모리 응용에 기대
▲ 왼쪽부터 왕건욱 고려대 교수, 권순방 고려대 연구원, 김태욱 한국과학기술연구원 박사
고려대학교 KU-KIST 융합대학원 왕건욱 교수팀은 한국과학기술연구원 (KIST) 김태욱 박사팀과 함께 Sub-10 nm 단일 나노 포어를 이용하여 수 나노 스케일의 필라멘트를 컨트롤하여, 속도와 안정성을 획기적으로 향상 시킬 수 있는 저항 메모리 기술을 개발했다.
과기정통부 한국연구재단, 삼성전자, KU-KIST 과제, KIST YoungFellow 프로그램의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 재료/나노 분야 최고 권위의 학술지중 하나인 나노레터스 (Nano Letters) 11월 28일자에 게재됐다.
※ 논문명 : Controllable Switching Filaments via Tunable and Well-Defined Single Truncated Conical Nanopore Structures for Fast and Scalable SiOX Memory
※ 저자 정보 : 권순방(고려대학교, 제1저자), 왕건욱 (고려대학교, 교신저자), 김태욱(한국과학기술연구원, 교신저자), 장석재(한국과학기술연구원), 장성훈, 최재완, 최상현(고려대학교) 포함 총 7명
현재 사용되는 메모리 소자인 D램(D-RAM)과 S램(S-RAM)은 속도는 빠르나 전원이 꺼지면 메모리가 사라지는 휘발성 특성이 있고, 플래시 메모리(Flash memory)는 비휘발성이나 속도가 느리고, 하드 디스크 드라이브(HDD)는 용량은 크나 전력 사용량이 크고 충격에 약하다는 한계가 있다.
연구팀이 개발한 단일 포어 제어 실리콘 산화물 기반의 저항 변화 메모리 (Single nanopore SiOx memory)기술은 수직 구조 내에 금속 와이어의 Electromigration (일렉트로마이그레이션)를 통하여 저전압에서 실리콘 필라멘트 상변이 스위칭을 이용하였는데, 개발한 단일 포어 구조를 통하여 이 필라멘트의 사이즈, 위치, 크기를 조절하는 것을 가능케 하였다. 이 기술은 기존 실리콘 기반 CMOS공정에 호환되며, 상변화가 유지되어 비휘발성 특성을 확보할 수 있고, 간단한 프로세스를 통하여 sub-10 nm 균일한 필라멘트 형성, 수 나노초 (<10 ns) 동작, 소자 균일성을 크게 향상 시킬 수 있기 때문에, 차세대 고성능․저전력 메모리로서의 응용 가능성이 있을 것으로 예상된다. 관련 특허도 등록 절차를 마쳤다.
[용 어 설 명]
1. 실리콘
◯ 실리콘은 지구상에 가장 풍부한 물질 중의 하나로 쉽게 얻을 수 있어 가격이 싸고 게르마늄에 비해 밴드 간 에너지가 크므로 더 높은 온도에서도 동작하는 소자를 제작할 수 있다는 장점들을 가진다. 여러 가지 장점들로 인해 현재 대부분의 반도체 집적 회로는 실리콘을 이용하여 생산되고 있다. 실리콘 산화물로는 대표적으로 양질의 절연막인 이산화 규소(silicon dioxide, SiO2)가 있다.
2. 저항 변화 메모리
◯ 차세대 비휘발성 메모리의 한 종류이며, 부도체 물질에 충분히 높은 전압을 가하면 전류가 흐르는 통로가 생성되어 저항이 낮아지는 현상을 이용한다. 일단 통로가 생성되면 적당한 전압을 가하여 쉽게 없애거나 다시 생성할 수 있다. 페로브스카이트나 전이금속 산화물, 칼코게나이드 등의 다양한 물질을 이용하여 개발되고 있다.
3. 비휘발성메모리
◯ 비휘발성 메모리(Non-volatile memory, NVM)는 전원이 공급되지 않아도 저장된 정보를 계속 유지하는 컴퓨터 메모리이다. 비휘발성 메모리의 종류에는 롬, 플래시 메모리, 마그네틱 컴퓨터 기억장치, 광디스크 드라이브 등이 있다.
[ 그 림 설 명 ]
[그림 1] 나노포어 산화물 메모리 소자의 개략도 및 가열 처리에 따른 나노포어 깊이분석 가열 처리를 통해 실리콘 산화물을 뚫고 나노포어를 형성하여 메모리 소자를 개발하였다.
[그림 2] 나노포어 산화물 메모리 소자의 측정실험 결과
(a) 비교적 작은 단절 전압을 형성, (b) 수 나노단위 신호 변화로도 저장 및 지우기 가능, (c)나노포어 산화물 메모리 소자의 전류-전압 특성
커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)
