플래시 메모리 한계 넘는 ‘강유전체 메모리’ 나왔다

【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀이 최근 기존 플래시 메모리보다 4배 이상 낮은 전압에서 작동하면서도 성능은 훨씬 우수한 강유전체 메모리를 구현했다고 14일 밝혔다.

초지능·초연결 4차 산업혁명 시대를 맞아 고집적·고성능 메모리의 중요성이 더욱 커지고 있는 가운데 현재 가장 많이 사용되는 낸드 플래시는 전하 트랩 현상을 이용해 정보를 저장하기 때문에 높은 전압에서 동작하는 데다 속도가 느리고 반복적인 동작에 취약하다는 문제가 있다.

▲ POSTECH 신소재공학과 이장식 교수 (C) POSTECH 제공

POSTECH 신소재공학과 이장식 교수 , 통합과정 김민규씨, 김익재씨 연구팀은 하프니아*1기반 강유전체와 산화물 반도체를 이용하여 강유전체 메모리*2를 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.

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.

▲ 하프니아 기반 강유전체와 산화물 반도체를 도입하여 개발된 강유전체 메모리 소자의 모식도. (C) POSTECH 제공

하프니아(Hafnia): 하프늄(Hafnium) 산화물

2. 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.

<아래는 구글번역기로 번역한 기사 전문이다.>

“Ferroelectric memory” came out beyond the flash memory limit

POSTECH Professor Jang-Sik Lee's research team develops ferroelectric NAND flash memory

[Break News Pohang] Reporter Park Young-jae = POSTECH (Pohang University of Science and Technology, President Moo-Hwan Kim) announced on the 14th that the research team recently implemented a ferroelectric memory that operates at a voltage that is more than four times lower than that of conventional flash memory, but has much better performance.

In the era of the ultra-intelligent and hyper-connected 4th industrial revolution, the importance of high-density and high-performance memory is increasing. Currently, the most widely used NAND flash uses charge trapping to store information, so it operates at a high voltage and is slow. There is a problem that it is vulnerable to repetitive motions.

POSTECH Professor Jang-Sik Lee of the Department of Materials Science and Engineering, and the research team of Min-Gyu Kim and Ik-Jae Kim in the integration course presented a method of implementing ferroelectric memory*2 using hafnia*1 based ferroelectric and oxide semiconductors.

In addition, it was confirmed that the ferroelectric memory implemented in the new method showed much better memory characteristics than the conventional flash memory or perovskite-based ferroelectric memory, and can be applied to a highly integrated 3D memory through the fabrication of a device having a vertical structure.

Until now, next-generation ferroelectric memories have attracted attention in that they can operate faster at lower operating voltages than flash memories because they store information using polarization of ferroelectric materials. However, high heat treatment temperatures, unstable operating characteristics, and compatibility problems with existing semiconductor processes have hindered commercialization.

The research team broke these limitations by using hafnia-based ferroelectrics and oxide semiconductors. The new material and structure ensure a low operating voltage and fast operating speed, and use an oxide semiconductor as a channel material to lower the process temperature and suppress the formation of an interface layer to achieve high operating stability. As a result, it was confirmed that operating at a voltage more than four times lower than that of conventional flash memory, operating speed more than hundreds of times, and stable characteristics even with repeated operations of 100 million times.

In particular, a ferroelectric material and an oxide semiconductor were stacked by atomic layer deposition to secure a process technology suitable for 3D device manufacturing. In addition, it has been suggested that high-performance devices can be manufactured under 400°C with a much simpler process than conventional flash memory device manufacturing. For related contents, a domestic patent application has been completed and an overseas patent application is being prepared.

Professor Jang-Sik Lee, who led the study, said, “The results of this study are of great significance in that we have secured the base technology to implement the next-generation high-density and high-performance memory that can break through the limitations of the existing 3D NAND flash memory, and confirmed its possibility. “These technologies can be applied not only to high-performance, highly integrated memory devices, but also to ultra-low power, ultra-fast, and highly integrated universal memory and in-memory computing, which are essential for autonomous vehicles and artificial intelligence in the future.”

On the other hand, this research, published in the international journal'Science Advances' on January 14, was conducted with the support of the Samsung Future Development Project.

Explanation of terms

1.Hafnia: Hafnium oxide
2. Ferroelectric memory (强誘電? memory): Non-volatile memory made by using the polarization phenomenon of ferroelectric materials. It can read or write faster than flash memory.