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원자층증착(ALD) 기술을 적용한 차세대 메모리 기술

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인공지능(AI), 딥러닝(Deep Learning), 빅데이터(Big Data), 게임 및 5G 모바일 기술의 빠른 발전에 따라 기하급수적으로 늘어나는 데이터로 인하여 반도체 메모리 소자의 고집적화와 낮은 전력소모가 크게 요구되고 있다. 이를 해결하기 위해 이미 상용화되어 있는 D램(DRAM)과 플래시메모리(NAND) 등의 기존 메모리 기술에서 차세대 메모리 반도체 기술로의 변화가 어느 때 보다 집중을 받고 있다. 초당 기가급 이상의 고용량 데이터를 지연없이 실시간 수준으로 처리하기 위해서는 기존의 메모리 만으로는 한계가 있기 때문에 차세대메모리는 D램처럼 속도가 빠르고 플래시메모리처럼 전원을 꺼도 데이터가 유지되는 특성을 모두 가지면서 전력효율이 더욱 우수해야 하며 동시에 고집적이 가능해야 한다.
기존 메모리를 뛰어넘을 신개념의 차세대 반도체 메모리로는 Ferroelectric RAM(FRAM 또는 FeRAM), Magnetic RMA(MRAM), Phase-charge RAM(PRAM 또는 PCRAM)과 Resistive RAM(RRAM) 등이 꾸준히 연구되고 관심을 받아 왔다. 이 메모리들은 전원이 꺼져도 데이터가 소실되지 않는 비휘발성(Nonvolitile)을 가지며, 아주 빠르게 가역적으로 스위칭되어 정보를 저장할 수 있는 특징을 가지고 있다.
하지만 이 차세대 메모리의 강력한 후보들은 아직 긴 스위칭시간, 취약한 내구성, 부족한 고집적도 및 상대적인 고비용 등의 문제점 때문에 실제 적용은 특정 분야에서만 이루어 지고 있는 상황이며 이를 개선하기 위해서 세계적으로 ALD 공정이 핵심적으로 적용되어 많은 연구 개발이 계속되고 있다.

차세대 메모리에 적용된 원자층증착(ALD) 기술 
FRAM은 강유전체의 전기적인 분극을 데이터로 저장하여 한 극엔 0을 다른 극에는 1을 저장하는 기본 구조를 사용하며 기본적으로는 D램과 비슷한 구조를 가지나 비휘발성이라는 특징을 가지고 있다. 오랫동안 PZT라는 물질이 강유전체 재료로 사용되었으나 두께가 얇아지면 분극을 유지 못하는 문제가 있었다. 최근 새롭게 두께가 수 nm인 ALD로 증착된 metal oxide-doped HfO2가 새롭게 큰 관심을 받고 있고 28nm node의 고집적 밀도에 적용되었다.
MRAM은 자기 저항 메모리라 하며, 외부 자기장에 의한 자성층의 자화방향에 따른 자기저항 변화를 이용하여 데이터의 1, 0을 표현한다. 즉 자기장의 방향이 같을 때, 0을 표현하며, 자기장의 방향이 다를 때 1을 표현한다. 원리적으로는 고속 저전압 동작 및 특성열화가 없으며 소자의 집적도가 높다. 다수의 연구에서 Tunnel oxide로 ALD로 증착된 MgO나 ZnO등이 적용되었다. 
PRAM은 물질의 상(Phase) 변화를 이용한 비휘발성 메모리로 상이 비정질 상태에서 결정질 상태로 상 변화될 때 데이터를 저장한다. 상전이 물질로는 GST Germanium-antimony-tellurium (GST) 를 사용하는데 ALD를 사용하여 Step coverage가 우수한 PRAM 메모리를 제작하였다.
RRAM 부도체 or 반도체의 저항 변화를 이용하는 메모리로 산소베이컨시를 이용하여 절연물질에서 저항변화를 만들어 0, 1을 인식하여 사용한다. 절연물질로는 원자층 증착에 의한 SiO2, HfO2, HfAlO, Ta2O5등이 사용되고 있다.
여러 학교 및 연구 기관들에서 원자층증착 기술을 적용을 위하여 Lucida Series ALD를 사용하여 계속적으로 차세대 메모리 연구를 진행하여 보다 진보된 결과들을 얻고 있다.
원자층증착(ALD) 기술은 대부분의 차세대 메모리에 적용되어 뛰어난 원자단위의 두께 조절성 및 균일도와 우수한 step coverage 특징으로 향후 차세대 메모리의 상용화에 중추적 역할을 할 것이 분명하다.

- 참고문헌 -
DOI: 10.1063/5.0030856 (NCD Lucida Series ALD 사용)
DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.03.021
DOI: 10.1109/IMW48823.2020.9108152
DOI: 10.1016/j.ceramint.2020.08.238 (NCD Lucida Series ALD 사용)