차세대 컴퓨팅을 위한 강유전체 메모리 기술

차세대 컴퓨팅 기술의 발전으로 AI, 빅데이터, IoT 등에서 고성능, 고용량의 반도체 수요가 증가하고 있다. 기존 Von-neumann 아키텍처는 데이터 전송과 처리의 병목 현상으로 성능 향상의 한계를 마주했으며, 반도체 소자의 집적도 역시 한계에 도달했다. 이를 해결하기 위해 HBM(High Bandwidth Memory) 등 최신 메모리 기술이 개발되고 있으나, 여전히 빠른 읽기/쓰기 속도, 낮은 전력 소모, 안정성을 제공할 새로운 메모리 기술이 필요하다.

이에 따라 뉴로모픽 컴퓨팅을 위한 새로운 메모리 소자 및 소재들이 연구되고 있으며, 상변환, 강유전성, 저항변화 특성을 이용한 메모리 디바이스들이 대표적이다. 강유전성 물질은 외부 전기장에 의해 분극 상태를 유지하는 성질을 가지며, 이를 메모리 소자에 적용해 저전력/비휘발성 특성을 충족할 수 있는 유망한 기술로 주목받고 있다. 이번 기고에서는 강유전체 메모리 기술의 중요성과 발전 동향을 간단히 다루고자 한다.



글/ 고려대학교 주병권 교수님 연구실
      주병권 (고려대학교 전기전자공학부 교수)
      이지수 (한국생산기술연구원, 고려대학교 전기전자공학부 석사 과정)


목 차

1. 서론
2. 강유전체 메모리의 종류
    2-1. 강유전체 물질의 최근 동향
    2-2. 강유전체 반도체 트랜지스터 개발 동향
        2-2-1. FeRAM (Ferroelectric Random-Access-Memory) 
        2-2-2. FeFET (Ferroelectric Field-Effect Transistor) 
        2-2-3. FTJ (Ferroelectric Tunnel Junction) 
3. 강유전체 메모리의 주요 전기적 파라미터
    3-1. 잔류 분극 (Remnant Polarization; Pr, 2Pr) 
    3-2. 항 전기장/전압 (Coercive Field/Voltage; Ec, 2Ec/Vc, 2Vc) 
    3-3. 내구성 (Endurance) 및 데이터보존성(Retention) 
4. 열화 특성을 개선하기 위한 연구와 최신 응용 사례
5. 결론
6. 참고문헌


1. 서론

4차 산업혁명은 초연결성 및 HW와 SW의 융복합성을 기반으로 발전하며, 대량의 데이터를 처리하는 반도체 기술을 통해 지능형 사회로의 진입을 가속화하고 있다. 애플의 ‘비전 프로’와 대화형 인공지능 챗봇 ‘Chat GPT’ 등 정보통신 기술과 인공지능 기술의 급격한 발전으로 인해 대량 데이터 처리가 요구되며, 이에 따라 반도체 기술의 발전이 필수적이다. 이러한 배경에서 글로벌 반도체 기업들은 더욱 빠르고 혁신적인 반도체 기술 선점을 주요 과제로 삼고 있다. ^[1]

차세대 메모리 기술로는 In-memory 컴퓨팅이 제안되었으며, 이를 위해 저전력, 고성능의 비휘발성 메모리 기술이 필요하다. 뉴로모픽 반도체로 RRAM, PCM, MRAM 등이 활발히 연구되고 있지만, 이들 기술은 제한된 동적 범위 등으로 인해 정확도 저하의 한계가 있다. ^[2] 이에 반해 FeRAM(Ferroelectric RAM)은 자발분극을 이용한 데이터 저장 방식으로, 빠른 속도와 낮은 전력 소모를 제공하며, 기존 기술의 단점을 개선할 가능성이 높다. 강유전체 기술 개발을 통해 전력 소모를 획기적으로 줄일 수 있는 장치 개발이 기대되고 있다.

2. 강유전체 메모리의 종류

2-1. 강유전체 물질의 최근 동향 

강유전성을 발현시키기 위해 결정체는 반드시 비중심대칭 구조를 가져야 하며, 격자 내 이온의 위치를 두 안정된 상태 사이에서 전환해야 한다. 초기 강유전성은 페로브스카이트와 같이 복잡한 결정 구조에서만 관찰되었으며, PZT, SBT, BTO 등 층상 페로브스카이트 화합물을 이용한 연구가 진행되었다. 그러나 페로브스카이트 물질은 Si 기판과의 호환성이 제한적이고, 환경적으로 유해하며, 박막 두께가 감소할 경우 강유전성이 소실되는 단점이 있다.^[3]

2011년에 발견된 산화하프늄(HfO₂)의 강유전성은 이러한 문제를 해결할 수 있는 돌파구가 되었다.^[4] Si가 도핑된 HfO₂는 10nm의 얇은 두께에서도 높은 자발분극(P_r)을 유지하여 집적도 측면에서 강유전체 소자 연구를 재조명하게 했다.^[5] HfO₂와 유사한 구조와 특성을 지닌 지르코늄산화물(ZrO₂)이 도핑된 HZO(HfZrO_x)는 낮은 열처리 온도에서도 강유전성을 발현할 수 있어 주목받고 있다. ^[6],[7] 

 

단사정계의 HfO₂ 박막에 도핑, 표면 에너지, 스트레스를 가하면 사방정계 또는 정방정계로 상변화가 일어난다. HfO₂의 강유전성은 Pc_a21 공간군을 갖는 사방정계(orthorhombic phase) 형성에 기인하며, 벌크 상태의 산화하프늄 상평형도에서는 강유전성 결정상이 안정상인 온도나 압력 영역이 존재하지 않는다고 알려져 있다.^[8],[9]

이러한 준안정상 형성을 이해하기 위해 다양한 열역학적, 동역학적 관점의 연구가 진행되고 있으나, 아직까지 확실한 메커니즘은 밝혀지지 않았다. 도핑 양, 상하부 전극의 스트레스 효과, 강유전성 박막과 전극 계면의 결함, 박막 두께, 열처리 온도 등에 따라 강유전성 특성이 달라지며, HZO의 경우 Zr 50% 조성비에서 가장 큰 강유전성을 나타낸다. ^[10]
 

2-2. 강유전체 반도체 트랜지스터 개발 동향

강유전체 반도체 소자는 크게 1) FeRAM, 2) FeFET, 3) FTJ 구조로 활용되고 있으며, 다음과 같은 동작 방식을 지니고 있다.

2-2-1. FeRAM (Ferroelectric Random-Access-Memory)

FeRAM은 강유전체 물질을 절연층으로 사용하는 커패시터 구조 기반의 1T-1C(1 Transistor-1 Capacitor) 형태를 가진다. 전기장을 적용해 강유전체 층의 분극 상태를 변경하며, 이를 통해 데이터를 저장하고 읽는다. DRAM과 유사하지만 커패시터 중간 층이 강유전체 물질로 대체되어 plate line에서 강유전체 분극을 전환시키기 위한 펄스가 요구된다.^[14]

Polakowski 연구팀은 TiN/Al/TiN 기반의 deep-trench capacitor를 제작해 면적당 152 μC/cm²의 P_r 값을 얻었고, 13:1의 aspect ratio를 갖는 deep-trench transistor를 통해 총 잔류 분극 값을 증가시켰다. ^[15]

 

2-2-2. FeFET (Ferroelectric Field-Effect Transistor) 

FeFET는 게이트 절연층에 강유전체 물질을 사용한 FET 구조로, 게이트 전압에 의해 강유전체 층의 분극을 조절해 채널의 전도성을 변경하여 데이터를 기록 및 검출한다. 하나의 트랜지스터만으로 구성되어 있어 집적도 측면에서 유리하다. P_r이 남아 비휘발성 메모리로 응용 가능하며, 인가된 게이트 전압에 의해 유도된 강유전체 분극이 문턱 전압에 변화를 일으켜 채널에 도달하는 전기장의 크기를 감소시킬 수 있어 PIM(Process In Memory) 디바이스에 응용될 가능성이 있다.^[16] FeFET는 MFS, MFIS, MFMIS 구조로 나뉘며, 각 구조는 계면 특성과 안정성을 개선하기 위해 설계되었다.^[17]

 

2-2-3. FTJ (Ferroelectric Tunnel Junction) 

FTJ는 두 전도성 전극 사이에 얇은 강유전체 층을 배치한 MFM(Metal-Ferroelectric-Metal) 구조를 갖는다. 강유전체 층의 분극 방향에 따라 터널링 전류의 크기가 변화하며, 이를 통해 데이터를 저장하거나 읽는다.

양단에 전계가 인가될 때 극성에 따라 분극 역전에 의한 potential barrier의 크기가 변하고, 이에 따른 터널링 전류가 변화하는 현상을 Tunneling Electroresistance(TER)라 한다. FTJ 소자는 전기장을 가해 메모리 상태를 변경하며, 전기저항 차이를 통해 데이터를 저장하고 읽을 수 있다. 높은 속도의 프로그램/삭제 공정, 저전력 구동, 시냅스 구동이 가능한 비휘발성 메모리로 응용되며, 단순한 구조로 고집적화 배열 적용이 용이하다.^[13]

 

3. 강유전체 메모리의 주요 전기적 파라미터

강유전체 소자가 차세대 뉴로모픽 메모리 디바이스에 적용되기 위해서는 높은 속도, 낮은 전력 소비, 높은 내구성, 그리고 우수한 데이터 보존성이 달성되어야 한다. 뉴로모픽 디바이스는 뇌의 신경망을 모방하여 AI 및 머신러닝 시스템의 효율성을 높이기 위해 설계되기 때문이다. 이러한 이유로 강유전체 메모리 소자의 성능을 평가하는 주요 지표로 다음과 같은 파라미터들이 주로 사용된다.

3-1. 잔류 분극 (Remnant Polarization; Pr, 2Pr) 

잔류 분극(P_r, 2P_r)은 강유전체 박막의 대표적인 특징으로, 외부 전계가 제거된 후에도 유지되는 분극의 크기를 의미한다. 높은 잔류 분극 값은 소자의 논리 상태를 안정적으로 유지시켜 뉴로모픽 디바이스에서 중요한 역할을 한다. 2021년 Alireza Kashir 연구진은 Hf_0.5Zr_0.5O₂ (HZO) 강유전체 필름에서 약 60 μC/cm²의 높은 잔류 분극 값을 달성했다 ^[22]. 이는 높은 온도에서 빠른 냉각을 통해 얻어진 결과로, 데이터 저장의 안정성을 높일 수 있다.

높은 잔류 분극 값은 뉴로모픽 디바이스에서 신경망 가중치를 정확하게 유지하게 하여, 학습된 정보를 안정적으로 저장하고 사용할 수 있게 한다. 이는 장기적인 정보 보존과 신뢰성 있는 데이터 처리를 위해 필수적이다. 또한, 잔류 분극의 최적화는 소자의 성능 향상과 에너지 효율성에도 긍정적인 영향을 미친다.

강유전체 소자의 잔류 분극 특성을 향상시키기 위한 연구는 계속되고 있으며, 다양한 소재와 제조 공정의 최적화를 통해 더욱 높은 잔류 분극 값을 달성하려는 시도가 이어지고 있다. 이러한 연구는 뉴로모픽 디바이스뿐만 아니라 다양한 전자 소자에서 강유전체의 응용 가능성을 넓히는 데 기여할 것이다. 잔류 분극의 제어와 최적화는 앞으로도 강유전체 소자의 성능과 신뢰성을 높이는 주요 목표 중 하나가 될 것이다.

 

3-2. 항 전기장/전압 (Coercive Field/Voltage; Ec, 2Ec/Vc, 2Vc)

항 전기장(Ec)/전압(Vc)은 강유전체 소자의 분극 상태를 반전시키기 위해 필요한 최소한의 전기장과 전압을 의미한다. 이 값이 낮을수록 소자의 작동 전압이 낮아져 전력 소비가 줄어들며, 뉴로모픽 디바이스의 에너지 효율성을 높이는 데 중요한 요소로 작용한다. 낮은 항 전기장과 전압은 저전력 디바이스 구현 여부에 직결되며, 배터리 수명이 중요한 휴대용 디바이스나 에너지 효율이 중요한 대규모 데이터 센터에서 큰 장점을 제공한다.

현재 보편적으로 도달한 항 전기장 값은 보통 2Ec = 2.5~3 MV/cm 구간에서 형성된다. 2023년 Nature Electronics에 발표된 연구에서 Hf_0.5Zr_0.5O₂ (HZO) 기반 소자는 약 2 MV/cm의 항 전기장을 달성하였다. 이 연구는 HZO 강유전체 필름의 특성을 최적화하여 낮은 항 전기장을 구현한 사례로, 에너지 효율적이고 고성능의 뉴로모픽 디바이스 개발이 가능해졌다.^[23]

항 전기장/전압의 최적화는 에너지 효율성뿐만 아니라 소자의 내구성과 데이터 보존성에도 긍정적인 영향을 미친다. 낮은 전압으로 작동하는 소자는 열적 및 전기적 스트레스를 덜 받아 장기간의 반복적 사용에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있다. 따라서, 항 전기장과 전압을 낮추는 기술적 접근은 뉴로모픽 디바이스의 전체적인 성능 향상과 수명 연장에 기여할 수 있다.

 

3-3. 내구성 (Endurance) 및 데이터보존성(Retention)

내구성(Endurance): 강유전체 소자가 반복적인 읽기/쓰기 사이클을 견딜 수 있는 능력을 의미하며, 이는 장기간의 학습과 추론 과정에서 신뢰성을 유지하는 데 필수적이다. 2022년, Hf_0.5Zr_0.5O₂ (HZO) 강유전체 소자가 4×10¹⁰ 사이클 이상의 내구성을 달성한 연구가 발표되었다. ^[26] 상용화를 위해서는 최소 10⁹에서 10¹⁰ 사이클 이상의 내구성이 요구된다.^[24] 높은 내구성은 유지 보수와 교체 비용을 줄여 상업적으로도 큰 이점을 제공한다. 다양한 강유전체 소재와 구조를 통해 내구성을 향상시키기 위한 연구가 지속되고 있으며, 이는 뉴로모픽 디바이스의 상용화 가능성을 높이는 중요한 요소이다.

데이터 보존성(Retention): 강유전체 소자가 오랜 시간 동안 데이터를 안정적으로 유지할 수 있는 능력을 의미하며, 이는 장기적인 정보 저장과 신뢰성 있는 데이터 처리를 위해 필수적이다. 상용화를 위해서는 최소 10년 이상의 데이터 보존성이 요구된다. 데이터 보존성의 향상은 소자의 물리적, 화학적 안정성 및 전기적 특성의 최적화에 크게 의존하며, 이를 극대화하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

내구성과 데이터 보존성의 최적화는 강유전체 소자가 뉴로모픽 디바이스와 같은 고성능 메모리 소자로 기능하기 위해 반드시 고려되어야 할 중요한 파라미터이다. 해당 특성의 개선을 통해 강유전체 소자의 신뢰성 및 활용 가능성의 저변을 넓힐 수 있다.

 

4. 열화 특성을 개선하기 위한 연구와 최신 응용 사례 

내구성과 보존성 특성이 현재 상용 반도체 메모리 소자에 비해 부족한 이유는 강유전성 박막의 ‘Wake-up’ 및 ‘Fatigue’ 현상 때문이다.
Wake-up 현상은 초기 강유전체 소자가 반복적인 전기적 사이클링을 겪으면서 분극이 증가하는 현상을 의미한다. 이는 박막 내 결함(산소 빈자리 및 내부 장력) 등이 분극 형성을 방해하다가 점차 재배치되거나 소거되면서 발생한다. 이로 인해 초기 낮은 잔류 분극 값이 증가해 최종적으로 안정된 높은 분극 값을 가지게 된다. 예를 들어, HZO 기반 소자는 초기 수백에서 수천 사이클 동안 Wake-up 현상을 겪으며 이후 안정된 분극 상태를 유지한다.^{[14],[16],[27]}

Fatigue 현상은 강유전체 소자가 반복적인 전기적 사이클링을 겪으면서 분극이 감소하고 성능이 저하되는 현상을 의미한다. 이는 도메인 벽의 이동 방해, 전하 트래핑, 인터페이스 결함 등이 원인이다. Fatigue 현상이 발생하면 잔류 분극이 점차 감소해 소자의 수명과 신뢰성에 부정적인 영향을 미친다. HZO 소자도 반복적인 전기적 사이클링으로 Fatigue 현상을 겪을 수 있으며, 이를 최소화하기 위한 연구가 진행되고 있다. ^[16],[26]

기본적으로 이러한 연구의 주 목적은 열처리 이후 HfO₂ 기반의 강유전성 박막의 o-phase를 지배적이고 균일하게 확보하는 것을 목표로 한다. 박민혁 교수 연구팀은 2023년 강유전층/금속층 계면에서의 산화에 기반한 t-phase 발생 및 wake-up 현상을 감소시키고자 강유전체 소자에서 가장 널리 쓰이는 TiN(Titanium nitride) 박막을 대신해 W(Tungsten) 박막을 상하부 전극물질로 사용하여 Endurnace 특성을 개선하였다. ^[20]

 

W.-C et al 팀에서는 3D 구조에 강유전성 소자가 적용될경우 발생할 수 있는 불균일한 전계분배 문제를 해결하고자 하였다. 2022년 GAA(Gate-All-Around)의 불균일한 가장자리에서 발생하는 불균일한 전계 백터 상쇄 현상을 계산하였고, 이를 방지하기 위해 중간의 Al₂O₃ 층을 삽입하여 내구성 특성을 10¹¹ 사이클까지 확보하였다. ^[21]

 

S. S. Fields 등 연구진은 2022년 동일한 TaN 상하부 전극과 HZO 박막을 가지는 커패시터의 열처리 순서를 조정하여 상부 capping 전극이 결정 형성에 미치는 영향을 분석하였다. 상부 전극은 HZO 박막의 결정화 동안 평면 외 확정을 억제하여 m-phase 형성을 방지하고 o-phase의 형성을 유도하며 이에 기인하여 높은 분극 값과 낮은 누설전류를 가질 수 있다 설명하였다. ^[22]

강유전성 소자의 상용화를 위한 안정성 향상에 관한 연구는 상기된 사례 외에도다방면으로 이루어지고 있다. 강유전성 반도체에 대한 꾸준한 관심과 연구가 이루어진다면, 머지않아 상용화 가능한 수준에 도달할 수 있을 것이라 기대된다.

5. 결론  

강유전체는 초고속 및 초저전력 연산을 가능하게 하는 대표적인 차세대 물질로 각광받고 있다. 특히, 산화하프늄의 등장은 CMOS 공정과의 호환성을 높이고 고집적화가 가능해지면서 더욱 집중적인 연구개발이 이루어지고 있다. 이번 기고에서는 강유전체 물질의 특성과 소자의 구조, 성능 개선을 위한 노력, 그리고 응용 사례에 이르기까지 최근 연구 동향을 종합적으로 논의하였다.

HfO₂ 기반 강유전체의 발현 매커니즘에 대한 연구는 여전히 많은 진전을 필요로 하지만, 이 물질의 이점을 활용하여 메모리 소자뿐만 아니라 시냅스 소자, 유연 소자, 생체 센서 등 다양한 분야에서의 발전 가능성이 기대됩니다. 이러한 연구들은 강유전체의 잠재력을 극대화하고, 차세대 메모리 반도체 소자의 혁신을 이루는 데 중요한 기여를 할 것이라고 기대된다.


6. 참고문헌

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