[스마트경제=복현명 기자] 김태근 고려대학교 전기전자공학부 교수 연구팀이 2차원 전이 금속 디칼코게나이드(TMD) 박막이 삽입된 헤테로(Hetero) 구조의 차세대 상변화 메모리 소자를 개발해 동작 성능을 획기적으로 개선하는 데 성공했다.
상변화 메모리는 빠른 동작 속도, CMOS 공정 호환성을 바탕으로 차세대 비휘발성 메모리 기술의 하나로 주목받고 있으며 대표적인 Ge-Sb-Te 계열 화합물인 게르마늄안티몬텔루라이드 (GST)와 안티몬텔루라이드(Sb2Te3)가 상변화 물질로서 널리 활용되고 있다.
하지만 기존 GST, Sb2Te3 기반 상변화 메모리는 반복적인 동작 시 게르마늄(Ge) 또는 안티모니(Sb) 원자의 확산(이동)에 따라 구조적 변형이 점차 누적되어 메모리 특성을 상실하게 되는 취약한 내구성 문제가 존재한다.
또한 복잡한 구조로 인해 상변화 시 동작 속도가 느리고 소비되는 에너지 또한 큰 실정이다.
이러한 문제를 해결하기 위해 티타늄 텔루라이드(TiTe2) 기반 전이 금속 디칼코게나이드를 상변화 물질 층과 교차로 적층한 헤테로 구조의 소자가 등장했다.
티타늄 텔루라이드 (TiTe2) 물질은 상변화 물질(원자)의 확산 장벽층으로 작용해 소자의 내구성을 향상시켰고 낮은 열전도도를 바탕으로 열효율을 높여 저전력 구동 특성을 동시에 확보했다.
그러나 현재 헤테로 구조 소자 연구는 주로 티타늄 텔루라이드(TiTe2)에만 집중돼 있어 타 물질 연구, 물성 분석을 통해 성능 개선 요인의 추가적인 규명이 필요한 상황이다.
이에 김태근 교수 연구팀은 안티몬텔루라이드(Sb2Te3)와의 구조적 호환성이 우수하고 티타늄 텔루라이드(TiTe2)와 비슷한 격자 상수를 가지는 니켈 텔루라이드 (NiTe2)와 몰리브덴 텔루라이드(MoTe2)를 원자 확산 방지층으로 도입함으로써 새로운 헤테로 구조 상변화 메모리 개발에 성공했다.
특히 니켈 텔루라이드(NiTe2) 기반 소자는 월등한 초저전력(~0.52 nJ) 구동 특성을 보였으며 몰리브덴 텔루라이드(MoTe2) 소자는 107 cycle 이상의 우수한 cycling 반복 내구성을 보였다.
두 소자 모두 기존 안티몬텔루라이드(Sb2Te3) 기반 소자보다 모든 면에서 개선된 성능 지표를 나타냈고 우수한 기억 유지 특성을 보여 안정적인 메모리 동작이 가능함을 입증했다.
실험은 스퍼터링 공정을 통해 니켈 텔루라이드(NiTe2), 몰리브덴 텔루라이드(MoTe2)를 안티몬텔루라이드(Sb2Te3) 사이에 교차로 적층해 원자 확산 방지층을 포함한 헤테로 구조를 구현함으로써 반복적인 상변화 시 안티모니(Sb) 원자의 움직임을 일정 층 내로 국한할 수 있도록 설계됐다.
또한 니켈 텔루라이드(NiTe2)와 몰리브덴 텔루라이드(MoTe2)의 전기 전도도, 응집 에너지의 물성을 조사함으로써 열전도도 이외의 물성이 상변화 메모리 동작 특성에 미치는 영향을 파악했다.
이번 연구 결과는 trade-off 관계에 있는 cycling 내구성 향상과 초저전력 구동 특성을 동시에 확보해 전반적인 성능 개선이 가능함을 입증했고 차세대 비휘발성 메모리 소자인 상변화 메모리의 시장 경쟁력을 한층 높였다.
또한 서로 다른 물성을 지닌 전이 금속 디칼코게나이드 물질을 확산 장벽으로 활용함으로써 향후 헤테로 구조 소자의 개발 방향성을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단(NRF)이 추진하는 리더(창의)연구사업 지원과 삼성전자-고려대학교 연구센터의 지원으로 수행됐다.
논문은 국제 저명 학술지 ‘Small (IF:13.30, 인용순위(JCR, Journal Citation Reports): 상위 6.6%)’ 최신호 inside back cover로 선정됐다.
복현명 기자 hmbok@dailysmart.co.kr
