헤테로(Hetero) 구조의 초저전력 상변화 메모리 개발
전이 금속 기반 원자 확산 방지층 도입을 통한 내구성 개선 및 초저전력 특성 확보
국제 저명 학술지 ‘Small’ Inside Back Cover로 선정

▲ 왼쪽부터 김태근 교수 (교신저자) 김태호 석사과정 (제1저자), 박승우 석사과정 (공동 제1저자)

전기전자공학부 김태근 교수 연구팀이 2차원 전이 금속 디칼코게나이드(TMD) 박막이 삽입된 헤테로(Hetero) 구조의 차세대 상변화 메모리 소자를 개발하여 동작 성능을 획기적으로 개선하는 데 성공했다.

* 2차원 전이 금속 디칼코게나이드(TMD, Transition metal dichalcogenide) : 전이 금속과 칼코게나이드의 화합물로서 그래핀과 유사한 2차원 구조를 가지는 나노 재료
* 헤테로(Hetero) 구조 : 두 개 이상의 서로 다른 반도체 물질을 포함하는 구조

상변화 메모리는 빠른 동작 속도 및 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 및 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 등장하였다. 티타늄 텔루라이드 (TiTe2) 물질은 상변화 물질(원자)의 확산 장벽층으로 작용하여 소자의 내구성을 향상시켰고, 낮은 열전도도를 바탕으로 열효율을 높여 저전력 구동 특성을 동시에 확보했다. 그러나, 현재 헤테로 구조 소자 연구는 주로 티타늄 텔루라이드 (TiTe2)에만 집중되어 있어 타 물질 연구 및 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 성공하였다. 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 적층하여 원자 확산 방지층을 포함한 헤테로 구조를 구현함으로써 반복적인 상변화 시 안티모니 (Sb) 원자의 움직임을 일정 층 내로 국한할 수 있도록 설계되었다. 또한, 니켈 텔루라이드 (NiTe2)와 몰리브덴 텔루라이드 (MoTe2)의 전기 전도도 및 응집 에너지의 물성을 조사함으로써, 열전도도 이외의 물성이 상변화 메모리 동작 특성에 미치는 영향을 파악했다.

* 스퍼터링 : 진공 통 안에 아르곤 (Ar) 등의 불활성 기체를 채우고 방전시켜 이온화된 가스를 가속하여 타겟에 충돌시킴으로써, 원자나 분자를 튀어나오게 하여 기판 위에 막을 형성하는 방법

이번 연구 결과는 trade-off 관계에 있는 cycling 내구성 향상과 초저전력 구동 특성을 동시에 확보하여 전반적인 성능 개선이 가능함을 입증하였고, 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 수행되었다. 논문은 국제 저명 학술지 ‘Small [IF:13.30, 인용순위 (JCR, Journal Citation Reports): 상위 6.6%]’ 최신호 inside back cover로 선정됐다.

* 논문제목: Effect of Transition Metal Dichalcogenide-Based Confinement Layers on the Performance of Phase-Change Heterostructure Memory
* 저널명: Small, 2023, 19, 2303659 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202303659
* 저자: 김태호 (1저자/고려대학교), 박승우 (공동1저자/고려대학교), 이호진 (공동저자/고려대학교), 김동현 (공동저자/고려대학교), 최준영 (공동저자/고려대학교), 김태근 (교신저자/고려대학교)

<논문 그림 1>

▲ TMD 박막이 삽입된 (Ti, Ni, Mo)Te2/Sb2Te3 헤테로 구조 기반의 상변화 메모리 동작 메커니즘 모식도와 메모리 성능의 우수성

<논문 그림 2>

▲ 온도에 따른 박막의 열화현상을 분석하기 위한 (Ti, Ni, Mo)Te2/Sb2Te3 헤테로 구조 박막 단면 사진 및 논문 커버 사진