[헬로티]

국내 대학 연구진이 차세대 자성메모리(MRAM)의 속도 및 집적도를 동시에 향상시키는 소재기술 개발에 성공했다. 이 사업은 미래소재디스커버리사업의 스핀궤도소재연구단(단장 고려대 김영근)의 지원을 받아 박병국 교수(한국과학기술원)와 이경진 교수(고려대) 공동연구팀에서 연구를 수행했다.

국내 반도체 산업은 DRAM, Flash 등 메모리 반도체에서 지속적으로 세계 시장을 선도해 오고 있다. 그러나 최근 중국의 대규모 메모리 반도체 투자에 따른 위협이 가시화되고 있다.

차세대 자성메모리(MRAM)의 속도 및 집적도를 동시에 향상시키는 소재기술 개발에 성공하면서 원천기술 선점과 특허 확보를 통해, 메모리 산업의 주도권 강화와 더불어 비메모리 논리소자 부분의 시장을 확장하는데 일조할 수 있을 것으로 기대된다. 공동연구팀을 이끈 한국과학기술원 박병국 교수와 인터뷰를 진행했다.

▲ 카이스트 박병국 교수

Q. 이번 연구를 시작한 계기나 배경은.
A. 현재 사용되는 반도체 구조에서는 논리소자와 메모리소자가 공간적으로 단절돼 있기 때문에 소자 간의 긴 신호 지연이 불가피하다. 또한 비휘발성 메모리인 SRAM의 사용은 정보 유지를 위한 지속적인 전력 공급으로 인해 높은 전력 소모의 문제점을 야기한다. 

이와 더불어 현재 사용되는 컴퓨터 CPU 및 스마트폰 AP는 SRAM 소자의 개수와 그 성능이 비례하기 때문에 소자 성능 향상을 위해서는 지속적으로 메모리 면적의 증가가 요구돼 왔다. 이러한 문제는 소자 고집적화에 큰 걸림돌이 되고 있다.

논리소자에 메모리 기능을 탑재한 로직메모리(logic-in-memory) 소자는 위에서 언급된 문제점을 해결하는 하나의 대안이 될 수 있다. 이 소자를 구현하기 위해서는 기본적으로 비휘발성이면서 고속 동작이 가능한 메모리 소자가 필요했다. 예를 들어, 현재 널리 사용되는 Flash 메모리는 비휘발성이긴 하나 동작 속도가 느려 빠른 정보 처리가 필요한 논리소자의 장점을 상쇄하기 때문에 대안이 될 수 없다. 

따라서 비휘발성이면서 고속동작 및 저전력이 가능한 메모리소자의 개발이 필요했다. 전자의 스핀과 궤도간의 상호작용을 이용하는 스핀궤도토크(SOT) 기반 자성메모리의 경우 상기 언급된 특성을 모두 만족시키기 때문에 차세대 메모리로의 연구 가치가 높다고 평가된다.

SOT 기반 소자는 스핀홀 또는 라쉬바 현상에 의해 발생하는 스핀 전류로 강자성체의 자화방향을 제어한다. SOT 소자에서는 일반적으로 스핀홀 각도가 큰 중금속 소재가 주로 연구되고 있다. 하지만 이 경우 외부 자기장 인가가 필수인데, 이는 고집적 소자 개발에 있어서 치명적인 약점으로 작용하기 때문에 이를 극복하기 위한 해결방안이 필요했다.

자성메모리는 실리콘을 기반으로 한 기존 반도체 메모리와 달리 얇은 자성 박막으로 만들어진 새로운 비휘발성 메모리 소자로서 외부 전원 공급이 없는 상태에서 정보를 유지할 수 있으며 고속 동작과 집적도를 높일 수 있다. 이러한 특성 때문에 메모리 패러다임을 바꿀 새로운 기술로 전세계 여러 반도체 업체에서 개발 경쟁을 벌이고 있는 차세대 메모리다.

개발 경쟁의 대상이 되는 핵심 기술 중 하나는 메모리 동작 속도를 더 높이면서도 고집적도를 동시에 구현하는 기술이다. 현재까지 개발된 자성메모리 기술에 의하면 동작 속도를 최고치로 유지하는 경우 집적도가 현저히 떨어지는 문제가 있었다.

Q. 연구 전개 과정에 대한 소개해 달라.
A. 연구팀에서는 2012년부터 다양한 중금속/강자성 구조에서 스핀궤도토크에 대한 실험 및 이론 연구를 시작했고, 2014년 중견연구자 사업의 지원을 받아 반강자성 물질에서의 스핀 거동에 관한 연구를 수행했다. 이러한 선행 연구결과를 바탕으로 2015년 미래소재디스커버리 사업단의 지원을 받아 반강자성 물질의 교환 결합으로 스핀궤도토크 소자의 외부자기장을 대체하는 연구를 본격적으로 수행했다. 

그 결과 반강자성 물질을 기반으로 한 스핀궤도토크 소자를 개발했고, 외부자기장을 걸어 줄 필요가 없는 단순한 구조의 차세대 자성메모리 기록방식 개발에 성공하게 됐다.

공동연구팀은 동작 속도가 기존 자성메모리 기술보다 10배 이상 빠르고 고집적도를 달성할 수 있는 새로운 기술을 개발했다. 이번 연구의 기술이 적용될 수 있는 차세대 메모리로 주목받고 있는 일반적 스핀궤도토크 기반의 자성메모리 경우, 정보 기록을 위해 중금속/강자성 물질의 스핀궤도 결합을 이용한다. 

하지만 기존에 사용되는 백금(Pt) 또는 텅스텐(W)의 경우 외부 자기장을 걸어 주어야 하는 제약이 있었는데, 연구팀은 이리듐-망간(IrMn) 합금과 같은 새로운 반강자성 소재를 도입해 반강자성/강자성 물질의 교환 결합을 이용해 외부자기장 없이 고속, 저전력 동작이 가능한 기술을 개발했다.

Q. 이번 연구 내용을 보다 자세하게 설명해달라.
A. SOT-MRAM의 경우 강한 스핀궤도 결합을 갖는 원자번호가 큰 백금(Pt), 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta) 등의 중금속을 기반으로 중금속/강자성 소재 구조에 대한 연구가 주로 진행돼 왔다. 이러한 중금속/강자성 구조에서는 소자 구동에 있어서 외부자기장이 필수적이다. 

연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 중금속 대신 반강자성 소재를 도입해 반강자성/강자성 계면에 존재하는 교환결합을 이용하는 독창적인 방법을 고안했다. 이러한 교환결합에서 발생하는 유효자기장으로 소자 동작에 필요한 외부자기장을 대체할 수 있다.

연구팀은 강한 스핀궤도 결합을 가지고 있는 반강자성 물질인 IrMn(이리듐-망간 합금)과 강자성체인 CoFeB(코발트-철-붕소 합급)을 이용해 이중층을 구조를 제작하고 반강자성/강자성 계면에서 교환결합 자기장을 유도하기 위해 면방향으로 강한 자기장을 인가하면서 열처리를 진행했다. 

이러한 실험 결과 IrMn/CoFeB 구조에서 교환결합력의 존재를 확인할 수 있었고 기존 중금속 기반 소자와 버금가는 크기의 스핀궤도토크를 관찰할 수 있었다.

연구진은 여기에서 한 걸음 더 나아가 외부 자기장 없이 동작하는 다양한 소재구조 제작에 성공했다. 특히, 강자성/반강자성/강자성 3층 구조는 앞서 제시한 반강자성/강자성 이중층 구조에 비해 좀 더 큰 교환결합 자기장을 얻을 수 있었고 더 안정적인 소자 구동이 가능함을 확인했다.

Q. 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 무엇이었고, 어떻게 극복(해결)했는가.
A. 반강자성 물질에서의 스핀궤도토크 연구는 기존에 연구되지 않은 분야이기 때문에 실험 결과의 올바른 해석과 예측을 위해서는 스핀궤도토크와 반강자성 물질에 대한 깊은 이해와 이론적인 모델링 등의 연구가 동반돼야 했다.

또한 이를 증명하기 위한 고성능 자성특성 측정기술이 요구됐다. 이러한 문제를 해결하기 위해 이론 그룹과 공동 연구를 수행했고, 한국과학기술연구원에서 물질 특성을 분석할 수 있었다. 

논문의 저자를 보면 알 수 있듯이 이번 연구는 국내연구진만으로 구성된 공동연구로 진행됐고, 다양한 기관과 학교의 도움으로 성공적인 연구 결과를 얻을 수 있었다. 특히, 미래소재디스커버리사업 스핀궤도소재연구단이 시작되면서 공동연구가 활성화돼 연구 수행에 큰 도움이 됐다. 이 기회를 통해 앞으로도 더 활발한 공동연구를 진행할 것을 기대하고 있다.

스핀궤도토크 자성메모리는 컴퓨터 또는 스마트폰에 쓰이는 SRAM보다 10배 이하로 전력 소모를 낮출 수 있고, 비휘발성 특성으로 저전력을 요구하는 모바일, 웨어러블, 또는 사물인터넷(IoT)용 메모리로 활용 가능성이 높다.

Q. 이번 성과, 무엇이 다른가.
A. 최근 발견된 스핀궤도토크 현상을 반도체 소자와 융합해 저전력 소모, 고집적이 가능한 자성메모리 기록 기술 개발을 위한 연구를 수행했다. 이번 연구는 반강자성 특성을 갖는 새로운 소재를 도입해 스핀궤도토크 메모리 소자 구동에서 약점으로 작용하는 외부자기장 인가 문제점을 해결했다. 이와 더불어 강자성/반강자성/강자성 등 다양한 소재 구조를 제시해 정보기록의 안정성을 높이는 기술을 개발했다.

▲ 스핀궤도토크(SOT) 기반 자성메모리의 개략도 (반강자성/강자성 계면에 존재하는 교환결합을 이용해 외부자기장 없이 소자구동 가능함. 반강자성 물질 내부에는 전자의 스핀이 인접한 스핀과 균일하게 반대로 정렬돼 있음)

▲ 스핀궤도토크에 의해 강자성 물질의 스핀 방향을 제어하는 소자개략도 및 주요 실험 결과 (외부자기장 없이 전류의 극성에 따라 스핀의 방향 제어 가능함을 보임)

Q. 이번 연구 성과를 통해 앞으로 기대할 수 있는 효과는.
A. 현재 논리소자의 성능 향상을 위해 SRAM 캐시메모리의 용량이 증가하고 있으나 이는 휘발성 소자의 사용 증가로 인한 누설전류의 증가를 야기하고, 이로 인해 칩의 전력 소모에 매우 큰 영향을 미치게 된다. 만약 이를 SOT-MRAM으로 대체할 경우 비휘발성 특성 때문에 용량이 증가하더라도 SRAM과 달리 누설전류가 없어 저전력/고집적이 가능해진다.

또한 기존 논리소자 위에 3D 적증이 가능해지기 때문에 현재 사용되는 반도체 구조보다 훨씬 더 작은 면적의 칩 구현이 가능해진다. 특히 SOT-MRAM은 웨어러블, 모바일, 바이오센서 및 IoT와 같은 저전력 동작을 요구하는 전자기기의 발전에 기여를 할 것으로 기대된다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구 계획은.
A. 현재 국내 자성재료 연구 수준은 세계적으로도 인정받고 있다. 또한 국내 반도체 메모리 산업 역시 세계 1위를 달리고 있다. 이번 연구는 차세대 메모리로써 각광받고 있는 자성메모리의 구현 가능성을 한 걸음 더 발전시킨 것에 의미가 있고, 추가 연구를 통해 기록 성능이 뛰어난 신소재 개발에 주력할 예정이다. 궁극적으로는 상용화에 앞장서고 싶다.

김진희 기자 (eled@hellot.net)