지난해 10월 이건희 삼성 회장은 경기도 화성의 삼성전자 12라인을 방문
한 자리에서 메모리전시장을 둘러보면서 유난히 P램(Phase Change RAM;
상변화 메모리)에 대한 관심이 높았다.이어 반도체전략회의를 갖고 차세
대 반도체에 대한 연구에 박차를 가하라는 지시를 내렸다. 현재 세계 메
모리반도체 시장에서 1위를 달리고 있는 삼성전자가 언제까지 그 지위
를 유지한다고 장담할 수 없는 상황에서 미래를 준비하라는 뜻으로 풀이
된다.
그러나 일반에게는 생소한 P램은 머지 않은 장래에 D램과 플래시메모리
를 대체할 것으로 기대된다. 하지만 여전히 P램과 F램, M램 등 차세대
메모리에 대한 이해는 부족한 것이 사실이다. 이들 차세대 메모리의 동
작원리와 개발동향을 살펴봤다.
P램, 머잖아 D램ㆍ플래시메모리 대체
◇왜 차세대 메모리인가=기존 메모리 제품 중에는 비휘발성이면서 속도
가 빠른 제품이 없었다. D램은 리플래시(재충전)를 해야하는 휘발성 메
모리이며, 플래시메모리는 D램보다 데이터처리 속도가 떨어지는 단점이
있다. 휘발성이라는 점은 전원을 끊거나 일정시간이 지나면 누설전류에
의해 데이터가 손실될 수 있기 때문에 전력소비가 많다는 것을 뜻한다.
반면 플래시 메모리는 데이터를 쓰고 읽는 것이 일정한 순서에 의해 진
행되는 반면 D램은 필요한 곳에 있는 데이터를 무작위적(Random) 뽑아
처리하기 때문에 데이터처리 속도가 빠른 장점이 있다.
이 장점들을 고루 갖춘 메모리를 찾기 위한 것이 각국 연구기관 및 기업
들이 진행하고 있는 차세대 반도체의 연구이며, 현재 일부 선두기업들
은 초기 수준의 시제품 및 상용제품을 내놓고 있다.
◇차세대 메모리에 어떤 것이 있나=차세대 메모리들은 반도체 내부의 기
본 단위인 셀을 구성하는 물질에 따라서 F램(Ferroelectric RAM; 강유전
체 메모리), M램(Magnetic RAM; 강자성 메모리), P램(Phase Change
RAM; 상변화 메모리), Po램(Polymer RAM; 폴리머 메모리), 나노튜브
램, 홀로그래픽 메모리, 모듈러 메모리 등으로 구분된다.
이 가운데 반도체 시장에 가장 빠르게 진입한 것은 F램이지만 현재 가
장 빠른 기술진척도를 보이고 있고, 시장 가능성도 가장 높게 보고 있
는 제품은 P램이다.
P램은 특정물질에 전류를 가해 물질이 저항이 약한 고체형태로 되느냐,
저항이 강한 액체형태로 되느냐에 따라 데이터를 저장하는 방식이며, F
램은 강유전체라는 물질의 성질을 이용해 전극을 가해 반대 성질을 갖도
록 함으로써 메모리 반도체로 이용할 수 있다. 또 M램은 자기장의 성질
을 이용해 N극과 S극의 성질을 강자성 물질을 이용해 데이터를 저장한
다. 이들 제품들은 평균 플래시메모리보다 1000배 빠른 데이터처리속도
를 갖고 있다.
◇차세대 반도체의 동작원리는=P램은 이름에서 알 수 있듯이 물질의 상
태가 변하는 것을 이용해 데이터를 저장하는 방식으로 `결정'' 또는 `비
결정'' 상태에 따라 `0''과 `1''을 표시한다. 이런 성질을 갖는 셀 물질
에는 `게르마늄 안티몬 텔룰라이드''(GST; Ge2Sb2Te5)가 있다.
예를 들어 유리와 같은 물질은 높은 온도에서는 액체상태가 되고 온도
가 낮아지면 딱딱해지게 된다. P램도 전류에 의한 온도차이로 상변화를
유도해 낮은 저항의 결정상태일 때 `0'', 높은 저항의 비결정 상태일
때 `1''로 인식하는 반도체다.
F램은 강유전체가 커패시터 재료로 사용되며, D램과 거의 동일한 구조(1
개의 트랜지스터와 1개의 커패시터)와 동작원리를 갖고 있다. 강유전체
란 자연상태에서 전기편극(電氣偏極)을 갖고 있는 물질로 전기장을 가하
지 않아도 자발적으로 전기편극이 있는 물질을 말한다.
쉽게 말해 한쪽 면은 플러스(+), 다른 쪽 면은 마이너스(-)의 고유성질
을 가진 강유전체 물질에 전극을 가하면, 양극단의 `플러스와 마이너
스''의 전기적 성질과 반대되는 `마이너스와 플러스'' 전극이 형성되
고, 바뀐 성질은 전극을 떼더라도 그대로 유지된다.
강유전체에 전극을 가하지 않았을 때를 `0(강유전체 + - 상태)''으로 전
극을 가했을 때는 `1(강유전체 - + 상태)''로 인식하는 형태로 데이터
를 저장하게 된다. 이런 셀 구성 물질에는 `플럼범 지르코늄 티타늄 산
화물''(PZT; PbZrTiO) 합성물질이 사용되고 있다.
최근에는 재미과학자인 위스콘신대 엄창범 교수팀이 고온에 견디면서 유
독성 물질인 납을 사용하지 않는 `바륨 티타늄산화물''이라는 강유전체
신물질을 개발해 F램 개발에 새 전기를 마련하고 있다.
M램은 터널접합전극의 자화(磁化) 방향으로 데이터를 저장하는 메모리
로, 쉽게 말하면 막대자석과 같이 N극과 S극의 자성을 띤 물질의 방향
에 따라 `0''과 `1''을 인식하는 형태로 이해할 수 있다.
M램은 강자성체 물질로 만드는 데 강자성체는 자기장을 걸면 자기장의
방향으로 강하게 자화되고, 자기장을 제거해도 자화가 남아 있는 물질이
다. N의 자성을 가진 것을 `1'', S의 자성을 가진 것을 `0'' 등으로 표
시해 데이터를 저장한다.
◇왜 데이터가 사라지지 않을까=이들 차세대 반도체의 특징은 비휘발성
이며, 데이터의 처리속도가 빠르다는 것이다. 그 이유는 P램이나 F램, M
램 등의 셀을 구성하는 물질의 특성으로 인해 전극이나 자기장이 없더라
도 그 성질을 그대로 유지하기 때문이다.
P램은 전류를 끊더라도 결정 혹은 비결정 상태로, F램은 강유전체에서
전극을 떼더라도 극성이 바뀐 상태로, M램은 자기장을 제거하더라도 자
성을 그대로 유지하는 형태로 데이터를 보존하는 것이 D램과 같은 휘발
성 메모리와 차이가 있다.
데이터처리 속도의 차이는 데이터를 읽고 쓰는 방식이 차세대 반도체와
기존 D램 및 플래시 메모리와 차이가 있기 때문이다. 또한 데이터를 기
록하는 방법도 D램과 F램, P램 등은 전기에 의해 M램은 자기장에 의해
기록하는 방법의 차이가 있다.
하지만 지난 6월 미 럿거스대 물리학과 정상욱 교수와 부산대 물리학과
안재석 교수 등이 전기와 자기장으로 동시에 읽고 쓸 수 있는 신개념 메
모리 소재를 개발해, 이 분야의 새로운 전기를 마련했다.
정 교수팀은 터븀계 망간산화물에서 자기장을 통해 전기적 극성이 조절
되는 성질을 세계 최초로 발견해, 자기장을 사용해 정보를 기록하고, 전
기적 방법으로 이를 읽어내는 새로운 개념의 반도체 소자를 개발할 수
있게 됐다. M램과 F램이나 P램의 기능을 결합하는 새로운 형태의 차세
대 반도체 개발의 가능성을 열어놓은 셈이다.
◇차세대 메모리 개발 경쟁=현재 차세대 메모리로 일컬어지면서도 상용
화돼 사용되고 있는 메모리는 F램이다. 지난 1995년 미국의 램트론사가
64Kb 제품을 처음 상용화한 이후 램트론으로부터 F램 제조기술을 라이선
스 받아 삼성전자를 비롯, 일본의 후지쯔, 도시바, 롬, 히다찌와 미국
의 TI, 독일의 인피니온 등 제품 개발에 나서고 있다.
램트론은 256Kb 이하의 제품을 전력량계 등에 F램을 공급하며 사실상 세
계 시장을 독점하고 있는 상태로 현재 32Mb 제품까지 개발한 상태다. 삼
성전자도 지난 99년 4Mb F램을 개발한데 이어 지난 2002년 32Mb 제품을
개발해 램트론과의 경쟁 선상에 서 있다.
삼성은 양산기술을 확보해 내년부터 F램 시장에 본격적으로 가세할 것으
로 보인다. 또 하이닉스 반도체도 지난해 8Mb 제품의 F램을 개발한 상태
이며, 상용화 시기 등을 저울질 하고 있는 것으로 알려졌으나, 다른 경
쟁업체들은 아직 상용화 단계의 제품을 내놓지 못하고 있다.
저장 용량 면에서 가장 앞선 부문은 P램으로 삼성전자가 올 6월에 세계
최대 용량의 64Mb P램을 개발했으며, 뒤를 이어 ST마이크로일렉트로닉스
가 같은 달에 8Mb 제품을 선보인 바 있다.
반면 시장 참여자가 가장 많은 분야는 M램으로 꼽힌다. 지난 6월에 인피
니언과 IBM이 공동으로 세계 최대용량의 M램인 16Mb 제품을 발표했고,
모토로라가 지난해 10월 4Mb 제품을 선보였다. 여기에 대만의 파운드리
업체인 TSMC가 대만 3개 대학과 공동으로 내년초 1Mb 샘플 출시를 위해
연구에 박차를 가하고 있다. 일본의 도시바와 NEC 등도 512Kb 제품 개발
에 한창이다. 하지만 국내의 삼성전자나 하이닉스의 경우 M램의 단점인
고집적화의 문제로 이 분야는 강하게 드라이브하지 않고 있다.
이 밖에 산학연을 중심으로 10대 차세대성장동력 사업의 일환으로 차세
대반도체사업단(단장 조중휘 인천대 교수)을 중심으로 Gb급 이상의 P램
과 Po램, Re램 등에 대한 기술 개발이 진행되고 있다. 테라급 메모리소
자와, 빠른 속도를 가진 S램과 비휘발성 메모리를 단일칩으로 구현한 Mc
램, 모바일용 F램과 정보통신용 나노신소자 개발 등도 추진되고 있다.
세계 메모리반도체 시장 1위를 달리고 있는 한국 기업들이 10년 후에도
세계 메모리 시장을 석권하기 위해선 D램과 플래시 메모리 뒤를 이어 수
백억달러에서 수천억달러의 시장을 형성할 차세대 메모리 개발에 더욱
박차를 가해야 할 것으로 보인다.
/출처 : 디지털타임즈 (
http://www.dt.co.kr/ )
