KAIST 윤준보 교수팀, 방사선에 원천적 강인한 특성 가진 비휘발성 메모리 소자

높은 에너지 효율성 필요한 다양한 미래 응용분야 핵심기술 활용

왼쪽부터 KAIST 윤준보 교수, KAIST 이용복 박사과정, 나노종합기술원 강민호 박사

지상에서 잘 동작하던 반도체 메모리가 우주나 비행기 안에서 갑자기 오동작을 일으키는 일이 있는데, 이는 고고도에 존재하는 방사선 때문이다. 이 뿐만 아니라, 최근 자율 주행 운송 수단과 같이 사람의 안전이 중요한 장치에 사용되는 반도체 메모리도 대기 방사선에 의해 오동작할 확률이 있다는 연구 결과들이 보고되면서 방사선에 대해 높은 안정성을 갖는 메모리 소자의 중요성이 점차 증가하고 있다.

KAIST(총장 이광형)는 전기및전자공학부 윤준보 교수 연구팀이 나노종합기술원(원장 이조원) 강민호 박사와의 협업을 통해 우주 부품 수준의 내방사선 특성을 가지면서도 일반적인 비휘발성 플래시 메모리보다 30,000배 이상 프로그래밍 에너지가 낮은 나노 전자 기계식 비휘발성 메모리 소자를 세계 최초로 개발했다고 28일 밝혔다.

KAIST 전기및전자공학부 이용복 박사과정이 제1 저자로 수행한 이번 연구는 저명 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)' 2023년 1월호에 출판됐다. (논문명: Sub-10 fJ/bit radiation-hard nanoelectromechanical non-volatile memory). (Impact Factor : 17.690). (https://www.nature.com/articles/s41467-023-36076-0)

반도체 메모리 소자들은 동작 원리상 근본적으로 방사선에 취약해, 이를 보완하기 위해서는 복잡한 회로나 추가적인 데이터 프로세싱을 수반하는데 그 과정에서 많은 에너지가 소모된다. 즉, 일반적인 반도체 메모리 소자들은 내방사선과 낮은 동작 에너지를 동시에 만족하는 것이 매우 어렵다는 것을 의미한다.

그림 1. 제안하는 나노 전자 기계식 비휘발성 메모리 구조와 동작 메커니즘. (a) 파이프-클립 스프링 구조와 구부러진 외팔보 구조로 구성된 상부 전극이 도입된 나노 전자 기계식 비휘발성 메모리 모습. (b) 프로그램 동작 모습. 상·하부 전극 사이에 전압을 인가하면 정전기력에 의해 상부 전극의 구부러진 외팔보 구조가 기계적으로 움직여 하부 전극과 접촉한다. 이때 구부러진 외팔보 구조가 원래 상태로 돌아가려는 복원력보다 두 접촉면 사이의 점착력이 더 크면 인가한 전압을 제거하여도 점착된 상태가 유지된다. 본 연구진은 정교한 기계 구조 설계를 통해 의도적으로 점착 현상을 발생시켜 비휘발성을 달성하였다. (c) 원래 상태로 돌아가는 동작 모습. 상부 전극의 파이프-클립 스프링 구조 양단에 전류를 인가하면 줄(Joule)열에 의한 열팽창이 발생한다. 이때 발생하는 열팽창 힘이 두 접촉면 사이의 점착력보다 더 크면 하부 전극과 점착된 구부러진 외팔보 구조가 원래 상태로 돌아간다.

KAIST 윤준보 교수 연구팀은 방사선에 원천적으로 강인한 특성을 가진 나노 전자 기계 기술(Nano Electro Mechanical System, NEMS)을 활용해 고에너지 방사선에도 강인할 뿐만 아니라 매우 낮은 프로그래밍 에너지를 가지고, 전원이 공급되지 않아도 저장된 정보를 유지할 수 있는 비휘발성 메모리 소자를 세계 최초로 개발했다.

연구팀은 반도체 메모리를 사용하는 대신, 나노 크기의 매우 작은 기계 구조에 전기 신호를 가함으로써 나노 기계 구조체가 실제로 움직여서 하부 전극에 붙고 떨어지는 방식을 사용하였다. 또한, 매우 낮은 프로그래밍 에너지를 달성하기 위해 파이프-클립 스프링 구조와 구부러진 외팔보 구조로 구성된 상부 전극을 도입했으며, 특히 파이프-클립 모양의 나노 기계 구조에 전류를 가해 열을 내는 구동 방식을 통해 프로그램된 구조체가 초기 상태로 복구할 수 있도록 하여 반복적인 프로그램 동작에도 낮은 프로그래밍 에너지를 유지할 수 있도록 하였다.

연구진은 나노종합기술원의 반도체 장비·시설 인프라를 활용해 8인치 웨이퍼 수준의 대면적 기판에 신뢰적으로 소자를 제작했고, 제작한 나노 전자 기계식 비휘발성 메모리의 프로그래밍 에너지는 차세대 메모리들과 비교했을 때도 매우 낮은 수준이었다. 또한, 기계적인 움직임을 기반으로 하는 동작 방식 덕분에 고에너지 방사선 조사 후에도 누설 전류 증가, 동작 전압 변화, 비트 오작동 등의 성능 저하 없이 우수한 내방사선 특성을 보였다.

연구개발에 주도적으로 참여한 이용복 박사과정은 “이번 연구 결과는 연구팀이 보유한 나노 전자 기계 설계 기술과 나노종합기술원의 첨단 공정 기술이 만나 내방사선 특성과 낮은 동작 에너지 소모를 동시에 만족하는 비휘발성 메모리를 세계 최초로 구현했다는 점에서 중요한 의미를 가지고, 해당 기술은 우주 환경에서의 인공지능, 초안정성 자율주행 시스템 등 내방사선과 높은 에너지 효율성이 필요한 다양한 미래 응용 분야에서 핵심 기술이 될 것” 이라고 말했다. 또한, “세계 차세대 반도체 시장에서 우리나라가 메모리 원천 기술을 선도할 수 있도록 기여하고 싶다”며 앞으로의 계획을 밝혔다. 이 기술 관련 미국, 중국, 대만, 한국 등에 6건의 특허가 출원돼 있다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 차세대지능형반도체기술개발사업과 삼성전자의 지원을 받아 수행됐다.

그림 2. 나노 종합 기술원의 반도체 장비․시설 인프라를 활용해 제작한 나노 전자 기계식 비휘발성 메모리 사진. (a) 상부의 파이프-클립 스프링 구조 부분의 단면 투과전자현미경 사진. (b) 상부의 구부러진 외팔보 구조 부분의 단면 투과전자현미경 사진. (c) 소자 완성 후 위에서 바라본 나노 전자 기계식 비휘발성 메모리 주사전자현미경 사진.