울산대, 차세대 메모리 소비 전력 감소시킬 기술 찾아

물질 대칭성 파괴하는 방식 활용…메모리 에너지 효율 향상 기대

울산대 반도체학과 김상훈 교수팀, 특허 출원 및 논문 게재

울산대 반도체학과 김상훈 교수가 헬륨 이온들이 웨이퍼에 주입되는 경로를 나타내는 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다. 사진제공=울산대학교

울산대학교 반도체학과의 김상훈(42) 교수 연구팀은 물질의 대칭성을 깨뜨려 비휘발성 메모리의 소비 전력을 획기적으로 감소시킬 기술을 잇따라 개발했다고 8일 밝혔다.

차세대 반도체로 주목받고 있는 비휘발성램(NVRAM. Non-Volatile Random Access Memory)은 전원이 꺼져도 내용이 저장되는 특성을 가진다. 비휘발성램 중 자기저항 메모리(MRAM. Magnetoresistive Random Access Memory)는 삼성전자와 TSMC가 내장형으로 상용화에 성공한 메모리로, 나노미터 크기 자석의 N극과 S극 방향에 따라 저항 차이가 나는 현상을 이용해 정보를 저장한다.

MRAM의 에너지 효율을 높이기 위해서는 스핀 전류를 발생시키는 물질을 접합해 순도 100% 스핀을 자석에 흘려주어야 하며, 이 과정에서 메모리 전자의 자전 운동 격인 스핀과 공전 운동 격인 오비탈을 동시에 활용한다. 이러한 기술을 활용한 메모리가 스핀-오빗 토크(spin-orbit torque) MRAM으로, 현재 상용화된 MRAM의 다음 세대 기술로 전 세계적 연구가 집중되고 있다.

해당 기술 관건은 외부 자기장의 필요성 없이 스핀 전류를 얼마나 많이 발생시키는가에 있다. 다만, 외부 자기장 없이 전류만으로 나노 자석의 극을 반전시키기 위해서는 면 방향 대칭성이 깨져야 한다고 알려졌으나, MRAM 공정에서 활용할 수 있는 기술은 없는 상황이었다.

이에 김상훈 교수 연구팀은 물질의 대칭성을 파괴해 위 두 가지 조건을 만족하는 기술을 개발했다. 김 교수는 지도학생인 석사과정 김지수 학생과 KAIST 이택현 박사를 중심으로, KAIST 이수길 박사 그리고 김갑진 교수팀과 공동 연구에서 반도체 도핑 기술에 주로 사용되는 이온 주입 기술을 이용해 자석 물질 중 하나인 가돌리늄 코발트 합금(GdCo)의 면 방향 대칭성을 깨뜨려 전력 효율을 높일 수 있음을 증명했다.



개발한 기술은 현재 반도체 공정에서 활용 중이므로 기초과학을 실제 반도체 메모리 생산에 바로 응용할 수 있다는 장점이 있어 지난해 초 특허를 출원했다.

이와 함께 김 교수는 울산대 홍순철, 임성현 교수팀, 일본 교토대 테루오 오노 교수팀과 공동 연구를 통해 스핀-오빗 토크 MRAM에서 가장 중요한 스핀 전류가 300% 이상 향상된 것을 관측해 개발한 기술을 이론적으로 보였다.

두 연구 결과를 통해 현재 단가가 비싼 MRAM이 소비 전력 감소 및 메모리 배터리 효율 향상으로 차세대 메모리 시장에서 경쟁력 가질 것을 기대하고 있다. 연구 결과는 재료공학 분야 전 세계적 저널인 악타 머티리얼리아(Acta Materialia)와 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 각각 게재됐다.

2면방향 비대칭 구조 개략도와 시뮬레이션 결과. 그림=울산대학교