국내 연구진이 화학기상증착법을 이용, 상(狀)변화 메모리 재료의 박막과 나노와이어를 제조할 수 있는 메커니즘을 규명, 차세대 비휘발성 ‘멀티 레벨 메모리’ 개발의 실마리를 풀어 세계를 떠들썩하게 했다.

▲ 충남대 재료공학과의 윤순길

화제의 주인공인 충남대 재료공학과의 윤순길 교수팀은 저온에서 화학기상증착법(CVD)을 이용하여 인듐-안티몬-텔레늄 합금(In-Sb-Te:IST) 소재 박막 및 상변화 메모리소자를 만들 수 있는 기초 기술을 개발, ‘상변화메모리 고집적화를 위한 나노와이어 제조 및 응용 가능성 확대’에 대한 연구 결과’가 세계 최고의 나노분야  과학 저널인 ‘나노레터’지의 지난해 12월 29일자 온라인판에 게재되었다.

차세대 비휘발성 멀티 레벨 메모리 개발 가능성 열어
화학기상증착법은 화학적 반응을 통해 기판 위에 박막층을 입히는 방법으로 넓은 면적의 박막양산이 가능하다. 윤 교수팀은 IST 재료를 사용해 섭씨 약 250도에서 상변화메모리 박막 과 나노와이어를 만드는데 성공했다. 상변화 메모리(Phase Change RAM)란 특정 물질의 형태가 불규칙한 상태인 비정질상과 일정한 모양을 갖는 결정상태일 때의 전기전도도 차이를 이용, 정보를 저장하고 판독하는 메모리 소자다. 구조가 단순하고 생산 단가는 상대적으로 저렴한 반면 D램에 비견될만한 성능을 갖춰 차세대 비휘발성 메모리의 하나로 손꼽힌다. 지금까지 상변화재료에 대한 연구는 대부분 Ge-Sb-Te(GST) 재료를 이용하여 고집적 소자를 만들기 위해 화학기상증착법에 대한 공정기술의 확보가 관건이었다.

▲ 윤순길 교수팀의 안준구 박사과정생

많은 연구기관에서 아직도 100㎚ 급 소자에의 적용을 위한 공정기술을 확보하고 있지 못하는 실정이며, GST 물질의 원천특허 또한 선진국에만 집중되어 있어 연구개발의 어려움을 가지고 있었다. 그러나 윤 교수팀은 대면적 양산을 가능케 하는 MOCVD법을 이용하여 In-Sb-Te(IST) 재료를 이용하여 단순한 공정압력만을 조절함으로써, 박막 증착 및 나노와이어를 제조하는데 성공한 것이다.  기존의 나노와이어들이 높은 온도( >500˚C)에서 촉매반응을 통해 제조되는 반면, 윤 교수팀의 연구는 촉매반응을 일으키는 Au 등과 같은 귀금속 나노도트(Nano dot)들의 필요 없이 저온(~250˚C)에서 13×102Pa의 공정압력 변화를 통해 상변화 재료인 IST 나노와이어를 제조할 수 있었다. 이렇게 제조된 IST나노와이어를 이용하여 상변화 메모리 소자의 특성을 구현해 본 결과, 약 1.6V에서 문턱전압(Threshold Voltage)을 나타내었고 각각 비정질(Amorphos)과 결정질(Crystalline)에서 100배의 차이를 보이는 메모리 특성을 나타내었으며 또한 이를 통해 멀티 레벨의 메모리 구동의 가능성도 확인할 수 있었다. 교육과학기술부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구자지원사업, BK21지원 산학연 네트워크 첨단 지능형 부품소재 인력양상 사업단과 지식경제부의 에너지인력양성사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 윤순길 교수의 주도하에 안준구 박사과정생, 박 경우 석사과정생, 정현준 석사과정생이 참여한 연구로 순수 국내 연구인력만을 통한 성과라는 점에서 그 의의가 높다.

GST 재료개발의 문제점 해결
윤순길 교수팀은 개발된 MOCVD 공정기술법을 이용하여 100nm급 트렌치구조(Trench structure)에 95% 이상의 Step Coverage를 보이며, 증착할 수 있는 공정개술을 개발하였으며 재료의 조성을 간단하게 조절할 수 있는 방법과 증착속도를 높이는 기술을 확보하는데 성공하였다.

▲ 윤 교수팀은 IST 재료를 사용해 섭씨 약 250도에서 상변화메모리 박막 과 나노와이어를 만드는데 성공했다

 이를 통해 제조된 IST 재료의 물성 특성 평가 결과, 제조된 IST 재료는 비정질상으로 메모리셀안에 고르게 증착되어 기존의 낮은 결정화 온도로 인해 화학기상증착법을 통한 고집적 메모리 셀 제조의 어려움을 가졌던 GST 재료개발의 문제점을 해결할 수 있게 되었다. 또한 개발된 IST 재료를 이용한 메모리 소자 특성을 분석해 본 결과 멀티 레벨의 메모리 구동 특성을 나타내어 차세대 비휘발성 멀티 레벨 메모리 응용에의 초석을 마련하였다. 연구를 주도한 윤순길 교수는 “이번 연구는 지금까지 화학기상증착법을 통한 상변화메모리 재료의 고집적 공정기술개발에 어려움을 갖고 있던 현실에서 저온 MOCVD 방법을 이용하여 단순공정압력조절을 통한 박막 및 나노와이어를 제조할 수 있는 획기적인 원천공정기술을 순수 국내 연구 인력만을 통하여 개발하였다는 점에서 뜻 깊은 일”이라고 연구 의의를 밝혔다. 윤 교수팀은 이번 연구 성과를 국내 특허로 출원하였다. NM