FRAM

Team Project(11조)

:조원 (김수형, 김운하, 장혜원, 이호범, 남준우, 이원균, 최봉기)

1. 서론

FRAM이란 Ferroelectric Ram의 약자로 정보를 기억하는 소자인 「커패시티」에 강유전 물질을 사용한 강유전체 메모리 반도체입니다. 대용량 저장이 가능한 D램, 고속 정보처리가 가능한 S램, 전원이 꺼져도 정보가 사라지지 않는 플래시메모리 등 현존하는 각종 메모리 반도체의 장점을 고루 갖춘 새로운 개념의 메모리 반도체로서 꿈의 반도체라 불리며 무한한 성장 가능성을 가지고 있습니다. 전원의 계속적인 공급이 없어도 저장된 기억이 지워지지 않는 불휘발성 특성과 더불어, 빠른 동작 속도, 저 전압 동작 및 방사선에 강한 면이 큰 장점입니다. 기존의 EPROM(erasable-programmable read-only memory), EEPROM (electrically erasable PROM), 그리고 플래쉬(flash) 메모리 등의 불휘발성 소자는 느린 동작 속도와 데이터 읽기/쓰기 반복 횟수 10만회 정도의 짧은 수명, 그리고 12V의 높은 작동 전압 등의 단점을 가져 컴퓨터 주메모리나 휴대용 정보 통신 기기 등에 사용하기가 어렵습니다. 하지만 FRAM은 DRAM(dynamic RAM)과 같은 빠른 동작 속도, 3V 또는 5V의 낮은 동작 전압, 데이터 읽기/쓰기 반복 횟수 1조회 이상 가능한 뛰어난 동작 특성을 갖습니다. 최근 들어 특히 일본과 미국 기업은 물론이고 국내 기업에서도 강유전체를 이용한 불휘발성 기억소자(Ferroelectric random access memory:FRAM)를 개발하고자 많은 노력을 기울이고 있습니다. 이미 국내외 기업에서 FRAM소자를 양산할 계획에 있거나 이미 양산하고 있습니다. 따라서 향후 불휘발성 기억소자, 휴대장치, 및 정보 통신 기기에서 중추적 역할을 담당할 FRAM 소자 개발을 위한 재료 분야 및 소자 구조 분야에서 선점적 연구를 수행하는 것은 국내 반도체 산업의 기술력을 확보하고 선진국과 경쟁력을 갖기 위해서 매우 시급하며 중요한 일입니다. 기존의 반도체 기억소자의 고집적화 및 대용량화에는 한계가 있기 때문에 고유전율 및 불휘발성을 가지는 강유전체 연구가 반도체 산업에서 활발히 진행되고 있습니다. FRAM은 고성능·저전력 소모를 요구하는 이동통신 단말기, 스마트 카드에서부터 컴퓨터 주변기기, 가전제품, ID-card, 게임기 등에까지 여러 가지 용도로 이용가능할 수 있습니다. 또, 차세대 휴대 정보통신기기의 메모리로서도 급속하게 부상하고 있습니다.

<삼성전자(SEC)에서 만든 4MB 1T1C FRAM>

2. 본론

1. FRAM 이란

FRAM 이란 Ferroelectric Random Access Memory의 약자로서, 기존의 DRAM과 거의 똑같은 구조와 동작원리를 가진 기억소자입니다. DRAM과 다른 점은 강유전체(Ferroelectrics)라는 재료를 캐퍼시터 재료로 사용하여 전원이 없이도 Data를 유지할 수 있는 비휘발성 메   모리라는 점입니다.  현재는 비접촉 IC 카드, MP3 플레이어용 메   모리 등의 분야에 응용되고 있습니다. 그러나 본질적으로 DRAM   수준의 고속성을 가지면서도 Hard disk와 같은 비휘발성을 겸비   하고 있어, 향후 모든 기억소자에 응용될 수 있는 "꿈의 기억소자   "라고 할 수 있습니다.

FRAM을 세계 최초로 제품화한 곳은 미국의 Ramtron이라는 회   사입니다. FRAM이라는 단어 자체가 이 회사의 고유 상표입          <FRAM MODULE>       니다. 따라서 어떤 이는 FeRAM이라고 지칭하는  경우도 많이 있습니다. 현재 FRAM의 집적도는 256kb 수준으로 아직 DRAM의 집적도와는 큰 차이가 있으나, DRAM과 거의 같은 구조와 제조공정으로 만들어지므로 집적도가 향상되는데는 그다지 긴 시간이 걸리지 않을 것으로 예상됩니다. 이와 같은 배경 하에 현재 일본의 대부분의 DRAM Maker들이 FRAM개발을 하고 있으며, 그중 대부분이 Ramtron과 기술제휴를 맺고 있습니다.

그럼 [강유전체] 란 무엇인가?

Perovskite 결정구조

강유전체(ferroelectrics)는 1920년 로쉘 염이라는 물질에서 처음 그 성질이 발견되어 알려지게 된 물질로서, 1935년에서 1938년 사이에 KDP 계열의 단결정들이 성장되면서 많은 연구가 시작되었습니다. 이들 물질들의 특징적인 물성은 자발분극(spontaneous polarization)을 가지고 있을 뿐만 아니라 이 자발분극이 전기장에 의해 역전(polarization reversal)되는 현상을 보이는 것입니다. 유전체 중에서 자발분극을 가지는 물질은 많지만 전기장으로 분극의 방향을 바꿀 수 없으면 이는 강유전체라고 할 수 없습니다. 강유전체는 특정한 온도에서 상전이 현상을 보이는데, 상전이 온도 아래에서는 전기 쌍극자끼리의 상호작용을 통해 자발 분극이 특정한 방향으로 배열하고 있다가, 그 온도 이상에서는 열적 요동에 의해 자발 분극을 잃게 되는 현상을 보입니다. 일반적으로 이 온도를 큐리 온도 (Curie temperature)라고 합니다. 큐리 온도 아래에서는 자발 분극이 일정한 방향으로 배열을 하게 되지만, 소위 구역(domain)이라는 것이 함께 형성되게 됩니다. 구역 구조는 전기 쌍극자의 배열로 인해 depolarization field가 형성되기 때문에 나타나는 것으로서, 형태에 따라 90도 구역과 180도 구역으로 구분됩니다.

강유전체가 가지는 물성은 자발분극의 역전현상에 의해 (아래에서 보일 것입니다.) D-E 이력곡선을 나타내는 특징과 함께 압전성(piezoelectric)과 초전성(pyroelectric)을 보입니다.

밑에서 보일 자발분극 이외에 압전성과 초전성을 설명하자면 다음과 같습니다.

압전성: 압전성은 물질의 전기적 성질과 기계적 성질의 결합에 의해 나타나는 현상입니다.물질에 압력을 가해서 변형을 일으키면 전기장이 형성되어 전극을 통해 전압이 발생합니다. 거꾸로 압전성 물질에 전기장을 가하면 물질의 변형이 유발되기도 합니다. 일반적으로 이러한 성질을 이용하여 라이터의 점화장치나 전자시계의 진동자, 또는 가습기의 분무장치에 이용됩니다. 센서로는 압력센서로 응용될 수 있습니다.

초전성: 초전성은 자발분극의 크기가 온도에 따라 변화하는 성질 때문에 발생합니다. 물질에 온도의 변화를 주면, 자발분극의 크기가 변하기 때문에 공간전하의 변화가 생겨 전극 사이에 전류가 흐르게 되는 성질을 말합니다. 이런 전류를 초전류(pyroelectric current)라고 합니다. 이러한 성질을 이용하면 적외선 감지 소자를 개발할 수 있습니다. 즉, 적외선을 단속적으로 쬐어 물질의 온도를 주기적으로 변화시키면, 이 주기에 해당하는 초전류가 발생함으로써 전기적 신호를 만듭니다. 주로 군사적 목적에서 이러한 용도의 연구가 많이 진행되는데, 개인 휴대용 야시경의 개발을 목적으로 합니다. 앞으로 위성을 이용한 위치추적 장치인 GPS와 함께 자동차의 야간 시야 확보를 위한 장치로도 개발될 수 있습니다.

이 밖에도 강유전체는 광학적 특성이 우수한데, 굴절률이 높고 비선형 광학상수 또한 큰 값을 가집니다. 이러한 특성을 이용하여, 광도파로에 응용할 수 있으며, 레이저의 진동수를 2배로 바꿀 수 있기도 합니다. (second harmonic generation:SHG)

1. PZT

P-E(V)특성 그래프

강유전체의 정의는 "자발분극을 가지고 있으며, 외부 전계에 의하여 분극반전을 일으킬 수 있는 물질" 입니다. PZT는 [eqn: Pb(Zr,Ti)O_3]라는 식으로 나타내는데 [eqn: ABO_3]의 페롭스카이트(Perovskite) 결정구조에서 Pb 금속이온이 A-site를 차지하고, Zr과 Ti가 적당한 비율로 B-site를 나누어서 차지합니다. 왼쪽 그림에 PZT의 결정구조를 나타내었고  오른쪽에 전계에 따른 분극의 변화 그래프 (Hysteresis curve)를 나타내었습니다.

가운데의 붉은 색 이온 (Ti 또는 Zr)이 결정의 중심에 위치하지 않고 "위(+Pr)" 혹은 "아래(-Pr)"쪽에 위치하여 분극(Polarization)을 가지고 있습니다. 그래서 이와 같은 분극을 자발 분극(Spontaneous Polarization) 이라고 합니다. 이 분극은 그림과 같이 외부에서 전계를 인가하면 그 위치가 전계의 방향에 따라 반전하게 됩니다. 또한 전계를 제거하여도 분극이 남아 있어 비휘발 특성을 지니게됩니다. FRAM ("FRAM"은 미국의 램트론이란 회사의 고유상표이기 때문에 FeRAM으로 부르기도 합니다.)은 바로 이 강유전체의 자발분극과 분극반전을 이용하여, +Pr 과 -Pr을 각각 "0" 과 "1" 에 대응시켜 불휘발성 기억소자를 실현합니다.

현재 국내의 삼성전자에서는 세계 최초로 4M FRAM을 개발하여 시장 개척에 적극 나서고 있습니다. FRAM에 사용되는 주요 재료로서 PZT 막은 대부분 "Sol-Gel"이라는 간단한 제조공정을 사용하여 입히고 있습니다. 그러나 아직 DRAM 수준의 집적도와 양산성을 이루지는 못하고 있는 실정입니다.

2. SBT

강유전성(ferroelectricity)은 1921년 Valasek에 의해서 Rochelle salt가 처음 발견된 이래 [eqn: BaTiO_3], [eqn: LiNbO_3], [eqn: PbTiO_3],[eqn: (Ba,Sr)TiO_3](BST)등 많은 강유전체가 발견되었습니다. 이들 강유전체는 반도체 소자에 응용되어 고집적화, 고속화, 저소비전력화는 물론 비휘발성까지 겸비한 혁신적인 소자의 개발을 가능하게 했습니다. 1980년대 후반부터는 강유전체를 박막화하여 DRAM(Dynamic Random Access Memory) capacitor 유전체 및 비휘발성 메모리 소자인 FRAM(Ferroelectric Random Access Memory) 소자의 개발에 응용하려는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 현재 메모리 소자에 관한 연구는 주로 DRAM과 FRAM에 집중적으로 이루어지고 있는데 이들에서의 고집적화와 고신뢰성을 확보하려는 연구가 주된 내용이라고 할 수 있습니다.

현재 256kb급을 선보이는 FRAM의 경우에는 현재까지도 PZT등의 less base 산화물이 주된 연구 재료이며 이들 박막은 높은 Curie 온도와 큰 잔류분극 등의 장점으로 인해 가장 널리 연구되어 왔습니다. 그러나 금속전극위에 형성된 PZT는 고밀도 비휘발성 메모리소자를 실현하는데 있어서 장애요소인 Fatigue, Retention, Imprint, Depolarization등의 문제를 가지고 있습니다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해서 최근에 Bi-perovskite 구조를 갖는 강유전체 재료에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있습니다.

FRAM 소자에의 적용을 위해 Bi-perovskite 구조를 갖는 [eqn: SrBi_2 Ta_2 O_9 (SBT)]박막이 제조되고 이들의 특성이 고찰되었습니다. SBT박막은 약 [eqn: 10^12]cycle까지 Fatigue문제가 발생되지 않고, 낮은 항전계(Coercive field), 낮은 누설전류, 양호한 Retention 특성을 갖고 있는 것으로 보고되고 있습니다. 현재 이 재료에 관한 연구는 대부분 sol-gel이나 pulsed laser ablation 방법 등이 주를 이루고 있습니다. 이러한 방법들 중에서 특히 넓은 면적의 증착과 층덮힘, 그리고 치밀한 구조를 갖는 박막의 제조가 가능한 MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition)에 대한 연구에 많은 관심이 집중되고 있습니다.

3. BLT

또한 근래에 Bi-perovskite 구조를 갖는 Bi4-xLaxTi3O12(BLT) 박막이 발표되었습니다. BLT는 기존의 강유전체가 지니고 있던 단점을 극복한 새로운 개념의 강유전체입니다. 기존 소재는 정보를 읽고 지우는 과정을 일정 횟수 이상 반복할 때 저장된 정보를 잃는 등 성능이 저하되는 이른바 「피로(Fatigue)현상」을 보였으나, BLT는 이런 단점을 극복했습니다. BLT는 약 1011cycle까지 fatigue문제가 발생하지 않고, 낮은 항전계(coercive field), 낮은 누설전류, 양호한 retention 특성을 갖고 있는 것으로 보고되고 있습니다. 또한 지금까지 SBT 박막은 750℃라는 고온공정이 필요로 하였으나 BLT박막은 100℃정도 증착공정 온도를 낮추었습니다.  또 650℃의 비교적 낮은 온도에서 제작이 가능해 저비용으로도 대량생산체제 구축이 용이해진다고 연구진은 밝혔다.

2. FRAM의 종류

FRAM은 그 동작원리에 따라 크게 반전분극 전류형과 FET형 두가지로 나눌 수가 있습니다.  반전분극 전류형

각각의 강유전체 특성 비교

	PZT	SBT	BLT
[eqn: P_sw - P_ns (μC/cm^2 )]	20～70	4～16	16～20
Fatigue resistance	poor	good	good
Leakage current at 5V [eqn: (A/cm^2 )]	[eqn: 10^-7]	[eqn: 10^-9]	[eqn: 10^-7]
Process temperature(℃)	500～600	750～850	650～700

은 현재 상품화되어 있는 반면 FET형은 이론적, 실험적으로는 그 동작원리가 확인되어 있으나 제조상의 기술적 애로사항 때문에 아직 제품화는 되지 못했습니다. 그러나, 소자의 구조가 간단하고, 내구성 면에서 뛰어난 점을 지니고 있어 궁극적으로는 모든 FRAM은 FET형으로 통합될 것이라는 의견이 지배적입니다.

(1). 반전분극 전류형(Capacitor형)

반전분극  전류형이란 그림 1 과 같이 기존의 DRAM과 거의 똑같은 소자구조를 가지면서 캐퍼시터 재료를 상유전체에서 강유전체로 대체한 것입니다.

그림3에는 캐퍼시터형 FRAM의 동작원리를 나타낸 것입니다. "0" ,"1" 의 정보를 기록하기 위하여 각각 +. - 의 pulse를 캐퍼시터에 인가하면, 캐퍼시터는 각각 +Pr(0) 과 -Pr(1)의

반전분극 전류형 FRAM의 회로(그림1)

반전분극 전류형 FRAM의 소자구조(그림2)

상태를 갖게 됩니다. 정보를 읽을 때는 항상 +Pulse를 인가합니다. 만약에 캐퍼시터가 "0"의  정보를 갖고 있었다면, 그림과 같이 pulse가 가해졌을 경우 발생하는 분극량의 차이는 작습니다. 반면에 "1"의 정보를 갖고 있었다면, 분극반전이 생겨,  그때 발생하는 분극량의 차이는 매우 큼니다. 따라서 이와같은 분극량의 차이를 Sense amplifier가 검출하여 정보가  "0" 이었는지 혹은 "1"었는지를 구분해냅니다. 여기서 주의해야 할것은 정보가 "1"인 경우 정보를 읽은 후에 원래의 정보가 "0"으로바뀌게 됩니다. 즉 원래의 정보가 파괴됩니다(Destructive Read). 따라서 정보가 "1"인 경우에는 정보를 읽은 후  곧바로 반대 pulse를 인가하여, 원래의 정보를 재기입 하여야 합니다.

반전분극 전류형 FRAM 의 동작원리(그림3)

(2). FET 형

FET형 FRAM은 기존의 MOS FET에서 Gate oxide를 SiO2 대신에 Ferroelectric 으로 대체한 것입니다. 그림 4 와 같이 Ferroelectric gate oxide 의 분극 방향에 따라서 Source, Drain 간에 conductance의 차이가 생겨서 이 차이로부터 정보가 "0" 혹은 "1" 이었는지를 판단해 내는 것입니다. 이와 같은 FET형은 캐퍼시터형과는 달리 정보를 읽어낼 때 정보가 파괴되지 않는 ‘Non-destructive’ 즉, 분극반전이 일어나지 않습니다. 이 때문에, 후에 기술할 분극반전의 반복에 따른 강유전체막의 피로현상을 염려하지 않아도 되어 고내구성의 소자를 실현시킬 수 있으며, 별도의 캐퍼시터를 필요로 하지 않기 때문에 소자의 집적도를 높이는데 유리합니다. 그러나 현재 실용화 되어 있는 강유전체는  PZT, SBT 로서 산화물이기 때문에, 그림 4 와 같이 Si Wafer 위에 직접 박막을 형성할때 Si 표면이 산화되어 산화막이 형성되거나, PZT의 경우에는 Pb 가 Si 내부에 확산되어 소자의 특성에 악영향을 미치게 됩니다. 따라서 그림 4 와 같은 구조는 현재 실용화되지는 못하였고, 그림 5 과 같이 Flash Memory에 응용되고 있는 Floating gate구조를 이용한 MFMIS(Metal Ferroelectric Metal Insulator Silicon) 구조가 제안되어 현재로서는 가장 실용화에 근접한 구조라고 할 수 있습니다.

FET형 FRAM의 구조(MFS type) (그림 4)

FET형 FRAM의 구조(MFMIS type) (그림 5)

3. FRAM의 장점

(1)불휘발성 메모리의 위치

현재의 불휘발성 메모리는 RAM에 비해 데이터 쓰기 속도가 느리고 쓰기 횟수에 제한이 있으나 데이타의 보존능력이 뛰어난 특징을 살린 용도에 사용되고 있습니다. 그림 1 에 컴퓨터의 메모리 구조와 그중에서 불휘발성 메모리로 치환 가능한 부분을 나타내었습니다.

CPU에서 직접 구동하는 캐쉬메모리나 메인메모리는 고속의 Write가 필요하기 때문에 SRAM 혹은 DRAM이 사용되고 있는 반면,  OS나 프로그램을 격납하는 메모리는 데이터 쓰기는 빈번하지 않으나 데이터보존이 중요해서 불휘발성 메모리는 이 분야에의 응용이 최

적이라 할 수 있습니다. 한편 데이터용의 메모리는 빈번한 되쓰기를 필요로 하고 또한 대량의 메모리를 필요로 하기 때문에 대규모 시스템에서는 하드디스크가 쓰이고 있습니다. 그러나 디스크에서는 대량의 데이터를 고속으로 취급하려고 하면 CPU의 대기시간이 길어져서 처리시간의 반 이상이 I/O의 대기시간이 되는 예가 나오고 있습니다(그림 2 참조).

컴퓨터의 사용 메모리 계층구조 분류 및 강유전체 메모리로 대체 가능한 메모리(그림1)

데이타 처리가 차지하는 각부의 시간비율 (그림2)

이 때문에 저소비전력의 DRAM으로 구성된 실리콘 디스크도 시판되고 있으나 무정전(無停電)전원 등을 필요로 해서 데이터 보존능력은 충분치 못합니다. 또한, 기계적인 가동부분이 있는 하드디스크는 고장에 대비해서 항상 백업을 해둘 필요가 있고 중량도 무겁기 때문에, 소형 기기에는 사용이 어렵다는 결점이 있습니다. 이와 같은 배경으로부터 기계적인 가동부분이 없고 데이터보존에 전원의 백업도 필요 없는, 더욱이 고속으로 데이터의 되쓰기가 가능한 메모리에 대한 요구가 커지고 있습니다.

(2) FRAM의 장점

종래의 반도체 불휘발성 메모리는 ROM 이었으나 강유전체 메모리는 RAM이라는데 커다란 차이가 있습니다. 지금까지 발표된 EEPROM 에서는 고쳐쓰기 회수가 [eqn: 10^6]정도로 워크스테이션등 고기능제품용의 요구성능을 만족시키지 못합니다. 또 2개의 트랜지스터 구성이고 고내압 회로의 내장도 필요하기 때문에 가격이 높아져, 저가격제품 용도에는 코스트면에서 채용이 어렵습니다. 반면에 FRAM은 고쳐쓰기 횟수 [eqn: 10^10]까지가 이미 상품화되었고 전극재료나 강유전체 재료에 따라서는 [eqn: 10^12]이상을 넘어도 피로현상이 나타나지 않는다는 보고도 있어, 실질적으로는 고쳐쓰기 회수의 제한은 없는 상태에 가까워지고 있습니다. 또한, 고쳐쓰기 스피드에 있어서도 소거cycle이 필요 없기 때문에 60 nsec FRAM이 개발되어  SRAM이나 DRAM의 수준에 달하고 있어 다른 불휘발성 메모리의 수msec-수sec 와 큰 차이가 납니다. 더욱이 타의 불휘발성 메모리는 전자의 주입이나 방출에 의해 메모리을 작동시키는데 반해 강유전체 메모리에서는 원자의 미세한 위치 변화를 이용하는것 뿐이기 때문에 스피드뿐만 아니라 전력소비에 있어서도 커다란 차이가 있습니다.(표 1)

FRAM은 이상 열거한 바와 같이 여러 가지 메모리의 장점만을 모아놓은 이상적인 메모리라 할 수 있습니다.

FRAM과 다른 메모리와의 비교(표1)

	FFRAM	FRAM	SRAM	DRAM	FLASH
Read cycle	~50	~60	~50	~60	~100
Write cycle	~100	~100	~50	~60	1~10
Programming voltage	<5V	<5V	<5V	<5V	12V
Data retention(0 power)	>10year	>10year	0	0	>10year
Endurance	>[eqn: 10^12]	[eqn: 10^10]	>[eqn: 10^15]	>[eqn: 10^15]	[eqn: 10^6]
Cell area	0.8~1	7	3~4	1	0.8

4. FRAM을 만드는데 있어서의 장애요소와 개선 방향

(1). Fatigue(피로) 현상

강유전체 Capacitor의 분극반전을 반복하면, 즉 FRAM에서 Data의 읽기/쓰기를 반복하다 보면 그림 1 과 같이 P-E curve의 모양이 변형되고, +Pr, -Pr 값이 점점 작아져 최후에는 그 값이 0이 되는(강유전성 소멸)그래서 불휘발성 메모리로서의 역할을 하지 못하게 되는 현상이 발생합니다. 이와 같은 현상을 Fatigue(피로)현상이라 합니다.

Fatigue 현상의 원인은 아직 완전히 규명은 되지 않은 상태이고 두가지 Model이 제안되고 있습니다. 첫 번째는 강유전체 박막과 전극과의 계면현상으로 강유전체 박막에 존재하는 산소 vacancy가 전극과의 계면에 이동하여 전하를 보상하기 때문이라는 설입니다. 두 번째는 강유전체 박막이 단결정이 아닌 다결정으로 구성되어 있기 때문에, 서로 다른 방향을 갖는 분극들이 반전이 일어날 때 동반되는 Strain의 방향이 달라서 박막 내부에 기계적 Stress가 누적되어 분극반전을 방해하게 된다는 설입니다.  후자의 Model로 설명하는 것이 보다 타당하다고 보고 있습니다만, 아직은 어느 Model도 확실하게 입증은 되지 못한 상태인 것 같습니다.

상기와 같은 Fatigue 현상을 개선하고자 여러 가지 방법이 시도되고 있습니다. 대표적인 것이 1)새로운 하부전극 재료 개발 2)새로운 강유전체 재료 개발입니다. 그림 2, 3 에는 Ir 및 LSCO와 같은 산화물 하부전극을 사용하였을 경우의 분극 반전 횟수에 따른 강유전체 박막(PZT, PNZT)의 Pr값 변화를 나타낸 것입니다. 특수한 전극재료를 사용하면 Fatigue 특성이 개선되는 것을 알 수 있습니다.

인가 전계 cycle 변화에 따른 P-E Curve 변화(그림1)

하부 전극 재료의 종류에 따른 분극반전 Cycle에 의한 잔류분극량의 변화(그림2)

LSCO 전극을 사용한 강유전체 박막의 분극반전Cycle에 따른 잔류 분극량 변화(그림3)

(2). Imprint 현상

PZT 박막의 Imprint 현상(그림1)

Imprint 현상이란 원래 생물학에서 쓰이는 용어로서, 반복적인 교육으로 인하여 몸에 벤 습관을 뜻합니다. 이와 유사한 현상이 FRAM의 강유전체 캐퍼시터에서도 나타납니다. 즉 강유전체 캐퍼시터에 두 종류(0, 1) Data를 골고루 써주지 않고 예를 들어 "0" (+Pr상태) 만을 반복하여 써주게 되면 그림 1와 같이 P-E curve의 모양이 변형될 뿐만 아니라 Y축을 기준으로 했을 때 P-E curve가 오른쪽으로 심하게 치우지게 됩니다. 이와 같은 현상은 FRAM의 실용화 측면에서 Fatigue 못지 않게 매우 중요한 문제입니다. 왜냐하면 실제 FRAM을 기억소자로서 사용할 경우, 그 기억소자에 두가지 Data를 항상 골고루 써주지는 못하기 때문입니다. 이와 같은 Imprint 현상이 나타나게 되면, 그림 2의 윗그림과 같이 Data를 읽어낼 경우에 분극 반전의 경우(+Qp)와 비반전의 경우(-Qu)의 분극량이 같아져서, Data "0" 과 "1"을 구별할 수 없게 됩니다.이와같은 문제의 해결책으로서는 현재 Fatigue해결책과 유사한 적정 전극물질의 채용이 제안되고 있습니다. 그림 2 의 아래그림이나 그림 3 에서 보이듯이 Ir/IrO2 를 전극으로 사용하거나, Pt에 Ir이 약간 함유된 합금전극을 사용함으로써 Imprint 현상을 억제할 수 있습니다. 특히 그림 3에서 보이듯이 Ir합금을 사용한 경우가 분극반전, 비반전 모두+,- 극성에 대한 절대값이 거의 같은 즉 X축 기준으로 대칭성이 좋은 P-E curve를 얻을 수 있는 것을 알 수 있습니다.

합금전극 사용시의 Imprint 특성(그림3)

Imprint 현상으로 인한 Data read 결과(그림2)

5. FRAM의 고집적화

FRAM의 고집적화는 향후 FRAM의 발전 여부를 쥐고 있는 가장 중요한 기술적 과제중에 하나입니다. 그 이유는 집적도가 높아야 응용분야가 넓어져 시장이 커질 수 있으며, 또한 고집화를 통한 Chip size감소가 제조 단가를 낮추어 상품의 경쟁력을 높일 수 있기 때문입니다. 표 1에 DRAM과 FRAM의 집적도를 비교해 보았습니다.

표1에서 알 수 있듯이, 똑같은 Design rule(똑같은 수준의 설계/공정기술)을 가지고 만들어도 FRAM의 단위 소자 면적(Cell size)이 DRAM에 비해 4배이상 크며, 집적도는 1/4 수준인 것을 알 수 있습니다. 그러면 "왜 FRAM의 집적도는 DRAM보다 낮은가?" 그리고 "과연 FRAM은 DRAM의 집적도에 도달할 수 있는가?" 라는 의문이 생기게 됩니다.

집적도 측면에서의 DRAM과 FRAM의 비교(표1)

	DRAM	FRAM
Design Rule	1.2[eqn: μm]	1.2[eqn: μm]
Cell Size	18[eqn: μ m^2]	85.5 [eqn: μ m^2]
Capacitor 구조	Planar	Planar
집적도	1 Mbit	256 kbit

그럼 왜 FRAM의 집적도가 DRAM보다 낮은가

그림 1은 위의 표에 정리한 256 kb FRAM의 평면 및 단면을 나타낸 것입니다. 그림에서 보이듯이 FET와 Capacitor가 2차원적으로 즉 옆으로 퍼져서 배열되어 있는 것을 알 수 있습니다. 똑같은 Planar 구조의 Capacitor를 쓰더라도 1Mb급 DRAM에 있어서는 Capacitor를 FET위에 즉 Source 나 Drain을 산화시켜 유전체막을 형성하기 때문에 Capacitor가 별도의 면적을 차지하지 않습니다. 그래서 DRAM과 FRAM 의 Cell size에 큰 차이가 나는 것입니다.

FRAM의 Cell의 단면 및 평면도(그림1)

FRAM에서 이와같이 캐퍼시터를 2차원적으로 배열할 수밖에 없는 이유는, 아직 강유전체 박막을 직접 Si기판(Source/Drain위)에 형성할 수 없기 때문입니다. 왜냐하면 강유전체 박막 형성공정이 산화분위기에서 이루어지기 때문에 강유전체 박막과 Si 사이에 유전율이 낮은 SiO2가 형성되고, 설사 SiO2 의 생성을 막으며 강유전체 박막을 형성하였다 하더라도 강유전체 박막으로부터 원하지 않는 성분(PZT의 경우 Pb등)이 Si기판으로 확산되어 FET의 특성을 변질시키기 때문입니다. 한마디로 아직 강유전체와 Si은 궁합이 좋지 않은 즉 기존의 CMOS 공정과는 정합성이 좋지 않기 때문이라 할 수 있습니다. 반면에 DRAM의 경우에 있어서는 그림 2에서 보이듯이 캐퍼시터의 유전막을 SiO2 나 Si3N4등과 같이 Si을 기본으로 한 물질을 사용해 왔습니다. 이 경우에는 유전율이 낮기 때문에 그림에서 보이듯이

DRAM의 집적도 향상에 따른 캐퍼시터 구조 변동 추이(그림3)

DRAM의 집적도가 높아짐에 따라 즉 Cell size가 작아짐에 따라 캐퍼시터의 구조를 3차원적으로 형성하여 캐퍼시터의 면적을 넓혀왔습니다. 이와 같은 방법이 가능했던 것은 유전체를 SiO2 혹은 SiO2/Si3N4 double layer등을 쓰기 때문에 전극으로서 Doped Poly Si를 쓸 수 있었기 때문입니다.

그럼 FRAM의 집적도는 DRAM에 도달할 수 있는가

앞에서 왜 FRAM의 집적도가 DRAM보다 낮은가에 대해서 나타내었습니다. FRAM의 집적도를 높일 수 있는 방법을 소개합니다. 앞에서 DRAM에서는 어떻게 고집적화에 대응해 왔는가에 대해 소개를 했습니다. DRAM에서 추구해왔던 방법 즉 캐퍼시터 구조를 3차원적으로 형성하여 캐퍼시터의 면적을 확보하는 방법은 이제 한계에 도달했습니다. Giga 시대를 맞이하고 있는 DRAM에 있어서는 이제 공정상으로 더 이상 복작합 구조를 만들 수 없게 된 것입니다. 이를 해결할 수 있는 유일한 방법은 유전체재료를 유전율이 높은 재료로 바꾸는 것입니다. 후보 재료로서는 BST(BaSrTiO3)라는 재료가 가장 주목을 받고 있어, 수년전부터 BST박막 기술 및 캐퍼시터 제조기술이 연구되어 왔습니다. BST의 유전율은 200~400정도로 기존의 SiO2(~4)나 Si3N4(~7)에 비해 엄청나게 크기 때문에 복잡한 캐퍼시터 구조를 만들지 않아도 캐퍼시터 용량을 쉽게 확보할 수 있는 가장 확실한 방법입니다만 기술적으로는 지금까지 DRAM 제조 기술에서는 경험하지 못했던 전혀 새로운 기술의 도입을 필요로 하는 최첨단 기술이라 할 수 있습니다. 그림 1에 BST를 이용한 캐퍼시터의 대표적인 구조인 Simple stack 구조를 나타내었습니다.

BST Capacitor 구조(그림1)

위의 그림 1과 같은 캐퍼시터를 만들기 위해서는 다음과 같은 핵심기술을 필요로 합니다.

상/하부전극: BST박막은 산화분위기에서 형성되며, 필요로 따라 후열처리도 요구되기 때문에 하부전극 재료는 내열성과 내산화성이 뛰어난 재료가 요구됩니다. 이와같은 요구를 만족시켜줄 수 있는 재료는 Pt, Ru, Ir 등이 있습니다.

Barrier: Barrier의 역할은 하부전극과 Poly plug간의 상호확산으로 인한 반응을 막아주는 것입니다. 위의 Pt 같은 물질은 내열성, 내산화성은 강하나, Si과 쉽게 반응하여 Silicide를 형성하고 이 Silicide는 내산화성이 약하여 쉽게 부도체인 산화물이 생성되어 결과적으로 캐퍼시터와 FET와의 전기적 연결을 끊게 됩니다. 따라서 Barrier에 요구되는 특성은 도전성을 갖고 있으며, 확산방지뿐만아니라 내산화성도 강해야 합니다. 대표적인 Barrier재료로서는 TiN, TaN, TiSiN 등의 질화물 계통입니다.

BST: 유전율이 높으면서, 누설전류가 작은 막이 바람직합니다. 유전율은 BST의 결정성이 좋을수록 향상됩니다만, 결정성이 좋아지면 누설전류 또한 커지기 때문에 두가지 조건을 만족시켜줄 수 있는 막의 제조기술 개발이 중요합니다.

이상의 핵심기술은 바로 FRAM의 강유전체 캐퍼시터에 적용을 할 수 있어 FRAM의 고집적화에 기여할 수 있습니다. 즉 FRAM의 당면과제는 곧 DRAM의 당면과제라고 할 수 있는 것입니다.

표 1에는 Simple stack 구조를 FRAM에 적용하였을 경우의 FRAM의 고집적화의 예상을 나타내었습니다. 표에서 보이듯이 같은 Design Rule에서 캐퍼시터 구조만을 바꾸면 1M에서 16M 로 집적도를 높일 수 있으며,Cell size를 1/4로 줄일 수 있습니다. 또한 PZT 박막의 두께를 얇게하고 회로적인 측면에서 Sense amplifier의 성능을 개선하여 요구되는 용량을 줄인다면 1Giga급의 FRAM도 실현시킬 수 있음을 알 수 있습니다.

Simple stack 구조 적용시 FRAM의 고집적화 방법(표1)

집적도	D/R(㎛)	Capacitor구조	Cell 면적(㎛2)	Cap. 면적(㎛2)	PZT 두께	용량(F)
256 k	1.2	Planar	85.5
1 M	0.5	Planar	20	2	300 nm	50
16 M	0.5	Stack	5	2	300 nm	50
64 M	0.35	Stack	1.37	0.65	100 nm	50
256 M	0.25	Stack	0.72	0.33	100 nm	25
1 G	0.18	Stack	0.32	0.14	50 nm	25

결론적으로 다시 말하면, FRAM은 DRAM의 집적도에 도달할 수 있습니다. 더 나아가 FRAM이 DRAM의 집적도에 도달하는 날은 바로 DRAM이 사라지는 날이라고 할 수 있습니다.

6. FRAM의 활용

FRAM은 군사 용도와 기존의 플로피 디스크, 하드 디스크 자기 메모리 등의 대체 뿐만 아니라 각종 정기권, 전화기용 메모리, 스키장 리프트권, 비접촉식 식별기(smart tag), 개인휴대용 통신단말기, 전자상거래 smart card의 저전력, 고속 메모리소자로의 활용 등으로 그 용도가 다양하며, 아날로그 신호를 축적 및 병렬 처리하여 신경회로망(neural network) 소자의 구현이 가능하므로 인공지능을 갖는 연산처리 분야로도 가능성을 넓힐 수 있습니다. 특히 저소비 전력과 소형화 실현이 최대 과제인 차세대 휴대 정보통신기기의 메모리로서 급속하게 부상하고 있습니다. 현재 FRAM을 주메모리로 사용하는 데에는 DRAM공정 및 설계기술, 그리고 재료개발기술 등에 필적할 정도가 아니기 때문에 주로 IC card와 같은 내장형 기억소자에 응용하기 위한 연구개발이 주종을 이루고 있으며 생산 과정까지 발전하였습니다. 일본의 Rohm과 미국의 Ramtron은 이미 PZT 박막을 이용한 64kB와 256kB 메모리를 생산 중이며, Window Plug & Play기능을 대체할 수 있는 interface IC를 위한 메모리 소자를 개발하고 있습니다. 그리고 NEC와 Symmetrics사는 멀티미디어를 위한 MB급 강유전체 메모리를 연구하고 있으며, Matsushida 및 Motorola는 전자화페용 비접촉식 IC 개발을 공동으로 추진하고 있습니다. 그리고 이외에도 미국의 Racon사는 일본의 Rohm, Fujitsu, Hitachi와 제휴하여 주메모리 분야보다는 FRAM을 이용한 RF-IC card의 연구개발을 활발히 추진하고 있습니다. 현재 삼성반도체에서는 4Mbyte FRAM 개발에 성공했고 곧 양산체제에 들어갈 예정입니다.

강유전체의 산업 응용분야 및 기술별 제품도(그림1)          강유전체 박막의 활용도 (그림2)

또 강유전체 물질을 박막으로 조성하게 되면 반도체 소자와의 결합으로 그 응용 범위는 훨씬 더 넓어지고, 다양하게 발전될 수 있습니다. 강유전체 박막의 활용도를 위의 그림 2에 나타내었습니다.

7. FRAM의 실제 활용 예

다음은 Fujitsu 홈페이지에서 발췌한 ‘강유전체 기술을 이용한 다목적 IC 카드용 LSI Chip 발매에 관한 news’ 입니다.

Fujitsu Micro Electronics에선 메모리 디바이스로서 주목 받고 있는 불휘발성 강유전체 랜덤 액세스 메모리 (FRAM*1)에, 세계 최초로 0.35 미크론(μm)의 미세 가공 기술을 적용하여, 양산화 하는데 성공하였습니다.

게다가, 이 0.35미크론 FRAM 기술을 채용함에 의해, 32 bit CPU와    512Kbit(64Kbyte) FRAM을 혼재한 다목적 IC 카드용 LSI Chip [MB94R202]를 개발하였습니다. 당사는 , 이 다목적 IC 카드용 LSI chip을 2001년 8월 2일부터 발매합니다.

최근 IC 카드는 ID 카드, 금융 카드, 교통 기관 용 등에 사용되기 시작하고 있다. 향후에는 복수의 기능을 탑재하여 전자 상거래 등에도 활용되는 다목적 IC 카드가 보급하여, IC 카드 시장은 2005년에는 80억장에 달할 것으로 예상되고 있습니다.

현재, IC 카드용 데이터 보존용 메모리에는 주로 EEPROM이 사용되고 있었지만, Fujitsu Micro Electronics가 채용하고 있는 FRAM은 EEPROM과 비교하여 Writing 속도가 약 1만배, Writing 소비 전력 약 1/400, rewriting 횟수 10 만 배등의 우수한 특징을 갖고 있습니다.

게다가 FRAM과 CPU를 혼재함으로 인해, 인터넷 등을 통한 전자 상거래에 요구되는 정보의 암호화나 공개 열쇠에 의한 개인인증에 대해서도 안전한 시스템을 실현 할 수 있습니다.

다목적 IC 카드용 LSI chip [MB94R202]는, 32 Bit RISC 프로세서를 탑재하고, Multi application 관리가 가능한 OS를 탑재할 수 있습니다. 64Kbyte의 대용량 FRAM을 혼재함에 의해, 복수의 application의 실행과 대용량 데이터의 저장이 가능합니다. 통신 인터페이스로서 접촉, 비접촉 모두를 탑재한 combination card용 LSI이며, Reader/Writer와의 ISO 규격에 준거한 프로토콜 통신이 가능합니다. 인증 기능을 위해 암호 회로로서 타원 곡선 암호*2 , DES*3, RSA*4등을 탑재하여, 높은 security 레벨을 실현하고 있습니다. FRAM의 특징인 고속, 저소비 전력, 고빈도 rewriting 횟수를 활용할 최적의 설계로 복수의 어플리케이션을 신속하고 게다가 저소비 전력으로 실행할 수 있습니다. 이와 같이, 이번에 개발한 다목적 IC 카드용 LSI Chip [Mb94R202]는 수많은 뛰어난 특징을 갖고 있어, Broadband, Internet 시대의 다목적 IC 카드에 최적화된 LSI입니다.

[0.35 미크론 강유전체 기술에 대해]

Fujitsu Micro Electronics는 1999년 10월부터 0.5미크론 기술을 이용하여 FRAM 디바이스를 양산하기 시작, 현재까지 3,000만개 이상의 FRAM 제품을 출하한 실적이 있습니다. 그리고 선두로 0.35미크론 FRAM 디바이스 프로세스 기술을 완성시켜 양산을 개시하였습니다.  본 기술에서는 0.35 미크론의 세부 가공 기술을 이용함에 의해, FRAM 메모리의 집적도를 높이고, Rewriting 속도, 소비 전력, rewriting 횟수의 향상을 실현하고 있습니다.

0.35미크론 강유전체 기술을 실현하기 위해, PZT*5 결정 및 전극을 고성능화 함으로 인해, PZT 프로세스열화를 억제하는 특수한 보호막을 개발하는 등 프로세스 기술에 있어 다양한 연구와 실적을 쌓아왔습니다. 게다가 FRAM을 양산하기 위해서는 강유전체 프로세스의 제조 장치의 안정성이 중요합니다. 당사는 FRAM의 중요 프로세스인 PZT의 Sputtering 장비, 및 Etching 장비를 장치 메이커와 공동 개발하고, 0.5미크론 FRAM의 양산을 개시하였습니다. 게다가 이러한 장치를 더욱 개선함에 의해 0.35미크론 FRAM의 안정화된 양산을 실현하였습니다.

0.5 미크론과 0.35 미크론 FRAM 디바이스의 프로세스는 통상의 CMOS 로직 프로세스에 단순히 PZT capacitor의 형성 프로세스만을 추가하여 구축되고 있습니다. 따라서, 용이하고 또한 low cost로 FRAM과 CMOS logic과의 혼재가 가능하게 되어, 기존의 설계 자산을 그대로 계승할 수 있습니다. 이와 같이 당사의 FRAM 기술은 고객의 요구에 폭 넓게 응할 수 있는 프로세스 개발에 주력하고 있습니다.

3. 결론

이상 FRAM을 구성하고 있는 강유전체의 특성에서부터 FRAM의 종류와 장단점, 개선방향과 활용 현황까지 살펴보았습니다. 위에서 언급하였듯이 FRAM은 조만간 DRAM의 집적도에 도달하여 가까운 미래에 DRAM을 대체할 수 있을 것입니다. 그리고 정보통신분야의 수요 증가에 따라, 관계 분야에서는 2004년에 약 150억달러 규모의 시장을 형성하며 급속하게 성장할 것으로 예상되고 있습니다. FRAM은 차세대 메모리 반도체의 선두주자로서 그 역할을 톡톡히 할 것입니다.