실리콘웨이퍼는 메모리 반도체 제작의 핵심입니다.

실리콘웨이퍼는 모래나 규석에서 추출한 순도  99.9999%의 실리콘 원료를 가열시켜 둥근 막대형의 실리콘봉을 만들고 이를 다시 원판 모양으로 얇게 잘라낸 것입니다.

이렇게 만들어진 실리콘웨이퍼 위해 복잡한 공정이 더해져 메모리 소자가 만들어지는 것인데요.

KRISS(한국표준과학연구원) 나노소재평가센터 엄대진, 문창연, 구자용 박사팀이 기존 실리콘웨이퍼를 붕소(B)로 가공하는 방식으로 테라바이트(Tera Byte)급 비휘발성 메모리를 제작할 수 있는 원천기술을 개발했습니다.

*비휘발성메모리 : 전원이 공급되지 않아도 저장된 정보를 유지하는 메모리 형태. 플래시메모리, ROM, 자기저항메모리, 전기저항 메모리 등이 해당.

기본적으로 메모리의 구조가 간단해지면 보다 많은 디지털 정보 저장이 가능하겠지요.

연구팀은 간단한 공정으로 실리콘웨이퍼 표면 원자 각각에 ‘0’이나 ‘1’의 이진정보를 쓰고 지울 수 있는 초고집적 비휘발성 메모리 기술을 개발하고 그 동작원리를 밝혀냈습니다.

연구팀은 실리콘웨이퍼에 일정량의 붕소(B)를 주입한 후, 열처리하면 표면에 노출된 실리콘 원자들의 상호거리가 늘어나는 것을 확인했는데요. 이렇게 만들어진 표면의 원자 하나하나는 외부 전기 자극에 의해 두 가지 안정된 상태로 변형됩니다.

 

실리콘 표면 원자에 이진 정보를 순차적으로 기록하는 과정(좌) 실리콘 표면 원자에 이진 정보를 순차적으로 기록하는 과정(좌) 주사터널링현미경(Scanning Tunneling Microscope)을 이용해서 실리콘 표면 원자에 전기 자극을 주면 표면 원자의 높이가 높아진다. 이는 개별 표면원자에 이진(0,1) 정보를 성공적으로 저장할 수 있다는 것을 의미한다. 이때 제일원리계산법을 이용하면 실리콘 표면 원자가 갖는 두 가지 안정된 형상의 원자 구조를 알 수 있다.

 

실리콘 표면 원자가 변형되면 전류 공급이 끊어진 후에도 그 상태를 유지하는 비휘발성 특성을 보이는데, 이는 원자 하나하나가 디지털 정보를 저장할 수 있다는 것을 의미합니다.

연구팀은 결함이나 인공 구조물이 아닌 정상적인 표면 원자를 이용하여 실험을 성공시켰기 때문에 향후 상용화 하는데 제약이 크지 않을 것으로 기대되는데요.

이전까지는 불규칙하게 분포하는 결함 구조나 인공구조물을 이용하여 원자 스케일에서의 메모리 기능을 시연할 수 있었지만, 위치 제어 등의 어려움으로 응용 가능성이 매우 낮았습니다.     

하지만 KRISS 연구팀의 방법처럼 실리콘웨이퍼에 직접 디지털정보를 넣을 수 있다면 테라바이트(Tera Byte)급 비휘발성 메모리 제작이 가능해 지는 것입니다.

실제 메모리의 정보 저장능력이 집적도에 따라 크게 좌우되는 것에 비춰 현재 상용되고 있는 제품과 KRISS 연구팀의 방법을 비교하면 집적도 차이가 최고 300배, 아울러 현재의 플래시 메모리는 24~32개 층이 적층된 구조이기 때문에 동일한 층수로 환산하면 실제 저장 밀도는 약 7,000배 정도 증가하게 됩니다.

 

KRISS 엄대진, 문창연, 구자용 박사가 저온 주사터널링현미경 장비를 이용하여 실리콘 물질표면의 원자 및 전자 구조를 측정하고 있다. KRISS 엄대진, 문창연, 구자용 박사가 저온 주사터널링현미경 장비를 이용하여 실리콘 물질표면의 원자 및 전자 구조를 측정하고 있다.

이번 연구 결과는 원자스케일의 기억소자를  구현할 수 있는 원천기술로, 추가 응용연구가 진행되면 한 차원 높은 용량의 비휘발성 메모리 제작이 가능할 것으로 기대됩니다.

한편, 이번 연구 결과는 Nano Letters(impact factor: 12.94) 2015년 1월판 (1월 14일; 권 15, 페이지 308-402)에 게재되었습니다. 

연구요약

(111) 방향의 실리콘 웨이퍼에 붕소(B)를 많이 주입한 후 열처리하면 표면에 노출된 실리콘 원자들의 상호 거리가 원래보다 √3 (루트 삼) 배 늘어난다.

이렇게 만들어진 표면의 원자 하나하나는 외부 전기 자극에 의해 원래와는 다른 또 하나의 안정된 상태로 변형될 수 있다는 것을 실험적으로 발견하였다.

이 변형된 상태는 실리콘 표면 원자에 두 개의 전자가 추가로 결합된 소위 바이폴라론(bipolaron) 상태임을 실험과 이론분석을 통해 밝혔다.
 
한편 표면 원자의 두 안정된 상태 사이의 천이(transition)는 여러 번 반복해도 손상이 없는 가역과정이었으며, 각각의 상태는 외부의 전기 공급이 끊어져도 그 상태를 그대로 유지하는 비휘발성 특성을 보였다.

이러한 특성 때문에 웨이퍼 표면의 원자 하나하나가 디지털 정보를 저장할 수 있는 비휘발성 메모리로 사용될 수 있다.


연구팀은 실리콘 웨이퍼 표면의 원자 하나하나에 ‘0’ 이나 ‘1’의 이진(binary) 정보를 쓰고 지울 수 있는 초고집적 비휘발성 메모리 기술을 개발하고, 그 동작 원리를 밝혔다.

이 연구 결과는 Nano Letters (impact factor: 12.94) 2015년 1월판 (1월 14일; 권 15, 페이지 308-402)에 게재 되었다.

 

 연구팀 프로필

 

엄대진 박사

○ 성 명 : 엄대진 (선임연구원)
 ○ 소 속 : 한국표준과학연구원 산업측정표준본부 나노소재평가센터

 ○ 1995 서울대학교 물리교육과 이학사
 ○ 1997 서울대학교 물리학과 이학 석사
 ○ 2005 The University of Texas at Austin 물리학과 이학 박사

경력사항
 ○ 1997 – 1999, ㈜LG반도체 연구원
 ○ 2005 – 2005, The University of Texas at Austin 박사후 연구원
 ○ 2006 – 2010, Columbia University 박사후 연구원
 ○ 2010 – 2011, Brookhaven National Laboratory 박사후 연구원 
 ○ 2011 – 현재, 한국표준과학연구원 선임연구원

학회활동
 ○ 미국물리학회 회원
 ○ 미국진공학회 회원
 
전문 분야 정보
 ○ 표면 물성, 저온 물성, 원자 및 전자 구조 측정
 
발표논문 및 특허
 ○ “Edge Structures for Nanoscale Graphene Islands on Co(0001) Surfaces” ACS Nano, 2014년 5월 등 다수
 ○ "붕소가 도핑된 실리콘(111)-표면에서 √3x√3 단위 격자가 가지는 두 가지 안정된 형상을 이용하는 메모리 소자 및 이의 동작방법" 국내 특허 출원

 

문창연 박사

○ 성 명 : 문창연 (선임연구원)
 ○ 소 속 : 한국표준과학연구원 산업측정표준본부 나노소재평가센터

 ○ 1999 KAIST 물리학과 이학사
 ○ 2001 KAIST 물리학과 이학 석사
 ○ 2005 KAIST 물리학과 이학 박사

경력사항
 ○ 2005 – 2007, 미국 National Renewable Energy Lab. 박사후 연구원
 ○ 2007 – 2008, KAIST 물리학과 박사후 연구원
 ○ 2008 – 2011, 연세대학교 물리학과 박사후 연구원
 ○ 2011 – 2012, 포항공대 화학과 박사후 연구원 
 ○ 2012 – 현재, 한국표준과학연구원 선임연구원

학회활동
 ○ 미국물리학회 회원
 ○ 한국물리학회 회원
 
전문 분야 정보
 ○ 반도체, 나노구조, 강한 전자상호작용물질의 전자구조 이론계산
 
발표논문 및 특허
 ○ “Antiferromagnetic exchange interactions among dopant electrons in Si nanowires” Physical Review B, 2014년 12월 등 다수
 ○ "붕소가 도핑된 실리콘(111)-표면에서 √3x√3 단위 격자가 가지는 두 가지 안정된 형상을 이용하는 메모리 소자 및 이의 동작방법" 국내 특허 출원

 

구자용 박사

○ 성 명: 구자용 (책임연구원)
 ○ 소 속: 한국표준과학연구원 산업측정표준본부 나노소재평가센터
 
 ○ 1981 서울대학교 물리학과 학사
 ○ 1983 KAIST 물리학과 석사
 ○ 1987 KAIST 물리학과 박사

경력사항
 ○ 1987–현재: 한국표준과학연구원 근무
 ○ 1999–2008: 과학기술부 창의적 연구진흥사업 이종성장제어연구단 단장
 ○ 2008: 표준연 영년직 연구원 선정
 ○ 2012: 교육과학기술부 과학기술훈장 도약장 제111호

학회활동
 ○ 미국물리학회 회원
 ○ 한국물리학회 회원
 ○ 한국진공학회 회원
 
전문 분야 정보
 ○ 정밀측정장비 개발, 표면원자 구조 측정
 
발표논문 및 특허
 ○ “Adsorption of CO Molecules on Si(001) at Room Temperature”J. Phys. Chem. C 118, 21463 (2014) 등
 ○ 특허 제10-0798468호 "공기부양식 운송시스템" 등

 

 

저작자 표시 비영리 변경 금지
신고
posted by 이재형 과학이야기