산업



SK하이닉스가 주목하는 차세대 메모리 반도체 기술은?

코로나로 데이터 사용량 폭증…새로운 기술 개발 시급
강유전체 메모리·STT-MRAM·R램, 차세대 기술로 주목

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[파이낸셜데일리 강철규 기자]  코로나19로 재택근무, 화상회의 등의 서비스가 전 세계적으로 급증함에 따라 데이터 사용량이 더 늘어났다. 엄청난 양의 데이터를 처리하기 위해서는 데이터 센터와 엣지 디바이스(Edge Device)에서 컴퓨팅 성능, 전력, 비용 등이 끊임없이 개선돼야 하는 상황이다.

SK하이닉스의 신기술 발굴 및 개발을 주도하고 있는 RTC 나명희 담당이 ISC 2021 패널토론에서 발표한 바에 따르면 10년 내 메모리 대역폭 수요는 8배, 용량 수요는 5배 증가할 전망이다.

SK하이닉스 RTC 미래메모리연구팀 김중식 TL은 뉴스룸을 통해 "데이터의 폭발적인 증가로 메모리 성능과 용량에 대한 수요가 급증하면 '메모리 벽'이 극에 달할 것"이라고 강조했다.

최근 수십 년 동안 D램과 낸드를 대체할 수 있는 새로운 기술을 개발하기 위한 다양한 시도가 있었지만, 아직 이를 대체할 수 있는 기술은 등장하지 않았다. 특히 앞으로는 메모리 반도체 용량과 성능에 대한 수요가 예측하기 어려울 정도로 증가할 전망이어서, 메모리 반도체 기술을 더욱 발전시켜야만 새로운 기회를 창출할 수 있다.

2021 VLSI 기술 심포지엄에서는 ▲강유전체 메모리(F램) ▲STT-MRAM ▲비휘발성 저항 메모리(R램) 등을 가장 널리 연구되고 있는 신기술로 꼽았다.

먼저 강유전체 메모리는 외부 전기장에 의해 전환될 수 있는 두 개의 안정적인 강유전체 쌍극자를 사용하는 메모리다. 강유전체 재료는 캐퍼시터(Capacitor), 결합된 산화물층으로 상보성 금속 산화물 반도체(Complementary Metal-oxide Semiconductor, CMOS) 게이트 스택(Gate Stack)에 데이터를 저장하는 요소가 될 수 있다.

특히 산화하프늄(HfO2)이 강유전성을 갖고 있다는 것이 발견돼 주목을 받고 있다. HfO2는 CMOS 게이트 산화막에 널리 사용되는 재료로, 빠른 속도와 비휘발성, CMOS 기술과의 손쉬운 통합성 덕분에 새로운 부가가치를 창출할 메모리 반도체 후보로 연구되고 있다. 하지만 강유전체 메모리가 가진 내구성의 한계는 메모리 반도체 계층 구조에서의 위치를 차지하는 데 큰 걸림돌 중 하나가 되고 있다.

STT-MRAM도 주목받는 차세대 메모리 반도체 기술 중 하나다. 스핀-토크 전달을 통해 전환 가능한 두 가지 안정적인 자화 상태를 사용함으로써, 차세대 메모리 반도체 후보군으로 고려되는 다른 신기술에 비해 처리 속도가 매우 빠르며 내구성도 뛰어나다. 최근 STT-MRAM은 주로 사물인터넷 엣지 디바이스용 내장 메모리 반도체로 연구되고 있다.

STT-MRAM은 저전력 특성을 갖고 있을 뿐 아니라, 백 엔드 CMOS 공정 기술에 쉽게 통합될 수 있어, 노어 플래시와 달리 프런트 엔드 공정 아키텍처 변경과 관계없이 통합할 수 있다. 한 매우 빠른 처리 속도 덕분에 최종 레벨의 캐시 메모리로 간주된다. 다만 메모리 반도체로 채택되기 위해서는 비용과 집적도를 개선할 필요가 있다.

R램도 주목받는 기술이다. 컴퓨팅 프로세스를 메모리 어레이(Memory Array)로 가져오는 인메모리 컴퓨팅도 컴퓨팅 에너지와 성능을 향상하기 위한 좋은 메모리 반도체 솔루션이 될 것이다. 데이터가 메모리 반도체에서 컴퓨팅 프로세서로 전송될 때 주로 처리 시간이 지연되고 에너지가 소비되기 때문이다.

이 같은 인메모리 컴퓨팅을 구현하기 위해 다양한 유형의 새로운 메모리 반도체에 대한 연구가 진행되고 있다. 그중 R램은 하나의 셀에 여러 층을 저장하는 데 더 적합하다. 이 기능은 인메모리 컴퓨팅 에너지와 비용의 효율성 측면에서 필수적인 만큼 다양한 후보군 중 R램도 높은 경쟁력을 가지고 있다.

김 TL은 "최근 여러 가지 새로운 메모리 반도체 기술이 각각의 독특한 장점으로 주목받기 시작했지만, 아직 승자는 없다"며 "폭발적인 데이터 수요 급증에 힘입어 메모리 반도체 시장에 완전히 새로운 기회가 열리고, 이에 따라 D램, 낸드 등 기존 메모리의 한계를 뛰어넘는 새로운 메모리 반도체 기술이 요구되고 있음은 명백하다. 그러나 이러한 새로운 기회를 잡기까지는 많은 과제가 남아 있다"고 분석했다.





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