정보통신기술의 발달로 인류가 지난 30년간 축적한 정보는 지난 5,000년간 만들어 온 지식의 양보다 훨씬 많으며, 이 정보량은 3개월마다 2배씩 증가하고 있다. 2020년 현재 인류가 생성한 총 정보의 양은 40제타바이트(Zetabyte)1)로 추산되고 있으며, 향후 빅데이터(Big Data), 소셜네트워크(SNS), 사물인터넷(IoT), 클라우드 컴퓨팅(Cloud Computing) 등 유비쿼터스 컴퓨팅(Ubiquitous Computing)2)으로 생성되는 정보의 양은 기하급수적으로 늘어날 것으로 전망된다. 

1) Zeta는 10해(10의 21승)를 의미하는 수의 단위이고, Byte는 데이터의 크기를 표현하는 단위다. 킬로바이트(KB), 메가바이트(MB), 기가바이트(GB), 테라바이트(TB), 페타바이트(PB), 엑사바이트(EB), 제타바이트(ZB) 순으로 단위가 점점 커지며, 단위가 바뀔 때마다 데이터의 크기가 1,000배씩 증가한다.
2) 컴퓨터와 인터넷을 언제 어디서나 이용할 수 있는 컴퓨팅 환경을 의미한다. 이때 유비쿼터스는 ‘어디나 존재한다’는 라틴어 ‘ubique’에서 유래한 용어다. 

이에 따라 모바일 기기 등 각종 전자 제품들은 작아지고(초소형), 전력 소모가 줄고(초전력), 속도가 빨라지는(초고속) 방향으로 진화하고 있으며, 인공지능(AI)이나 IoT와 결합해 지능형 기기로 발전하고 있다. 

정보를 저장하거나 처리하는 반도체 소자 역시 작은 크기로 방대한 양의 정보를 축적하기 위해 그 크기가 수 나노미터(nm) 수준으로 미세해지고 밀도도 높아지고 있다. 이로 인해 제조 공정이 복잡해졌고, 발열 등으로 인한 전력 소모도 급격히 상승하고 있다. 

이에 전력 소모를 획기적으로 줄이기 위해서는 전자의 전하(Charge)3)를 이용한 기존 반도체 작동 방식을 근본적으로 개선할 필요가 있다는 목소리가 커지고 있다. 현재 이를 위해 많은 기술개발이 이뤄지고 있는데, 지금까지 개발된 차세대 저전력 반도체 기술 중에서는 전자의 스핀(Spin)4)을 이용한 ‘스핀트로닉스(Spintronics)’ 기술5)이 초저전력을 실현할 것으로 평가받고 있다. 

3) 전기 현상을 일으키는 물질의 물리적 성질 또는 물리량(물질의 성질이나 상태를 나타내는 양). 모든 입자는 양성(+), 음성(-), 중성 중 하나의 성질을 띈다.
4) Spin은 입자의 기본성질을 나타내는 물리량 중 하나다. 입자의 고유한 각운동량(회전하는 물체의 회전운동의 세기 또는 운동량)으로, 크기와 방향을 갖는다. 전자가 핵 주위를 도는 운동 외에 자기 무게중심을 지나는 축을 중심으로 회전운동을 하는데, 이때 이 자전(自轉)운동을 ‘스핀’이라고 한다. 
5) 전자가 서로 다른 방향으로 회전하는 현상을 0과 1의 디지털 신호로 구분해 데이터를 저장하는 방식의 전자공학 기술.

전자가 가지는 두 가지 물리량(Physical Quantity)6)인 전하와 스핀을 동시에 이용하는 이 기술은 스핀의 방향에 따라 소자의 저항이 변화하는 방식으로 구현돼 처리 속도가 빠르고, 전류가 흐를 때 소자 내에서 열이 발생하지 않아 전력 소모가 매우 적다. 따라서 스핀을 이용한 자기메모리(Magnetic Random Access Memory, MRAM)는 향후 반도체 기술과 결합해 초저전력 차세대 정보저장 소자의 성장을 주도할 것으로 전망된다. 

6) 길이, 무게, 점성, 질량, 온도, 용량 등으로 설명되는 물질의 성질이나 상태를 나타내는 양. 

초기 자기메모리(MRAM)의 원리와 한계

MRAM의 핵심적인 부분은 메모리 회로의 디지트 라인(digit line)7)과 비트 라인(bit line)8)의 교차점에 위치한 자기터널접합(magnetic tunnel junction, 이하 MTJ)이다. MTJ는 기본적으로 (자성)고정층, 절연막, (자성)자유층으로 이뤄지는 삼층 구조다. 이때 자화(Magnetiztion)9) 방향을 쉽게 바꿀 수 있는 자성층을 자유층, 쉽게 바꾸지 못하도록 고정돼 있는 자성층을 고정층이라고 한다. 

7) 정보를 입력하기 위한 전기 회로.
8) 저장된 정보를 읽어내기 위한 전기 회로.
9) 자성을 띄지 않는 물체가 자성을 갖게 되는 것. 자성체는 N극에서 S극으로 자화 방향이 결정된다.

MTJ의 핵심 특징은 두 자성층의 상대적인 자화 방향에 따라 소자의 저항이 달라진다는 점이다. 소자는 MTJ를 구성하는 두 자성층의 자화 방향이 서로 평행한(parallel) 방향으로 정렬되면 낮은 전기 저항값을, 서로 평행하지 않은(anti-parallel) 방향으로 정렬되면 높은 저항값을 가진다. 

평행하지 않을 때의 높은 저항값을 RAP, 평행할 때의 낮은 저항값을 RP, 두 값의 차이를 ΔR(ΔR=RAP–RP)이라고 하면, 자기저항비(magneto-resistance, MR ratio)는 일반적으로 ΔR/RP로 정의된다. 어떤 자성 물질과 절연막을 사용하는지에 따라 자기저항비가 결정되며, 보통 수십에서 수백 %의 값으로 나눈다. 

장준연자기메모리-02.jpg▲ MRAM에서 외부 자기장 변화에 따른 자기터널접합(MTJ)의 저항 변화

 

MRAM은 자기장이 0인 상태에서 RAP와 RP가 서로 다른 상태를 이용해 이진법의 ‘1’과 ‘0’으로 정보를 저장한다. 위 그래프에서 x축은 외부에서 인가하는 자기장(Oersted field)을, y축은 전기저항 수준을 각각 의미하는데, x=0에서 RP는 650ohm10), RAP는 1,400ohm의 서로 다른 두 개의 전기 저항을 가진다. 이를 이용해 RP는 0으로, RAP는 1로 인식시켜 정보를 저장할 수 있다. 반대로 MTJ에 기록된 정보를 읽기 위해서는 MTJ의 저항 상태를 측정하면 된다. 

10) 전기의 저항을 표시하는 단위. 1ohm은 횡단면이 1㎟이고 길이가 106㎝인 수은주의 전기저항값을 의미한다.  

이때 정보를 저장하려면 MTJ 내 자유층의 자화 방향을 바꿔야 한다. 초기 MRAM은 디지트 라인에 전류를 흘려 여기에서 유발되는 자기장으로 자유층의 자화 방향을 전환하는 방식이었다. 하지만 집적도가 점점 증가하면서 인접 셀(Cell)의 정보가 읽히는 간섭 현상이 발생하고 방향 전환에 필요한 요구 에너지가 높아져, 64킬로바이트(KB)급을 한계로 더 이상 사용되지 않는다.

스핀전달토크 메모리(STT-MRAM)의 원리와 장단점

이러한 MRAM의 치명적인 단점을 극복한 것이 바로 스핀전달토크 자기메모리(Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory, 이하 STT-MRAM)다. STT-MRAM은 디지트 라인에 전류를 흘려 자기장을 발생시켜 자유층의 자화 방향을 전환하는 기존 MRAM의 방식과 달리, MTJ에 직접 전류를 흘려 자유층의 자화 방향을 전환하는 방식을 이용한다. 이를 가능하게 하는 것이 바로 스핀전달토크(spin transfer torque, STT)이다. 

 

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고정층에서 자유층 방향으로 MTJ에 전류를 흘리면 전도전자(Conduction Electron)11)가 고정층을 통과하는 과정에서 자기교환결합에너지(Magnetic exchange coupling energy)12)의 영향으로 전도전자의 스핀 방향이 고정층의 스핀 방향(화살표 방향)으로 정렬된다. 이렇게 스핀이 한 방향으로 정렬한 전류를 스핀분극전류(Spin-Polarized Current)라고 부른다. 

11) 어느 특정 원자에 속박되어 있지 않고 공간적으로 자유롭게 움직일 수 있는 전자. 
12) 인접 스핀 사이의 자기상호작용을 기술하는 에너지. 인접 스핀과 같은 방향의 스핀을 가질 때 낮은 에너지를 가진다.

이 스핀분극전류가 자유층에 들어가면, 자유층의 자화 방향(위 그림에서 비스듬하게 표현돼 있는 화살표)으로 정렬된 자유층 내부의 스핀 전자와 고정층의 자화 방향(위 그림에서 수직으로 표현돼 있는 화살표)으로 정렬된 상태로 유입된 전도전자의 상호작용에 의해 자유층 통과 직전과 직후 전도전자의 스핀 방향이 달라진다. 

이처럼 스핀 방향이 변화할 때 걸린 시간이 ‘토크(torque)’인데, 스핀분극된 전도전자가 충분히 자유층에 유입돼 일정 수준 이상의 토크를 가하면 자유층의 자화 방향을 고정층과 동일한 방향으로 전환할 수 있고, 이런 방식으로 정보를 저장하게 된다. 이렇게 두 자성층의 자화 방향이 서로 평행한(parallel) 방향으로 정렬되면 소자는 낮은 저항값을 갖게 된다.

저장한 정보를 지우기 위해서는 자화 방향을 평행한 상태에서 다시 평행하지 않은 상태로 전환할 수 있어야 한다. 이를 위해서는 이전과 반대로 전자를 자유층에서 고정층으로 흘려주면 된다. 위 그림 오른쪽에서 볼 수 있듯이 전도전자가 자유층에서 고정층으로 이동할 경우, 고정층과 같은 자화 방향의 스핀을 가진 전자는 고정층으로 통과하고, 그렇지 않은 전자는 반사돼 자유층으로 되돌아온다. 이 전자들이 자유층의 자화 방향과 반대 방향으로 토크를 작용함으로써 자유층의 자화 방향을 역전시켜, 두 자성층의 자화 방향을 평행하지 않은 상태로 정렬할 수 있다. 이때 소자는 반대로 높은 저항값을 갖게 된다. 

장준연자기메모리-03.jpg▲ STT-MRAM에서 전류를 인가(Application, 전기회로의 단자 사이에 전원 전압을 가하는 행위)할 때 자기터널접합(MTJ)의 저항 변화

 

위 그림은 STT-MRAM의 MTJ에 전류를 흘려 자유층의 자화 방향을 바꾸면서 측정한 자기저항값이다. RP는 650ohm, RAP는 1,400ohm으로 디지트 라인에 전류를 흘려 자기장을 발생시키는 기존 MRAM 방식과 측정값이 동일함을 확인할 수 있다. 

STT-MRAM에서 저장된 정보를 읽어내려면 MRAM과 마찬가지로 MTJ의 저항값을 측정하면 된다. STT-MRAM과 MRAM의 차이점은 전류를 인가해 정보를 기록하는 방식뿐이지만, 이를 통해 MRAM의 단점으로 지목됐던 집적도 한계와 인접 셀 간섭현상을 완전히 극복해 차세대 비휘발성 메모리를 구현할 핵심 기술로 인식되고 있다.

스핀-궤도토크 메모리(SOT-MRAM)의 원리와 장단점

전류가 흐르는 도체에 자기장을 인가하면 전류와 자기장의 방향과 수직이 되는 방향으로 전압이 유발되는데 이를 ‘홀 효과(Hall effect)’라고 한다. 또한 ‘스핀 홀 효과(spin Hall effect)’는 외부 자기장을 인가하지 않아도 강한 스핀-궤도 상호작용(Spin-orbit Interaction, 이하 SOI)을 갖는 물질에서 홀 효과가 나타나는 현상을 말한다. 

장준연자기메모리-07.jpg

탄탈럼(Ta), 텅스텐(W), 백금(Pt) 등 SOI가 큰 물질에 상하 방향으로 전류를 인가하면 전도전자는 위 그림처럼 왼쪽에서 스핀 업(spin up, 스핀 방향이 위쪽으로 형성된) 전자, 오른쪽에서 스핀 다운(spin down, 스핀 방향이 아래쪽으로 형성된) 전자로 각각 분리되고, 스핀 업 전자 쪽에서 스핀 다운 전자 쪽으로 수평 방향의 스핀 전류가 발생한다. 이때 이 스핀 전류로 MTJ 자유층의 자화 방향이 전환되도록 유도할 수 있는데, 이를 스핀-궤도토크 메모리(Spin-orbit Torque Magnetic Random Access Memory, SOT-MRAM)라고 한다. 

장준연자기메모리-06.jpg▲ MRAM, STT-MRAM, SOT-MRAM의 회로 구조 비교

 

자기터널접합에 수직으로 전류가 직접 인가되는 STT-MRAM과 달리, SOT-MRAM은 MTJ 셀 하부의 SOI가 큰 물질층에 수평 방향으로 전류를 주입하면 스핀 홀 효과에 의해 수직 방향으로 분극된 스핀 전류가 자유층의 자화 방향을 전환하는 방식을 활용한다. 

특히 SOT-MRAM은 STT-MRAM 대비 같은 스핀을 갖는 전도전자를 더 많이 생성해 자성층으로 주입할 수 있다. 그만큼 토크가 강하고 자유층의 자화 방향을 더 쉽게 전환할 수 있어, 처리 속도가 더 빠르고 전력 소모도 훨씬 더 적다. 

장준연자기메모리-08.jpg▲ 각 메모리 반도체에서 1개의 비트(bit)를 프로그램하는 데 드는 에너지 소모량을 비교한 표

 

90nm 공정을 사용한다고 가정할 때, 일반적인 MRAM에서는 120pJ13)의 큰 에너지가 사용되는 데 반해, STT-MRAM에서는 0.4pJ의 에너지만 소모된다. 90nm보다 더 좁은 선폭의 공정을 사용할 경우 두 기술 사이의 격차는 더 커진다. 이 같은 STT-MRAM의 저전력 특성은 에너지 효율성 측면에서 대단히 중요한 의미를 갖는다. 또한 SOT-MRAM의 전력 소모량은 STT-MRAM 대비 약 10분의 1로, 전력 소모를 더 줄일 수 있을 것으로 예상된다. 

13) J(Joule)은 에너지의 단위로 1J은 물체에 1N의 힘을 가해 물체가 힘의 방향으로 1m 이동했을 때의 에너지량을 의미한다. pJ은 1조분의 1J을 의미하는 단위로 pico Joule의 약자다.

현대 폰노이만(Von Neumann) 컴퓨터 기술 체계에서는 프로세서(0.1ns14))의 동작 속도와 메인 메모리(10-100ns) 및 스토리지 메모리(0.1-10ms15))의 동작 속도 사이에 격차가 있다. 차세대 메모리 기술이 캐시(Cache)16)부터 메인 메모리에 이르는 넓은 영역을 감당하기 위해서는 1-10ns의 동작 속도가 필요한데, 현재의 차세대 메모리 반도체 후보군 중 이를 만족하는 기술은 STT-MRAM(10ns)과 SOT-MRAM(1-10ns)뿐이다. 그 중에서도 SOT-MRAM의 전력 소모 수준이 가장 낮아, 차세대 메모리에 가장 가까운 기술로 주목받고 있다.

14) nano second. 10억분의 1초를 나타내는 단위.
15) micro second. 100만분의 1초를 나타내는 단위.
16) 주기억장치와 중앙처리장치 사이에 설치돼, 주기억장치에 읽어들인 명령이나 프로그램을 임시로 보관하는 버퍼 형태의 고속 기억 장치.

고정층에서 자유층 방향으로 MTJ에 전류를_1 고정층에서 자유층 방향으로 MTJ에 전류를_2

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