왜 Spintronics 인가

반도체 산업에서 무어의 법칙이 붕괴되고, 비약적인 발전이 점점 없어지자, 실리콘을 넘는 새로운 반도체 기술이 필요했습니다.

언론에는 '차세대 메모리', '차세대 반도체'라는 제목으로 산업 전반을 혁신시킬만한 기술에 대한 기사가 나오지만, 정작 산업에서는 바뀌는 바가 없습니다.

 

MRAM, ReRAM, PRAM, FeRAM, HEMT, 2 DEG, 2D, 3진법 반도체와 같은 포스트 실리콘 소자는 과연 무엇이 부족하기에 실리콘을 대체하지 못할까요?

본 포스팅에서는 차세대 메모리 후보 중 하나인 Spintronics 산업 진입에 대해 포스팅해보겠습니다. 참고로 Spintronics의 대표 소자로 2019년에 삼성 파운드리에서 eFlash를 대체하여 사용한 eMRAM 이 있습니다.

 

사실 반도체 산업에 새로운 물질과 기술을 적용시키기 위해서는, 엄청나게 많은 투자를 해야 합니다. 새로운 기술은 인프라 자체가 안 갖춰져 있을 확률이 높기 때문에, 장비의 단가도 비싸며, 인력도 많이 필요합니다. 따라서 기존 기술로 대체 불가능할 정도로 뛰어난 기술이 아니라면 굳이 새로운 기술로 바꿀 필요는 없습니다..

MRAM (Magnetoresistive random-access memory)도 사실 어느 정도 성숙된 기술입니다. 사이즈도 작고 안정적이며, 빠르고 비휘발성입니다. 하지만, 비휘발성이라는 특징 외에 기존 기술(DRAM, Flash, SRAM)을 압도할 정도로 좋지도 못합니다. 비휘발성의 최대 장점인 저전력도, 메모리를 쓰는 과정에 소비 전력이 생각보다 높아 큰 도움이 되지 못합니다.

따라서 사실 삼성도 Embedded 공정에 MBCFET을 사용할 때, metal gate기반 eFlash이 적합하지 않은 문제를 해결하기 위해, 금속층 사이에 삽입만 하면 되는 MRAM을 사용할 뿐입니다.

 

그렇다면 왜 반도체 산업에 Spintronics를 고려해야 할까요?

현 연구 상황을 보며 예상할 수 있는 3가지 이유가 있습니다.

 

1. 인공지능과 양자컴퓨터 시대

 

인공지능 알고리즘이 사회 전반을 바꿔놓으며, 인공지능 반도체에 대한 요구가 커지고 있습니다. 이를 뉴로모픽 칩이라 하며, CMOS로 수행하기에는 면적과 에너지 효율이 너무 안 좋아 새로운 소자를 고려하고있습니다. 인공지능은 실시간으로 최적화를 하는 과정이므로, 최적화 한 값을 저장하는 메모리가 항시 있어야 합니다. 당연히 비휘발성 메모리어야 하며, 크기도 작고 논리소자 주변에 쉽게 배치할 수 있어야 합니다. 또한 최적화 값을 단계별로 저장하고, 증가하는 신호가 올 때마다 점점 증가하고  감소하는 신호가 올 때마다 점점 감소해야 하는 특성도 가지고 있어야합니다. 현재 ReRAM이 이러한 특성에 가장 근접해 왔으나, 확률적 비트(probabilistic bit; p-bit)라는 개념이 등장하며, Spintronics 소자가 급부상하게 되었습니다.

MRAM은 전류로 자성체의 자화 방향을 변화시키는 소자입니다. 자화방향이 변화하기 시작하는 애매한 전류를 주게 되면, 자화방향이 50%의 확률로 나뉘어 존재하게 됩니다. 여기서 전류를 더 걸게되면 자화방향이 변화 할 확률이 높아지게 되고, 낮추면 변화 할 확률이 낮아지게 됩니다. 이런 MRAM 소자를 여러 개 연결한다면, 모든 MRAM이 답에 맞는 최적화가 가능해지고 새로운 개념의 Computing가 가능해집니다.

 

2. 실리콘 인프라 접근성

 

산업에서는 이미 실리콘 기반 인프라가 갖춰져 있어, 새로운 기술을 적용하는데 드는 비용이 크게 듭니다.

하지만, Spintronics 소자 공정은 기존 반도체 공정과 거의 같으며, 사용하는 장비도 스퍼터와 이온 에칭 장비뿐이기 때문에 현재 라인에 도입하는데 큰 괴리감이 없습니다. MRAM에 여러 물질이 사용되어 에칭 공정 문제가 존재하지만, 이를 개선하는 방안이 많이 제시되어왔습니다. 따라서 정말 새로운 기술이 필요할 때 큰 거부감 없이 도입될 수 있는 기술이 Spintronics 소자 기술이라 예상합니다. 특히 삼성 파운더리와 TSMC에서는 임베디드 공정에 High-K eFlash 메모리를 사용했는데, 공정 상 이유로 공정 단가가 높아져 두 메탈층 사이만 있으면 어디에서든 삽입가능한 MRAM을 사용하기 시작했습니다.

 

3. 전자 Spin의 역할

 

모든 물질은 원자로 이루어져 있고, 모든 원자 내부에는 Spin이 있습니다. 이 Spin은 전자, 빛, 열과 활발히 상호작용을 합니다. Spin이 모여 Spin current로 흐르게 된다면, 물질 내 Spin에 큰 영향을 줍니다. 특히 이 영향을 주는 힘중 하나인 spin orbit torque(SOT)는 도체, 부도체, 반도체 모두에게서 나타납니다. 이 Spin을 잘 이용한다면, 물질의 저항을 손쉽게 바꿀 수 있고 물질 상태를 변화시킬 수 있습니다. 저항 외에도 OLED에서 주입되는 Spin 상태에 따라 빛의 효율이 달라지기도 합니다.

또한 Spin은 빠른 특징을 가지고 있어 GHz와 THz에서도 동작이 가능합니다.(spin oscillator)

Spin current는 수백 nm가 지나면 없어지기 때문에 micrometer를 다루는 고전역학 시대에서는 고려할 필요가 없었지만, 7nm node를 다루는 현 반도체 칩에서는 보존류로써 고려해야할 필요가 있습니다.

지금은 결정구조와 defect, oxygen vacancy를 이용하며 반도체 소자를 발전시키고 있지만, 다가올 소자 발전에서는 Spin을 고려해야 발전 폭이 더 커질 거라 예상합니다.

 

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본 포스팅은 nature electronics 지의  https://doi.org/10.1038/s41928-020-0461-5 를 인용하여 서술하였습니다.