일본 토호쿠 대학의 국제 집적 일렉트로닉스 연구 개발 센터 연구팀은 스핀 궤도 토크 소자(SoT)의 개발과 SOT-MRAM 셀의 동작 검증에 성공했다고 발표했습니다.

 

트랜지스터 미세화가 진행될수록 반도체 메모리의 소비 전력이 늘어나고 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 스핀 트로닉스 기술을 이용한 비휘발성 메모리의 개발에 관심이 쏠리고 있습니다.

 

그 중에서도 자기 방향으로 다른 저항 값을 구분, 0과 1의 상태를 기록하는 자기 터널 접합 소자 MTJ의 응용 방법을 연구 중이며, 이를 활용한 STT-MRAM의 실용화가 진행됐습니다. 하지만 STT-MRAM은 나노 초 수준의 동작이 불가능해, CPU 캐시로 쓰이는 고속 SRAM을 대체할 수 없습니다.

 

STT-MRAM의 단점을 보완하기 위해 SOT 기술이 나왔지만, 이 기술은 반도체 배선 공정에서 400도 이상의 열처리를 버티지 못한다는 문제가 있었습니다. 또 CMOS 웨이퍼에 SOT 소자를 넣어 실제로 빠른 성능을 낼 수 있는지 검증이 필요했고, 10년 간의 데이터 저장이 가능한지도 확인이 필요했습니다. 

 

이번 발표에선 쓰기/읽기에 전류 경로가 다른 3단자 메모리 셀 구조를 지닌 SOT-MRAM을 만들어, 큰 동작 마진과 빠른 속도를 확인했습니다. 새로 개발한 SOT 소자 구조를 사용했는데, 채널층인 텅스텐에 전류를 넣어 생기는 스핀 궤도 토크와 거기에 인접한 강자성체인 코발트/철/붕소층의 자화 방향을 반전시켜 데이터를 기록합니다. 

 

SOT 소자 기술, 증착 기술, 배선 제작 기술, 반응성 이온 에칭 기술을 조합해 0.35ns의 빠른 속도로 동작하는 소자를 제작했으며, 400도의 열처리를 견디고 비휘발성 메모리에 필요한 열 안정성을 갖췄음을 입증했습니다.