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│o 본질적으로 DRAM수준의 고속성을 가지면서도 하드디스크와 같은 │
│ 비휘발성을 겸비하고 있어, 향후 모든 기억소자에 응용 될 수 있는 │
│ "꿈의 기억소자"라고 할 수 있는 F램 소자에 대한 관심이 어느 │
│ 때보다 뜨겁다. │
│ │
│o 최근에는 세계최초로 PZT박막의 피로도 문제를 해결한 F램 소자의 │
│ 개발로 F램이 DRAM의 뒤를 이어 한국 반도체 산업의 주요 품목으로 │
│ 주목받고 있다. │
│ │
│o 특허청에서는 체계적인 특허정보관리를 위해 1999년 하반기부터 │
│ 차세대 반도체 메모리인 F램의 기술에 국제특허분류의 독립된 분류인│
│ H01L 27/105를 부여하여 특허정보관리를 행하고 있다. │
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■ 강유전체와 F램(Ferroelectric Random Access Memory)의 개요

o 강유전체의 정의 : 자발분극을 가지고 있으며, 외부 전계에 의하여
분극반전을 일으킬 수 있는 물질

o 납-아연-티타늄(PZT) 박막 : PZT는 대표적 강유전체 물질로
Pb(Zr,Ti)O3라는 식으로 나타내는데 ABO3의
페롭스카이트 결정구조에서 납(Pb) 금속이온이
A-site를 차지하고, Zr과 Ti가 적당한 비율로
B-site를 나누어서 차지함. (첨부 그림에 PZT의
결정구조와 전계에 따른 분극의 변화 그래프
(히스테리시스 특성곡선) 를 나타냄.)

o 그림 1 및 그림 2(첨부 참조)의 가운데의 붉은 색 이온 (Ti 또는 Zr)이
결정의 중심에 위치하지 않고 "위(+Pr)" 혹은 "아래(-Pr)"쪽에 위치하여
분극(Polarization)을 가진다. 이와 같은 분극을 자발 분극(Spontaneous
Polarization) 이라고 한다. 이 분극은 그림 1과 같이 외부에서 전계를
인가하면 그 위치가 전계의 방향에 따라 반전하게 된다. 또한 전계를
제거하여도 분극이 남아 있어 비휘발 특성을 지닌다(그림 2).

o F램 ("FRAM"은 미국의 램트론이란 회사의 고유상표이기 때문에
FeRAM으로 부르기도 한다.) : F램은 바로 이 강유전체의 자발분극과
분극반전을 이용하여, +Pr 과 -Pr을 각각
"0" 과 "1" 에 대응시킨 불휘발성 기억
소자를 말한다.

o F램 이란 Ferroelectric Random Access Memory의 약자로서, 기존의
DRAM과 거의 똑같은 구조와 동작원리를 가진 기억소자이다.

o DRAM과 다른 점은 강유전체 (Ferroelectrics) 라는 재료를 캐패시터
재료로 사용하여 전원이 없이도 Data를 유지할 수 있는 비휘발성 메모리
라는 점이다.

o 현재는 비접촉 IC 카드, MP3 플레이어용 메모리 등의 분야에 응용되고
있다. 그러나 본질적으로 DRAM수준의 고속성을 가지면서도 Hard disk와
같은 비휘발성을 겸비하고 있어, 향후 모든 기억소자에 응용될 수 있는
"꿈의 기억소자"라고 할 수 있다.

o 현재 국내의 삼성전자에서는 세계 최초로 4M FRAM을 개발하여 시장
개척에 적극 나서고 있다. 그러나 FRAM으로 PZT 박막을 사용시 전기적
피로현상(fatigue)으로 수백만번(107∼106)이상의 읽고 쓰기 동작이후
에는 저장 정보의 급속한 손실이 나타난다.

□ PZT 이외의 강유전체 물질

o SBT(SrBi2Ta2O9) : FRAM 소자에의 적용을 위해 Bi-perovskite 구조를
갖는 SrBi2Ta2O9(SBT) 박막이 제조되고 이들의 특성이 고찰되었다.
SBT박막은 약 1012cycle까지 피로현상(fatigue)문제가 발생되지 않고,
낮은 항전계(coercive field), 낮은 누설전류, 양호한 보유(retention)
특성을 갖고 있는 것으로 보고되고 있다.

o BLT(Bi4-xLaxTi3O12) : 근래에 Bi-perovskite 구조를 갖는
Bi4-xLaxTi3O12(BLT) 박막이 발표되었다. 발표된 BLT 박막의 특성은
약 1011cycle까지 fatigue문제가 발생하지 않고, 낮은 항전계(coercive
field), 낮은 누설전류, 양호한 retention특성을 갖고 있는 것으로
보고되고 있다. 또한 지금까지 SBT 박막은 750℃라는 고온공정이 필요로
하였으나 BLT박막은 100℃정도 증착공정온도를 낮추었다. BLT 박막에
대한 연구는 거의 발표가 되어있지 않은 상태이고 많은 연구가 필요한
분야이다.

<강유전체 물질 비교(첨부 참조)>

o 상기 비교에서 PZT가 피로저항 이외에는 다른 강유전체 물질에 비해
우수한 성질이 있음을 알 수 있다.

□국내외 개발 현황 및 전망

o 1995년 미국 Symetrix사는 콜로라도 대학팀과 협동하여 피로도특성이
우수한 SrBi2Ta2O9 (SBT라 약칭)등 층상 페로브스카이트 결정구조를
가진 일련의 재료를 개발

o Hitachi America사는 1996년 9월 DRAM, SRAM의 고속성과 ROM의 비휘발
기억특성을 결합한 256 Kbit 용량의 F램 기억소자를 세계최초로 개발

o 1997년 6월 일본 도시바(Toshiba) 사는 종전보다 셀 면적이 50% 정도로
축소되며, 일기/쓰기 시간은 2배이상 고속화되는 신회로의 F램 디바이스
를 개발

o 1997년 8월 일본 Fujitsu사는 F램 기억소자 분야의 선두주자인 Ramtron
Int'l Co.와 협동하여 가장 작은 크기를 가진 64 Kbit의 F램 기억소자를
PZT 박막을 이용하여 개발

o F램 박막의 주 대상계인 PZT가 가지는 전기적 피로 문제를 극복하기
위해 1999년 8월 Rhom 사는 일본 Kyoto대학교의 도움을 받아 Si
substrate와 Pt 전극사이에 Ti 대신 IrO2 박막층을 삽입

o 삼성전자는 1999년 7월 PZT계 강유전 박막을 이용하여 세계최초로
4 Mbit F램을 개발

o 1999년 10월 서울대학교 물리학과의 노 태원 교수 연구팀은 LG 연구소
등과 협력하여 F램 디바이스에 적합한 유전박막을 La-modified bismuth
titanate (BLT) 을 이용하여 개발

o 2001년 8월 13일 포항공대 장현명 교수팀은 PZT박막의 피로도 문제를
해결한 F램 소자 개발

o F램은 2001년 8Mbit 제품이 상용화 될 전망이며, 도시바와 인피니온은
셀룰러 폰 시장을 겨냥한 32Mbit F램 제품을 2002년 말까지 공동 생산한
다는 계획을 세우고 있으며, 삼성전자는 F램의 가격 절감 및 성능향상을
위해 노력하고 있다.

□특허청의 체계적인 특허정보관리

o 이전까지 F램은 DRAM과의 유사한 구조로 인하여, DRAM에 대한 국제
특허분류(IPC분류)인 H01L 27/108로 분류되어지거나, 상위 분류인 H01L
27/10, H01L 27/04 등으로 분산 분류되어, F램 기술의 체계적인 특허
관리가 어려웠다.

o 특허청에서는 체계적인 특허정보관리를 위해 1999년 하반기부터 차세대
F램의 기술에 국제특허분류의 독립된 분류인 H01L 27/105를 부여하여
특허정보관리를 행하고 있다.

o 이에 따라, 이전까지 중복투자 되었던 기술검토 및 써치의 시간을
획기적으로 줄여, 체계적인 특허정보관리를 통해 기술발전방향의 예측
및 기술정보의 제공을 손쉽게하여, 선진특허행정을 구현하고 있다.

o 국제특허분류(IPC분류)는 5년마다 개정되며, 현재의 국제특허분류는
제7판(2000년 1월 1일 ∼ 2004년 12월 31일)을 채용하고 있다. 향후
F램 기술의 국제적인 특허관리를 위해 국제특허분류 제8판 개정시
새로운 분류로의 제정이 필요하기 때문에 특허청에서는 IPC 개정위원회
에서 이를 적극 반영시키기 위해 노력할 것이다.

강유전체 및 강유전체 소자관련 특허출원 현황

┌──────┬──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┐
│ │94년│94년│95년│96년│97년│98년│99년│00년│누계│
│ │이전│ │ │ │ │ │ │ │ │
├──────┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┤
│특허출원(건)│75 │45 │130 │140 │150 │150 │147 │135*│972 │
└──────┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┘
단, 2000년 135*건은 국제특허분류 H01L 27/105의 F램 기술에 관한 것만
포함된 건수임.

o 1995년 이후 강유전체 및 강유전체 소자관련 특허출원이 비약적인
증가를 보이고 있으며, IMF 구제금융 시기에도 특허출원이 지속적으로
유지되어왔다. 2000년의 F램 기술에 관한 특허출원의 내국인과 외국인의
수는 96 : 39로 내국인이 약 3배의 특허출원을 더한 것으로 나타나고
있다.

o F램 기술에 있어서, 연구가 필요한 부분은 강유전체 물질 뿐만 아니라,
회로의 구조, 단위공정 등에 관한 연구에도 노력을 기울여야 하며,
강유전체를 부품에 응용하는 특허는 1957년에 처음 시도(미국특허
2791760호)된 이후 많은 발전을 거듭해오고 있다. 그에 따라 미국,
일본 등의 선진국이 원천기술을 갖고 있는 부분이 많다. 선진국의 특허
공세에 대항하기 위해서는 기술개발 노력도 중요하지만 개발된 기술에
대한 특허관리 노력도 게을리 해서는 안될 것이다. DRAM 개발과정에서
얻은 소중한 경험들을 활용해서 똑같은 전철을 밟지 않도록 사전에
철저히 대비하는 지혜가 절실하다.

<첨부> 그림1. PZT 결정구조(전계인가시)
2. PZT 결정구조(전계제거시)
3. 히스테리시스 특성곡선
표 1. 강유전체 물질 비교

* 문의 : 심사4국 반도체2심사담당관실
김근모 사무관. 전화 042)481-5985