[녹색경제신문 = 이지웅 기자] 전상훈 카이스트 전기및전자공학부 교수 연구팀이 하프니아 강유전체 소재를 활용한 차세대 메모리 및 스토리지 메모리 기술을 개발했다.

비휘발성 절연막인 하프니아 강유전체 소재는 CMOS 공정 호환성, 동작 속도, 내구성 등의 우수한 물리적 특성을 바탕으로 차세대 반도체의 핵심 소재로 활발하게 연구되고 있는 물질이다. 

디램 메모리는 우리가 스마트폰, 컴퓨터, USB 등에서 사용하는 데이터를 저장하는 휘발성 메모리다. 공정 단가가 낮고 집적도가 높다는 특성 상 메인 메모리로 활용됐다. 한편 디램 메모리 기술은 소자의 크기가 작아질수록 디램 소자가 정보를 저장하는 저장 커패시터의 용량이 줄어들면서 메모리 동작을 수행하기 어렵다는 단점을 가지고 있다. 

연구팀은 저장 커패시터가 물리적으로 작은 면적에서도 높은 저장 용량을 달성할 수 있도록 개선하는 데에 집중하면서 한계점을 극복하고자 했다. 이를 위해 하프니아 강유전체 기반 극박막의 고유전율 물질을 개발했다. 이를 통해 현재까지 보고된 디램 커패시터 중 가장 낮은 2.4 Å의 SiO2(실리콘 산화물) 유효 두께와 같은 얇은 층에 저장하는 것을 달성했다.

연구팀은 디램 메모리 기술을 잠재적으로 대체할 수 있는 후보군으로 주목받고 있는 강유전체 메모리 FRAM 메모리도 개발했다. 현 디램 수준의 1V 이하의 낮은 전압에서도 비 휘발성 정보 저장과 삭제가 확실히 이루어지는 기술은 에너지 효율성을 크게 향상시켜 차세대 메모리에 필수적이다.

동시에 낸드 플래시 메모리의 한계를 극복할 하프니아 강유전체 기반의 차세대 메모리 기술을 개발했다. 낸드플래시 메모리의 저장 용량을 늘리기 위해 여러 층을 쌓아 올리는 방식을 사용해 왔다. 이 때 물리적인 한계로 인해 1000층 이상의 설계는 어렵다. 

연구팀은 신소재인 강유전체를 낸드 플래시에 적용했다. 이를 통해 소재 계면에 TiO2 층이라는 얇은 층을 추가함으로써, 1000단 이상의 수직 적층 3차원이며 외부 환경의 간섭에도 데이터를 안정적으로 유지하게끔 했다. 

전 교수는“이번 연구 결과들은 스케일링 이슈로 인해 답보상태에 있는 메모리 반도체 기술 개발에 돌파구가 되는 기술이 될 것으로 판단된다”며 “향후 다양한 인공지능 컴퓨팅 및 엣지 컴퓨팅 기술 상용화에 기여할 수 있을 것”이라고 설명했다.

한편 해당 연구는 삼성전자, 한양대학교와 협업을 통해서 이뤄졌다. 한국산업기술평가원 (KEIT) 민관공동투자 반도체 고급인력양성사업, 과학기술정보통신부 혁신연구센터(IRC) 지원 사업, 삼성전자의 지원을 받았다.