◆…사진제공:삼성전자(UNIST 이준희교수)
삼성미래기술육성사업이 지원한 UNIST(울산과학기술원) 에너지 및 화학공학부 이준희 교수 연구팀이 차세대 메모리 반도체의 집적도를 1,000배 이상 향상시킬 수 있는 이론과 소재를 발표했다.
2일(미국 현지시간) 세계적인 학술지 사이언스(Science)에 게재됐으며 사이언스에 순수 이론 논문이 게재되는 경우는 극히 드문 사례로 국내 연구팀 단독 교신으로 진행한 이 연구는 이론적 엄밀성과 독창성, 산업적 파급력을 인정받아 게재됐다.
반도체 업계는 소자의 성능을 높이기 위한 목적으로 미세화를 통해 단위 면적당 집적도를 높여 왔으나 데이터 저장을 위해서는 탄성으로 연결된 수천 개의 원자 집단인 도메인이 필요해 일정 수준 이하로 크기를 줄일 수 없는 제약사항이 있었다.
반도체 소자가 한계 수준 이하로 작아지면 정보를 저장하는 능력이 사라지는 스케일링(Scaling) 이슈 현상이 발생하기 때문에 반도체의 기본 작동 원리인 0과 1을 제대로 구현할 수 없다.
이준희 교수 연구팀은 산화하프늄(HfO₂)이라는 반도체 소재의 산소 원자에 전압을 가하면 원자간 탄성이 사라지는 물리 현상을 새롭게 발견, 반도체에 적용해 저장 용량 한계를 돌파하는 데 성공했다.
이 원리를 적용하면 개별 원자를 제어할 수 있을 뿐만 아니라 산소 원자 4개에 데이터(1bit) 저장이 가능해져 데이터 저장을 위해 수십 nm(나노미터) 크기의 도메인이 필요하다는 업계 통념을 뒤집었다.
산화하프늄은 현재 메모리 반도체 공정에서 흔히 사용하는 소재로 이 현상을 적용할 경우 스마트폰, 태블릿 등 다양한 제품의 메모리 성능을 한층 끌어올릴 수 있어 산업계에 큰 파급이 예상된다.
특히 연구팀은 이번 연구 결과를 적용하면 반도체 소형화시 저장 능력이 사라지는 문제점도 발생하지 않아 현재 10nm 수준에 멈춰 있는 반도체 공정을 0.5nm까지 미세화할 수 있어 메모리 집적도가 약 1,000배 이상 향상될 것으로 예상했다.
이번 연구는 지난해 12월 삼성미래기술육성사업 과제로 선정돼 연구 지원을 받고 있으며, 과학기술정보통신부 미래소재 디스커버리 사업 지원도 받아 수행됐다.
