강유전체가 차세대 반도체 기술 개발 핵심 소재로 부각되는 가운데, 한국과학기술원(KAIST·총장 이광형) 연구진이 이를 활용해 고성능, 고집적 차세대 메모리 소자를 개발했다.
전상훈 전기 및 전자공학부 교수팀이 '하프니아 강유전체 소재'를 활용한 차세대 메모리 및 스토리지 메모리 기술을 개발했다고 6일 밝혔다.
스마트폰, 컴퓨터, USB 등에 널리 쓰는 기존 디램 메모리는 외부 전력이 끊어지면 저장 데이터가 손실되지만, 공정 단가가 낮고 집적도가 높아 메인 메모리로 활용돼 왔다. 다만 소자 크기가 작아질수록 정보를 저장하는 저장 커패시터 용량도 작아지게 되고, 더 이상 메모리 동작을 수행하기 어렵다.
연구팀은 디램 기술 한계를 극복하고자 저장 커패시터가 작은 면적에서도 높은 저장 용량을 달성할 수 있도록 개선했다. 이를 위해 하프니아 강유전체 기반 극박막 고유전율 물질을 개발했다.
보고된 디램 커패시터 중 가장 낮은 2.4Å(머리카락 굵기 약 10만분의 1)의 얇은 층에 저장하는 것을 달성했다.
또 디램 메모리 기술을 잠재적으로 대체할 수 있는 후보군으로 주목받는 강유전체 메모리 FRAM 메모리도 개발했다.
연구팀은 이와함께 낸드 플래시 메모리 한계를 극복할 하프니아 강유전체 기반 차세대 메모리 기술 역시 개발했다.
현재 여러 층을 쌓아 올리는 방식으로 저장 용량을 높였는데, 1000층 이상으로 쌓기 어려운 상황이다.
이에 연구팀은 강유전체 소재를 낸드 플래시에 적용하는 방식을 연구한 결과, 소재 계면에 이산화티타늄 층을 추가함으로써 1000단 이상의 수직 적층 3차원이면서 외부 간섭에도 데이터를 안정적으로 유지하도록 설계했다.
이밖에 더 많은 데이터를 10년 이상 보존할 수 있는 새로운 구조의 고성능 산화물 채널 기반 낸드 플래시 소자 개발도 성공했다.
전상훈 교수는“이번 연구 결과들은 답보상태에 있는 메모리 반도체 기술 개발에 돌파구가 되는 기술이 될 것”이라며 “향후 다양한 인공지능(AI) 컴퓨팅 및 엣지 컴퓨팅 기술 상용화에 기여할 것”이라고 설명했다.
벤카테스왈루 가담 연구 교수, 김기욱 박사 과정, 조홍래 박사 과정, 황정현 박사 과정, 이상호 박사 과정, 최효준 석사 과정, 강현준 석사 과정이 공동 제1 저자로 참여한 이들 연구 성과는 지난해 반도체 산업계 톱티어 컨퍼런스에 5편의 논문으로 발표됐다.
이 연구는 삼성전자, 한양대와 수행했으며, 한국산업기술평가원 (KEIT) 민관공동투자 반도체 고급인력양성사업, 과학기술정보통신부 혁신연구센터(IRC) 지원 사업, 삼성전자의 지원을 받아 진행됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
