메모리 윈도우 51% 확대·온 전류 약 12배 향상
저온 건식 전사로 8인치 웨이퍼 어레이 성능 검증
경희대학교가 반도체 계면의 불규칙한 전하 움직임을 강유전체로 제어하는 '강유전체 보조 전하포획 메모리(FA-CTM)'를 개발했다.
경희대는 이승환·이승현 전자공학부 교수 공동 연구팀이 개발한 소자가 기존 소자보다 메모리 윈도우는 51% 넓고, 온전류는 약 12배 증가했다고 22일 밝혔다. 연구팀은 이 같은 성능이 8인치 웨이퍼 규모의 어레이에서도 유지되는 것을 확인했다.
이번 연구는 2차원(2D) 반도체와 절연막이 맞닿는 면의 미세한 결함을 활용했다. 전자는 이 결함에 잠시 머물렀다가 빠져나오는데, 머무는 동안 이전 전기신호가 일종의 '단기 기억'처럼 남는다. 이를 이용하면 시간에 따라 달라지는 데이터를 처리하는 물리 리저버 컴퓨팅을 구현할 수 있다.
문제는 전자를 붙잡는 결함인 '트랩'이 불규칙하게 형성된다는 점이다. 트랩의 위치와 수가 일정하지 않아 소자마다 성능 차이가 컸고, 저장할 수 있는 전압 범위와 출력전류도 제한됐다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 전하를 가두는 절연막과 반도체 구조 아래에 강유전체 물질인 산화하프늄지르코늄(HZO) 박막을 추가했다. HZO의 부분적인 분극이 반도체 계면에 걸리는 전기장을 보조하도록 설계해 전하 포획 확률과 문턱전압 변화를 높였다.
외부 게이트와 포획 전하, 강유전체 분극이 각각 만드는 전기장이 함께 작용하는 전압 증폭 효과도 구현했다. 기존 소자의 불규칙한 트랩을 정보 저장과 연산에 활용할 수 있는 능동적 요소로 바꾼 것이다.
개발한 FA-CTM은 강유전체가 없는 기존 소자보다 메모리 윈도우가 51% 넓어졌고 온전류는 약 12배 증가했다. 여러 소자를 연결한 어레이에서도 같은 리저버 상태의 평균 출력전류 편차가 줄어 서로 다른 입력 상태를 구분하는 성능이 개선됐다.
연구팀은 저온 건식 전사 공정을 이용해 8인치 웨이퍼 규모의 어레이를 제작하고 단일 소자에서 확인한 특성이 대면적에서도 유지되는 것을 검증했다. 이 어레이를 물리 리저버로 활용한 결과 기존 전하포획 메모리 기반 시스템보다 향상된 데이터 처리 성능을 보였다.
이 기술은 영상과 센서 신호, 이동 정보처럼 시간에 따라 연속적으로 변하는 데이터를 처리하는 엣지 AI 반도체와 센서 인접형 정보처리 시스템에 활용될 전망이다.
이승현 교수는 “기존 2차원 반도체 소자의 불규칙한 전하 포획 현상을 강유전체 분극으로 능동적으로 제어했다”며 “이를 통해 AI 연산의 효율성과 성능을 높였다는 데 의미가 있다”고 말했다. 그러면서 “영상과 센서 신호처럼 시간에 따라 연속적으로 변하는 데이터를 처리하는 엣지 AI 반도체와 센서 인접형 정보처리 시스템에 활용할 수 있을 것”이라고 덧붙였다.
연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼스'에 지난 9월 온라인으로 게재됐다.
용인=김동성 기자 estar@etnews.com
