기존 반도체에서 집적도 1000배 향상시킬 새 특성 발견

이준희 UNIST 교수 연구진의 발견이 국제학술지 사이언스에 소개됐다. 사진제공=과학기술정보통신부

국내 연구진이 현재 사용하는 메모리 반도체 물질에서 반도체 집적도를 1,000배 높일 수 있는 새로운 특성을 찾아냈다.

울산과학기술원(UNIST)은 이준희 에너지 및 화학공학부 교수진이 기존 반도체 공정에서 사용하고 있는 산화하프늄(HfO2)에서 메모리 용량을 1,000배 이상 높일 수 있는 새로운 특성을 찾아냈다고 3일 밝혔다.

현재 D램을 포함한 메모리 반도체는 메모리 소자 단위셀 크기가 10나노미터(nm, 10억분의 1미터) 수준에서 한계에 이른 상태다. 그런데 이번에 연구진이 찾아낸 산화하프늄의 새로운 특성을 활용하면 크기를 0.5나노미터까지 줄일 수 있다.

기존 반도체가 크기를 줄일 없는 이유는 10나노미터 이하로 반도체를 집적하면, 반도체에 저장한 데이터가 사라지기 때문이다. 메모리에 정보를 저장하는 능력은 물질 크기가 작아지면 약해지는데, 수십 나노미터 이하로 줄면 아예 사라진다. 이를 스케일현상이라고 한다.

연구진은 산화하프늄 반도체에 특정 전압을 가하면 원자를 스프링처럼 강하게 묶는 상호작용이 완전히 사라지는 새로운 물리현상을 발견했다. 전압이 원자 간 상호작용을 끊어, 마치 마치 진공에 있는 것처럼 만들어주는데, 연구진은 이를 이용해 반도체에 있는 산소원자 4개씩을 개별적으로 메모리 소자로 활용했다.

또 크기가 0.5나노미터인 개별 원자 4개 묶음에 정보를 저장해, 일반 반도체에서도 단일원자 수준으로 메모리를 만들 수 있음도 증명했다.

특히 산화하프늄은 현재 사용하는 실리콘 기반 반도체 공정에서 흔하게 사용하는 물질이다. 기존에 없던 새로운 물질을 찾아낸 것이 아니어서, 그만큼 기술 상용화도 매우 빠르게 진행될 것으로 기대된다.

게다가 이 반도체 물질은 강유전체 메모리(FRAM)로 전기 공급이 끊겨도 데이터를 저장할 수 있는 비휘발성 메모리다. 속도가 매우 빠르고 전기 소모가 적어 차세대 메모리로 기대가 크며, 전력 소모가 적다는 점이 IoT 시대에 적합한 메모리로 관심이 높다.

이준희 교수는 “초집적 반도체 분야에 세계에서 경쟁력을 확보하는데 중요한 기반이 될 수 있는 이론”이라며 “개별 원자에 정보를 저장하는 기술은 원자를 쪼개지 않을 경우 반도체 산업에서 최후의 저장 기술이 될 것”이라고 말했다.

이 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스(Science)'에 3일(한국시간 4시)에 게재됐다.