고려대 신창환 교수팀, D램 집적도 획기적으로 높이는 기술 개발 … "저전력·고효율 다 잡았다"

고려대학교는 전기전자공학부 신창환 교수 연구팀이 반도체 개발의 핵심 과제인 초미세·저전력·고효율 ‘세 마리 토끼’를 동시에 잡을 수 있는 ‘조성 비대칭 이중층 HZO(하프늄 지르코늄 산화물, HfZrO₂) 커패시터’ 핵심 기술을 확보했다고 28일 밝혔다.

차세대 메모리 소자의 집적도와 성능을 획기적으로 높일 수 있을 것으로 기대된다.

반도체는 크기가 작아질수록 유전율(외부 전기장에 대해 얼마나 쉽게 전기적으로 분극되는지를 나타내는 물리량)이 높은 소재가 필수적이다. 연구팀은 핵심 대체 소재로 꼽히는 하프늄 산화물(HfO₂)에 지르코늄(Zr)을 결합한 HZO 연구를 지난 수년간 선도해 왔다. HZO는 기존 부품에 손상을 주지 않으면서도 작은 공간에 더 많은 데이터를 안정적으로 담을 수 있는 차세대 초고유전율 소재로 주목받는다.

HZO는 직육면체 모양(o-phase), 정사각기둥 모양(t-phase)처럼 서로 다른 내부 결정형이 한쪽으로 치우치지 않고 공존하는 ‘상경계’일 때 성능이 극대화되는데, 이는 매우 불안정한 상태이기 때문에 이를 안정적으로 구현하는 게 학계의 오랜 과제였다.

연구팀은 강유전체(외부 전기장이 없어도 자발적인 분극을 가지며 전기장에 의해 분극 방향이 가역적으로 전환되는 물질)와 반강유전체(인접한 분극들이 서로 반대 방향으로 배열돼 전체 분극이 상쇄된 상태로, 특정 임계 전기장 이상에서 강유전 상태로 전이되는 물질)를 연속으로 증착한 ‘조성 비대칭 이중층’ 구조에서 답을 찾았다. 이 구조의 커패시터(반도체 제품 내부에서 전자를 잠시 보관해 데이터를 물리적으로 저장하는 부품 소자)에 전기장 처리를 가했을 때 소자가 스스로 최적의 상태를 찾아가며 성공적으로 안정화됐다.

저전력·고효율 구동의 가능성도 입증했다. 기존 ‘단일층 HZO 커패시터’는 최대 유전율을 끌어내기 위해 3볼트(V) 이상의 높은 전압이 필요했지만, ‘이중층 HZO 커패시터’는 같은 두께에서 2V의 저전압으로 세계 최고 수준인 약 52의 높은 유전율을 달성했다.

또한 상용 제품 구현을 위한 10억 번 이상의 전기장 사이클링 후에도 성능 저하 없는 우수한 내구성을 보였다.

신 교수는 “반도체 미세화의 한계를 소재 혁신으로 돌파했다. 메모리가 스스로 최적 상태를 찾아가게 만든 게 핵심 기술”이라며 “이번 연구 성과는 차세대 초미세 D램(동적 랜덤 액세스 메모리)과 저전력 연산 소자의 핵심 기술로 활용될 가능성이 매우 크다”고 말했다.

이번 연구는 융합공학 분야의 국제 저명 학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science·첨단과학)’에 지난달 9일 온라인 게재됐다. 김준석 학생이 제1저자, 신 교수가 교신저자로 각각 참여했다.

이번 연구는 산업통상부가 지원하는 반도체 전략 고도화 기술개발 사업(K-CHIPS) 및 과학기술정보통신부(MSIT) 산하 한국연구재단(NRF)의 집단연구지원사업 IRC의 지원을 받아 수행됐다.