반도체 집적도 1000배 향상 가능한 원리 제시…이준희 UNIST 교수팀

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이준희 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수
<이준희 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수>

차세대 메모리 반도체 집적도를 1000배 이상 향상할 수 있는 이론과 소재가 제시됐다.

이준희 울산과학기술원(UNIST) 교수팀은 원자 간 탄성 작용을 상쇄하는 물리 현상을 발견하고 이를 반도체에 적용하는 이론을 제시했다고 2일 밝혔다.

연구 결과는 1일(현지시간) 세계 국제학술 권위지 '사이언스'에 실렸다. 사이언스에 순수 이론 논문이 게재되는 경우는 극히 드문 사례다. 국내 연구팀 단독 교신으로 진행한 이 연구는 이론의 엄밀성과 독창성, 산업 파급력을 인정받았다.

반도체업계는 소자 성능 향상을 위해 미세화를 통한 단위 면적당 집적도를 높여 왔다. 그러나 데이터를 저장하기 위해서는 탄성으로 연결된 수천개의 원자 집단인 '도메인'을 반드시 필요로 하는 등 일정 수준 이하로 크기를 줄일 수 없는 제약 사항이 있었다.

반도체 소자가 한계 수준 이하로 작아지면 정보 저장 능력이 사라지는 '스케일링' 현상이 발생하기 때문이다. 이렇게 되면 반도체의 작동 기본 원리인 0과 1을 제대로 구현할 수 없다.

이 교수팀은 '산화하프늄(HfO₂)'이라는 반도체 소재의 산소 원자에 전압을 가하면 원자 간 탄성이 사라지는 물리 현상을 새롭게 발견하고 반도체에 적용, 저장 용량 한계 돌파에 성공했다.

이 현상을 적용하면 개별 원자를 제어할 수 있고 산소 원자 4개에 데이터(1비트) 저장이 가능해져 데이터 저장을 위해 수십 나노미터(㎚) 크기의 도메인이 필요하다는 업계 통념을 뒤집었다.

연구팀이 제시한 단일 원자에 데이터를 저장하는 메모리(오른쪽)와 수천 개의 원자 집단인 도메인을 사용해 데이터를 저장하는 메모리 비교(왼쪽)
<연구팀이 제시한 단일 원자에 데이터를 저장하는 메모리(오른쪽)와 수천 개의 원자 집단인 도메인을 사용해 데이터를 저장하는 메모리 비교(왼쪽)>

산화하프늄은 현재 메모리 반도체 공정에서 흔히 사용하는 소재로, 이 현상을 적용할 경우 스마트폰과 태블릿 등 다양한 제품의 메모리 성능을 한층 끌어올릴 수 있다.

특히 연구팀은 이번 연구 결과를 적용하면 반도체 소형화 시 저장 능력이 사라지는 문제점도 발생하지 않아 현재 10㎚ 수준에 머물러 있는 반도체 공정을 0.5㎚까지 미세화할 수 있어 메모리 집적도가 기존 대비 약 1000배 이상 향상될 것으로 예상했다.

이 교수는 “개별 원자에 정보를 저장하는 기술은 원자를 쪼개지 않는 범위 안에서 최고의 집적 기술”이라면서 “이 기술을 활용하면 반도체 소형화가 더욱 가속될 것으로 기대된다”고 말했다.

한편 이번 연구는 지난해 12월 삼성미래기술육성사업 과제로 선정돼 연구 지원을 받고 있으며, 과학기술정보통신부 미래소재디스커버리 사업 지원도 받았다.

삼성미래기술육성사업은 국가 미래 과학기술 연구 지원을 위해 2013년부터 10년 동안 1조5000억원을 지원할 예정이다. 지금까지 589개 과제에 7589억원의 연구비를 집행했다.

연구팀이 제시한 단일 원자에 데이터를 저장하는 메모리(위)와 수천 개의 원자 집단인 도메인을 사용해 데이터를 저장하는 메모리 비교(아래)
<연구팀이 제시한 단일 원자에 데이터를 저장하는 메모리(위)와 수천 개의 원자 집단인 도메인을 사용해 데이터를 저장하는 메모리 비교(아래)>

권건호기자 wingh1@etnews.com