대구경북과학기술원(DGIST·총장 이건우)은 권혁준 전기전자컴퓨터공학과 교수 연구팀이 레이저를 활용해 산화물 반도체의 성능과 안정성을 동시에 높이는 기술을 개발했다고 11일 밝혔다. 연구팀은 단일 레이저 공정으로 반도체의 전류 흐름과 동작 특성을 정밀하게 제어하는 데 성공하며, 차세대 고집적·저전력 메모리 구현을 위한 새로운 가능성을 제시했다.
최근 인공지능(AI)과 고성능 컴퓨팅 기술의 발전으로 고집적·저전력 메모리의 중요성이 커지고 있다. 특히 커패시터 없이 두 개의 트랜지스터로 데이터를 저장하는 '2T0C DRAM'이 차세대 메모리 기술로 주목받고 있지만, 데이터를 안정적으로 읽어내기 위해서는 높은 전류 구동 성능과 동작 안정성을 동시에 확보해야 한다는 과제가 있었다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 차세대 메모리 소재로 주목받는 산화물 반도체 'IGZO(인듐·갈륨·아연 산화물)'에 주목했다. IGZO는 누설전류가 적고 반도체 제조 공정과의 호환성이 높지만, 동작 안정성을 높이면 전류 구동 성능이 저하되거나 전극 접촉 저항이 증가하는 한계가 있었다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 반도체 상부의 금속 게이트에 레이저를 선택적으로 조사하는 '국부 레이저 어닐링' 기술을 적용했다. 레이저로 발생한 열을 활용해 전류가 흐르는 '채널'의 결함을 줄이는 동시에, 전류가 드나드는 '전극 접촉부'의 저항을 낮추는 방식이다. 이를 통해 복잡한 추가 공정 없이 반도체의 성능과 안정성을 함께 개선할 수 있었다.
실제로 연구팀이 개발한 산화물 반도체 소자는 전극 접촉 저항이 약 59% 감소하고, 장시간 전압을 가했을 때 발생하는 문턱전압 변화도 83% 줄어드는 성과를 보였다. 또 높은 전자 이동도(37.9 cm2V-1s-1)와 안정적인 양의 문턱전압(0.27V)을 동시에 확보했다. 특히 2T0C DRAM의 읽기 동작을 모사한 실험에서는 데이터 '0'과 '1'을 구별하는 읽기 전류비가 10만 배 이상으로 나타났으며, 이를 1만 초 이상 안정적으로 유지해 차세대 메모리 소자로서의 활용 가능성을 확인했다.
권혁준 교수는 “단일 레이저 공정으로 산화물 반도체의 채널 계면과 전극 접촉부를 동시에 제어해, 기존에 상충관계에 있던 성능과 안정성을 함께 향상시켰다는 데 의미가 있다”고 밝혔다.
이번 기술은 향후 차세대 고밀도 메모리 소자의 성능과 신뢰성을 높이고, 산화물 반도체 제조 기술의 고도화를 위한 기반 기술로 활용될 전망이다. 아울러 온디바이스 AI 및 엣지 컴퓨팅과 초고해상도 확장현실 및 차세대 디스플레이 분야 연구에도 기여할 것으로 기대된다.
이번 연구는 권시현 석사과정생이 제1저자로, 권혁준 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 성과는 재료과학 분야 세계적 학술지인 '어드벤스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 게재됐다. 학술지 뒷표지(Back Cover) 논문으로 선정됐다. 연구는 삼성전자 산학 연구, 과학기술정보통신부 개인기초연구사업(핵심) 및 교육부 대학중점연구소지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
