반도체 메모리 용량 1,000배 향상시킬 산화하프늄의 신기능 발굴

□ 축구장 면적의 몇백 배 규모인 데이터센터의 효율을 근본적으로 높여 데이터센터의 크기를 크게 줄일 수 있도록 메모리 소재의 용량을 획기적으로 향상시킬 수 있는 연구 결과가 나왔다.

□ 울산과학기술원(총장 이용훈, 이하 UNIST) 에너지 및 화학공학부 이준희 교수팀이 메모리 소자의 용량을 1,000배 이상 향상시킬 수 있는 산화하프늄(HfO2)의 새로운 기능을 찾아내는데 성공했다.

◦ 이러한 연구결과는 10nm 수준에 멈춰선 메모리 소자의 단위셀 크기 한계를 단숨에 0.5nm까지 축소할 수 있는 새로운 페러다임의 메모리 소재 원리를 발견한 것이어서 의미가 크고, 본 이론을 적용하면 원자에 직접 정보를 저장해, 기존 메모리 소재로는 불가능하다고 여겼던 작은 크기의 반도체 뿐 아니라 초집적/초저절전 인공지능 반도체 구현에까지 이용될 수 있을 것으로 예상된다.

□ 과학기술정보통신부(장관 최기영, 이하 과기정통부)와 UNIST는 이번 성과가 세계적으로 저명한 국제학술지 사이언스(Science, IF 43.655)에 국내 이준희 교수팀 단독교신으로 7월 3일 4시(한국시간) 발표되었다고 밝혔는데, 순수 이론 논문이 사이언스에 게재되는 것은 극히 이례적인 예이다.

□ 기존에는 원자들 간 강한 탄성 상호작용으로 인해 원자 하나하나를 개별적으로 제어하는 것은 불가능하다고 알려져 있었는데, 반도체 공정이 수십 나노 공정*이하로 내려갈 경우 모든 반도체가 저장 능력을 상실하는 ‘스케일 현상**’을 피할 수 없다고 보았기 때문이다.

   * 현재의 메모리 공정은 강유전체 메모리(FeRAM) 공정은 약 20나노, 플래쉬 메모리 공정은 10나노 선폭에서 멈춰있는 실정

   ** 정보 저장 및 처리 등 물질이 가진 능력이, 물질의 크기가 작아지면 약해지다가, 수십 나노미터 영역 이하로 작아지면 아예 사라지는 현상

□ 하지만, 이준희 교수 연구팀은 산화하프늄(HfO2)이라는 반도체에 특정 전압을 가하면 원자를 스프링처럼 강하게 묶던 상호작용이 완전히 사라지는 새로운 물리현상을 발견했다. 

  ◦ 전압이 원자들 사이 상호작용을 끊어주는 자연차폐막이 형성되는 현상을 이용해 마치 진공에 있는 것처럼 반도체 안에 존재하는 산소원자 4개씩을 개별적으로 스위칭하여 메모리 소재로 응용할 수 있음을 입증해 낸 것이다.

  ◦ 또한, 정보저장을 위해서 적어도 원자 수천 개 이상이 모여 만든 수십 나노미터 크기의 도메인*이 필요하다는 기존 이론과는 달리,

   * 1비트의 정보를 저장하기 위한 물질 내의 최소 크기 영역(보통 수십~수백 나노미터).

  ◦ 도메인 없이 0.5 나노미터에 불과한 개별 원자 4개 묶음에 정보를 저장, 일반 반도체에서도 단일원자 수준의 메모리를 구현할 수 있음도 입증하였다.

이미지 제공 : 과학기술정보통신부

□ 특히 산화하프늄(HfO2) 이라는 산화물은 기존의 실리콘 기반 반도체 공정에서 이미 흔하게 사용되는 물질이어서, 원자 이론의 상업화 적용 가능성이 높고 파급력도 클 것으로 기대된다.

  ◦ 이준희 교수는 “향후 초집적 반도체 분야에 세계적 경쟁력을 확보하기 위한 중요한 기반이 될 수 있는 이론으로, 개별 원자에 정보를 저장하는 기술은 원자를 쪼개지 않는 한, 현 반도체 산업의 마지막 집적 저장 기술이 될 확률이 높다” 고 연구의 파급력을 설명했다.

□ 본 연구수행은 과학기술정보통신부가 계산과학 등 新연구방법론으로 새로운 물성과 기능을 구현하는 신소재 개발 추진하는 “미래소재디스커버리사업” 및 데이터 집약형 공학·과학분야 문제해결을 지원하는 “국가초고성능컴퓨팅 센터”의 지원 등으로 이루어졌다.

 ※ 논문명 : Scale-free ferroelectricity induced by flat phonon bands in HfO2

 ※ 저자 : 이준희 교수(교신저자), 이현재, 이민성, 이경준, 조진형, 양혜미, 김윤겸, 채승철 교수, Umesh Waghmare 총 9명

□ 한편, 과기정통부는 디지털 뉴딜과 연계하여 ‘소재연구데이터 플랫폼 구축’ 사업을 추진 할 예정으로(3차 추경 등), 향후 데이터 기반 소재 연구가 더욱 활성화 되도록 지속적으로 지원할 계획이다.

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