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반도체 메모리 용량 1천 배 향상시킬 산화하프늄의 신기능 발굴

원자간 상호작용 소멸로 원자 4개당 1bit 저장, 500TB 급 반도체 가능성 제시

반도체 메모리 용량 1천 배 향상시킬 산화하프늄의 신기능 발굴
단일 원자 메모리와 기존 원자집단 (도메인) 메모리 원리 비교


[산업일보]
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(이하 UNIST) 에너지 및 화학공학부 이준희 교수팀이 메모리 소자의 용량을 1천 배 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.

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

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 스위칭해 메모리 소재로 응용할 수 있음을 입증해 낸 것이다.

또한, 정보저장을 위해서 적어도 원자 수천 개 이상이 모여 만든 수십 나노미터 크기의 도메인이 필요하다는 기존 이론과는 달리, 도메인 없이 0.5나노미터에 불과한 개별 원자 4개 묶음에 정보를 저장, 일반 반도체에서도 단일원자 수준의 메모리를 구현할 수 있음도 입증했다.

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.
김진성 기자 weekendk@kidd.co.kr

안녕하세요~산업1부 김진성 기자입니다. 스마트공장을 포함한 우리나라 제조업 혁신 3.0을 관심깊게 살펴보고 있으며, 그 외 각종 기계분야와 전시회 산업 등에도 한 번씩 곁눈질하고 있습니다.

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