원자간 탄성 작용 상쇄하는 현상 발견
개별 원자에 데이터 저장하는 원리 제시
메모리 반도체 0.5nm까지 미세화 가능


울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 이준희 교수 연구팀이 차세대 메모리 반도체의 집적도를 1,000배 이상 높일 수 있는 이론과 소재를 제시했다.

이번 연구결과는 현지시각으로 2일, 미국 사이언스 지에 게재됐다.

반도체 업계에선 소자 성능을 높이기 위해 미세화를 통해 단위 면적당 집적도를 높여 왔다. 그러나 데이터 저장을 위해서는 탄성으로 연결된 수천 개의 원자 집단인 도메인이 필요해 일정 수준 이하로 크기를 줄일 수 없었다.

반도체 소자가 한계 수준 이하로 작아지면 정보를 저장하는 능력이 사라지는 스케일링(Scaling) 현상이 발생한다. 이 현상이 발생하면 반도체의 기본 작동 원리인 0과 1을 제대로 구현할 수 없다.

이준희 교수 연구팀은 산화하프늄(HfO₂)이라는 반도체 소재의 산소 원자에 전압을 가하면 원자간 탄성이 사라지는 물리 현상을 발견하고, 이를 반도체에 적용해 저장 용량 한계를 돌파하는 데 성공했다. 이 현상을 활용하면 개별 원자를 제어할 수 있고, 산소 원자 4개에 데이터(1bit) 저장이 가능해진다.

◇ 메모리 반도체 0.5nm까지 미세화, 집적도 1,000배 이상 향상

HfO₂는 메모리 반도체 공정에서 흔히 사용하는 소재로, 이 현상을 적용할 경우 스마트폰, 태블릿 등 다양한 제품의 메모리 성능을 끌어 올릴 수 있다.

연구팀은 이번 연구결과를 활용하면 반도체 소형화 시 저장 능력이 사라지는 문제점도 발생하지 않아 현재 10nm 수준에 멈춰 있는 반도체 공정을 0.5nm까지 미세화할 수 있어 메모리 집적도가 기존 대비 약 1,000배 이상 향상될 것으로 예상했다.

한편, 이번 연구는 지난해 12월, 삼성 미래기술육성사업 과제로 선정돼 연구 지원을 받고 있으며, 과학기술정보통신부 미래소재 디스커버리 사업 지원도 받아 수행됐다.