한양대학교 연구팀이 순수 이산화규소(SiO₂)를 활용한 선택 소자를 개발하고 동작 원리를 규명했다. 차세대 고집적 메모리 구조에서 요구되는 안정성과 공정 호환성을 동시에 확보하는 기술로 평가된다.

한양대학교 박태주 교수 연구팀은 14일 순수 SiO₂ 기반 선택 소자를 구현하고, 해당 소자의 동작 원리를 규명했다고 밝혔다.

연구 결과는 CMOS(상보성 금속 산화물 반도체) 공정과의 호환성을 갖춘 구조로, 차세대 메모리 및 컴퓨팅 기술에 적용 가능성을 제시했다고 설명했다.

■ SiO₂ 기반 선택 소자 구현

최근 반도체 업계에서는 데이터 처리량 증가에 대응하기 위해 3차원 구조 메모리 기술이 활용되고 있다.

이 중 크로스바 어레이(crossbar array)는 높은 집적도를 구현할 수 있는 구조로 꼽히지만, 선택되지 않은 셀로 전류가 흐르는 ‘스니크 패스’ 문제가 발생해 안정적 동작에 한계가 있다는 지적이 있다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 전류 흐름을 제어하는 선택 소자에 주목했다.

기존 칼코게나이드 기반이나 금속 이온 복합 산화물 소재와 달리, 반도체 공정에 널리 사용되는 절연체인 SiO₂를 활용했다.

원자층 증착법(ALD)을 통해 상·하부 TiN 전극 사이에 약 5nm 두께의 SiO₂ 박막을 형성했으며, 특정 전압 이상에서만 전류가 흐르는 ‘문턱 스위칭’ 특성이 나타나는 것을 확인했다.

해당 소자는 약 400ns 수준의 스위칭 속도와 10?회 이상의 내구성을 보였으며, 300℃ 이하 공정에서도 제작이 가능하고 열처리 이후에도 안정성을 유지한 것으로 나타났다.
 

■ 산소 공공 기반 동작 메커니즘 규명

연구팀은 소자 구현과 함께 동작 메커니즘 분석도 진행했다.

계면 구조와 전기적 특성 분석을 통해 SiO₂ 내부의 산소 공공(oxygen vacancy)이 문턱 스위칭 특성 형성에 주요 요인으로 작용한다는 점을 확인했다.

특히 전기적 형성 과정에서 산소 공공의 분포와 전하 상태가 변화하며 전류가 급격히 증가하는 현상이 관찰됐다고 밝혔다. 이러한 결과는 산소 공공의 상태를 조절함으로써 소자의 동작 전압을 제어할 수 있음을 시사한다고 연구팀은 설명했다.

이번 연구는 SK하이닉스와의 산학협력을 통해 수행됐으며, 한국연구재단과 한국기초과학지원연구원의 지원을 받아 진행됐다.

연구 성과는 국제 학술지 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’에 4월1일 게재됐고, 표지 논문으로 선정됐다.