저장 능력 소멸 없이도 ‘반도체 집적도 1000배’ 높이는 이론 나왔다

오세은 기자 입력 : 2020.07.03 04:00 |   수정 : 2020.07.03 04:00

UNIST 이준희 교수팀 연구성과 ‘사이언스’ 발표

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[뉴스투데이=오세은 기자] 반도체 집적도를 1000배 이상 향상해도 저장 능력이 소멸하지 않는 이론과 소재가 나왔다.  반도체 소자가 한계 수준 이하로 작아지면 정보를 저장하는 능력이 사라지는 ‘스케일링’(Scaling) 현상 발생에 따른 문제를 해결할 수 있는 실마리가 나온 것이다. 

 

이 연구의 이론과 소재 발견은 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 이준희 교수팀이 발견했으며 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 시행됐다. 

 

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이준희 UNIST(울산과학기술원) 에너지 및 화학공학부 교수. [사진제공=삼성전자]
 

연구는 세계적인 학술지인 ‘사이언스’ 2일자 최신호에 게재됐다. 

 

■ 원자간 탄성 작용을 상쇄시키는 물리 현상을 발견해 반도체에 적용
 
반도체 업계는 그동안 소자의 성능을 향상시키기 위해 미세화 공정을 통해 단위 면적당 집적도를 높여 왔다. 그러나 데이터 저장을 위해서는 탄성으로 연결된 수천 개의 원자 집단인 ‘도메인’이 반드시 필요해 일정 수준 이하로는 크기를 줄일 수 없는 한계를 갖고 있었다.
 
반도체 소자가 한계 수준 이하로 작아지면 정보 저장 능력이 사라지는 ‘스케일링’ 현상이 발생하고, 이것이 발생하면 반도체의 기본 작동 원리인 0과 1의 완전한 구현이 어렵다.
 
이준희 교수 연구팀은 ‘산화하프늄(HfO₂)’이라는 반도체 소재의 산소 원자에 전압을 가하면 원자간 탄성이 사라지는 물리 현상을 새롭게 발견, 반도체에 적용해 저장 용량 한계를 돌파하는 데 성공했다.
 
이 현상을 적용하면 개별 원자를 제어할 수 있고 산소 원자 4개에 데이터(1bit) 저장이 가능해진다. 데이터 저장을 위해 수십 나노미터(nm, 1nm는 10억분 1m) 크기의 도메인이 필요하다는 업계 통념을 뒤집은 것이다.
 
■ 메모리 반도체 0.5nm까지 미세화 가능, 집적도 1000배 이상 향상 가능
 
산화하프늄은 현재 메모리 반도체 공정에서 흔히 사용하는 소재로, 이 현상을 적용할 경우 스마트폰·태블릿 등 다양한 제품의 메모리 성능을 한층 끌어올릴 수 있다고 삼성전자는 설명했다.
 
특히 연구팀에 따르면 이번 연구 결과를 적용하면 반도체 소형화 시 저장 능력이 사라지는 문제점도 발생하지 않는다. 따라서 현재 10nm 수준에 멈춰 있는 반도체 공정을 0.5nm까지 미세화할 수 있어 메모리 집적도가 기존 대비 약 1000배 이상 향상될 것으로 예상했다.
 
이준희 교수는 “개별 원자에 정보를 저장하는 기술은 원자를 쪼개지 않는 범위 내에서 최고의 집적 기술”이라며 “이 기술을 활용하면 반도체 소형화가 더욱 가속화할 것으로 기대된다”고 말했다.
 
이번 연구는 지난해 12월 삼성미래기술육성사업 과제로 선정돼 연구 지원을 받고 있으며 과학기술정보통신부 미래소재디스커버리 사업 지원도 받아 수행됐다. 삼성미래기술육성사업은 삼성전자가 2013년부터 10년간 1조5000억 원을 출연해 삼성미래기술육성재단과 삼성전자 미래기술육성센터를 설립하고 각종 과학기술을 육성·지원하는 프로그램이다.


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