포스텍, 플래시 메모리 한계 뛰어넘는 '강유전체 메모리' 개발

기존 메모리보다 전압 4배 낮아
1억번 반복동작에도 안정적

이장식 포스텍 교수 [사진제공=포스텍]

기존 플래시 메모리보다 4배 이상 낮은 전압에서 작동하면서도 성능은 훨씬 강한 신개념 메모리가 등장했다.

14일 포항공과대학교(포스텍)은 이장식 신소재공학과 교수 연구팀이 하프늄(Hafnium)의 산화물인 '하프니아' 기반 강유전체와 산화물 반도체를 이용하여 강유전체 메모리를 구현하는 방법을 제시했다. 강유전체 메모리란 강유전체 물질의 분극 현상을 이용하여 만든 비휘발성 메모리로, 기존 플래시 메모리보다 빠른 속도로 읽기나 쓰기를 할 수 있다.

지금까지 차세대 강유전체 메모리는 강유전 물질의 분극 현상을 활용해 정보를 저장하기 때문에 플래시 메모리에 비해 낮은 작동 전압에서 빠르게 동작 가능하다는 점에서 주목받아 왔다. 하지만 높은 열처리 온도, 불안정한 동작 특성, 기존 반도체 공정과의 호환성 문제 등이 상용화의 발목을 잡았다. 현재 가장 많이 사용되는 낸드 플래시는 높은 전압에서 동작하는 데다 속도가 느리고 반복적인 동작에 취약하다는 문제가 있다.

연구팀은 하프니아 기반 강유전체와 산화물 반도체를 활용해 이런 한계를 돌파했다. 새로운 소재와 구조를 통해 낮은 작동 전압과 빠른 동작 속도를 확보하고, 산화물 반도체를 채널 물질로 사용해 공정온도를 낮추고 계면층 형성을 억제해 높은 동작 안정성을 구현했다. 그 결과, 기존 플래시 메모리보다 4배 이상 낮은 전압에서 작동하면서 수백 배 이상 빠른 동작 속도, 1억 번의 반복적인 동작에도 안정적인 특성을 보이는 것을 확인했다. 특히, 강유전체 물질과 산화물 반도체를 원자층 증착(atomic layer deposition) 방식으로 적층하여 3차원 소자 제작에 적합한 공정 기술을 확보했다. 또한, 기존 플래시 메모리 소자 제작보다 훨씬 간단한 공정으로 400°C 이하에서 고성능 소자 제작이 가능함을 제시했다. 관련 내용들은 국내 특허 출원이 완료되었고, 해외 특허 출원을 준비하고 있다.

연구를 주도한 이장식 교수는 "이번 연구 결과는 기존 3차원 낸드 플래시 메모리의 한계를 돌파할 수 있는 차세대 고집적·고성능 메모리를 구현하기 위한 기반 기술을 확보하고, 그 가능성을 직접 확인했다는 데 큰 의미가 있다"며 "이러한 기술은 고성능, 고집적 메모리 소자뿐만 아니라 향후 자율주행자동차, 인공지능 등에 필수적인 초저전력·초고속 고집적 유니버설 메모리와 인메모리 컴퓨팅에 적용할 수 있다"고 말했다.

한편 이번 연구 성과는 국제학술지 '사이언스 어드밴스(Science Advances)'에 지난 14일 게재됐다.

[이종화 기자]

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