한양대 송윤흡·박진성 교수 연구팀, 세계 최초 차세대 3D NAND Flash 성능 혁신 구조 개발

(좌측부터) 송윤흡 교수, 박진성 교수, 황태원 박사과정생, 신정민 석사과정생

한양대학교 융합전자공학부 송윤흡 교수와 신소재공학부 박진성 교수 연구팀이 세계 최초로 차세대 3D NAND Flash 메모리의 성능과 신뢰성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 새로운 하이브리드 채널(Hybrid-Channel, HC) 구조와 신규 계면 물질을 개발했다고 29일 밝혔다.

3D NAND Flash는 초고집적 메모리 시장을 선도하는 핵심 기술이지만, 기존 Poly-Si(다결정 실리콘) 채널은 전자 이동도가 낮아 성능 개선이 쉽지 않았다. 이를 대체하기 위해 HC 구조 연구도 제시되었지만, 산화물 반도체의 결정화 과정에서 계면 산화와 소자 변동성이 뒤따르는 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 Poly-Si와 ALD(원자층 증착법) 기반 산화물 반도체(In-Ga-O, IGO) 채널 사이에 초박막 Ga₂O₃ 또는 Al₂O₃ 계면층을 삽입하는 새로운 HC 구조를 고안했다. 그 결과, Poly-Si 계면 손실을 기존 5nm에서 1.7nm로 줄이고, 계면 산화 성장을 7.4nm에서 2.5nm로 억제하는 데 성공했다. 이를 통해 문턱 전압 변동이 절반 수준으로 개선됐으며, 셀 전류 밀도와 이동도가 크게 향상됐다. 특히 전계 효과 이동도는 100cm²/V·s 이상을 기록하며 차세대 메모리 소자로서의 가능성을 입증했다.

이번 성과는 단순히 3D NAND Flash 셀에서 고이동도 채널을 확보하는 수준을 넘어, 수직 3차원 트랜지스터 채널에 산화물 반도체를 접목해 저전력·고성능 소자를 구현할 수 있는 기반 기술을 마련한 것이다. 향후 고성능 선택소자와 로직 소자 개발로까지 확장될 수 있으며, 차세대 3차원 반도체의 핵심 기술로 자리 잡아 고집적·초고속·저전력 메모리 및 파운더리 산업 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.

연구팀은 “이번 성과는 세계 최초로 신개념 채널 구조와 물질 조합을 실험적으로 검증한 결과라는 점에서 의미가 크다”며, “초고집적·고성능 메모리를 요구하는 미래 반도체 산업에 새로운 돌파구를 열 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 삼성전자와 한국연구재단 혁신연구선도센터의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 소재 분야 세계적 학술지 『Advanced Functional Materials』(IF=19.0) 9월 온라인 게재됐다.

해당 논문
「Enhanced Device Characteristics of Hybrid-Channel (Poly-Si/IGO) Structures with Ga2O3andAl2O3Interlayersby Suppressing Oxidation-Induced Variabilityfor Ultra-High-Density 3D NAND Flash Memory Applications」

에는 한양대 황태원 박사과정생(신소재공학부)과 신정민 석사과정생(융합전자공학부)이 공동 제1저자로, 송윤흡 교수와 박진성 교수가 공동 교신저자로 참여했다.

김나혜 인턴기자 kim.nahye1@joongang.co.kr