반도체 50년 난제 풀렸다… 플래시 메모리 ‘전하 트랩’ 비밀 규명

비정질 실리콘 질화물(a-SiN)의 전하 안정화 원리 밝혀
네거티브-U 현상의 물질적 실체 제시

‘플래시 메모리’ 명령어로 제미나이가 생성한 이미지 [생성형 AI]

플래시 메모리(CTF)의 핵심 작동 원리이자 반도체 물리에서 수십 년간 풀리지 않았던 난제인 ‘전하 트랩(charge trap)’의 기원이 한국 연구자 주도로 규명됐다. 국제 공동연구팀은 전하 트랩이 특정한 종류의 원자 결함에서 생기는 것이 아니라, 비정질 물질 내부에서 일어나는 상호작용적·창발적(emergent) 현상임을 밝혀냈다. 이 연구는 비정질 물질의 전자구조 해석 방법을 근본적으로 전환시킨 성과라는 평가를 받는다.

삼성전자 반도체연구소 CSE(Computational Science & Engineering)팀 최운이 수석연구원, 정하웅 KAIST 물리학과 교수, 리차드 드론스코프스키 독일 아헨공대 교수 공동연구팀은 비정질 실리콘 질화물(a-SiN)에서 전하 트랩이 형성되는 근본 원리를 규명한 연구를 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 25일 발표했다.

기존 단일 결함 이론 한계 넘어

플래시 메모리는 전하를 물질 내부에 가둬 정보를 저장한다. 이때 전하가 저장되는 물질이 바로 비정질 실리콘 질화물이다. 그러나 전하 트랩이 왜 생기는지, 어떤 구조가 트랩 역할을 하는지에 대해서는 수십 년간 논쟁이 이어져 왔다. 기존 학계는 이 현상을 ‘실리콘 미결합 결함(Si-DB, dangling bond)’ 때문이라고 설명해왔다. 하지만 이 모델은 실험적 특징을 충분히 설명하지 못해 불완전한 모델이라는 지적이 많았다. 연구팀은 수백 개의 비정질 구조를 제일원리 계산으로 생성하고 분석한 결과, 전하 트랩은 단일 종류의 결함에서 발생하지 않고, 배위결함(coordination defects)이라 불리는 다양한 종류의 결함들이 전하를 주고받으며 상호작용한 결과로 형성된다는 사실을 밝혀냈다. 이는 기존 단일 결함 모델(Si-DB)과 대비되는 ‘상호작용 기반 메커니즘’으로, 새로운 트랩 이론 패러다임을 제시한 것이다.

네거티브-U 현상, 50년 만에 물질 차원에서 설명되다

연구팀은 또한 1975년 필립 앤더슨이 제안한 ‘네거티브-U(Negative-U)’ 개념을 비정질 실리콘 질화물 전자구조와 연결하는 데 성공했다. 네거티브-U는 전자가 서로 반발하지 않고 오히려 짝을 이뤄 안정화되는 역설적 현상으로, 앤더슨은 비정질 전자계 연구의 공헌을 인정받아 1977년 노벨물리학상을 수상했다. 그러나 그동안 네거티브-U가 실제 비정질 재료에서 어떻게 나타나는지에 대한 명확한 설명은 없었다. 이번 연구는 네거티브-U가 특정 종류의 결함 때문에 나타나는 것이 아니라, 다양한 종류의 배위결함들 사이의 전자를 주고 받는 상호작용을 통해 자연스럽게 나타나는 창발 현상임을 규명해, 반세기 논쟁의 핵심 질문에 물질적·화학적 답을 제시했다.

연구는 비정질 실리콘 질화물의 구조적 특징이 복잡계(complex system)의 성질을 지닌다는 사실도 밝혀냈다. 특히 질소보다 실리콘이 많은(Si-rich) 조성에서 Si-Si 결합 네트워크가 멱함수(power-law) 분포를 따른다는 사실이 확인됐다. Si-Si 결합 네트워크도 배위결함과 상호작용하며 트랩형성에 관여해서, 전하 트랩의 형성에 역할을 한다. 연구팀은 “비정질 물질은 무질서가 아니라, 상호작용과 통계적 규칙성이 공존하는 구조적 시스템”이라는 해석을 제시했다. 이는 비정질 재료 해석을 단일 결함 중심 모델에서 상호작용·창발 기반 모델로 확장한 연구로 평가된다.

최운이 삼성전자 수석연구원은 “이번 연구는 전하 트랩의 양자화학적 기원을 규명한 연구로, 기존 Si-DB 모델의 한계를 넘어서는 새로운 작동 원리와 지배법칙을 제시했다”며, “비정질 전자구조의 해석에 관한 새로운 이론적 프레임을 제시했다는 점에서 의미가 크다”고 말했다. 이어 “전하 트랩의 본질적 기원을 이해하게 되면서, 향후 반도체 신뢰성 향상 연구와 재료 특성 분석의 과학적 기반을 강화할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.