전기전자공학부 신창환 교수 연구진 성과

강유전체·반강유전체 결합한 '이중층 구조'로 HZO 소자 불안정성 해결

 
국내 연구진이 반도체 개발 연구의 핵심 과제인 초미세·저전력·고효율을 동시에 해결할 수 있는 기술을 개발했다.

고려대는 전기전자공학부 신창환 교수 연구팀이 차세대 메모리 소자의 집적도와 성능을 높이는 '조성 비대칭 이중층 HZO 커패시터'를 개발했다고 30일 밝혔다.


반도체 크기가 작아질수록, 물질이 외부 전기장에 대해 얼마큼 전기적으로 분극 되는지를 나타내는 지표인 '유전율'이 높은 소재가 필요하다. 연구진은 핵심 대체 소재로 꼽히는 하프늄 산화물에 지르코늄(Zr)을 결합한 HZO 연구를 진행해 왔다.

HZO는 기존 부품에 손상을 주지 않으면서도 작은 공간에 더 많은 데이터를 안정적으로 담을 수 있는 차세대 초고유전율 소재로 주목받는다. 이는 서로 다른 내부 결정형이 한쪽으로 치우치지 않고 공존하는 '상경계'일 때 성능이 극대화되지만, 매우 불안정한 상태가 지속된다는 한계가 있었다.

기존의 단일층 HZO 커패시터는 유전율의 최대치를 끌어내기 위해 3V 이상의 높은 전압이 필요했다. 반면 연구팀이 개발한 '이중층 HZO 커패시터'는 동일한 두께 및 2V의 저전압에서 세계 최고 수준인 약 52의 유전율을 달성했다. 특히 상용 제품 구현을 위한 10억 번의 전기장 사이클링 후에도 성능이 저하되지 않는 내구성을 보였다.


신창환 교수는 "반도체 미세화의 한계를 소재 혁신으로 돌파했고, 메모리가 스스로 최적 상태를 찾아가게 만든 것이 핵심"이라며 "이번 연구 성과는 차세대 초미세 디램(DRAM) 및 저전력 연산 소자의 핵심 기술로 활용될 가능성이 매우 크다"고 밝혔다.

이번 연구는 산업통상자원부 및 한국연구재단 사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)' 온라인에 지난달 9일 게재됐다.