반도체 집적도 1천배 향상 가능한 원리 찾았다

이준희 UNIST 교수 연구팀, 원자간 탄성 작용 상쇄 물리 현상 발견

울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 이준희 교수 연구팀이 차세대 메모리 반도체 집적도를 1천배 이상 향상시킬 수 있는 원리를 알아냈다.

3일 삼성전자는 삼성미래기술육성사업이 지원한 이준희 교수 연구팀이 반도체 소재 '산화하프늄(HfO₂)'의 산소 원자에 전압을 가하면 원자간 탄성이 사라지는 물리 현상을 발견, 이를 반도체에 적용해 저장 용량 한계를 돌파하는 데 성공했다고 밝혔다.

산화하프늄은 현재 메모리 반도체 공정에서 흔히 사용하는 소재로, 이를 응용할 경우 스마트폰, 태블릿PC 등 다양한 제품의 메모리 성능을 대폭 개선할 수 있어 산업계에 미치는 파장이 클 것으로 예상된다.

이준희 UNIST 교수. (사진=삼성전자)

특히, 이번 연구 결과는 반도체 소형화시 저장능력이 사라지는 문제점도 발생하지 않아 현재 10나노미터(1nm=10억분의 1미터) 수준에 멈춰 있는 반도체 공정을 0.5나노미터까지 미세화할 수 있어 메모리 집적도가 기존 대비 1천배 이상 향상될 것으로 기대된다.

반도체 업계에서는 그간 소자의 성능을 향상시키기 위해 미세화를 통한 단위 면적당 집적도를 높여왔다.

하지만, 데이터 저장을 위해서는 탄성으로 연결된 수천 개의 원자 집단인 '도메인'이 필요해 일정 수준 이하로 크기를 줄일 수 없는 제약사항이 존재했다.

이는 반도체 소자가 한계 수준 이하로 작아지면 정보를 저장하는 능력이 사라지는 '스케이링(Scaling)' 이슈가 발생하기 때문으로, 반도체의 기본 작동원리인 '0'과 '1'을 제대로 구현할 수 없었다.

(자료=삼성전자)

이준희 교수는 "개별 원자에 정보를 저장하는 기술은 원자를 쪼개지 않는 범위 내에서 최고의 집적 기술"이라며 "이 기술을 활용하면 반도체 소형화가 더욱 가속화될 것으로 기대된다"고 전했다.

한편, 이번 연구는 지난해 12월 삼성미래기술육성사업의 과제로 선정, 과학기술정보통신부 미래소재디스커버리 사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 2일(미국 현지시간) 세계적인 학술지 '사이언스'에 게재됐으며, 이론적 엄밀성과 독창성, 산업적 파급력을 인정받았다.