저전력 메모리 속도·한계 돌파구···초저전압 강유전체 소자 개발

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 저전력 메모리 구현의 속도와 수명 한계를 동시에 극복할 돌파구를 제시했다. 박민혁 서울대 재료공학부 교수 연구팀은 0.6볼트(V)의 낮은 전압에서도 빠르게 동작하고, 1조 번의 반복 구동 후에도 절연 파괴 없이 정보 상태를 구분할 수 있는 강유전체 캐패시터를 개발했다. 국내 연구진의 증명사진.(왼쪽부터)박민혁 서울대 교수, 김호준 한양대 교수, 권대웅 한양대 교수, 박근형 서울대 반도체공동연구소 박사후연구원.(사진=서울대)이번 성과는 빠른 동작과 긴 수명을 동시에 확보하기 어려웠던 강유전체 메모리의 오랜 난제에 해법을 제시했다는 점에서 의미가 있다. 연구팀은 전극과 강유전체가 맞닿는 계면을 정밀하게 설계해 낮은 구동 전압과 빠른 분극 전환, 높은 반복 구동 안정성을 함께 확보했다. 이를 바탕으로 DRAM과 유사한 구조의 차세대 저전력 메모리에 활용할 가능성을 제시했다. 최근 인공지능(AI) 서버와 휴대폰에서 처리하는 데이터가 늘면서 메모리의 성능과 전력 효율을 함께 높이는 기술의 중요성이 커지고 있다. AI 서버에 쓰이는 고대역폭 메모리(HBM)와 스마트폰 등 모바일 기기에 쓰이는 저전력 DRAM 규격인 LPDDR에서도 전력 효율은 핵심 과제로 꼽힌다. 고속 휘발성 메모리인 DRAM은 캐패시터에 전하를 저장해 정보를 기억하지만, 시간이 지나면 전하가 새어 나가기 때문에 정보를 유지하려면 주기적으로 전하를 다시 채워 넣어야 한다. 이 과정은 메모리의 전력 소모와 동작 효율에 영향을 준다. 이와 달리 강유전체 메모리는 물질 내부의 전기적 방향인 ‘분극’을 이용해 정보를 저장한다. 분극의 두 방향을 디지털 정보 ‘0’과 ‘1’에 대응시키고, 외부 전기장을 없앤뒤에도 분극이 남는 ‘잔류 분극’에 기반한 비휘발성 특성을 활용해 전력 부담을 줄일 수 있다. 이번 연구에 사용된 하프니아-지르코니아(HZO)는 산화하프늄과 산화지르코늄을 조합한 강유전체 소재다. 산화하프늄은 트랜지스터의 전류를 제어하는 게이트의 절연막에, 산화지르코늄은 DRAM에서 전하를 저장하는 캐패시터의 절연막에 사용되는 등 두 산화물 모두 반도체 양산 현장에서 활용돼 왔다. HZO는 기존 반도체 제조 공정과의 호환성이 높고, 원자층 증착법으로 수 나노미터 두께의 균일한 박막을 만들 수 있다. 전극·계면 설계로 저전압 동작을 구현한 강유전체 캐패시터와 DRAM급 차세대 메모리 응용 개념을 형상화한 이미지.(자료=서울대...