이준희 교수팀, 산화하프늄 신기능 발굴…초집적 AI 반도체 구현 기대

원자 상호작용 소멸로 원자 4개당 1비트 저장…반도체 메모리 용량 1천배 향상

[뉴스토마토 김동현 기자] 울산과학기술원(UNIST) 에너지·화학공학부 이준희 교수팀은 메모리 소자의 용량을 1000배 이상 높여 산화하프늄(HfO2)의 새로운 기능을 찾는데 성공했다. 이 연구결과는 10㎚ 수준의 메모리 소자 단위셀 크기 한계를 0.5㎚까지 축소했다. 이 이론을 적용하면 원자에 직접 정보를 저장해 기존 메모리 소재로 불가능하다고 여겨지던 작은 크기의 반도체뿐 아니라 초집적·초저절전 인공지능(AI) 반도체 구현에도 이용될 것으로 예상된다.

 

과학기술정보통신부와 UNIST는 이번 성과가 국제학술지 사이언스에 국내 이준희 교수팀 단독교신으로 3일 4시(한국시간)에 발표됐다고 밝혔다.

 

이번에 개발한 단일원자를 이용한 원자 메모리(사진 오른쪽)의 경우 특정 전압을 걸 때 원자 탄성 상호작용이 완전히 소멸돼 개별 원자 묶음(산소원자 4개)에 개별적 비트 저장이 가능하다. 사진/과기정통부

 

기존에는 원자 간 강한 탄성 상호작용으로 원자 하나하나를 개별적으로 제어하는 것은 불가능하다고 알려졌다. 반도체 공정이 수십 나노 공정 이하로 내려갈 경우 모든 반도체가 저장 능력을 상실하는 '스케일 현상'을 피할 수 없다는 인식 때문이다.

 

그러나 이준희 교수 연구팀은 산화하프늄이라는 반도체에 특정 전압을 가하면 원자를 강하게 묶던 상호작용이 완전히 사라지는 새로운 물리현상을 발견했다. 전압이 원자 사이 상호작용을 끊는 자연차폐막을 형성하는 현상을 이용해 진공에 있는 것처럼 반도체 안에 존재하는 산소 원자 4개씩을 개별적으로 스위칭해 메모리 소재로 응용할 수 있음을 입증했다.

 

자연 차폐막이 원자 간 상호작용을 소멸시켜 개별 산소원자 4개 묶음이 완전히 진공에서처럼 독립적으로 움직여 1비트를 저장할 수 있다(사진 위). 사진/과기정통부

 

또한 도메인 없이 0.5㎚에 불과한 개별 원자 4개 묶음에 정보를 저장해 일반 반도체에서도 단일 원자 수준의 메모리를 구현할 수 있음도 입증했다. 도메인이란 1비트 정보를 저장하기 위한 물질 내 최소 크기 영역으로, 기존에는 보통 수십~수백㎚가 필요한 것으로 평가받았다.

 

특히 산화하프늄이라는 산화물은 기존 실리콘 기반 반도체 공정에서 흔하게 사용되는 물질이어서 원자 이론의 상업화 가능성도 클 것으로 기대된다. 이준희 교수는 "향후 초집적 반도체 분야에 세계적 경쟁력을 확보하기 위한 중요한 기반이 될 이론"이라며 "개별 원자에 정보를 저장하는 기술은 원자를 쪼개지 않는 한, 현 반도체 산업의 마지막 집적 저장 기술이 될 확률이 높다"고 설명했다.

 

이번 연구수행은 과기정통부의 '미래소재디스커버리사업'과 '국가초고성능컴퓨팅 센터'의 지원 등으로 이뤄졌다. 과기정통부는 디지털 뉴딜과 연계해 '소재연구데이터 플랫폼 구축' 사업을 추진할 계획으로, 향후 데이터 기반 소재 연구가 활성화하도록 지원할 예정이다.

 

김동현 기자 [e-mail]