UNIST 이준희 교수팀, 이론한계치 고집적반도체 기술 입증 ‘눈길’

최태우 기자 / 기사승인 : 2020-07-03 15:01:17
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이론상 메모리반도체 0.5나노까지 미세화, 집적도 1천배 향상 가능
▲ [source=intel newsroom]
[IT비즈뉴스 최태우 기자] 국내 연구진이 반도체 공정에 쓰이는 소재를 활용해 원자 4개에 1비트(bit)의 정보를 저장하고 손톱 크기에 500TB를 저장하는 고집적 반도체 구현 기술을 개발했다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 이준희 교수팀은 3일 국제학술지 ‘사이언스(Science)’에서 반도체에 널리 사용되는 산화하프늄에 전기를 가할 때 나타나는 원자간 상호작용이 사라지는 새로운 현상을 발견하고 이를 활용해 산소 원자 4개에 1비트를 저장할 수 있음을 입증했다고 밝혔다.

현재 실리콘 기반의 반도체 기술은 집적화 한계에 직면했다. 1비트 저장에 원자 수천개 이상이 결합한 수십~수백나노미터(nm) 크기의 도메인(domain)이 필요한 것으로 알려져 있다. 이 때문에 메모리 소자의 단위셀 크기는 10나노 수준에서 멈춘 상태다.

단위셀 크기를 줄이기 힘든 점은 반도체 공정이 수십 나노 이하로 내려가면 정보 저장, 처리 등 반도체 물질의 능력이 약화돼 모두 사라지는 스케일(scale) 현상이 발생하기 때문에 기본 작동원리인 0, 1을 제대로 구현할 수 없다.

이준희 교수팀은 산화하프늄(HfO₂)이라는 반도체 소재의 산소 원자에 전압을 가하면 원자간 탄성이 사라지는 물리 현상을 새롭게 발견하고, 반도체에 적용해 저장 용량 한계를 돌파하는 데 성공했다.

이를 적용하면 개별 원자를 제어할 수 있고 산소 원자 4개에 데이터(1bit) 저장이 가능해져, 데이터 저장을 위해 수십나노 크기의 도메인이 필요하다는 이론을 넘어선다.

▲ UNIST 이준희 교수팀이 개발한 원자 메모리반도체 개념도
산화하프늄은 현재 메모리 반도체 공정에서 흔히 사용하는 소재다. 이 현상을 적용할 경우 스마트폰, 태블릿 등 다양한 제품의 메모리 성능을 한층 끌어올릴 수 있어 산업계에 파급이 클 것으로 예상된다.

이준희 교수팀은 이번 연구 결과를 적용하면 반도체 소형화시 저장 능력이 사라지는 문제점도 발생하지 않아 현재 10나노 수준에 멈춰 있는 반도체 공정을 0.5나노까지 미세화 할 수 있다고 설명했다. 이론상 메모리 집적도가 기존 대비 약 1천배 이상 향상된다.

이준희 교수는 “개별 원자에 정보를 저장하는 기술은 원자를 쪼개지 않는 범위 내에서 최고의 집적 기술”이라며 “이를 활용하면 반도체 소형화 기술도 가속화 될 것으로 본다”고 말했다.

이번 연구는 삼성미래기술육성사업과 과학기술정보통신부의 ‘미래소재디스커버리사업·국가초고성능컴퓨팅 센터’ 등의 지원을 받아 수행됐다.

 

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