원자반도체 개발 "메모리 용량 1000배 이상 높인다"

[아시아경제 황준호 기자] 원자에 직접 정보를 저장할 수 있는 기술을 국내 연구진이 개발했다. 10나노미터(10억분의 1m, nm) 수준에 멈춰선 메모리 소자 크기의 한계를 0.5nm 수준까지 축소하거나, 현존 가장 작은 메모리 소자 크기로 구성할 경우 저장용량이 1000배 이상 끌어올릴 수 있는 기술이다. 플렉서블 소자, 초집적·초저절전 인공지능 반도체 구현에 새로운 장이 열릴 것으로 예상된다.

이준희 울산과학기술원 에너지 및 화학공학부 교수의 연구팀은 산화하프늄(HfO2)을 활용해 원자 단위로 정보를 저장할 수 있는 반도체 기술을 개발해, 관련 연구 결과가 3일(현지시간) 국제 학술지 사이언스에 실렸다고 밝혔다.

산화하프늄으로 '원자 반도체' 개발

1비트를 저장할 때 수천개의 원자집단인 도메인(왼쪽)을 사용하지 않고 개별 원자들을 직접 제어해서 저장한다. 이에 따라 기존 메모리 1비트 면적에 수천개의 비트를 집적해서 사용할 수 있다. 미세 전극 기술이 따라올 경우 500Tb/cm2 에 해당하는 최종 집적도를 구현하는 반도체 안의 원자 메모리 구현이 가능하다.

사이언스에 순수 이론 논문이 실리는 것은 이례적인 일이다. 사이언스는 9개월 간의 오랜 리뷰를 통해 연구 결과를 검증했고 찬사와 함께 이 교수의 논문을 싣기로 결정했다. 현재 반도체의 한계를 넘어서는 핵심 기술이 될 수 있다는 점이 유효했던 것으로 보인다.

연구팀은 원자를 제어해 정보를 저장할 수 있다는 것을 증명했다. 연구팀은 산화하프늄(HfO2)이라는 반도체에 특정 전압을 가하면 스프링처럼 원자를 강하게 묶던 상호작용이 완전히 사라지는 새로운 물리현상을 발견했다. 이를 통해 단단한 반도체 속 원자(산소원자 4개씩)의 위치를 전압으로 제어할 수 있음을 확인했다.

전압을 자연차폐막으로, 반도체 속 산소 원자 4개씩 위치를 바꾸는 방법을 통해 정보를 저장하는 메모리 소자로 활용할 수 있다는 것을 입증한 것이다. 기존에는 원자들 간 강한 탄성 상호작용으로 인해 원자 하나하나를 개별적으로 제어하는 것은 불가능하다고 봤지만 이같은 고정관념을 깬 것이기도 하다.

크기를 줄이거나 용량을 1000배 이상 높일 수 있어

기존 메모리(왼쪽)는 원자간 스프링같은 상호작용으로 수십 나노미터 크기의 수천 개 원자집단(도메인)이 동시에 움직여야 비로소 1비트를 저장할 수 있다. 하지만 이번에 개발된 단일원자를 이용하는 원자 메모리(오른쪽)의 경우 특정 전압을 걸 때 원자 간의 탄성 상호작용이 완전히 소멸돼 개별 원자 묶음 (산소원자 4개) 에 개별적인 비트 저장이 가능하다.

연구팀은 이번 연구가 메모리 소자 크기의 한계를 깨거나, 현재 크기에서 용량이 1000배 늘어난 메모리 개발하는데 기여할 것으로 예상했다.

이 기술을 활용하면 10nm 수준에 멈춰선 메모리 소자의 단위셀 크기 한계를 단숨에 0.5nm(산소원자 4개 묶음)까지 축소할 수 있다. 아니면 0.1Tbit/㎠의 현 평면 메모리 집적화를 1000배 이상 끌어올려, 500 Tbit/㎠의 고집적화가 가능하다. 집적도는 ㎠ 면적당 몇 비트를 저장할 수 있느냐를 나타내는 단위다.

특히 현재 반도체 산업은 수십 나노미터 공정 이하로 내려갈 경우 모든 반도체가 저장 능력을 상실하는 스케일 현상으로 인해 한계를 맞은 상태였다. 현재 메모리 공정은 강유전체 메모리(FeRAM) 공정은 약 20nm, 플래쉬 메모리 공정은 10nm 선폭에서 더욱 작아지지 못하고 상황이었다.

이준희 교수는 "향후 초집적 반도체 분야에 세계적 경쟁력을 확보하기 위한 중요한 기반이 될 수 있는 이론으로 개별 원자에 정보를 저장하는 기술은 원자를 쪼개지 않는 한, 현 반도체 산업의 마지막 집적 저장 기술이 될 확률이 높다"고 말했다. 그는 이어 "논문이 출간될 때 다른 나라 산업계와의 경쟁을 피할 수 없게 되므로, 빠른 실증화, 상용화를 위한 정부, 기업들의 투자가 필요하다"라고 강조했다.