국내 연구팀이 디지털 정보를 보다 효율적으로 저장할 수 있는 혁신 기술을 개발했다. 스마트폰 사진·영상·앱 등을 저장하는 장치에는 '낸드플래시 메모리(NAND Flash)'가 사용된다. 낸드플래시 메모리는 스마트폰과 SSD 등 저장장치에 필요한 반도체로 전원이 꺼져도 데이터가 사라지지 않는 비휘발성을 가졌다. 연구팀이 개발한 기술은 '보다 많은 정보를, 작은 공간에 담는다'를 핵심으로 초고용량 메모리 구현에 기여할 원천기술로 평가받는다.
BON 터널링층의 비대칭 에너지 장벽 구조 및 동작 원리 모식도. KAIST
KAIST는 전기 및 전자공학부 조병진 교수 연구팀이 머리카락보다 얇은 반도체 층에 새로운 소재를 적용해 전자의 이동에 따라 선택적으로 제어하는 '스마트 출입문' 구조를 구현, 3차원 V-낸드(3D V-NAND) 메모리의 고집적화 한계를 극복했다고 20일 밝혔다.
3차원 V-낸드는 데이터를 저장하는 반도체 셀을 위로 층층이 쌓아 보다 많은 정보를 저장할 수 있도록 하는 메모리 기술이다. 기존 메모리가 셀을 2차원 평면으로 배열하는 것과 구별된다.
먼저 연구팀은 데이터를 쓰고 지우는 과정에서 느려지는 속도와 신뢰성 훼손 등 고질적 문제를 신소재 '붕소 산질화물(Boron Oxynitride·BON)'로 해결했다.
그간 반도체 메모리에서 데이터가 드나드는 통로인 '터널링층(Tunneling Layer)'의 성능과 안정성을 동시에 확보하는 것은 난제로 꼽혔다.
터널링층은 메모리 셀 내부에서 전자가 이동하는 일종의 통로(절연층) 역할을 하고, 통로를 넓히고 좁히는 데는 기존에 실리콘 산질화물(SiON)이 쓰였다.
하지만 데이터를 지우기 위해 통로를 넓혔을 때는 저장된 데이터가 밖으로 빠져나가고, 반대로 입구를 좁히면 데이터 삭제 속도가 느려지는 '트레이드오프(Trade-off)' 현상으로 통로의 성능과 안정성을 동시에 확보하기 어려운 구조적 문제가 발생했다.
이는 메모리 셀 하나에 5bit 정보를 저장하는 차세대 펜타 레벨 셀(Penta-Level Cell·PLC) 기술을 구현하는 데 가장 큰 걸림돌로도 작용했다. PLC는 하나의 메모리 셀에서 32단계의 전압 상태를 구분해 데이터를 저장하는 방식으로 같은 크기의 메모리에서 보다 많은 정보를 저장할 수 있는 장점이 있다.
(왼쪽부터) 강대현 석박통합과정 학생, 조병진 교수. KAIST
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 기존 실리콘 기반 소재에서 벗어나 새로운 소재인 BON을 터널링층에 적용했다.
이 소재는 전하(hole)의 종류에 따라 문턱 높이가 달라지는 독특한 물리적 특성을 가졌다. 연구팀은 이를 활용해 데이터를 지울 때 필요한 전하는 쉽게 통과시키고, 저장된 데이터를 의미하는 전자(electron)는 밖으로 빠져나가지 못하도록 막는 '비대칭 에너지 장벽' 구조를 설계해 실리콘 산질화물을 이용할 때 겪었던 고질적 한계를 극복했다.
비대칭 에너지 장벽은 '들어올 때는 잘 열리고, 나갈 때는 굳게 닫히는' 흡사 스마트 출입문을 반도체 안에 구현한 것과 같은 원리다.
실제 BON 터널링층을 적용한 소자는 기존보다 데이터 삭제 속도가 최대 23배 향상되고, 수만 번의 반복 사용 후에도 성능 저하가 거의 없는 내구성을 보였다. 특히 연구팀은 32개의 미세한 전압 상태를 구분해야 하는 초고난도 '펜타 레벨 셀 동작'에서도 소자 간 데이터 분포를 3배 이상 정밀하게 제어하는 데 성공했다.
이는 논문 수준의 연구를 넘어 반도체 양산 공정에 개발한 기술을 즉시 적용 가능한 수준이라는 학계와 산업계의 평가다.
조 교수는 "이번 연구는 차세대 초고용량 메모리 제조에 바로 적용할 수 있는 독창적인 기술"이라며 "반도체 강국인 대한민국의 기술 초격차를 유지하는 데도 도움이 될 것으로 기대한다"고 말했다.
한편 이번 연구에는 전기 및 전자공학부 강대현 석박사통합과정생이 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 지난해 12월 9일 열린 반도체 분야 학술대회 '국제전자소자학회(IEDM)'에서 발표됐다.
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