고려대학교(총장 김동원) 전기전자공학부 신창환 교수 연구팀이 차세대 메모리 소자의 집적도와 성능을 크게 향상시킬 수 있는 '조성 비대칭 이중층 HZO 커패시터'의 핵심 기술을 확보했다.
(왼쪽부터)고려대 전기전자공학부 신창환 교수(교신저자), 김준석 학생(제1저자) 외 참여 연구진 (사진= 고려대 제공)
연구팀은 반도체 소형화에 필수적인 고유전율 소재로 하프늄 산화물에 지르코늄을 결합한 HZO를 오랜 기간 연구해 왔다. HZO는 기존 부품에 손상을 주지 않으면서도 한정된 공간에 더 많은 데이터를 안정적으로 저장할 수 있는 소재로 주목받고 있다. HZO의 성능은 내부 결정형이 한쪽으로 치우치지 않고 공존하는 상경계 상태에서 극대화되지만, 이 상태를 안정적으로 구현하는 것은 어려운 과제로 남아 있었다.
연구팀은 강유전체와 반강유전체를 연속적으로 증착한 조성 비대칭 이중층 구조를 도입해 이 문제를 해결했다. 이 구조의 커패시터에 전기장을 가하면 소자가 스스로 최적의 상태로 안정화되는 현상을 확인했다. 또한, 이중층 HZO 커패시터는 기존 단일층 제품보다 낮은 2V의 전압에서 약 52의 높은 유전율을 기록했으며, 10억 번이 넘는 전기장 사이클링 후에도 성능 저하 없이 우수한 내구성을 보였다.
신창환 교수는 소재 혁신을 통해 반도체 미세화의 한계를 극복했으며, 메모리가 스스로 최적 상태를 찾아가게 만든 점이 이번 연구의 핵심이라고 설명했다. 이 성과는 차세대 초미세 DRAM과 저전력 연산 소자 개발에 중요한 기술로 활용될 가능성이 높다고 밝혔다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)' 온라인판에 2월 9일 게재됐다. 본 연구는 산업통상자원부의 반도체 전략 고도화 기술개발 사업(K-CHIPS)과 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단의 집단연구지원사업 IRC의 지원을 받아 진행됐다.
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