최창환 교수팀, 3차원 플래시 메모리 소자의 다치화 가능한 강유전체 신소재 개발

전기전자기술자협회 초고밀도 집적회로 관련 심포지엄에 소개

 최창환 신소재공학부 교수와 구본철 박사과정 학생 연구팀이 3차원 플래시 메모리 소자의 고단화 및 저전력 문제를 해결할 수 있는 강유전체 신소재를 개발했다. 이번 연구는 기존 3D 플래시 메모리 소자들을 지속적으로 고단화하는 과정에서 해결해야 할 과제였던 ‘두께 줄이기’를 현실화할 수 있는 가능성을 내보였다는 점에서 높이 평가받는다.

현재 3차원 플래시 메모리 소자는 옥사이드, 나이트라이드, 옥사이드(ONO)로 구성된 박막 재료를 메모리 저장소로 사용한다. 이 박막은 20 nm 정도의 두께를 갖는다. 3D 플래시 메모리 소자의 성능 개선을 위해 지속적 고단화가 필요하다. 하지만 기존의 ONO 박막은 두께를 줄이기가 어렵고, 플래시 소자의 속도 개선과 저전력화가 쉽지 않다는 것이다. 또한 새로운 대체 박막 재료는 한 셀에 다양한 정보를 저장할 수 있는 다치화(MLC, Multi-level cell)의 어려움이 있어 신소재 개발이 필요하던 수준이었다.

이에 최 교수팀은 하프늄옥사이드(HfO2)에 알루미늄을 덧입힌 물질을 고속 급냉해, 강유전체의 특성이 극대화된 잔류 분극과 항전기장을 갖는 새로운 강유전체 박막을 형성했다. 이를 적용한 플래시 메모리 소자는 개선된 분극 특성으로 다치화가 용이하며, 게다가 10nm 이하로도 박막 두께를 구현할 수 있어 고집적에 바람직하다. 또한 박막 내부의 높은 응력과 변형을 통해 안정된 사방정계 상(Orthorhombic phase)을 유도하기 때문에 강유전체 특성이 향상됐다.

더군다나 하프늄옥사이드 소재는 로직 반도체 분야에서 이미 신뢰성이 검증된 물질이다. 반도체 제조사가 별도 설비 투자를 진행하지 않고도 이 물질을 활용해 새로운 낸드플래시를 제조할 수 있는 게 큰 장점이다.

이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터사업의 지원을 받아 한양대 송윤흡 융합전자공학부 교수팀과 공동으로 진행됐다. 지난 14일부터 6일간 열린 반도체 관련 세계적으로 권위 있는 학회인 전기전자기술자협회(IEEE)의 초고밀도 집적회로(VLSI) 관련 심포지엄에 소개됐다.  특히 기술위원회가 선정한 13개 ‘하이라이트’ 논문으로 채택돼 학회 미디어프레스에 소개되어 주목을 받았다.

올해로 40주년을 맞이한 Symposia on VLSI Technology and Circuits는 International Electron Device Meeting(IEDM)과 함께 반도체 분야에서 최고의 권위를 가진 학회다.  학회는 매년 반도체 기술 분야 최신 연구 내용을 발표하고 전 세계 반도체 기업과 학계에서 투고한 논문 중 가장 뛰어난 소수의 논문을 선정하고 있다.  이번 학회는 코로나 19로 인해 비대면 방식으로 진행됐고, 최근 10년간 열린 학회 중 가장 많은 논문이 투고됐다. 투고된 총 248건의 논문 중 86건이 논문으로 채택됐고, 이 가운데 대학교에서 작성된 논문은 29건에 불과했다.

최 교수는 “강유전체 구현 기술은 학계에서 트렌드로 떠오르는 기술” 이라며 “낸드플래시 고집적화에 활용될 차세대 하프늄옥사이드 소재를 세계에서 처음으로 범용과 가까운 수준으로 끌어올린 사례” 라고 전했다. 또한 “강유전체박막 재료 세션에 채택된 총 8편의 논문 중 기업 5편, 대학 3편이다. 국내 대학은 한양대 연구팀이 유일하다”며 “순수 대학연구로 발표하는 것은 매우 이례적이다. 이번 연구는 고단화와 다치화 구현이 가능한 강유전체 박막 기반 3차원 플래시 메모리소자 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.