[뉴스폭탄=이호현 기자] 서울대학교 공과대학 재료공학부 박민혁 교수 연구팀이 0.6V의 낮은 전압에서 빠르게 동작하고 1조 회 반복 구동 후에도 정보 상태를 유지할 수 있는 강유전체 캐패시터를 개발했다.
▲ 왼쪽부터 교신저자인 박민혁 서울대 교수, 김호준 한양대 교수, 권대웅 한양대 교수, 제1저자인 박근형 서울대 반도체공동연구소 박사후연구원
이번 연구는 한양대학교, 포항가속기연구소, 삼성전자 연구진과 공동으로 수행됐으며, 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다.
기존 강유전체 메모리는 분극을 빠르게 전환하려면 전압을 높여야 하고 전압이 높아지면 반복 구동 수명이 짧아지는 '속도-수명 딜레마'를 겪어왔다. 연구팀은 원자층 증착법으로 질화티타늄(TiN) 전극의 결정 방향과 표면 특성을 조절하고 계면 산화를 억제해 얇고 균일한 계면층을 형성하는 방식으로 계면 전압 손실을 줄였다.
그 결과 두께 5nm의 하프니아-지르코니아(HZO) 캐패시터에서 0.6V 전압으로 분극 전환을 구현했다. 전체 분극의 절반이 전환되는 시간은 0.6V에서 약 40ns(나노초), 1V에서 약 8ns였으며, 분극 감소 20% 미만 기준 내구성은 0.6V에서 6000억 회, 1V에서 1조 회를 기록했다.
연구팀은 DRAM과 유사한 '1T-1C(1트랜지스터-1캐패시터)' 구조를 바탕으로 공통 플레이트 강유전체 메모리(CP-FeRAM)를 제안하고 컴퓨터 회로 모사와 시험 어레이를 통해 동작 안정성을 확인했다. 잔류 분극을 활용하면 주기적으로 전하를 다시 채우는 리프레시 부담을 덜고 소자 크기를 줄이면서도 충분한 읽기 신호를 확보할 수 있다.
박민혁 교수는 "낮은 전압으로 빠르게 동작하면서도 오랫동안 반복해 사용할 수 있는 메모리를 만드는 것은 중요한 과제"라며 "이번 연구는 전극과 계면 설계를 통해 이 세 가지 특성을 함께 확보하고, 강유전체 메모리의 오랜 핵심 난제였던 속도와 수명의 상충관계에 해법을 제시했다는 데 의미가 있다"고 말했다.
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