고려대, 반도체 미세화 한계 뛰어넘는 핵심 기술 개발 “저전력·고효율 다 잡았다”

△낮은 동작전압에서 높은 유전율을 달성한 소자의 단면 및 구조

반도체 개발의 핵심 과제인 초미세·저전력·고효율 ‘세 마리 토끼’를 동시에 잡을 수 있게 됐다. 고려대학교(총장 김동원) 전기전자공학부 신창환 교수 연구팀이 차세대 메모리 소자의 집적도와 성능을 획기적으로 높일 수 있는 ‘조성 비대칭 이중층 HZO 커패시터’ 핵심 기술을 확보했다.

*집적도: 일정한 공간 안에 얼마나 촘촘하게 반도체 부품 소자를 채워 넣었는가를 나타냄

*커패시터: 반도체 제품 내부에서 전자를 잠시 보관하여 데이터를 물리적으로 저장하는 부품 소자

반도체 크기가 작아질수록 유전율이 높은 소재가 필수적이다. 연구팀은 핵심 대체 소재로 꼽히는 하프늄 산화물에 지르코늄(Zr)을 결합한 HZO 연구를 지난 수년간 선도해 왔다. HZO는 기존 부품에 손상을 주지 않으면서도 작은 공간에 더 많은 데이터를 안정적으로 담을 수 있는 차세대 초고유전율 소재로 주목받는다. 

*유전율: 어떤 물질이 외부 전기장에 대해 얼마나 쉽게 전기적으로 분극(polarization)되는지를 나타내는 물리량

HZO는 서로 다른 내부 결정형(내부 결정형 중 예시: o-phase, t-phase)이 한쪽으로 치우치지 않고 공존하는 ‘상경계’일 때 성능이 극대화되는데, 이는 매우 불안정한 상태이기 때문에 이를 안정적으로 구현하는 것이 학계의 오랜 과제였다. 

연구팀은 강유전체와 반강유전체를 연속으로 증착한 ‘조성 비대칭 이중층’ 구조에서 답을 찾았다. 이 구조의 커패시터에 전기장 처리를 가했을 때 소자가 스스로 최적의 상태를 찾아가며 성공적으로 안정화됐다. 

*강유전체(Ferroelectric): 외부 전기장이 없어도 자발적인 분극을 가지며, 전기장에 의해 분극 방향이 가역적으로 전환되는 물질

*반강유전체(Antiferroelectric): 인접한 분극들이 서로 반대 방향으로 배열되어 전체 분극이 상쇄된 상태를 가지며, 특정 임계 전기장 이상에서 강유전 상태로 전이되는 물질

저전력·고효율 구동의 가능성도 완벽히 입증했다. 기존 ‘단일층 HZO 커패시터’는 최대 유전율을 끌어내기 위해 3V 이상의 높은 전압이 필요했지만, 연구팀이 개발한 ‘이중층 HZO 커패시터’는 동일한 두께에서 2V의 저전압에서 세계 최고 수준인 약 52의 높은 유전율을 달성했다. 덧붙여, 상용 제품 구현을 위한 10억 번 이상의 전기장 사이클링 후에도 성능 저하 없는 우수한 내구성을 보였다.

신창환 교수는 “반도체 미세화의 한계를 소재 혁신으로 돌파했고, 메모리가 스스로 최적 상태를 찾아가게 만든 것이 핵심 기술”이라며 “이번 연구 성과는 차세대 초미세 DRAM 및 저전력 연산 소자의 핵심 기술로 활용될 가능성이 매우 크다”고 밝혔다.

이번 연구는 국제 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 온라인에 2월 9일 게재됐다.

*논문명: Low-Voltage and High-k Properties of Bilayer HZO Capacitors at the Morphotropic Phase Boundary for Next-Generation Memory Applications

*DOI: 10.1002/advs.202519686

*URL: https://doi.org/10.1002/advs.202519686

본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)가 지원하는 반도체 전략 고도화 기술개발 사업(K-CHIPS) 및 과학기술정보통신부(MSIT) 산하 한국연구재단(NRF)의 집단연구지원사업 IRC의 지원을 받아 수행됐다.

[연구진 사진]

△(왼쪽부터)고려대 전기전자공학부 신창환 교수(교신저자), 김준석 학생(제1저자) 외 참여 연구진