연구개발 Ⅱ

손바닥 위 데이터센터 가능할까?

― 반도체 메모리 용량 1,000배 향상시킬 산화하프늄의 신기능 발굴

― 원자간 상호작용 소멸로 원자 4개당 1bit 저장, 500TB 급 반도체 가능성 제시

축구장 면적의 몇 백 배 규모인 데이터센터의 효율을 근본적 으로 높여 데이터센터의 크기를 크게 줄일 수 있도록 메모리 소재의 용량을 획기적으로 향상시킬 수 있는 연구 결과가 나왔다.

과학기술정보통신부(장관 최기영, 이하 과기정통부)와 울산 과학기술원(총장 이용훈, 이하 UNIST)는 에너지 및 화학공학부 이준희 교수팀이 메모리 소자 의 용량을 1,000배 이상 향상시킬 수 있는 산화하프늄(HfO 2 ) 의 새로운 기능을 찾아내는데 성공했다고 지난달 3일 밝혔다.

이러한 연구결과는 10nm(나노미터, 1nm는 10억분의 1) 수준에 멈춰선 메모리 소자의 단위셀 크기 한계를 단숨에 0.5nm까지 축소할 수 있는 새로운 페러다임의 메모리 소재 원리를 발견한 것이어서 의미가 크다. 이 이론을 적용하면 원자에 직접 정보를 저장해, 기존 메모리 소재로는 불가능하다 고 여겼던 작은 크기의 반도체 뿐 아니라 초집적/초저절전 인공지능 반도체 구현에까지 이용될 수 있을 것으로 예상된다.

기존에는 원자들 간 강한 탄성 상호작용으로 인해 원자 하나하나를 개별적으로 제어하는 것은 불가능하다고 알려져 있었다. 하지만 반도체 공정이 수십 나노 공정 이하로 내려갈 경우 모든 반도체가 저장 능력을 상실하는 ‘스케일 현상 4) 을 피할 수 없다고 보았기 때문이다.

이준희 교수 연구팀은 산화하프늄(HfO 2 )이라는 반도체에 특정 전압을 가하면 원자를 스프링처럼 강하게 묶던 상호작 용이 완전히 사라지는 새로운 물리현상을 발견했다. 전압이 원자들 사이 상호작용을 끊어주는 자연차폐막이 형성되는 현상을 이용해 마치 진공에 있는 것처럼 반도체 안에 존재하 는 산소원자 4개씩을 개별적으로 스위칭하여 메모리 소재로 응용할 수 있음을 입증해 낸 것이다. 또한, 정보저장을 위해 서 적어도 원자 수천 개 이상이 모여 만든 수십 나노미터 크 기의 도메인이 필요하다는 기존 이론과는 달리, 도메인 없이 0.5 나노미터에 불과한 개별 원자 4개 묶음에 정보를 저장, 일반 반도체에서도 단일원자 수준의 메모리를 구현할 수 있음도 입증하였다. 특히 산화하프늄(HfO 2 )이라는 산화물 5) 은 기존의 실리콘 기반 반도체 공정에서 이미 흔하게 사용되는 물질이어서, 원자 이론의 상업화 적용 가능성이 높고 파급력 도 클 것으로 기대된다.

[그림 1] 차세대 강유전체 메모리(FeRAM)의 1비트 작동 모식도

[그림 2] 단일 원자 메모리와 기존 원자집단 (도메인) 메모리 원리 비교

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