"저장용량 한계 돌파”...삼성 초집적 반도체 '적수가 없다'
"저장용량 한계 돌파”...삼성 초집적 반도체 '적수가 없다'
  • 이경원 기자
  • 승인 2020.07.03 17:26
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이준희 UNIST 교수팀 '개별 원자 제어, 반도체 집적도 1000배 이상 높이는' 연구결과 발표

 

수천 개의 원자 집단인 도메인을 사용해 데이터를 저장하는 메모리(왼쪽)와 연구팀이 제시한 단일 원자에 데이터를 저장하는 메모리.<삼성전자>

[인사이트코리아=이경원 기자] 이재용 삼성전자 부회장이 “가혹한 위기 상황”이라며 연일 글로벌 반도체 시장에 대한 위기의식을 드러낸 가운데, 우리나라가 초집적 반도체 분야에서 세계적 경쟁력을 확보할 수 있는 가능성이 열렸다. 메모리 반도체의 저장 용량을 획기적으로 끌어 올릴 수 있는 연구가 나온 것.

3일 삼성전자 및 UNIST에 따르면 삼성미래기술육성사업이 지원한 UNIST(울산과학기술원) 에너지·화학공학부 이준희 교수 연구팀이 차세대 메모리 반도체의 집적도를 1000배 이상 향상 시킬 수 있는 연구결과를 발표했다. 이 연구는 2일(미국 현지시각) 세계적인 학술지 <사이언스(Science)>에 게재됐다.

그간 반도체 업계는 소자 성능을 향상시키기 위해 미세화를 통해 단위 면적당 집적도를 높여 왔다. 그러나 데이터 저장을 위해서는 탄성으로 연결된 수천 개 원자 집단인 ‘도메인’이 반드시 필요해 일정 수준 이하로 크기를 줄일 수 없다는 점이 한계로 꼽혔다.

반도체 소자가 한계 수준 이하로 작아지면 정보를 저장하는 능력이 사라지는 ‘스케일링(Scaling)’ 현상이 발생한다. 이렇게 되면 반도체의 기본 작동 원리인 0과 1을 제대로 구현할 수 없다.

반도체 메모리 용량 1000배 향상

이준희 교수 연구팀은 '산화하프늄(HfO₂)'이라는 반도체 소재의 산소 원자에 전압을 가하면 원자간 탄성이 사라지는 물리 현상을 새롭게 발견했다.

이 현상을 적용하면 개별 원자를 제어할 수 있고 산소 원자 4개에 데이터(1bit) 저장이 가능해져 데이터 저장을 위해 수십 nm(나노미터) 크기의 도메인이 필요하다는 업계 통념을 뒤집게 된다.

산화하프늄은 현재 메모리 반도체 공정에서 흔히 사용하는 소재로, 이 현상을 적용할 경우 스마트폰, 태블릿 등 다양한 제품의 메모리 성능을 한층 끌어올릴 수 있어 산업계 파급효과가 클 것이라는 게 업계 얘기다.

특히 인공지능(AI)이나 사물인터넷(IoT)같은 많은 데이터를 처리하는 기술에는 전기는 덜 잡아먹으면서 많은 정보를 빠르게 처리할 수 있는 메모리 반도체가 꼭 필요하다. 차세대 반도체로 갈수록 고성능·저전력·초소형 반도체가 요구되는 이유다.

연구팀은 이번 연구 결과를 적용하면 반도체 소형화시 저장 능력이 사라지는 문제점이 발생하지 않아 현재 10나노 수준에 멈춰 있는 반도체 공정을 0.5나노까지 미세화 할 수 있어 "메모리 집적도가 기존 대비 약 1000배 이상 향상될 것"으로 예상했다.

현재 국내 반도체 메모리 공정은 강유전체 메모리(FeRAM) 공정은 약 20나노, 플래시 메모리 공정은 10나노 선폭에서 멈춰있는 실정이다.

과학기술정보통신부는 이번 연구 결과에 대해 “10나노 수준에 멈춰선 메모리 소자의 단위셀 크기 한계를 단숨에 0.5나노까지 축소할 수 있는 새로운 패러다임의 메모리 소재 원리를 발견했다는 점에서 의미가 크다”면서 “기존 메모리 소재로는 불가능하다고 여겼던 작은 크기의 반도체 뿐 아니라 초집적·초저절전 인공지능 반도체 구현에도 이용될 수 있을 것”으로 내다봤다.

프리미엄 메모리 시장 확대 가속

세계 반도체 시장은 반도체 굴기가 거세지는 중국과, 이를 견제하는 미국간 반도체 패권 경쟁이 치열하다. 메모리반도체 1위인 삼성전자도 안주할 수 없는 상황이다.

이에 삼성전자는 '반도체 비전 2030' 달성을 목표로, 프리미엄 메모리 기술 리더십을 더욱 강화해 나가고 있다.

삼성전자는 지난해 세계 최초로 3세대 10나노급(1z) D램을 개발·양산하고, 올해는 성능과 용량을 동시에 높인 차세대 D램을 본격적으로 공급하는 등 미세 공정화에 힘쓰고 있다.

이준희 교수는 “개별 원자에 정보를 저장하는 기술은 원자를 쪼개지 않는 범위 내에서 최고의 집적 기술이 기존 낸드플래시 또는 디램 공정에도 적용 가능하다”며 가능성을 제시했다. 이 교수는 특히 “미세 공정으로 가더라도 메모리 저장능력이 사라지지 않기 때문에 휘발성인 D램의 경우에 적용하면 더 좋다”고 덧붙였다.

업계 관계자는 “향후 세계 반도체 시장 경쟁에 있어 우리나라가 1나노 이하 0.5 나노선폭 공정까지 가장 빨리 도달하도록 앞선 기반을 제시하는 가이드가 될 것”이라고 봤다.

인사이트코리아, INSIGHTKOREA

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