서울--(뉴스와이어)--저전력 메모리 구현의 속도와 수명 한계를 동시에 넘을 돌파구가 마련됐다.

서울대학교 공과대학 재료공학부 박민혁 교수 연구팀은 0.6V의 낮은 전압에서도 빠르게 동작하고, 1조 회의 반복 구동 후에도 절연 파괴 없이 정보 상태를 구분할 수 있는 강유전체 캐패시터를 개발했다.

이번 성과는 빠른 동작과 긴 수명을 동시에 확보하기 어려웠던 강유전체 메모리의 오랜 난제에 해법을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 연구팀은 전극과 강유전체가 맞닿는 계면을 정밀하게 설계해 낮은 구동 전압과 빠른 분극 전환, 높은 반복 구동 안정성을 함께 확보했다. 이를 바탕으로 DRAM과 유사한 구조의 차세대 저전력 메모리에 활용할 수 있는 가능성도 제시했다.

이번 연구는 한양대학교·포항가속기연구소·삼성전자 연구진과 공동으로 수행됐으며, 연구 결과는 세계적 권위의 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.

AI 서버와 모바일 기기에서 처리하는 데이터가 늘면서 메모리의 성능과 전력 효율을 함께 높이는 기술의 중요성이 커지고 있다. 특히 AI 서버에 쓰이는 고대역폭 메모리(HBM)와 스마트폰 등 모바일 기기에 쓰이는 저전력 DRAM 규격인 LPDDR에서도 전력 효율은 핵심 과제로 꼽힌다.

DRAM은 컴퓨터와 스마트폰, AI 서버 등에 널리 쓰이는 대표적인 고속 휘발성 메모리다. 캐패시터에 전하를 저장해 정보를 기억하지만, 시간이 지나면 전하가 새어 나가기 때문에 정보를 유지하려면 주기적으로 전하를 다시 채워 넣어야 한다. 이 ‘리프레시’ 과정은 메모리의 전력 소모와 동작 효율에 영향을 준다.

반면 강유전체 메모리는 물질 내부의 전기적 방향인 ‘분극’을 이용해 정보를 저장한다. 분극의 두 방향을 디지털 정보 ‘0’과 ‘1’에 대응시키고, 외부 전기장을 제거한 뒤에도 분극이 남는 ‘잔류 분극’에 기반한 비휘발성 특성을 활용해 주기적 리프레시에 따른 전력 부담을 줄일 수 있다. 강유전체는 과학기술정보통신부가 2023년 발표한 ‘반도체 미래기술 로드맵’에서도 차세대 반도체용 유망 소재로 제시됐다.

이번 연구에 사용된 하프니아-지르코니아(HZO)는 산화하프늄과 산화지르코늄을 조합한 강유전체 소재다. 산화하프늄은 트랜지스터의 전류를 제어하는 게이트의 절연막에, 산화지르코늄은 DRAM에서 전하를 저장하는 캐패시터의 절연막에 사용되는 등 두 산화물 모두 반도체 양산 현장에서 활용돼 왔다. HZO는 기존 반도체 제조 공정과의 호환성이 높고, 원자층 증착법으로 수 나노미터 두께의 균일한 박막을 만들 수 있다는 장점이 있다.

다만 HZO를 DRAM급 차세대 메모리에 활용하려면 낮은 전압과 빠른 동작, 긴 수명을 동시에 확보해야 한다. 강유전체 메모리에 정보를 기록하려면 분극 방향을 바꿔야 하는데, 일반적으로 분극을 빠르게 전환하려면 더 높은 전압이 필요하다. 그러나 전압이 높아지면 소자에 가해지는 부담도 커져 반복 구동 수명이 짧아질 수 있다. 이처럼 동작 속도와 반복 구동 수명을 함께 높이기 어려운 문제가 ‘속도-수명 딜레마’다.

박막의 두께를 줄이는 것만으로 구동 전압을 낮추는 데도 한계가 있다. 박막이 매우 얇아지면 분극 전환에 필요한 전기장과 전극 계면의 영향이 커져, 두께 감소만으로는 구동 전압을 충분히 낮추기 어렵기 때문이다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 전극과 강유전체 사이의 계면 설계에 주목했다. 원자층 증착법으로 질화티타늄(TiN) 전극의 결정 방향과 표면 특성을 조절하고, 계면 산화를 억제해 얇고 균일한 계면층을 형성했다. 이를 통해 계면에서 발생하는 전압 손실을 줄이고, 분극이 균일하게 전환될 수 있는 조건을 마련했다.

그 결과, 두께 5nm의 HZO 캐패시터에서 0.6V의 낮은 전압으로 분극 전환을 구현했다. 낮은 전압에서도 서로 다른 정보 상태를 구분하는 데 필요한 뚜렷한 분극 신호를 확보한 것이다.

시험 소자에서 전체 분극의 절반이 전환되는 시간은 0.6 V에서 약 40 ns, 1 V에서 약 8 ns였다. 나노초(ns)는 10억 분의 1초를 뜻한다. 두 전압 조건 모두에서 1조 회 반복 구동 후에도 절연 파괴가 관측되지 않았으며, 두 분극 상태를 구분할 수 있었다. 분극 감소 20% 미만을 기준으로 평가한 반복 구동 내구성은 0.6 V에서 6000억 회, 1 V에서 1조 회였다. 연구팀은 기존에 보고된 강유전체 캐패시터와 비교해 구동 전압, 전환 속도, 내구성을 함께 고려했을 때 세계 최고 수준의 성능 조합을 확보했다고 설명했다.

연구팀은 이러한 성능이 전극·계면 설계로 전압 손실을 줄이고, 소자 내부의 전기장을 분극 전환에 활용한 결과라고 분석했다. 일반적으로 강유전체 내부의 ‘탈분극 전기장’은 잔류 분극을 약화시켜 정보 유지에 불리하게 작용할 수 있다. 그러나 분극 방향이 반대로 바뀌기 시작하는 초기 단계에서는 분극 전환에 필요한 외부 전압을 낮추는 데 기여할 수 있음을 확인했다.

연구팀은 전극과 계면의 특성을 반영한 모델을 통해 이러한 원리를 설명하고, 얇은 강유전체에서도 낮은 전압으로 충분한 분극 신호를 확보할 수 있는 설계 방향을 제시했다. 또 소자 면적이 작아질수록 분극 전환이 빨라지는 경향을 확인했으며, 측정 결과를 바탕으로 더 작은 나노미터 크기 소자에서도 낮은 전압으로 나노초급 분극 전환이 가능할 것으로 예측했다. 이는 DRAM급 고속 동작으로 연결할 수 있는 가능성을 보여준다.

연구팀은 이러한 특성을 메모리 구조에 활용하는 방안도 검토했다. DRAM처럼 트랜지스터 한 개와 캐패시터 한 개로 구성되는 ‘1T-1C’ 구조를 바탕으로, 잔류 분극을 정보 저장과 읽기에 이용하는 ‘공통 플레이트 강유전체 메모리(CP-FeRAM)’를 제안했다. 여러 메모리 셀이 공유하는 전극의 전압을 일정하게 유지하는 방식이다.

실제로 측정한 분극 특성을 바탕으로 회로 동작을 컴퓨터로 모사한 결과, 저장 전하가 감소한 뒤에도 잔류 분극을 이용해 정보를 구분할 수 있는 가능성을 확인했다. 공통 전극을 공유하는 캐패시터 시험 어레이에서도 소자들이 균일하게 동작했으며, 이웃 소자를 반복 구동한 뒤에도 뚜렷한 분극 손실이 관측되지 않았다.

이번 연구는 낮은 구동 전압, 빠른 분극 전환, 높은 내구성을 함께 확보하고 이를 DRAM과 유사한 메모리 구조로 연결했다는 데 의미가 있다. 잔류 분극을 이용한 정보 저장은 주기적으로 전하를 보충해야 하는 리프레시 부담을 줄이는 차세대 메모리 기반이 될 수 있다.

메모리 고집적화에도 유리할 것으로 기대된다. 메모리 셀이 작아지면 정보를 구분하는 전기적 신호도 작아져 저장된 정보를 읽기 어려워진다. 큰 잔류 분극을 활용하면 캐패시터 크기를 줄이면서도 충분한 읽기 신호를 확보할 수 있어, 같은 공간에 더 많은 메모리 셀을 배치하는 데 도움이 될 수 있다.

연구팀은 기존 반도체 산업의 소재·공정 기반을 활용할 수 있는 HZO의 장점에 이번 연구의 저전압·고속·고내구성 특성이 더해지면서 강유전체 메모리의 산업적 활용 가능성이 넓어질 것으로 기대하고 있다. 이번에 제시한 설계와 작동 원리는 고집적 DRAM급 메모리뿐 아니라 연산 회로와 함께 집적하는 저전력 임베디드 메모리 개발에도 활용될 수 있을 것으로 보고 있다.

연구를 지도한 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.

이어 “HZO는 이미 반도체 산업에서 활용해 온 산화물 소재와 공정 기술을 바탕으로 개발할 수 있는 유망한 강유전체”라며 “이번 연구에서 제시한 계면 설계와 분극 전환 원리가 저전력·고집적 메모리 기술의 발전에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

논문의 제1저자인 박근형 박사는 서울대학교 석·박사통합과정을 통해 재료공학 박사학위를 취득했으며, 현재 서울대학교 반도체공동연구소 박사후연구원으로 재직 중이다. 향후 메모리 소자의 구조 설계와 동작 특성 분석 경험을 바탕으로, AI 반도체의 전력 효율과 집적도 향상을 위한 저전력·고성능 메모리 소자 개발 연구를 이어갈 계획이다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 삼성전자의 지원을 받아 수행됐다.

참고 자료

- 논문명: Resolving the Kay-Dunn limit and the speed-endurance dilemma in ferroelectric Hf0.5Zr0.5O2 for DRAM-class sub-volt capacitors

- DOI: 10.1038/s41467-026-78705-4