한양대 등, ALD 기반 세라믹 반도체로 차세대 메모리 해법 제시

- 벨기에의 세계적인 나노기술 연구기관 imec(아이멕)과의 공동 연구

- 데이터센터 및 인공지능(AI) 가속기용 메모리 수요 확대 환경 활용 기대

연구진 사진. 좌측부터 박진성 교수, 김윤서 박사, 이치훈 연구원, 류성환 연구원, 황태원 연구원, 김상현 연구원. (자료제공: 한양대)

메모리 반도체 산업에서 ALD 기반 산화물 반도체 적용 연구의 확장 트렌드와 그 연구 빈도의 추세. (자료제공: 한양대)

한양대학교(총장 이기정)는 신소재공학부 박진성 교수 연구팀이 벨기에의 세계적인 나노기술 연구기관 imec(아이멕)과의 공동 연구를 통해, 반도체 미세화 한계를 극복할 차세대 메모리 아키텍처의 핵심 기술을 제시했다고 3월 5일 밝혔다.

연구팀은 이번 리뷰 논문에서 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 공정으로 구현되는 산화물 반도체의 기술적 강점을 체계적으로 정리하고, 차세대 메모리 소자 적용을 위해 요구되는 공정·소자 수준의 조건과 해결 과제를 종합적으로 분석해 학계의 주목을 받았다.

ALD는 기판 표면에서 원자 단위 반응을 정밀하게 제어해 박막을 형성하는 공정으로, 우수한 두께 제어 능력과 높은 균일성이 특징이다. 특히 적층 수가 급격히 증가하는 3차원(3D) 수직 적층 메모리 구조에서는 공정 균일성이 성능과 수율을 좌우하는 핵심 요소로 꼽힌다. 

이러한 구조적 요구에 부합하는 소재로 산화물 반도체가 주목받고 있는데, 산화물 반도체는 낮은 누설 전류 특성을 바탕으로 전력 소모를 크게 줄일 수 있어 고집적 메모리의 에너지 효율을 극대화할 수 있다. 아울러 ALD 공정은 고종횡비(High Aspect Ratio) 구조에서도 균일한 증착이 가능해 차세대 수직 적층 메모리와의 공정 호환성을 높이며, 산화물 반도체의 적용 가능성을 한층 확대한다.

연구팀은 고밀도·저전력 메모리 구현을 위해 산화물 반도체가 갖춰야 할 핵심 물질 조건으로 ▲구성 원소 선택 ▲결정 구조 ▲원자층 구조 ▲불순물 제어의 네 가지 전략을 제시했다. 이들 요소는 전하 이동 특성과 소자 안정성에 결정적인 영향을 미치며, ALD 공정이 이를 비교적 정밀하게 제어할 수 있는 현실적인 기술임을 강조했다. 

논문에서는 또한 ALD 기반 고이동도·고신뢰성 산화물 반도체 소자의 최신 연구 사례를 소개하며, 메모리 응용으로의 확장 가능성을 종합적으로 제시했다.

한편, 연구팀은 산화물 반도체의 잠재력과 함께 메모리 집적 과정에서 해결해야 할 기술적 과제도 지적했다. 산화물 반도체와 금속 전극 간 계면에서 발생하는 접촉 저항은 고속 동작을 제한하는 주요 병목 요인으로 꼽혔으며, 제조 공정의 고온 환경에서의 안정성 확보와 수소 유입에 따른 신뢰성 저하를 방지하기 위한 공정 최적화 및 소재 설계의 병행 필요성도 제시됐다. 

또한 p형 산화물 반도체 구현의 한계는 상보형(CMOS) 소자 및 메모리-로직 통합을 어렵게 하는 구조적 제약으로, 향후 장기적인 재료 연구 과제로 언급됐다.

이번 연구는 차세대 메모리 기술의 중심이 3D 구조로 이동하는 흐름 속에서 ALD 기반 산화물 반도체의 공정 적합성과 확장성을 입증했다는 점에서 의미가 크다. 특히 저전력 특성은 데이터센터 및 인공지능(AI) 가속기용 메모리 수요가 확대되는 환경에서 높은 에너지 효율 경쟁력을 제공할 것으로 기대된다.

박진성 한양대 교수는 “이번 연구는 산화물 반도체가 실리콘을 즉각 대체하기보다, 특정 응용에서 보완적으로 적용되며 단계적으로 확장될 가능성을 제시한 것”이라며 “다양한 물질과 공정이 공존하는 미래 반도체 생태계의 중요한 가이드라인이 되길 바란다”고 밝혔다.

한양대 신소재공학부 이치훈·류성환 석·박통합과정생이 공동 제1저자, 황태원 석·박통합과정생·김상현 박사과정생이 공동저자, 한양대 박진성 교수와 imec 김윤서 박사가 교신저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단 혁신연구선도센터(IRC) 사업(CH3IPS), 이공분야기초연구사업-중견연구(유형1) 등의 지원을 받아 수행됐다. 

연구 결과는 나노소재·나노기술 분야의 국제 저명 학술지 ‘Nano-Micro Letters’ 1월호에 온라인 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]