사이언스에 순수 이론 논문 게재
기존 공정의 한계 넘는 핵심기술
반도체 크기 줄어도 저장능력 유지
삼성전자 제공
[디지털타임스 박정일 기자] 삼성전자가 지원한 연구팀이 지금보다 메모리반도체의 집적도를 1000배 이상 향상시킬 수 있는 이론과 소재를 개발해 '사이언스'지에 게재했다. 기존 반도체 미세공정의 한계를 뛰어넘는 핵심 기술로, 양산에 적용할 경우 국내 반도체 산업의 미세공정 기술은 최소 수십년은 앞설 것으로 평가 받는다.
삼성전자 측은 사이언스에 순수 이론 논문이 게재되는 경우는 극히 드문 사례로, 국내 연구팀 단독 교신으로 진행한 이 연구가 이론적 엄밀성과 독창성, 산업적 파급력을 인정 받아 게재됐다고 전했다.
삼성전자는 삼성미래기술육성사업이 지원한 UNIST(울산과학기술원) 에너지 및 화학공학부의 이준희 교수 연구팀이 차세대 메모리 반도체의 집적도를 1000배 이상 향상 시킬 수 있는 이론과 소재를 발표해 2일(미국 현지시간) 세계적인 학술지 '사이언스(Science)'에 게재됐다고 밝혔다.
반도체 업계는 지금까지 소자의 성능을 향상시키기 위해 미세화로 단위 면적당 집적도를 높여 왔다. 그러나 데이터 저장을 위해서는 탄성으로 연결된 수천개의 원자 집단인 '도메인'이 반드시 필요해 일정 수준 이하로 크기를 줄일 수 없는 제약사항이 있었다.
반도체 소자가 한계 수준 이하로 작아지면 정보를 저장하는 능력이 사라지는 '스케일링(Scaling)' 이슈 현상이 발생하기 때문이다. 이렇게 되면 반도체의 기본 작동 원리인 0과 1을 제대로 구현할 수 없다.
이준희(사진) 교수 연구팀은 '산화하프늄(HfO₂)'이라는 반도체 소재의 산소 원자에 전압을 가하면 원자간 탄성이 사라지는 물리 현상을 새롭게 발견했다. 이 현상을 적용하면 수천개가 아닌 산소 원자 단 4개로도 0과 1을 구현할 수 있다.
연구팀은 이번 연구 결과를 적용해 반도체를 소형화 해도 저장 능력이 사라지는 문제점이 발생하지 않았다며, 현재 10㎚ 수준에 멈춰 있는 낸드플래시 등 반도체 공정을 0.5㎚까지 미세화 할 수 있다고 전했다. 이 경우 메모리 집적도가 기존보다 약 1000배 이상 향상될 것으로 예상했다. 이준희 교수는 "HfO₂는 낸드플래시처럼 128층의 적층 구조를 만들지 않아도, 단일층 만으로 1㎠ 당 500TB 이상으로 저장할 수 있을 것으로 예측된다"며 "이는 기존 반도체의 저장 능력이 1000배 이상으로 폭발적으로 향상하는 셈"이라고 말했다.
실제로 낸드플래시는 10㎚ 미만 미세공정에 진입하지 못하는 한계에 부딪쳐 빌딩을 세우듯 수직으로 데이터 저장공간을 쌓는 방식으로 만들고 있다. 만약 이 기술에 수직적층까지 적용하면 현재 손바닥만한 크기의 SSD(솔리드스테이트드라이브) 용량을 1TB에서 수천TB 이상으로 늘릴 수 있는 결론이 나온다. 손바닥 만한 슈퍼컴퓨터도 만들 수 있다는 뜻이다.
이번 연구는 2019년 12월 삼성미래기술육성사업 과제로 선정돼 연구 지원을 받고 있으며, 과학기술정보통신부 미래소재디스커버리 사업 지원도 받아 수행했다.
한편 삼성미래기술육성사업은 국가 미래 과학기술 연구 지원을 위해 2013년부터 10년간 1조5000억원을 지원할 예정이며, 지금까지 589개 과제에 7589억 원의 연구비를 집행했다.
삼성전자는 CSR 비전 '함께가요 미래로! Enabling People' 아래 삼성미래기술육성사업, 스마트공장, C랩 아웃사이드, 협력회사 상생펀드 등 상생 활동과 청소년 교육 사회공헌 활동을 하고 있다.
박정일기자 comja77@dt.co.kr
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