- UNIST·POSTECH, 산화하프늄 원자 진동 비밀 규명

- 고집적·저전력 차세대 메모리 개발 기대

단일 포논 모드와 포논 쌍 응축에 의해 형성되는 강유전체 도메인 벽의 비교.[UNIST 제공]
단일 포논 모드와 포논 쌍 응축에 의해 형성되는 강유전체 도메인 벽의 비교.[UNIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 반도체 메모리의 크기를 줄이면서 더 많은 정보를 저장할 수 있는 길이 열렸다. 국내 연구진이 차세대 메모리 소재인 산화하프늄에서 정보 저장 영역을 원자 수준으로 촘촘하게 나눌 수 있는 원리를 규명했다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 이준희 교수팀이 포스텍(POSTECH) 최시영 교수팀과 공동으로 산화하프늄 내부에서 서로 다른 정보 저장 영역의 경계가 매우 얇고 안정적으로 형성되는 원리를 밝혀냈다고 28일 밝혔다.

산화하프늄은 전원이 꺼져도 정보를 유지하는 차세대 비휘발성 메모리 소재로 주목받고 있다. 기존 반도체 제조공정과 호환성이 높고 매우 얇은 두께에서도 강유전성을 유지할 수 있다는 장점이 있다.

강유전체는 외부 전기장에 따라 전기적 극성의 방향을 바꿀 수 있는 물질이다. 극성이 같은 영역을 ‘도메인’이라고 하며, 서로 반대인 극성 방향을 각각 0과 1로 활용해 정보를 저장한다.

메모리 저장 용량을 늘리려면 이러한 도메인을 최대한 작고 촘촘하게 배치해야 한다. 하지만 도메인 사이의 경계인 ‘도메인 벽’을 형성하는 데 에너지가 필요하고, 경계가 넓어지면 집적도를 높이는 데 한계가 있다.

연구팀은 산화하프늄에서 도메인 벽이 거의 추가적인 에너지 없이 형성되는 이유가 ‘포논 쌍 응축’ 현상에 있다는 사실을 밝혀냈다.

포논은 결정 내부 원자들의 집단적인 진동을 설명하는 개념이다. 일반적인 강유전체에서는 도메인 경계에서 특정 원자 진동이 약해지면서 결정 구조의 안정성이 떨어진다.

반면 산화하프늄에서는 하나의 포논 모드가 약해지면 다른 포논 모드가 나타나 이를 보완한다. 두 진동이 서로 역할을 나눠 도메인 경계에서도 내부와 비슷한 안정적인 결정 구조를 유지하는 것이다.

쉽게 말해 서로 반대 방향의 정보를 저장하는 두 영역 사이에 별도의 두꺼운 완충지대를 만들 필요가 없다는 의미다. 그만큼 정보 저장 영역을 더욱 촘촘하게 배치할 수 있다.

연구팀은 이론적 예측을 실험으로도 검증했다. 포스텍 연구진이 원자 수준의 구조를 관찰할 수 있는 전자현미경(ABF-STEM)으로 산화하프늄의 산소 원자 배열을 분석한 결과, 실제 원자들의 이동 방향과 거리가 이론 계산 결과와 일치했다.

이준희(왼쪽부터) UNIST 교수, 이현재 박사, 파완 쿠마르 박사.[UNIST 제공]
이준희(왼쪽부터) UNIST 교수, 이현재 박사, 파완 쿠마르 박사.[UNIST 제공]

이번 성과는 기존 강유전체에서 에너지 손실을 유발하는 결함으로 여겨졌던 도메인 벽을 오히려 정밀하게 설계할 수 있다는 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 크다.

특히 도메인 벽 사이의 간격을 줄이면서도 안정적인 정보 저장 특성을 유지할 수 있어 향후 고집적·저전력 강유전체 메모리 개발에 활용될 것으로 기대된다.

이준희 교수는 “산화하프늄은 매우 얇은 박막 상태에서도 강유전성을 유지할 수 있고 기존 반도체 공정과도 잘 맞아 새로운 메모리 소재로 주목받고 있다”며 “이번에 밝힌 원리를 활용하면 도메인 벽 사이의 간격을 줄이면서도 안정적인 강유전 상태를 유지할 수 있어 차세대 메모리 집적도를 높이는 데 도움이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 X(Physical Review X)’ 8월 18일 자에 게재됐다.


nbgkoo@heraldcorp.com