[사진. (왼쪽부터) 한재성 석박사통합과정생, 김현재 교수]

공과대학 전기전자공학과 김현재 교수 연구팀이 차세대 비휘발성 메모리를 위한 산화물 반도체 공정 기술을 개발했다. 이번 연구는 산업 친화적인 방법을 활용해 산화물 반도체의 산소 공공을 효과적으로 제어함으로써, 산화물 반도체 기반 강유전체 트랜지스터의 메모리 특성을 크게 개선했다.

기존 산화물 반도체 기반 메모리 소자는 반도체 내부에 양전하를 갖는 양공(hole)이 본질적으로 거의 존재하지 않아, 정보의 소거(erasing)이 매우 비효율적이라는 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해 연구팀은 인듐-갈륨-아연 산화물(IGZO) 반도체에 금속 캡핑(capping) 공정을 도입해 산소 공공의 농도를 정밀하게 조절했으며, 산소 공공을 활용한 효율적인 정보 소거를 구현했다. 특히 해당 공정은 기존 반도체 공정과의 호환성이 우수하며, 추가적인 중간층을 도입하지 않고도 메모리 특성을 개선했다는 점에서 의미가 크다.

[그림. 연구팀이 개발한 공정 도입 시 산소 공공 제어의 메커니즘]

연구팀은 그림과 같이 텅스텐 금속 캡핑층을 IGZO 상단에 도입한 후 열처리를 통해 IGZO 내부의 산소 공공을 제어했다. 이렇게 형성된 산소 공공은 강유전체 층의 음의 분극을 효과적으로 보상해 효율적인 소거를 가능하게 한다. 또한 텅스텐 층은 희생층이 아닌 소스·드레인 전극으로 활용해, 공정 측면에서도 장점을 확인했다.

단위 소자 수준뿐 아니라 어레이 구현에서도 안정적인 메모리 특성을 나타냈으며, 실제 어레이 동작 검증을 위한 금지-억제 동작(prohibit-inhibit operation) 및 다중 비트 저장(multi-bit storage) 측정에서도 우수한 성능을 보였다.

김현재 교수 연구팀은 “이번 연구는 산화물 반도체가 비휘발성 메모리 소자에 도입되기 위한 원천적인 기술을 개발했음과 동시에, 어레이 레벨의 동작까지 구현했다는 것에 의의가 있다”며, “본 기술을 기반으로 PIM(process-in-memory) 동작 검증을 위한 후속 연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구 결과는 미국 American Chemical Society (ACS)가 발행하는 나노과학 분야의 권위 있는 학술지 『ACS Nano』(IF 16.1, JCR 상위 6.0%)에 게재됐다. 본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 국가반도체연구실지원핵심기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.