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| 차세대 메모리 소재의 저전압 스위칭 설계 원리 규명 / 차필령(신소재공학부) 교수 연구팀 | |||
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국민대학교 신소재공학부 차필령 교수 연구팀이 차세대 반도체 메모리 소재로 주목받는 하프늄-지르코늄 산화물(HZO) 박막에서, 소재 조성이 아닌 상(相)의 공간적 배치만으로 소자의 구동전압을 낮출 수 있는 설계 원리를 규명했다. 이번 성과는 재료 분야 국제 저명 학술지 Advanced Functional Materials(IF 19.9)에 게재됐다.
HZO 박막은 기존 반도체 공정과의 호환성이 높아 차세대 비휘발성 메모리와 고밀도 커패시터 소재로 주목받아 왔다. 그러나 실제 박막에는 강유전체(FE)·반강유전체(AFE)·유전체(DE) 상이 복잡하게 공존해 상분율만으로 전기적 특성을 예측하기 어렵고, 분극을 뒤집는 데 필요한 높은 항전계(coercive field)가 구동전압과 소비전력을 끌어올리는 걸림돌이었다.
연구팀은 세 가지 상을 하나의 자유에너지 체계로 기술하면서 실제 다결정 조직과 층간 정전 상호작용까지 함께 계산하는 3차원 상장(phase-field) 모델을 개발하고, 실측 분극 곡선으로 모델을 검증했다.
분석 결과 박막의 스위칭은 장거리로 연결된 구조가 아니라 인접한 FE·AFE 결정립 사이의 국소적인 전기적 상호작용에 좌우됐으며, 그 영향 범위는 평균 결정립 크기와 비슷한 22~37 nm 수준이었다. 나아가 두 상을 박막 두께 방향으로 의도적으로 배열하면 항전계를 단일층 대비 최대 39%까지 낮출 수 있었고, 특히 FE/AFE/FE 샌드위치 구조는 잔류분극 손실을 10% 수준으로 억제하면서 항전계를 23% 낮춰 가장 효율적인 설계로 나타났다. 통제하기 어려운 도핑이나 결함 대신, 통제 가능한 상의 배치를 새로운 소자 설계변수로 활용할 수 있음을 제시한 것이다.
차필령 교수는 "강유전체와 반강유전체의 배치를 조절해 박막 내부의 전기장을 능동적으로 제어할 수 있음을 정량적으로 보인 연구"라며 "저전압·고효율 메모리 소자를 설계하는 계산 기반 플랫폼으로 활용되기를 기대한다"고 말했다.
이번 연구는 국민대 P. Pankaj 박사가 제1저자로 주도했으며, 국민대 Sandeep Sugathan 박사, 미국 텍사스대 댈러스캠퍼스 김지영 교수, 강원대 김시준 교수가 공동 연구자로 참여했다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
[연구지원] 과기정통부·한국연구재단 (RS-2024-00444182, RS-2024-00450836) |
