서울대 박민혁 교수팀, 차세대 메모리 위한 초저전압 강유전체 소자 개발 성공
김형석 기자
작성일 2026-11-04 18:02
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연구팀은 전극과 강유전체가 맞닿는 계면을 정밀하게 설계하여 낮은 구동 전압과 빠른 분극 전환, 높은 반복 구동 안정성을 함께 확보했다. 이를 바탕으로 DRAM과 유사한 구조의 차세대 저전력 메모리에 활용할 수 있는 가능성을 제시했다. 이번 연구는 한양대학교, 포항가속기연구소, 삼성전자 연구진과 공동으로 수행되었으며, 그 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재되었다.
최근 AI 서버와 모바일 기기에서 처리하는 데이터가 증가함에 따라 메모리의 성능과 전력 효율을 함께 높이는 기술의 중요성이 커지고 있다. 특히 AI 서버에 사용되는 고대역폭 메모리(HBM)와 스마트폰 등 모바일 기기에 사용되는 저전력 DRAM 규격인 LPDDR에서도 전력 효율은 핵심 과제로 꼽힌다.
DRAM은 캐패시터에 전하를 저장해 정보를 기억하지만, 주기적인 ‘리프레시’ 과정으로 인해 전력 소모와 동작 효율에 영향을 받는다. 반면 강유전체 메모리는 물질 내부의 ‘분극’을 이용해 정보를 저장하며, 외부 전기장을 제거한 뒤에도 분극이 남는 ‘잔류 분극’ 특성을 활용해 주기적 리프레시에 따른 전력 부담을 줄일 수 있다. 강유전체는 과학기술정보통신부가 2023년 발표한 ‘반도체 미래기술 로드맵’에서도 차세대 반도체용 유망 소재로 제시된 바 있다.
이번 연구에 사용된 하프니아-지르코니아(HZO)는 기존 반도체 제조 공정과의 호환성이 높고 균일한 박막 형성이 용이하다는 장점이 있다. 그러나 HZO를 DRAM급 차세대 메모리에 활용하기 위해서는 낮은 전압과 빠른 동작, 긴 수명을 동시에 확보해야 하는 ‘속도-수명 딜레마’가 존재했다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 전극과 강유전체 사이의 계면 설계에 주목했다. 원자층 증착법으로 질화티타늄(TiN) 전극의 결정 방향과 표면 특성을 조절하고 계면 산화를 억제하여 얇고 균일한 계면층을 형성했다. 이를 통해 계면에서 발생하는 전압 손실을 줄이고 분극이 균일하게 전환될 수 있는 조건을 마련했다.
그 결과, 연구팀은 두께 5nm의 HZO 캐패시터에서 0.6V의 낮은 전압으로 분극 전환을 구현했으며, 1조 회 반복 구동 후에도 절연 파괴 없이 정보 상태를 구분할 수 있음을 확인했다. 시험 소자에서 0.6V에서의 분극 전환 시간은 약 40ns, 1V에서는 약 8ns로 측정되었다. 분극 감소 20% 미만을 기준으로 평가한 반복 구동 내구성은 0.6V에서 6000억 회, 1V에서 1조 회에 달했다. 연구팀은 기존에 보고된 강유전체 캐패시터와 비교했을 때 구동 전압, 전환 속도, 내구성을 종합적으로 고려했을 때 세계 최고 수준의 성능 조합을 확보했다고 설명했다.
연구팀은 전극·계면 설계를 통해 전압 손실을 줄이고, 소자 내부의 전기장을 분극 전환에 활용하는 원리를 규명했다. 또한, 소자 면적이 작아질수록 분극 전환이 빨라지는 경향을 확인했으며, 이를 통해 더 작은 나노미터 크기 소자에서도 낮은 전압으로 나노초급 분극 전환이 가능할 것으로 예측했다. 이는 DRAM급 고속 동작으로 연결될 수 있는 가능성을 보여준다.
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