KAIST, 차세대 메모리 정보 저장 원리 규명

정보 저장 영역 생성·확장 동시 진행 확인

저전력 AI 반도체 개발에도 활용 기대

카이스트(KAIST)는 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 전기및전자공학부 조병진 교수 연구팀, 독일 드레스덴공대와 공동으로 하프늄-지르코늄 산화물(HZO)의 정보 저장 과정을 규명했다고 8일 밝혔다. ⓒ카이스트

카이스트(KAIST) 연구진이 차세대 메모리에서 새로운 정보 저장 영역이 생겨나는 동시에 기존 영역도 확장된다는 사실을 밝혀냈다.

KAIST는 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 전기및전자공학부 조병진 교수 연구팀, 독일 드레스덴공대와 공동으로 하프늄-지르코늄 산화물(HZO)의 정보 저장 과정을 규명했다고 8일 밝혔다.

연구팀은 전원을 꺼도 정보를 유지하는 ‘강유전체’에 주목했다. 강유전체는 내부의 전기적 방향을 바꿔 0과 1을 저장하는 물질이다. HZO는 기존 반도체 제조 공정에 적용하기 쉬워 차세대 메모리 소재로 꼽힌다.

강유전체 내부에는 같은 전기적 방향을 가진 작은 영역인 ‘도메인’이 존재한다. 전압을 가하면 새로운 도메인이 생기고 기존 영역이 넓어지면서 정보가 기록된다.

기존 이론은 도메인이 새로 생기는 과정과 이미 만들어진 영역이 커지는 과정을 각각 중심으로 설명했다. 그러나 HZO처럼 미세한 결정이 모인 소재에서는 두 과정이 얽혀 실제 작동 원리를 설명하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 고해상도 현미경으로 나노미터(10억분의 1m) 크기의 도메인 변화를 관찰하고 실제 메모리 소자의 작동 결과와 비교했다.

그 결과 새로운 도메인이 곳곳에서 생겨나는 동시에 기존 영역도 주변으로 넓어지는 것으로 확인됐다. 연구팀은 두 현상을 함께 설명하는 ‘동시 핵생성-성장(SNG) 모델’을 제시했다.

이번 성과는 정보 저장 과정을 파악해 메모리의 속도와 안정성을 높일 기반을 마련했다는 데 의미가 있다. 전력 소비를 줄인 비휘발성 메모리와 인간의 뇌처럼 정보를 처리하는 인공지능(AI)용 반도체 개발에도 활용될 것으로 기대된다.

KAIST 신소재공학과 부얀톡톡 밭조릭 박사후연구원이 제1저자로 참여한 연구 결과는 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 6월 15일자에 게재됐으며 표지논문으로 선정됐다.

홍승범 KAIST 신소재공학과 교수는 “전원을 꺼도 전기적 상태를 유지하는 강유전체에 정보가 기록될 때는 작은 변화가 곳곳에서 새로 시작되는 동시에 이미 시작된 변화도 주변으로 퍼져나간다”며 “이번 연구는 이 두 움직임이 함께 정보 기록을 완성하는 원리를 밝혀낸 것”이라고 말했다.