손바닥 위 데이터센터 가능할까?-반도체 메모리 용량 1,000배 향상시킬 산화하프늄의 신기능 발굴

손바닥 위 데이터센터 가능할까?-반도체 메모리 용량 1,000배 향상시킬 산화하프늄의 신기능 발굴

 

융합기술과 작성일 2020.07.03.

손바닥 위 데이터센터 가능할까?
- 반도체 메모리 용량 1,000배 향상시킬 산화하프늄의 신기능 발굴 -
- 원자간 상호작용 소멸로 원자 4개당 1bit 저장, 500TB 급 반도체 가능성 제시 -
- 울산과학기술원 이준희 교수팀 단독교신, 사이언스 논문 게재 -

□ 축구장 면적의 몇백 배 규모인 데이터센터의 효율을 근본적으로 높여 데이터센터의 크기를 크게 줄일 수 있도록 메모리 소재의 용량을 획기적으로 향상시킬 수 있는 연구 결과가 나왔다.

□ 울산과학기술원(총장 이용훈, 이하 UNIST) 에너지 및 화학공학부 이준희 교수팀이 메모리 소자의 용량을 1,000배 이상 향상시킬 수 있는 산화하프늄(HfO2)의 새로운 기능을 찾아내는데 성공했다.
◦ 이러한 연구결과는 10nm 수준에 멈춰선 메모리 소자의 단위셀 크기 한계를 단숨에 0.5nm까지 축소할 수 있는 새로운 페러다임의 메모리 소재 원리를 발견한 것이어서 의미가 크고,
- 본 이론을 적용하면 원자에 직접 정보를 저장해, 기존 메모리 소재로는 불가능하다고 여겼던 작은 크기의 반도체 뿐 아니라 초집적/초저절전 인공지능 반도체 구현에까지 이용될 수 있을 것으로 예상된다.
□ 과학기술정보통신부(장관 최기영, 이하 과기정통부)와 UNIST는 이번 성과가 세계적으로 저명한 국제학술지 사이언스(Science, IF 43.655)에 국내 이준희 교수팀 단독교신으로 7월 3일 4시(한국시간) 발표되었다고 밝혔는데, 순수 이론 논문이 사이언스에 게재되는 것은 극히 이례적인 예이다.

□ 기존에는 원자들 간 강한 탄성 상호작용으로 인해 원자 하나하나를 개별적으로 제어하는 것은 불가능하다고 알려져 있었는데,
◦ 반도체 공정이 수십 나노 공정*이하로 내려갈 경우 모든 반도체가 저장 능력을 상실하는 ‘스케일 현상**’을 피할 수 없다고 보았기 때문이다.
* 현재의 메모리 공정은 강유전체 메모리(FeRAM) 공정은 약 20나노, 플래쉬 메모리 공정은 10나노 선폭에서 멈춰있는 실정
** 정보 저장 및 처리 등 물질이 가진 능력이, 물질의 크기가 작아지면 약해지다가, 수십 나노미터 영역 이하로 작아지면 아예 사라지는 현상

□ 하지만, 이준희 교수 연구팀은 산화하프늄(HfO2)이라는 반도체에 특정 전압을 가하면 원자를 스프링처럼 강하게 묶던 상호작용이 완전히 사라지는 새로운 물리현상을 발견했다.

◦ 전압이 원자들 사이 상호작용을 끊어주는 자연차폐막이 형성되는 현상을 이용해 마치 진공에 있는 것처럼 반도체 안에 존재하는 산소원자 4개씩을 개별적으로 스위칭하여 메모리 소재로 응용할 수 있음을 입증해 낸 것이다.

◦ 또한, 정보저장을 위해서 적어도 원자 수천 개 이상이 모여 만든 수십 나노미터 크기의 도메인*이 필요하다는 기존 이론과는 달리,
* 1비트의 정보를 저장하기 위한 물질 내의 최소 크기 영역(보통 수십~수백 나노미터).

◦ 도메인 없이 0.5 나노미터에 불과한 개별 원자 4개 묶음에 정보를 저장, 일반 반도체에서도 단일원자 수준의 메모리를 구현할 수 있음도 입증하였다.

□ 특히 산화하프늄(HfO2) 이라는 산화물은 기존의 실리콘 기반 반도체 공정에서 이미 흔하게 사용되는 물질이어서, 원자 이론의 상업화 적용 가능성이 높고 파급력도 클 것으로 기대된다.

◦ 이준희 교수는 “향후 초집적 반도체 분야에 세계적 경쟁력을 확보하기 위한 중요한 기반이 될 수 있는 이론으로, 개별 원자에 정보를 저장하는 기술은 원자를 쪼개지 않는 한, 현 반도체 산업의 마지막 집적 저장 기술이 될 확률이 높다” 고 연구의 파급력을 설명했다.

□ 본 연구수행은 과학기술정보통신부가 계산과학 등 新연구방법론으로 새로운 물성과 기능을 구현하는 신소재 개발 추진하는 “미래소재디스커버리사업” 및 데이터 집약형 공학·과학분야 문제해결을 지원하는 “국가초고성능컴퓨팅 센터”의 지원 등으로 이루어졌다.
※ 논문명 : Scale-free ferroelectricity induced by flat phonon bands in HfO2
※ 저 자 : 이준희 교수(교신저자), 이현재, 이민성, 이경준, 조진형, 양혜미, 김윤겸, 채승철 교수, Umesh Waghmare 총 9명

□ 한편, 과기정통부는 디지털 뉴딜과 연계하여 ‘소재연구데이터 플랫폼 구축’ 사업을 추진 할 예정으로(3차 추경 등), 향후 데이터 기반 소재 연구가 더욱 활성화 되도록 지속적으로 지원할 계획이다.

<참고자료> : 1. 연구결과 개요 2. 용어 설명 3. 연구이야기 4. 그림설명 5. 연구자 이력사항

연 구 결 과 개 요

1. 연구배경

◦ 기존 강유전체 메모리의 경우, 원자 수천 개 이상이 모인 수십 나노미터 크기의 도메인이라는 영역에 1비트를 저장했다. 도메인은 메모리 저장에 반드시 필수 불가결한 최소 단위로 생각되었고, 모든 메모리 연구가 이 도메인을 안정화하는 데 집중되었다.

◦ 하지만 수십 나노미터 크기의 도메인을 만들어야만 한다는 패러다임에 갇힐 경우, 5 나노미터 이하의 반도체 공정은 실현하기 어렵다. 본 연구는 “정보저장을 위해 이 도메인이 꼭 필요한가” 라는 누구도 상상하지 못한, 하지만 꼭 필요한 근원적인 질문에서 시작했다.

2. 연구내용

◦ 평평한 에너지 띠(flat energy band)라는 물리학 이론에 주목했다. 물질에 평평한 띠가 있을 경우, 원자끼리의 탄성 상호작용이 완전히 사라지는 것처럼 보인다는 이론인데, 이를 처음으로 메모리 물질에 적용하였다.

◦ 원자간 스프링 같은 탄성 상호작용으로 수천 개의 원자가 같이 움직여야만 했는데, 이 이론을 적용하였을 때 특정 전압을 걸 때만 탄성작용이 소멸되어, 반도체 내에 원자의 위치를 개별적으로 제어할 수 있음을 확인했다.

◦ 전압을 걸때만 원자가 스프링 없이 진공에서처럼 개별적으로 움직임을 증명한 이론과 이를 메모리 반도체에 적용한 소재는, 전기를 사용하는 모든 전자 제품의 휘발성, 비휘발성 소자의 집약도를 수천 배 이상 높이는 최종적 방안을 제시하게 될 것으로 기대된다.
◦ 한편 제시된 HfO2 라는 산화물이 기존의 실리콘 기반 반도체 공정에서 이미 흔하게 사용되는 물질이라는 것도 큰 장점이다. 0.1Tbit/cm2 의 현 평면 메모리 집적화를 1,000 배 이상 끌어올릴 수 있는 500 Tbit/cm2 의 최고 집적화도 가능한 소재를 제시하게 된다. 나아가 전하를 조절하는 모든 반도체 영역에 확대되므로, 미세 전극기술이 뒤따를 경우, 시스템 반도체 개발이나, 플렉서블 소자, 초집적/초저절전 인공지능 반도체 구현에까지 이용될 수 있을 것으로 내다보고 있다.

3. 기대효과

◦ 수천 개의 원자가 1비트라는 관념에서, 원자 1개를 1비트의 매개로 쓸 수 있다는 패러다임의 혁명을 가져올 수 있다. 평면 메모리 대비 기존보다 1,000배 이상 집적도가 향상된 500Tb/cm2 반도체를 구현할 수 있는 실마리를 제공, 향후 세계 반도체 시장에서 1나노 이하 0.5 나노미터 선폭 공정까지 안정적으로 작동할 메모리 소재를 제공하는 역할을 해 줄 수 있을 것이다.

용 어 설 명

 

1. 메모리 소자
0과 1의 구분으로 디지털화 된 정보, 즉 1비트를 저장하는 정보저장에 쓰이는 소자를 말한다. 전압을 끄면 사라지는 DRAM 과 같은 휘발성(volatile) 메모리 소자, 전압을 꺼도 살아남는 Flash 메모리 같은 비휘발성(non-volatile) 메모리 소자로 나뉜다.

2. 선폭(한계)
반도체 내에 정보 저장 및 처리 영역인 비트를 구분하기 위한 최소한의 물리적 거리를 나타냄. 보통 수십 나노미터 정도 된다.

3. 산화하프늄(Hf02)
트랜지스터에 전압이 걸리는 게이트 단자에 사용되는 high-k (고유전율) 반도체로 널리 알려진 산화물이다. 최근에 비휘발성 메모리 성질인 강유전성까지 발견되어, 기존에 실리콘 반도체 공정에 친화적인 강점까지 더해져서, 차세대 메모리 소자인 강유전 메모리 (FeRAM) 소재로 각광을 받고 있다.

4. 스케일링 효과
정보 저장 및 처리 등 물질이 가진 능력이, 물질의 크기가 작아지면 약해지다가, 수십 나노미터 영역 이하로 작아지면 아예 사라지는 효과이다. 반도체 산업이 무어의 법칙에 따른 집적화를 유지하지 못하고 정체되고 있는 가장 큰 이유 중 하나이다.

5. 산화물
금속과 산소가 결합하여 만드는 고체를 나타낸다. 금속의 종류와 산소와의 비율에 따라서 금속과 비금속, 반도체 등의 다양한 물성을 나타내기 때문에 소자의 다양한 용도로 사용된다.

6. 집적도
보통 반도체 칩들의 크기인 cm2 면적당 몇 비트를 저장할 수 있느냐를 나타내는 메모리 집적 단위(보통 GTbit/cm2 ~ Tbit/cm2). 가령 1Gbit/cm2 의 경우 1cm2 당 109 bit, 즉 10억개의 비트를 저장하는 집적도를 말한다. 현재 사용 중인 DRAM 이나 평면 Flash 메모리의 경우 수십 ~수백 Gbit/cm2 집적도에 머물러 있다. (1Tbit = 1012 bit, 1Gbit = 109 bit)

7. 강유전성
유전성(electricity)이란 +와 -의 전하의 물리적 거리가 형성하는, 유전분극(electric dipole)을 만들어내는 성질을 의미한다. 강유전성(ferroelectricity)이란 강한 유전성이란 뜻으로, 전압으로 전하를 띤 원자의 위치를 조정하여 전압을 꺼도 살아남는 영구적인 유전분극을 만들어내는 물성을 말한다. 이처럼 전압을 꺼도 유전성이 살아남고, 전압으로 유전분극의 방향 조절도 가능하므로, 정보를 쓰고 저장하는 메모리로 사용 가능한 물성이다.

8. 강유전체 메모리 (FeRAM)
전압으로 전하를 띤 원자의 위치를 이동시켜 정보를 저장하고, 전압을 꺼도 정보를 잃지 않고 빠르게 작동하는 차세대 메모리이다. 하지만 스케일링 (scaling) 현상으로 인해 수십에서 수백 나노미터 공정에서 강유전성이 사라지는 약점으로 인하여, DRAM 이나 Flash 메모리에 비해 집적도 및 상업화에 제약을 받고 있다.

9. 도메인
1비트의 정보를 저장하기 위한 물질 내의 최소 크기 영역(보통 수십~수백 나노미터). 강유전체의 경우 보통 비슷한 유전분극의 크기 및 방향을 가진 수천~수만 개 이상의 원자들의 집단적 모임을 지칭한다. 이 정도의 원자들이 모여 비로소 정보의 최소 단위인 1비트를 저장할 수 있는 것으로 알려져 있다.

10. nm
‘n’은 ‘나노’라고 칭하며, 그리스어로 아주 작다는 것을 뜻한다. ‘m’은 거리의 단위이며, ‘n’과 ‘m’을 합해서 단위개념인 ‘나노미터’라고 읽는다. 1나노미터는 1nm = 10-9mm(10억분의 1)이다.

연 구 이 야 기

 

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

이론물리학을 전공했지만, 실용적인 반도체에 늘 관심이 많았다. 자녀만 4명인 가족의 짐을 빼곡히 정리해야 하는 아파트 생활도 집적화를 올리는 메모리 연구에 영감을 불어넣은 것 같다. 서울대학교에서 물리학으로 박사학위를 받고, 미국 Oak Ridge National Lab. 에서 원자 간의 탄성 상호작용을 없앨 수 있는 흥미로운 이론을 연구할 기회가 있었다. 2015년 UNIST에서 순수한 물리이론을 실용 반도체 연구에 적용하는 융합연구를 시작했고, 이번 초고집적 메모리 소재 개발이 첫 열매라고 할 수 있다.

 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

처음에는 반도체인 HfO2 가 메모리 스위칭이 잘 되지 않는 좋지 않은 물질이라고 여겼다. 하지만 탄성작용이 사라지는 물리이론을 적용하면서부터 이 물질이 점차 다르게 보였다. 나아가 반복연구를 통해, 특정 전압을 걸때만 원자간 상호작용이 사라지는 것을 확신하게 되었다. 단단한 고체 안에서도 원자 하나하나의 위치를 마치 진공에서처럼 전압으로 움직이며 메모리로 쓸 수 있는 물질임을 깨닫게 되었을 때의 희열은 정말 말로 표현하기 힘들 정도였다. 좋은 연구는 끊임없이 새로운 도전을 하는 학생들과, 풍부한 경험으로 작은 결과들의 파급력을 보고 새로운 방향을 제시할 수 있는 교수의 시너지로부터 시작하는 것 같다.

 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

전압을 걸 때만 탄성작용이 사라지는 현상 발견하고, 이를 메모리에 적용한 파급력을 증명했을 때 이미 Science에 출간할 것이라는 확신이 들었다. 하지만 아직 Science에 논문을 발표한 적인 없기에 편집자 회의에서 자꾸 거절을 당했다. 너무 힘들 때, 당시 봉준호 감독님의 “기생충”이 외국영화 처음으로 아카데미상을 뚫어낸 것을 보고 힘입어, 내용이 좋으면 결국 유리천장을 뚫을 수 있을 것으로 믿고 계속하여 이론 검증과 실증연구를 반복하였다. 마침내 세계적 석학들의 9개월간 오랜 리뷰를 통한 검증에 이은 찬사를 얻어 사이언스지에 논문으로 출간하게 되었다. 과학이든 문화든 독창적이고 유용한 컨텐츠 자체에 집중하면 반드시 미래 먹거리를 창출할 좋은 결실을 맺을 수 있는 것 같다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

발상의 전환이다. 지금까지 모든 재료 과학이, 정보저장을 위해 원자 수천 개로 구성된 수십 나노미터 크기의 도메인을 어떻게 안정적으로 만들 수 있을까에 대해서만 연구가 진행되었다. 근데 이번 연구를 통해 도메인이 전혀 필요없이, 개별 원자들에 직접 정보를 저장할 수 있음을 증명하였다! 이러한 패러다임의 전환은 모든 반도체 산업의 초집적화 시대를 여는 기초가 될 것이다. 순수 물리 이론을 실용 반도체에 적용한 융합연구의 힘을 실감하게 된다.

 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

현재 5나노미터 공정에 멈춘 반도체 산업을 향후 0.5 나노미터 공정에까지 적합한, 게다가 실리콘에 친화적이기까지 한 소재를 제시한 것은 연구실의 기초과학도 상용화에 직결될 수 있다는 산업적 의미를 가진다. 이 0.5 나노미터는 원자 간의 대략적인 거리이기 때문에 고체를 사용하는 인류가 경험할 수 있는 반도체 산업의 최고 집약 공정이 될 것이다. (물질 내 원자간 거리가 대략 0.5 나노미터이기 때문에, 원자를 쪼개지 않는 한 외부 공정이 이보다 작아지기는 어렵다.) 이 소재는 0.1Tbit/cm2 에 멈춘 평면 반도체 집적도를 향후 500 Tb/cm2 집적도까지 1,000배 이상 끌어올릴 유일한 소재로의 중추 역할을 할 것이다. 이 논문이 출간될 때 다른 나라 산업계와의 경쟁을 피할 수 없게 되므로, 빠른 실증화, 상용화를 위한 정부, 기업들의 투자가 필요하다.

그 림 설 명

[그림 1] 차세대 강유전체 메모리(FeRAM)의 1비트 작동 모식도
전압의 방향을 바꿈에 따라 원자의 위치 변환을 통해 0과 1을 조절, 1비트를 구현한다. 플래쉬 메모리와 달리 초저전력으로 빠르게 작동할 수 있는 장점이 있지만 스케일링 현상으로 인해 집적도를 높이는데 어려움을 겪고 있었다.

[그림 2] 단일 원자 메모리와 기존 원자집단 (도메인) 메모리 원리 비교
기존 메모리(왼쪽)는 원자간 스프링같은 상호작용으로 수십 나노미터 크기의 수천 개 원자집단 (도메인)이 동시에 움직여야 비로소 1비트를 저장할 수 있다. 하지만 이번에 개발된 단일원자를 이용하는 원자 메모리(오른쪽)의 경우 특정 전압을 걸 때 원자 간의 탄성 상호작용이 완전히 소멸되어 개별 원자 묶음 (산소원자 4개) 에 개별적인 비트 저장이 가능하다.

[그림 3] 단일 원자 메모리의 집적도 향상 기전
(위) 자연 차폐막이 원자 간의 상호작용을 소멸시키므로 개별 산소원자 4개의 묶음이 완전히 진공에서처럼 독립적으로 움직여 1비트를 저장할 수 있다. 이는 500 Tbit/cm2 의 집적도에 해당해 반도체 산업 기반 인류가 도달할 궁극적 집적도가 될 확률이 높다.
(아래) 기존 메모리는 수천 개의 원자가 탄성으로 연결되어 있어서, 이를 통째로 1비트 저장에 사용하므로, 개별원자에 비트 저장이 불가능하다. 따라서 현재 평면 메모리의 경우 0.1 Tbit/cm2 집적도에 머물러 있다.

[그림 4] 스케일링 현상 제거에 따른 메모리 독립성 확보
(왼쪽) 기존 반도체는 스케일링 현상으로 크기가 작아지면 물성이 약해지다가 사라져 버린다. 기타의 줄이 짧아지면 음이 변하다가 사라지는 것과 동일하다.
(오른쪽) 반도체 원자 메모리의 경우 원자들이 개별적으로 움직이는 점에서 독립적인 피아노 건반과 비슷하다. 기타줄 하나의 공간에 수천 개의 피아노 건반처럼, 동일한 공간에 수천 개의 개별정보를 저장할 수 있다. 상호작용이 사라져, 건반 하나를 누를 때 옆에 건반에 영향을 주지 않는 것처럼 개별정보를, 옆의 비트에 영향을 주지 않고 읽고 쓸 수 있다. 또한 건반의 일부분만을 떼어놓아도 여전히 독립된 소리를 내는 것처럼 0.5 나노미터 크기의 부분을 분리하여도 여전히 메모리 능력을 유지한다 (scale-free).

[그림 5] 단일 원자 수준 메모리 응용 예시
이번에 메모리 소재로 제시한 산화하프늄 (HfO2)은 실리콘 친화적인 반도체로, 이미 다양한 전자제품에 사용되고 있어 산업적으로 쉽게 다룰 수 있는 물성을 지니고 있다. 나아가 초집적 원자 메모리 성질을 부여할 수 있음을 보여줌으로써 향후 전자기기용 반도체의 집적도를 수천 배 이상 향상시킬 수 있는 파급력을 지닌다.

 

[그림 6] 수천 개 원자인 도메인을 만들지 않고 0.2 나노미터 영역의 산소 원자 몇 개만을 완벽히 스위칭시키는 모식도. 개별적으로 연주하는 피아노 건반들처럼 동일한 영역의 수천 개의 비트들을 개별적으로 스위칭시킬 수 있다.

[그림 7] 1비트를 저장할 때, 수천 개의 원자집단인 도메인 (왼쪽)을 사용하지 않고, 개별 원자들을 직접 제어해서 저장하므로, 기존 메모리 1비트 면적에 수천 개의 비트를 집적해서 사용 가능케 함 (오른쪽). 미세 전극 기술이 따라올 경우, 향후 500Tb/cm2 에 해당하는 최종 집적도를 구현하는, 반도체 안의 원자 메모리 구현 가능.

교신저자(이준희 교수) 이력사항

 

○ 소 속 : 울산과학기술원 에너지 및 화학공학부

 

1. 인적사항

 

2. 경력사항
○ 2008-2011 : Rutgers University 물리학과 연구원
○ 2011-2013 : Princeton University 화학과 연구원
○ 2013-2015 : Oak Ridge National Lab. 재료공학부 연구원
○ 2015-2019 : UNIST 에너지 및 화공, 조교수
○ 2019-현재 : UNIST 에너지 및 화공, 부교수