서울대학교 공과대학 재료공학부 박민혁 교수 연구팀이 성균관대학교 김윤석 교수, 전남대학교 이영환 교수, 포항가속기연구소 전태열 박사 연구팀과 공동으로 차세대 비휘발성 메모리 소재인 하프니아-지르코니아(HZO)의 결정화 전 과정을 실시간으로 규명했다고 밝혔다. 연구팀은 HZO 박막에서 정보를 기억하는 강유전상이 만들어지는 과정을 추적한 결과, 산소 원자가 빠져 생기는 결함인 '산소 빈자리'의 양에 따라 결정화 온도와 최종 결정상, 메모리 저장 성능이 달라진다는 사실을 확인했다고 설명했다. 이번 연구 결과는 지난 24일 국제 학술지 Advanced Functional Materials에 게재됐다.
산소 빈자리가 결정화 경로를 좌우
연구팀은 원자층증착 공정에서 오존 주입량을 달리해 산소 빈자리 농도가 서로 다른 10nm 두께의 HZO 박막을 제작했다. 이후 포항가속기연구소의 방사광을 이용한 실시간 스침각 광각 X선 산란(GIWAXS) 분석으로 비정질 박막이 가열 과정에서 결정으로 변하고 냉각을 거쳐 최종 구조로 안정화되는 전 과정을 연속적으로 추적했다. 분석 결과 산소 빈자리가 많은 박막에서는 원자 배열의 재정돈과 초기 결정핵 형성이 방해받아 더 높은 온도에서야 결정화가 시작됐고, 강유전성을 나타내는 사방정상보다 전기적 분극을 만들지 않는 비강유전성 정방정상이 상대적으로 오래 유지됐다. 반대로 산소 빈자리가 적은 박막에서는 결정화에 필요한 에너지 장벽이 낮아지고 결정립 성장이 원활하게 진행되면서 강유전성 사방정상이 더 유리하게 형성됐다.
결정화 온도 30℃ 낮아지고 신호 11배 증가
연구팀에 따르면 산소 빈자리가 적은 박막은 산소 빈자리가 많은 박막보다 결정화 시작 온도가 30℃ 낮았다. 또한 같은 400℃ 조건에서 메모리의 0과 1을 구분하는 저장 신호인 전환 가능 분극량(2Pr)도 약 11배 큰 것으로 나타났다.
박민혁 교수는 "이번 연구는 산소 빈자리를 단순히 제거해야 하는 결함이 아니라, HZO 박막의 결정화 시점과 강유전상 형성 경로를 설계하는 핵심 변수로 규명했다는 데 의미가 있다"며 "실시간 방사광 분석을 통해 열처리 과정에서 일어나는 구조 변화를 직접 추적함으로써, 최종 전기적 특성이 형성되는 원인을 보다 명확하게 설명할 수 있었다"고 말했다. 이어 "이번 연구에서 확인한 산소 빈자리와 결정화 경로의 관계는 제한된 열 예산에서도 높은 강유전 성능을 구현해야 하는 차세대 비휘발성 메모리와 고집적 반도체 공정의 소재 설계에 활용될 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔다.
차세대 메모리 공정 설계 기준 될 듯
연구팀은 낮은 온도에서 강유전상을 형성할 수 있다는 점이 반도체 공정 측면에서도 주목할 만하다고 설명했다. 낮은 온도에서 강유전성을 확보하면 이미 형성된 배선과 소자의 열 손상을 줄여야 하는 반도체 후공정에 유리하기 때문이다. 연구팀은 이번에 밝혀낸 산소 빈자리와 결정화 경로의 관계가 향후 임베디드 비휘발성 메모리와 3차원 집적 메모리 등 차세대 메모리 기술에 활용돼, 스마트폰·자동차·사물인터넷 기기 등에서 전원이 꺼져도 정보를 안정적으로 유지하는 고집적·저전력 메모리 개발에 기여할 것으로 기대된다고 밝혔다. 이번 연구는 한국연구재단을 통한 과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행됐다.
출처 : 서울대학교 공과대학 보도자료(뉴스와이어)
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