KAIST, '산소 터널' 다층 절연막으로 3차원 메모리 한계 극복

[충청뉴스 이성현 기자] 국내 연구진이 3차원 반도체의 고질적 문제인 산소 공공 및 전극 산화 결함을 동시에 해결하는 ‘산소 터널’ 기술을 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 전기및전자공학부 권지민 교수 연구팀이 UNIST, 연세대, 한국화학연구원, 서울과기대, 서울대 등과 차세대 메모리 소자인 산화물 수직 채널 트랜지스터(VCT)의 성능과 안정성을 획기적으로 향상시킨 다층 층간 절연막 구조를 개발했다고 20일 밝혔다.

기존 산화물 반도체는 전류 누설이 적어 차세대 저전력 메모리로 꼽혔으나 내부의 ‘산소 공공’으로 인해 전기적 특성이 불안정해지는 한계가 있었다.

연구팀은 질화규소·이산화규소·질화규소(SiN·SiO₂·SiN) 형태의 절연막을 적용해, 산소가 반도체 방향으로는 공급되고 금속 전극 쪽으로는 이동하지 못하도록 차단하는 '산소 터널' 통로를 구축했다.

그 결과 전극 산화 없이 산소 빈자리를 채움으로써 1000만회 이상의 반복 동작 후에도 문턱전압 변화가 50mV 이하에 그치는 우수한 안정성과 최고 수준의 데이터 유지 시간(Retention Time)을 실증했다.

이번 연구 성과는 메모리와 연산 장치 간 데이터 병목 현상을 해결하는 컴퓨트 인 메모리(CIM) 시스템과 차세대 eDRAM 분야에서 핵심 기술로 활용될 것으로 기대를 모으고 있다.

이번 연구는 기존 실리콘 CMOS 회로 위에 직접 적층할 수 있는 후공정(BEOL) 호환 기술을 기반으로 개발돼 AI 서버용 가속기와 모바일 AI 프로세서 등 차세대 반도체 공정에 즉시 응용이 가능하다.

특히 서로 다른 박막이 다층 적층된 난공정 속에서도 최적의 홀 에칭 조건을 확보하고, TCAD 및 Compact Model을 통해 회로·시스템 수준의 벤치마크 평가까지 완료했다.

권지민 교수는 “이번 기술은 차세대 AI 연산 속도를 높이고 전력 소모를 줄이는 고집적 메모리 개발의 중요한 기반이 될 것”이라며 “향후 대규모 어레이 구현 및 실제 CIM 하드웨어 검증에 나설 계획”이라고 설명했다.