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국내 연구진이 차세대 지능형 반도체에 활용 가능한 신소자를 개발했다는 소식입니다. 기존의 플래시 메모리보다 빠르게 적은 에너지로 다양한 연산을 구현할 수 있어 인공지능 컴퓨팅과 빅데이터 처리 등에 폭넓게 활용될 전망입니다.

아주대학교는 서형탁교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과) 연구팀이 강유전성 초박막 소재의 나노 위상 분극 도메인 정보 저장 및 스위칭 제어 기술을 이용해 연산과 비메모리 기능이 통합된 프로세스-인-메모리(PIM) 터널링 소자 개발에 성공했다고 밝혔습니다.

연구내용은 '초고속 로직-인-메모리 동작 구현을 위한 헤프늄-지르코니아 나노라미네이트 기반의 스위칭 가능한 극성 나노텍스츄어(Switchable Polar Nanotexture in Nanolaminates HfO2-ZrO2 for Ultrafst Logic-in-Memory Operations)'라는 제목으로 나노융합기술 분야 저명 국제 학술지인 <스몰(Small)> 3월호 온라인판에 게재되었고 이번 연구에는 아주대 대학원 에너지시스템학과 쿠마 모히트(Mohit Kumar) 교수가 제1저자로, 아주대 대학원 한승익·안영환·전예린·박지영 학생이 공저자로 참여했으며 서형탁 교수는 교신저자로 함께 했습니다.

PIM(Process-in-Memory)은 뇌의 신경회로를 모사해 메모리와 프로세서를 통합한 신개념 반도체로 미래 반도체 핵심 기술로 현재 반도체 집적회로는 메모리와 프로세서가 분리되어 데이터를 처리하는 '폰노이만 아키텍쳐(Von Neumannarchitecture)' 방식을 이용하고 있습니다. 그러나 최근 인공지능(AI) 컴퓨팅과 빅데이터 처리 등을 위해 메모리와 프로세서 간 데이터 전달량이 증가함에 따라 처리 속도가 한계에 이르는 '폰노이만 병목현상'이 발생하고 있고 이에 메모리와 프로세서를 통합해 빠른 연산 처리 속도를 구현하고 전력 소모량도 아낄수 있는 PIM기술이 주목받고 있습니다.

이러한 PIM 소자를 구현하기 위해 전 세계 반도체 제조사들은 기존 실리콘 집적회로 소재와 공정을 기반으로 회로 구조적인 변화를 시도함과 동시에 실리콘 소재에서 탈피해 멤리지스터(메모리+레지스터)와 멤트랜지스터(메모리+트랜지스터)와 같은 신소자를 이용한 개발을 진행하고 있습니다. 그러나 PIM 기술이 목표로 하는 저전력·고속 스위칭·멀티 레벨 스위칭의 신뢰성을 모두 확보한 긴기술의 개발은 아직 요원하고 특히 나노 스케일의 단위 소자에서 안정적인 비휘발성 저장 및 논리 연산을 저전력·초고속으로 ㄷ라성한 결과는 아직 보고되지 않았습니다.

아주대 연구팀은 PIM 신소자 개발을 위해 헤프늄-지르코늄 복합산화물(HfZrO:HZO)에 주목했고 HZO는 차세대 저전력 트랜지스터의 후보군인 음의 정전저항기반 트랜지스터에 사용되는 핵심 소재로 외부 전기장에 따라 비휘발성 분극이 강하게 일어나는 강유전성을 가지며 특히 3차원 구조의 집적회로 핵심 공정인 원자층 증착이 가능하여 반도체 분야에서 널리 연구 개발되고 있는 소재입니다.

HZO의 강유전성은 이상적으로는 전압의 부호에 따라 상향 및 하향 수직 정렬 분극화가 소재 전체에 일관되게 일어나는 것이 필요하지만 원자층 증착된 HZO는 나노결정구조를 가지기 떄문에 각 결정립의 분포에 따라 수직 정렬 분극뿐만 아니라 경사 정렬 분극화가 점진적으로 발생하는 '위상 극성 도메인'이 형성되고 연구팀은 이러한 위상 극성 도메인을 제어할 수 있다면 각 나노스케일의 도메인 정보를 비휘발성으로 저장하고 다양한 논리 연산을 구현할 수 있음에 착안해 개발을 진행했습니다.

아주대 연구팀은 실리콘(Si) 기판 위에 헤프늄 산화물과 지르코니움 산화물을 나노레미네이트 방식의 플라즈마 원자층 증착 공정으로 순차적으로 번갈아 가며 증착하되, 완전히 균일한 박막 1종과 각 단일 층이 교차된 상태를 유지하는 박막 1종을 확보하는 공정을 개발했고 원자현미경을 이용한 나노 스케일 분극 스위칭과 분석을 통해 교차 구조를 유지하는 박막의 경우에는 분극화가 수직 정렬뿐 아니라 경사 정렬될 수 있고 이를 통해 정보를 멀티레벨로 저장할 수 있음을 최초로 확인했습니다.

이번에 개발한 소자를 이용하면 80나노 초(nsec)에서 쓰기 및 읽기 동작이 가능하고 온·오프(On·Off) 비율, 스위칭 반복성(Endurance), 비휘발성(데이터 저장 시간) 기능이 모두 기존의 소자 대비 우수합니다. 더불어 아주대 연구팀은 하나의 단위 소자에서 비휘발성 스위칭 조합을 이용, NAND, NOR, OR, AND등 총 14가지 논리 연산 기능을 다치레벨로 구현해 비휘발성 PIM의 필수 특성을 모두 확인했습니다.

서형탁 교수는 "AI 컴퓨팅과 빅데이터 처리 등을 위해 차세대 지능형 반도체를 개발하고자 하는 노력이 어이지고 있다"며 "완전히 새로운 구조와 공정, 소자 등 다방면의 연구가 진행 중인 가운데, 이번 연구는 현재 양산 공정이 확보된 강유전성 소재를 기반으로 나노 도메인 분극화를 이용해 정보를 비휘발성·다중레벨로 구현한 최초의 사례"라고 설명했습니다.

서 교수는 이어 "실리콘 접합 구조의 터널링 소자 구조를 구현하여 양산 공정 적용이 가능하다"며 "인공지능형 컴퓨팅에 적합한 회로 개발을 위해 다른 분야 연구자들과 협업해 상용화를 목표로 후속 연구를 진행할 예정"이라고 덧붙였습니다.