"삼성·SK도 긴장할 '마의 벽' 넘었다"...한양대, D램 역사 새로 쓴 '산화물'의 기적

벨기에의 세계적인 디지털 기술 연구기관인 아이멕(imec)과 한양대학교의 연구진이 공동으로 수행한 연구가 반도체의 미세화 한계를 극복하는 핵심 기술인, 원자층 증착(ALD) 공정을 활용한 산화물 반도체가 고밀도·저전력 메모리 아키텍처 구현에 핵심적인 역할을 할 수 있다는 것을 제시했다. 동 연구는 반도체 공정·소자 전문 매체 세미엔지니어링에 소개된, '차세대 메모리 아키텍처를 위한 산화물 반도체: ALD 공정의 핵심 요건과 과제'라는 제하의 논문을 통해 공개됐으며, 산화물 반도체의 물성, 공정 특성, 그리고 차세대 메모리 적용 시 요구되는 기술 조건을 종합적으로 정리하고 있다.

한양대와 아이멕의 이번 공동 연구는 메모리 반도체가 미세화 한계와 전력 소모 문제에 직면한 상황에서, 기존 실리콘 기반 접근법을 보완하거나 대체할 수 있는 물질과 공정 조합을 검토한다는 점에서 주목된다. 연구진은 특히 원자층 증착 기반 산화물 반도체가 3차원 메모리 구조와의 높은 적합성을 지니며, 고집적과 저전력이라는 두 가지 요구를 동시에 충족할 수 있는 가능성을 지닌다고 분석했다.

연구진은 원자층 증착이 산화물 반도체 박막 형성에 있어 핵심 공정이라고 설명했다. 원자층 증착은 기판 표면에서 원자 단위로 화학 반응을 제어해 박막을 형성하는 방식으로, 두께 제어 정밀도와 균일성이 매우 높다. 이러한 특성은 수직 구조가 복잡한 3차원 메모리 아키텍처에서 특히 중요하게 작용한다.

논문은 산화물 반도체가 낮은 누설 전류 특성을 지닌다는 점에 주목한다. 이는 대기 상태에서의 전력 소모를 줄이는 데 유리하며, 고집적 메모리에서 발생하는 발열과 에너지 효율 문제를 완화할 수 있는 조건으로 제시된다. 연구진은 이러한 특성이 원자층 증착 공정을 통해 더욱 안정적으로 구현될 수 있다고 설명했다.

또한 원자층 증착은 고종횡비 구조에서도 균일한 박막 형성을 가능하게 해, 차세대 메모리에서 요구되는 수직 적층 구조와의 공정 호환성을 높인다. 연구는 이러한 공정적 이점이 산화물 반도체를 단순한 대안 물질이 아니라, 차세대 메모리 설계의 핵심 축으로 검토하게 만드는 요인이라고 평가했다.


연구진은 고밀도·저전력 메모리 구현을 위해 산화물 반도체가 충족해야 할 물질적 조건을 정리했다. 산화물 반도체의 전기적 특성은 구성 원소 선택과 결정 구조, 그리고 불순물 제어 방식에 크게 좌우된다. 연구는 특정 금속 양이온 조합이 전하 이동 특성과 소자 안정성에 중요한 영향을 미친다고 설명한다.

결정성 제어 역시 핵심 요소로 제시됐다. 결정 구조가 전하 이동 경로와 결함 밀도에 영향을 미치기 때문에, 메모리 소자의 동작 전압과 신뢰성을 좌우하는 변수로 작용한다. 연구진은 원자층 증착 공정이 이러한 결정성을 비교적 정밀하게 제어할 수 있는 수단을 제공한다고 분석했다.
음이온 도핑과 계면 설계 역시 중요하게 다뤄졌다. 산화물 반도체는 산소 결함과 같은 요소에 민감하게 반응하며, 이는 전도도와 소자 특성 변동성으로 이어질 수 있다. 연구는 이러한 특성을 제어하기 위해 계면 공학과 헤테로 구조 설계가 병행돼야 한다고 설명했다.


논문은 산화물 반도체가 지닌 잠재력과 함께, 메모리 통합 과정에서 해결해야 할 기술적 과제도 명확히 제시한다. 가장 대표적인 문제로는 접촉 저항 문제가 언급된다. 산화물 반도체와 금속 전극 사이에서 발생하는 접촉 저항은 소자 성능을 제한하는 요인으로 작용할 수 있으며, 고속 동작이 요구되는 메모리 응용에서 중요한 장애 요소로 지적됐다.

수소 관련 불안정성도 주요 과제로 제시됐다. 공정 중 유입되거나 잔류하는 수소는 산화물 반도체의 전기적 특성을 변화시켜 소자 특성의 장기 안정성을 저해할 수 있다. 연구진은 이러한 문제를 해결하기 위해 공정 조건 최적화와 소재 설계가 병행돼야 한다고 분석했다.

또 다른 구조적 한계로는 p형 산화물 반도체의 부족이 지적됐다. 이는 상보형 구조 구현에 제약을 주는 요소로, 산화물 반도체 기반 메모리와 논리 회로 통합을 어렵게 만드는 요인이다. 연구는 이 문제가 장기적인 재료 연구 과제로 남아 있다고 설명했다.


연구진은 차세대 메모리 기술의 핵심 흐름이 3차원 구조로 이동하고 있다는 점을 전제로, 산화물 반도체의 공정 적합성을 강조했다. 원자층 증착 기반 산화물 반도체는 고종횡비 구조에서도 균일성을 유지할 수 있어, 적층 수가 증가하는 메모리 구조에서 장점을 지닌다고 평가됐다.

또한 저전력 특성은 데이터센터와 인공지능 가속기용 메모리 수요가 증가하는 환경에서 중요한 경쟁 요소로 작용한다. 연구는 산화물 반도체 기반 메모리가 전력 효율 개선이라는 측면에서 의미 있는 선택지가 될 수 있음을 시사한다.

연구는 산화물 반도체가 기존 실리콘 기술을 즉각적으로 대체하기보다는, 특정 응용 영역에서 보완적 역할을 수행하며 점진적으로 활용 범위를 넓혀갈 가능성을 제시한다. 이는 차세대 메모리 기술이 단일 해법이 아니라, 복수의 물질과 공정이 공존하는 방향으로 전개될 수 있음을 의미한다.


이번 리뷰 연구는 원자층 증착 기반 산화물 반도체가 메모리 반도체 기술의 새로운 연구 축으로 자리 잡고 있음을 보여준다. 연구진은 물질 설계와 공정 제어, 그리고 소자 구조 최적화가 유기적으로 결합될 때, 산화물 반도체가 고밀도·저전력 메모리 아키텍처의 실질적 대안으로 부상할 수 있다고 정리했다.

동시에 접촉 저항, 안정성, 재료 다양성 부족과 같은 과제가 해결되지 않는 한 대규모 상용화에는 시간이 필요하다는 점도 분명히 했다. 이번 연구는 이러한 한계를 포함한 기술 지형을 체계적으로 정리함으로써, 향후 메모리 반도체 연구와 공정 개발의 방향성을 제시하는 참고 지점으로 평가된다.


이교관 글로벌이코노믹 기자 yijion@g-enews.com