News Letter / 회원동정
박태주 회원 (한양대), 차세대 반도체 상용화 앞당길 ‘순수 실리카 선택 소자’ 개발
한양대학교 공과대학 재료화학공학과 박태주 교수 연구팀이 차세대 컴퓨팅 시스템의 핵심인 고집적 메모리 구현을 위해, 현대 반도체 제조 공정과 완벽하게 어우러지는 ‘순수 이산화규소(SiO₂) 기반 선택 소자’를 개발하고 그 동작 원리를 규명했다.
이번 연구는 그동안 차세대 메모리 상용화의 큰 걸림돌이었던 공정 복잡성과 신뢰성 문제를 해결할 수 있는 획기적인 성과로 평가받는다. 특히 스마트폰이나 컴퓨터의 뇌를 만드는 표준 방식인 CMOS(상보성 금속 산화물 반도체) 공정 소재를 그대로 활용할 수 있어, 별도의 설비 교체 없이 즉시 생산 라인에 적용할 수 있다는 점이 큰 강점이다.
최근 반도체 업계는 데이터를 더 촘촘하게 저장하기 위해 메모리를 수직으로 쌓는 3차원 구조에 주목하고 있다. 하지만 이러한 구조는 데이터를 읽을 때 선택하지 않은 옆 칸으로 전류가 새어 나가는 ‘스니크 패스(Sneak Path)’ 현상이 발생해 데이터가 엉키는 고질적인 문제를 안고 있었다. 이를 해결하기 위해서는 필요한 순간에만 전류를 정확히 흐르게 제어하는 ‘선택 소자’라는 일종의 스마트 문지기가 반드시 필요하다.
그동안 학계는 이를 위해 복잡한 화합물 소재를 연구해 왔으나, 이는 기존 반도체 생산 공정과 맞지 않거나 열에 약해 망가지기 쉽다는 단점이 있었다. 박태주 교수팀은 이 점에 착안해 현재 반도체 제조에서 절연체로 가장 흔히 쓰이는 소재인 ‘순수 이산화규소(실리카)’에 주목했다. 연구팀은 원자층 증착법을 통해 머리카락 굵기의 수만 분의 일 수준인 5nm 두께의 실리카 막을 형성했으며, 이것이 차세대 메모리의 문지기 역할을 완벽하게 수행함을 실험적으로 입증했다.
개발된 소자는 400ns(나노초)의 빠른 스위칭 속도를 자랑할 뿐만 아니라, 10억 회 이상의 반복 동작에도 성능 저하가 없는 뛰어난 내구성을 보였다. 특히 반도체 제조 과정의 필수 단계인 600℃ 이상의 고온 열처리 후에도 안정적으로 작동해 실제 양산 공정에서의 신뢰성을 확보했다.
연구팀은 단순히 소자를 만드는 데 그치지 않고, 소자 내부의 산소 원자가 빠져나간 자리를 전기적으로 제어해 동작 전압을 조절할 수 있다는 원리까지 밝혀냈다. 이는 사용자의 필요에 따라 반도체의 성능을 세밀하게 조정할 수 있음을 의미한다.
박태주 교수는 “이번 연구는 복잡한 신소재 대신 산업계에 친숙한 소재를 사용해 차세대 메모리의 핵심 난제를 해결했다는 데 의의가 있다”며 “향후 고집적 메모리는 물론, 인간의 뇌를 닮은 뉴로모픽 반도체 등 미래 기술의 상용화를 앞당기는 발판이 될 것”이라고 밝혔다.
SK하이닉스와의 수년간에 걸친 산학협력으로 도출된 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 차세대지능형반도체기술개발사업과 한국기초과학지원연구원의 반도체·이차전지 초거대AI전자현미경 개별원자 분석기술개발사업의 지원을 함께 받아 수행됐다. 해당 연구 결과는 국제 학술지 『ACS Applied Materials & Interfaces』에 4월 1일 게재됐으며, 2026년 12호의 표지 논문(cover paper)으로 선정됐다.
해당 논문 「Threshold Switching Behavior and Underlying Mechanisms in Pure SiO2-Based Selectors」에는 김혜림 한양대 연구원이 제1저자로 참여하고, 박태주 한양대 교수, SK 하이닉스 김수길 부사장, 한국기초과학지원연구원 장재혁 박사가 교신저자로 참여했다.
(왼쪽부터) 한양대학교 김혜림 연구원, 한양대학교 박태주 교수, SK하이닉스 김수길 부사장, 한국기초과학지원연구원 장재혁 박사
박태주 회원 (한양대), 차세대 반도체 상용화 앞당길 ‘순수 실리카 선택 소자’ 개발
한양대학교 공과대학 재료화학공학과 박태주 교수 연구팀이 차세대 컴퓨팅 시스템의 핵심인 고집적 메모리 구현을 위해, 현대 반도체 제조 공정과 완벽하게 어우러지는 ‘순수 이산화규소(SiO₂) 기반 선택 소자’를 개발하고 그 동작 원리를 규명했다.
이번 연구는 그동안 차세대 메모리 상용화의 큰 걸림돌이었던 공정 복잡성과 신뢰성 문제를 해결할 수 있는 획기적인 성과로 평가받는다. 특히 스마트폰이나 컴퓨터의 뇌를 만드는 표준 방식인 CMOS(상보성 금속 산화물 반도체) 공정 소재를 그대로 활용할 수 있어, 별도의 설비 교체 없이 즉시 생산 라인에 적용할 수 있다는 점이 큰 강점이다.
최근 반도체 업계는 데이터를 더 촘촘하게 저장하기 위해 메모리를 수직으로 쌓는 3차원 구조에 주목하고 있다. 하지만 이러한 구조는 데이터를 읽을 때 선택하지 않은 옆 칸으로 전류가 새어 나가는 ‘스니크 패스(Sneak Path)’ 현상이 발생해 데이터가 엉키는 고질적인 문제를 안고 있었다. 이를 해결하기 위해서는 필요한 순간에만 전류를 정확히 흐르게 제어하는 ‘선택 소자’라는 일종의 스마트 문지기가 반드시 필요하다.
그동안 학계는 이를 위해 복잡한 화합물 소재를 연구해 왔으나, 이는 기존 반도체 생산 공정과 맞지 않거나 열에 약해 망가지기 쉽다는 단점이 있었다. 박태주 교수팀은 이 점에 착안해 현재 반도체 제조에서 절연체로 가장 흔히 쓰이는 소재인 ‘순수 이산화규소(실리카)’에 주목했다. 연구팀은 원자층 증착법을 통해 머리카락 굵기의 수만 분의 일 수준인 5nm 두께의 실리카 막을 형성했으며, 이것이 차세대 메모리의 문지기 역할을 완벽하게 수행함을 실험적으로 입증했다.
개발된 소자는 400ns(나노초)의 빠른 스위칭 속도를 자랑할 뿐만 아니라, 10억 회 이상의 반복 동작에도 성능 저하가 없는 뛰어난 내구성을 보였다. 특히 반도체 제조 과정의 필수 단계인 600℃ 이상의 고온 열처리 후에도 안정적으로 작동해 실제 양산 공정에서의 신뢰성을 확보했다.
연구팀은 단순히 소자를 만드는 데 그치지 않고, 소자 내부의 산소 원자가 빠져나간 자리를 전기적으로 제어해 동작 전압을 조절할 수 있다는 원리까지 밝혀냈다. 이는 사용자의 필요에 따라 반도체의 성능을 세밀하게 조정할 수 있음을 의미한다.
박태주 교수는 “이번 연구는 복잡한 신소재 대신 산업계에 친숙한 소재를 사용해 차세대 메모리의 핵심 난제를 해결했다는 데 의의가 있다”며 “향후 고집적 메모리는 물론, 인간의 뇌를 닮은 뉴로모픽 반도체 등 미래 기술의 상용화를 앞당기는 발판이 될 것”이라고 밝혔다.
SK하이닉스와의 수년간에 걸친 산학협력으로 도출된 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 차세대지능형반도체기술개발사업과 한국기초과학지원연구원의 반도체·이차전지 초거대AI전자현미경 개별원자 분석기술개발사업의 지원을 함께 받아 수행됐다. 해당 연구 결과는 국제 학술지 『ACS Applied Materials & Interfaces』에 4월 1일 게재됐으며, 2026년 12호의 표지 논문(cover paper)으로 선정됐다.
해당 논문 「Threshold Switching Behavior and Underlying Mechanisms in Pure SiO2-Based Selectors」에는 김혜림 한양대 연구원이 제1저자로 참여하고, 박태주 한양대 교수, SK 하이닉스 김수길 부사장, 한국기초과학지원연구원 장재혁 박사가 교신저자로 참여했다.
(왼쪽부터) 한양대학교 김혜림 연구원, 한양대학교 박태주 교수, SK하이닉스 김수길 부사장, 한국기초과학지원연구원 장재혁 박사