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[IT뉴스]산소 전용 통로 만든 3차원 메모리…AI 반도체 성능 높인다

온카뱅크관리자

2026-08-20 11:47:25

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> KAIST 
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 <img alt="KAIST 연구팀이 차세대 메모리 소자 '산화물 수직 채널 트랜지스터' 내 산소 통로를 설계해 산소 공공을 억제하고 성능을 높였다. 게티이미지뱅크 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202608/20/dongascience/20260820114410923sheg.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="7bYdksqFLC" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202608/20/dongascience/20260820114410923sheg.jpg" width="658">
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 KAIST 연구팀이 차세대 메모리 소자 '산화물 수직 채널 트랜지스터' 내 산소 통로를 설계해 산소 공공을 억제하고 성능을 높였다. 게티이미지뱅크 제공
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 산화물 반도체 내부에 산소가 필요한 곳으로만 이동하도록 제어하는 통로를 만들어 3차원 메모리 소자의 성능과 안정성을 동시에 높이는 기술이 개발됐다. 좁은 면적에 더 많은 소자를 안정적으로 쌓을 수 있어 AI 연산 속도를 높이고 전력 소모는 줄인 차세대 메모리 반도체 개발을 앞당길 것으로 기대된다.
 KAIST는 권지민 전기및전자공학부 교수팀이 울산과학기술원(UNIST)·연세대 등 국내 연구진과 함께 차세대 메모리 소자인 '산화물 수직 채널 트랜지스터(VCT)' 결함을 줄이고 성능과 안정성을 높인 새로운 '다층 층간 절연막 구조'를 개발했다고 20일 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스'에 5월 20일 게재됐다.
 컴퓨터 주기억장치로 활용되는 '동적 램(DRAM·디램)'은 컴퓨터가 작업 중인 데이터를 임시저장해 빠르게 꺼내 쓸 수 있도록 만든 메모리다. 디램은 수십년간 반도체 소자 크기를 줄여 면적당 더 많은 데이터를 저장하고 전력 소모를 낮추는 방향으로 발전했지만 점차 물리적 한계에 다다랐다.
 최근에는 소자를 옆으로 줄이는 대신 위로 쌓아 올려 집적도를 높이는 3차원 구조가 주목받는다. VCT는 전류가 흐르는 길인 '채널'이 수평 대신 수직 방향으로 설계된 소자다. VCT를 활용하면 제한된 면적에 더 많은 소자를 배치할 수 있어 고집적 메모리 구현에 유리하다.
 산화물 반도체를 VCT 채널 소재로 활용하면 전류 누설을 줄여 전력 소모가 적은 메모리를 개발할 수 있지만 '산소 공공' 문제가 발생한다. 산소 공공은 산화물 반도체에서 원래 산소 원자가 있어야 할 자리가 비어 있는 상태다. 빈자리가 많아지면 반도체의 전기적 특성이 달라져 소자가 안정적으로 작동하지 못한다.
 부족한 산소를 채우고자 산소를 과도하게 공급하면 전극이 산화돼 소자의 성능이 낮아진다. 산소가 필요한 곳에만 산소를 공급하고 필요하지 않은 곳에는 산소가 접근하지 못하도록 정밀하게 조절하는 기술이 필요하다.
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 <img alt="어드밴스드 펑셔널 머티리얼스 논문 표지에 실린 새로운 VCT 구조. KAIST 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202608/20/dongascience/20260820114412173gyvm.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="4Jju8Rvmdc" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202608/20/dongascience/20260820114412173gyvm.jpg" width="658">
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 어드밴스드 펑셔널 머티리얼스 논문 표지에 실린 새로운 VCT 구조. KAIST 제공
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 연구팀은 '질화규소·이산화규소·질화규소' 구조로 구성된 새로운 다층 층간 절연막을 개발했다. 층간 절연막은 반도체 내부 소자와 배선 사이를 전기적으로 분리하는 막이다.
 연구팀은 절연막을 산소 이동을 조절하는 산소 터널로 활용했다. 산소 터널은 채널 방향으로만 산소가 선택적으로 이동하도록 유도하고 전극 방향으로의 확산은 차단한다.
 새로운 구조를 적용한 VCT는 VCT 분야에서 세계 최고 수준의 전류 밀도를 달성했다. 연구팀이 개발한 소자를 이용해 구현한 디램은 648초 이상의 데이터 보유 시간을 기록했다.
 내구성도 확인됐다. 반복 동작에도 소자 특성이 크게 흔들리지 않았다. 소자에 가혹한 동작 스트레스를 1000만회 이상 가해도 트랜지스터가 켜지기 시작하는 기준 전압인 '문턱전압' 변화가 50밀리볼트(mV) 이하였다.
 연구팀은 기존 실리콘 기반 'CMOS 반도체'와 새로운 VCT를 결합한 '하이브리드 eDRAM' 구조를 제안했다. CMOS 반도체는 현재 스마트폰·카메라·컴퓨터 등 대부분의 전자기기에 사용되는 기본 회로 기술이다.
 하이브리드 eDRAM은 향후 차세대 반도체 기술인 '컴퓨트 인 메모리(CIM)' 성능을 높이는 데 활용될 것으로 기대된다. CIM은 데이터가 저장된 메모리 내부나 가까운 위치에서 연산을 수행하는 기술이다. 현재 컴퓨터가 데이터를 저장하는 메모리와 계산을 담당하는 프로세서가 분리돼 시간과 전력이 많이 소모되는 단점을 해결할 기술로 평가된다.
 권지민 교수는 "고층 건물을 높이 지으려면 층수를 늘리는 것만큼 건물을 안정적으로 만드는 것이 중요하듯 3차원 반도체도 많이 쌓으면서 안정적으로 작동하게 구현하는 것이 핵심"이라고 설명했다. 그는 "저전력 산화물 반도체와 기존 실리콘 회로를 3차원으로 결합하면 좁은 면적에 더 많은 메모리와 연산 기능을 넣을 수 있어 AI가 대규모 데이터를 더 빠르고 적은 전력으로 처리할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.
 &lt;참고 자료&gt; doi.org/10.1002/adfm.202531989
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 <img alt="뒷줄 왼쪽부터 이현진 연구원, 권지민 교수, 구현호 연구원, 정학순 박사후연구원, 이용우 박사후연구원, 앞줄 왼쪽부터 박민호 연구원, 조영민 박사후연구원, 양희수 연구원, 백승훈 연구원. KAIST 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202608/20/dongascience/20260820114413418aqlz.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="8q1aOvfznA" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202608/20/dongascience/20260820114413418aqlz.jpg" width="658">
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 뒷줄 왼쪽부터 이현진 연구원, 권지민 교수, 구현호 연구원, 정학순 박사후연구원, 이용우 박사후연구원, 앞줄 왼쪽부터 박민호 연구원, 조영민 박사후연구원, 양희수 연구원, 백승훈 연구원. KAIST 제공
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 [문혜원 기자 moony@donga.com]
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