차세대 반도체 메모리 소자인 F램의 고집적화와 정보의 정확도를 획기적으로 높일 수 있는 박막이 국내 연구진에 의해 개발돼 관심을 끌고 있다. 포항공대 신소재공학과 장현명(49) 교수팀은 과기부 국가지정연구실사업(NRL) 지원으로 최근 백금 전극상에서 제작한 BNdT(비스무스-네오디미움-티타늄 산화물) 계열의 신물질을 이용, 자발분극이 매우 크고 1000억회의 반복적인 쓰기-읽기 동작에도 정보가 손실되지 않는 탁월한 성능의 비휘발성 메모리 소자인 F램용 박막 커패시터(소자)를 개발하는데 성공했다. 자발분극(自發分極)은 강유전물질의 성능을 평가하는 가장 중요한 잣대로 자발분극이 클수록 신호를 명확히 전달할 수 있다. 연구결과는 물리학의 최고 권위지인 Physical Review Letters 8월19일자에 게재될 예정이다. F램은 높은 주파수의 교류 전기장에 의해 유도되는 전기 쌍극자의 방향성을 이용하는 메모리 소자로 전기 쌍극자 벡터가 양의 방향일 때 1, 음의 방향일 때 0으로 대응시켜 2진법에 의해 정보를 기록·재생하는 차세대 메모리 방식이다. 현재 F램 메모리 소자는 삼성전자 등에서 채택하고 있는 PZT(납-지르코늄-티타늄 산화물)와 층상 원자배열 구조를 가지는 SBT(스트론츔-비스무스-티타늄 산화물)라는 2종류의 물질을 이용해 주로 개발하고 있다. 1990년대 초부터 본격적으로 F램 소자에 활용된 PZT 계열 커패시터는 ▷한번 저장된 정보가 지워지지 않는 비휘발성 ▷저 전압에서 작동 ▷고속 정보처리 속도(1000만분의 1초) ▷무한한 정보기록 횟수 등의 장점으로 기존의 D램 소자나 플래시 메모리를 대체할 차세대 메모리 소자인 F램의 주된 후보로 삼성전자·도시바·히다치 등 세계 유수의 반도체 제조기업들이 치열한 개발경쟁을 벌여왔다. 그러나 D램에서 사용하는 통상의 백금전극을 이용해 PZT 커패시터를 제조할 경우 수백만번 이상의 쓰기-읽기 동작 이후에는 저장된 정보가 급속히 손실되는 이른바 전기적 피로현상과 낮은 전하 유지능력 때문에 개발에 큰 어려움이 있었다. 또 1995년 개발된 SBT는 전기적 피로현상 문제는 없으나 소자의 성능 신뢰성과 고집적화에 필수적인 자발분극 값이 아주 작을 뿐만 아니라 커패시터의 제작온도가 700℃ 정도로 높아 반도체 메모리 소자로 적합하지 않은 치명적 결함을 안고 있었다. PZT와 SBT가 가지는 문제들을 동시에 해결하고자 장현명 교수는 포항산업과학연구원 전웅 박사와 협동으로 Nd(네오디미움) 원자 등 희토류 이온을 BT(비스무스-티타늄 산화물) 층상구조의 Bi(비스무스) 원자와 적절히 치환함으로써 박막의 성장방향에 따라 거대 자발분극을 유도하는데 성공했다. 또 포항가속기연구소의 김민규 박사와 협동으로 X-선 흡수 분광법 등을 이용해 거대 자발분극을 일으키는 원자의 위치를 규명했을 뿐만 아니라 양자역학적 계산에 의해 이를 이론적으로 확인하는 기초학문적 성과도 이룩했다. 개발한 커패시터는 ▷높은 자발분극 ▷전기적 피로현상의 제거 ▷한번 기록된 정보가 시간의 경과에도 불구하고 손실없이 유지되는 특성인 높은 전하 유지능력 ▷반복된 쓰기-읽기에도 불구하고 이진법의 정보를 정확히 유지하는 특성 등 F램 메모리 소자가 갖춰야할 4대 조건들을 모두 만족함으로써, 지금까지 알려진 모든 커패시터 중 F램 소자로서 가장 탁월한 특성을 가진 것으로 평가되고 있다. 연구팀은 2001년 8월에도 NRL사업 지원으로 통상의 백금전극을 이용해 전기적 피로현상이 제거된 PZT 계열의 박막 커패시터를 세계최초로 개발한 적이 있다. <Chemical Daily News 2002/08/22> |
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