한양대 연구팀, 세계 최초 차세대 3D NAND Flash 혁신 구조 개발

▲(상) 하이브리드 채널내 삽입된 신규 계면 물질과 단면 전자현미경 구조 (하) 각 계면 물질에 의한 트랜지스터 성능특성과 메모리 윈도운 동작 특성 (자료=한양대)

한양대학교 융합전자공학부 송윤흡 교수와 신소재공학부 박진성 교수 연구팀이 세계 최초로 차세대 3D NAND Flash 메모리의 성능과 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있는 하이브리드 채널(Hybrid-Channel, HC) 구조와 신규 계면 물질을 개발했다고 29일 밝혔다.

기존 한계 넘어선 새로운 하이브리드 채널 구조

3D NAND Flash는 초고집적 메모리 시장을 이끄는 핵심 기술이지만, 기존 Poly-Si(다결정 실리콘) 채널은 전자 이동도가 낮아 성능 개선에 한계가 있었다. 이를 대체하기 위해 HC 구조가 제안되었으나, 산화물 반도체의 결정화 과정에서 발생하는 계면 산화와 소자 변동성 문제가 걸림돌로 지적돼 왔다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 Poly-Si와 ALD(원자층 증착법) 기반 산화물 반도체(In-Ga-O, IGO) 채널 사이에 초박막 Ga₂O₃ 또는 Al₂O₃ 계면층을 삽입하는 신개념 구조를 고안했다. 그 결과, 계면 손실은 기존 5nm에서 1.7nm로 줄었고, 산화 성장도 7.4nm에서 2.5nm로 억제됐다. 이를 통해 문턱 전압 변동을 절반 수준으로 줄이고, 전류 밀도와 이동도를 크게 개선했으며, 특히 전계 효과 이동도는 100cm²/V·s 이상을 기록해 차세대 메모리 소자로서 가능성을 입증했다.

차세대 반도체 산업의 핵심 기술로 도약

이번 성과는 단순히 메모리 셀의 성능 개선을 넘어, 수직 3차원 트랜지스터 채널에 산화물 반도체를 접목해 저전력·고성능 소자를 구현할 수 있는 기반 기술을 마련했다는 점에서 의미가 크다. 앞으로 고성능 선택소자 및 로직 소자 개발로도 확장 가능해, 고집적·초고속·저전력 반도체 산업 발전에 기여할 핵심 기술로 자리매김할 것으로 기대된다.

연구팀은 “이번 성과는 세계 최초로 신개념 채널 구조와 물질 조합을 실험적으로 검증한 결과"라며, “초고집적·고성능 메모리를 요구하는 미래 반도체 산업에 새로운 돌파구를 제시할 것"이라고 강조했다.

▲(왼쪽부터) 교신저자 송윤흡 교수·박진성 교수, 공동 제1저자 황태원 박사과정생·신정민 석사과정생 (사진=한양대)

이번 연구는 삼성전자와 한국연구재단 혁신연구선도센터의 지원으로 수행됐으며, 결과는 소재 분야 세계적 권위지 'Advanced Functional Materials'(IF=19.0) 9월호 온라인판에 게재됐다.

논문 'Enhanced Device Characteristics of Hybrid-Channel (Poly-Si/IGO) Structures with Ga₂O₃ and Al₂O₃ Interlayers by Suppressing Oxidation-Induced Variability for Ultra-High-Density 3D NAND Flash Memory Applications'에는 한양대 황태원 박사과정생(신소재공학부)과 신정민 석사과정생(융합전자공학부)이 공동 제1저자로, 송윤흡 교수와 박진성 교수가 공동 교신저자로 참여했다.

송기우 기자 kwsong@ekn.kr