ETRI '캐패시터 없는 D램' 구현 성공, 차세대 메모리 선점

산화물 반도체 기반, 데이터 1000초·메모리 윈도우 13배↑

안정성도 우수, 2T0C DRAM 핵심 성능 확보…"AI시대 혁신"

[대전=뉴시스] 산화물 반도체 기반 2T0C DRAM 구조를 개발한 ETRI 연구진.(사진=ETRI 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 캐패시터(Capacitor) 없이도 데이터를 안정적으로 저장할 수 있는 혁신적인 차세대 메모리(DRAM)를 구현해 인공지능(AI) 시대에 필요한 저전력·고집적 메모리 기술 선점에 유리한 고지를 차지했다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 디스플레이 산업에서 활용되는 산화물 반도체 트랜지스터(TFT)를 적용해 캐패시터 없이 데이터를 저장하는 '2T0C(2-Transistor-0-Capacitor)' DRAM 구조를 개발했다고 14일 밝혔다.

DRAM(Dynamic Random Access Memory· D램)은 컴퓨터나 스마트폰에서 작업 중인 데이터와 응용 프로그램을 일시적으로 저장하는 고속 휘발성 메모리다. 2T0C는 기존의 D램에서 데이터를 저장하는 핵심 부품인 커패시터(Capacitor)를 제거하고 2개의 트랜지스터만으로 메모리 셀을 구성하는 차세대 메모리 기술 구조을 말한다.

이 기술은 '캐패시터리스 DRAM'이라 불리는 차세대 메모리 방식으로 기존 실리콘 기반 DRAM이 갖고 있던 구조적 한계를 극복할 수 있는 대안이다.

현재 상용되는 대부분의 DRAM은 트랜지스터 1개와 캐패시터 1개가 함께 작동해 데이터를 저장하는 1T1C 구조로, 캐패시터는 전기를 저장하는 작은 저장공간 역할을 한다.
 
하지만 반도체가 점점 작아질수록 이 캐패시터를 만드는 것이 점점 어려워지고 제조과정이 복잡해지며 전력소모도 커지는 문제가 있다.

이 때문에 캐패시터를 없앤 새로운 메모리 구조가 필요했지만 기존 연구에서는 데이터를 오래 유지하기 어렵거나 안정성이 떨어지는 문제가 있었다.

이번에 연구진은 전기가 새어 나가는 양인 누설 전류가 적고 전하를 안정적으로 유지할 수 있어 메모리 소자에 적합한 '산화물 반도체' 소재로 기존 문제를 해결했다.
 
ETRI는 알루미늄이 첨가된 인듐-주석-아연 산화물(ITZO) 소재를 사용해 트랜지스터를 만들고 아산화질소(N2O) 플라즈마 공정을 통해 내부 결함을 정밀하게 조절했다.

이를 통해 소자 내부결함을 줄이고 누설 전류를 효과적으로 억제하는 데 성공했다. 또 데이터를 읽는 트랜지스터의 채널 비율(W/L)을 최적화해 저장된 전하가 쉽게 사라지지 않도록 설계했다.

그 결과, 1000초 이상 데이터를 유지할 수 있었고 데이터를 '0'과 '1'로 명확하게 구분할 수 있는 범위인 메모리 윈도우(memory window)도 약 13배 향상됐다.
 
이는 데이터를 더 오래, 더 정확하게 저장하고 메모리의 안정성까지 개선시켰다는  의미로 2T0C DRAM에서 핵심 성능인 두 지표를 동시에 개선한 핵심 성과다.

이번 연구는 기존 실리콘 기반 DRAM 기술의 구조적 한계를 넘어 AI 시대에 필요한 고집적·저전력 메모리 기술 확보에 중요한 전환점이 될 것으로 전망된다.

UST(과학기술연합대학원대학교) ETRI 캠퍼스 양차환 석사과정 학생이 제1저자, ETRI 남수지 박사가 교신저자로 참여한 이 성과는 세계적인 학술지 '어드벤스드 사이언스(Advanced Science)' 온라인판에 지난달 3일 게재됐다.      

ETRI 플렉시블전자소자연구실 남수지 박사는 "디스플레이 분야에서 발전해 온 산화물 반도체 기술이 차세대 메모리 소자에도 적용될 수 있음을 확인했다"면서 "앞으로 3차원 반도체 집적 기술과 저전력 컴퓨팅 시스템 구현에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다"고 말했다.


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