켄텍 연구팀, 3나노 메모리 성능 가로막는 '계면 결함' 규명

계면결함 분극 전환 방해 과정 직접 관찰

차세대 메모리·AI 반도체 성능 향상 기대

[나주=뉴시스] [그림]강유전체의 분극 전환을 방해하는 계면의 원자 결함. 왼쪽 원자분해능 영상은 BaTiO3 강유전체와 LSMO 전극의 경계에서 분극이 고정된 영역을 보여준다. 오른쪽 원소 분석에서는 일부 La 원자가 원래 Mn이 있어야 할 자리를 차지한 ‘양이온 자리 결함’이 확인된다. 이 결함은 주변 구조를 변형시켜 분극이 전압에 따라 완전히 바뀌는 것을 방해한다. (그래픽=켄텍 제공) [email protected] *재판매 및 DB 금지

[나주=뉴시스]이창우 기자 = 한국에너지공과대학교(KENTECH·켄텍) 오상호 교수 연구팀이 차세대 비휘발성 메모리 소자인 강유전체 터널접합(FTJ-Ferroelectric Tunnel Junction)의 작동을 방해하는 계면 결함의 원리를 원자 수준에서 규명했다.

약 3나노미터(㎚) 두께의 초박막 강유전체 소자에 실제로 전압을 가하면서 분극이 변화하는 과정을 직접 관찰한 연구다.

8일 켄텍에 따르면 연구팀은 백금(Pt), 바륨 티타늄 강유전 산화물(BaTiO₃), 전도성 산화물 전극(LSMO)을 쌓은 FTJ를 대상으로 원자 분해능 주사 투과 전자 현미경(STEM) 분석을 진행했다.

소자에 전압을 직접 인가한 상태에서 바륨티타늄 강유전 산화물(BaTiO₃) 내부 티타늄 원자의 미세한 위치 변화를 측정해 원자층별 분극 방향을 추적했다.

[나주=뉴시스] (왼쪽부터) 한국에너지공대(KENTECH·켄텍) 오상호 교수, 변진호 연구교수, 정지훈 박사. (사진=켄텍 제공) [email protected] *재판매 및 DB 금지

분석 결과 위쪽 백금(Pt)/티탄산바륨(BaTiO₃) 계면에서는 산소가 빠진 '산소 공공'이 모여 분극을 한 방향으로 고정했고 아래쪽 BaTiO₃/LSMO 계면에서는 일부 La 원자가 Mn 자리를 대신하는 '양이온 자리 결함'이 주변 구조를 변형시켜 분극을 국소적으로 붙잡는 것으로 나타났다.

이에따라 서로 다른 계면 결함이 동시에 작용하면서 반대 방향의 전압을 가해도 소자 전체의 분극이 완전히 전환되지 않고 내부에 반대 방향의 분극 경계가 남는 '비대칭 이중 계면 고정 메커니즘'을 확인한 것이다.

오상호 교수는 "초박막 강유전체 소자에서는 전극과 맞닿는 원자 몇 층의 상태가 성능을 좌우한다"며 "산소 결손과 원자 자리 결함을 줄이도록 계면을 설계하면 분극을 더 안정적으로 전환하고 메모리 성능을 높일 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 계면 결함 제어를 위한 설계 기준을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 연구 결과는 국제학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 지난달 16일 게재됐다.


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