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터널링 효과 보이는 1nm 강유전체 초박막 구현

- 강유전체 물질의 이론적 한계 극복… 차세대 메모리 개발 기대 -

강유전체1) 메모리(Ferroelectric Random Access Memory, FeRAM)는 실리콘 기반의 플래시 메모리 보다 전력소모가 적고, 읽고 쓰는 속도가 빨라 2000년 초반까지 상용화 메모리로 활발하게 연구됐다.

하지만 강유전체 물질은 130nm 이상의 두께에서만 강유전성이 뚜렷해 고집적·고성능 메모리 제작이 힘들다. 두께를 유지한 채 성능을 끌어올리려면 생산단가가 올라간다. 상대적으로 생산단가가 저렴한 실리콘 플래시 메모리 개발이 주를 이룬 이유이다.

기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 강상관계 물질 연구단(단장 노태원)과 부경대 공동연구진은 강유전체 물질인 티탄산바륨(BaTiO3)으로 1.4nm(나노미터, 1nm = 10억 분의 1미터) 두께의 강유전체 초박막을 만들어냈다. 이는 이론(Physical Review Letters, 2006.03) 예측을 10여년 만에 실험적으로 입증한 것이다.

페로브스카이트3) 구조의 산화물 금속과 강유전체 물질 사이의 계면에 나타나는 단일 원자 수준의 불균일성에 주목하였다. 티탄산바륨의 두께가 얇아지면 불균일성이 물질의 안정성에 영향을 미쳐 강유전성을 잃게 만든다. 이러한 불균일성을 해결하기 위해 티탄산바륨 형성될 때 생긴 표면에너지가 산화바륨 또는 이산화티타늄 원자층 형성에 영향을 미친다는 것을 이론적으로 밝혀냈다.

또한 연구진은 펄스 레이저 증착법(Pulsed Laser Deposition, PLD)4)으로 루테륨산스트론튬(SrRuO3)을 만들고 그 위에 티탄산바륨, 루테륨산스트론튬을 순서대로 입혀 계면이 균일한 초박막 소자를 실제로 구현하였다. 이 과정에서 박막 제조 중 산소 분압을 조절하는 노하우가 활용됐다. 그 결과 티탄산바륨은 두께가 1.4nm에 불과함에도 강유전성을 안정적으로 유지한다.

터널링 효과5)도 관측됐다. 두께가 1nm 수준으로 얇아진 티탄산바륨은 부도체 임에도 전자 투과 현상이 일어난다. 강유전성을 보이는 동시에 터널링이 가능해 강유전체 메모리의 파괴적 읽기6)를 보완할 수 있다. 결국 차세대 메모리로 꼽히는 강유전체 터널접합 메모리(Ferroelectric Tunnel Junction Memory)의 출현을 앞당길 것으로 보인다.

연구결과는 국제과학저널 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 온라인판에 3월 3일 게재되었다.


▲ [그림 1] 강유전체의 두께와 종류에 따른 분극과 터널링 효과. (왼쪽) 현재 강유전체 커패시터는 100-200 nm 두께이다. 강유전체 층은 자발적으로 분극되고 (노란색 화살표), 전기장 등 외부 자극에 의해 분극 방향이 변한다. 두께가 두꺼워 터널링 효과가 일어나지 않는다. (가운데) 강유전체 층의 크기를 1.4nm로 줄이면 전자 터널링 효과가 생겨 전극에서 전자가 강유전성 층을 통과한다. 그러나 150 mTorr의 표준 산소 분압으로 제조된 강유전체 층은 강유전성 층과 상부 전극 사이의 불규칙한 계면 때문에 강유전성을 잃는다. (오른쪽) 연구진은 산소 분압을 5mTorr로 줄여 이 문제를 해결했다. 그 결과 강유전성이 유지되고 터널링 효과 또한 기대할 수 있다.


▲ [그림 2] 균일 한 계면을 가진 강유전체 초박막. 연구진이 이번에 구현한 상·하부 전극 루테늄산스트론튬(SrRuO3, SRO) 사이의 균일한 1.4 nm 두께의 강유전체(티탄산바륨, BaTiO3, BTO)

1) 외부의 자극(전기장, 자기장 등)이 없이도 스스로 분극(자발 분극, Spontaneous polarization)을 가지는 재료로 외부 전기장에 의해 분극 방향이 바뀔 수 있는 물질을 뜻한다. 주로 산화물이 많이 응용되고 있으며 BaTiO3가 가장 대표적인 재료이다. 강유전체 물질은 상시적 자성 분극을 가져 +/- 전하를 상시적으로 각각 반대의 표면에 띈다. 두께가 얇아질수록 점차 고유의 강유전성을 잃는다.

2) 전원이 끊겨도 기억된 정보가 지워지지 않는 비휘발성 기억장치. 모래 등으로부터 쉽고 값싸게 구할 수 있는 실리콘(Si)이 메모리 소재의 주재료로 자리 잡았다. 최근 실리콘 소자의 선폭이 한계에 다다라 지속적인 개발이 어려워져, 이를 대체할 차세대 소재가 다양하게 연구 되고 있다.

3) 페로브스카이트 구조를 갖는 ABO3 화학식 형태의 산화물은 AO와 BO2 화학식을 갖는 원자층이 교대로 나타난다. 금속과 강유전체 물질의 계면에서는 균일한 AO 혹은 BO2 원자층이 나타나지 않고 불균일하게 섞여 있어 물질의 안정성을 떨어뜨린다.

4) 박막(두께 ㎛이하의 엷은 막)을 성장시키는 진공증착법의 한 종류다. 만들고자 하는 물질의 타깃을 진공 체임버 내에 삽입하고 고온으로 가열된 기판에 펄스 형태의 레이저를 쏘아 박막형성 및 결정화 한다.

5) 전자의 운동은 단순한 파동의 중첩이고 공간적으로는 유한한 크기를 가진 파속을 형성한다. 전자의 양자역학적인 파동은 얇은 장벽을 투과할 수 있는데 전자를 고전적으로 볼 경우에는 일어날 수 없는 현상이다. 터널링이라는 용어는 물질이 금지된 영역을 뚫고 갈 수 있는 파동적 속성과 관련지어 붙은 이름이다.

6) 파괴적 읽기(destructive reading)는 강유전체의 특징인 자발 분극현상에 의한 것으로 정보를 읽을 때 분극 방향이 바뀌면서 정보를 잃게 되는데 현상을 말한다. 강유전체 메모리는 바뀐 분극현상을 돌려놓는 별도의 장치가 추가적으로 필요하다.

Center for Correlated Electron Systems (강상관계 물질 연구단)

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노태원
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    최종수정일 2017-11-15 02:43