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[IT뉴스]‘산소 전용 통로’로 AI 반도체 성능↑전력 ↓

온카뱅크관리자

2026-08-20 13:37:25

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> KAIST, 산소 이동 조절하는 ‘산소터널’ 구조 개발 3차원 산화물 수직 채널 트랜지스터 불안정성 해결 반복 동작 시 안정성 유지...차세대 반도체 소자에 적용 
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 <img alt="다층 층간 절연막 구조 관련 연구결과를 게재한 국제 학술지 표지. KAIST 제공." class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202608/20/dt/20260820133129573ewia.jpg" data-org-width="640" dmcf-mid="p2mViAFYSp" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202608/20/dt/20260820133129573ewia.jpg" width="658">
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 다층 층간 절연막 구조 관련 연구결과를 게재한 국제 학술지 표지. KAIST 제공.
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 반도체를 수직으로 쌓아 올린 3차원 반도체의 성능과 안정성을 크게 높이는 절연막 기술이 개발됐다. 인공지능(AI) 연산 속도를 높이면서 전력 소모를 줄이는 차세대 메모리 반도체 개발에 기여할 것으로 기대된다.
 KAIST는 권지민 전기및전자공학부 교수팀이 울산과학기술원(UNIST), 연세대 등과 공동으로 차세대 메모리 소자인 산화물 수직 채널 트랜지스터(VCT)의 성능과 안정성을 크게 높일 수 있는 ‘다층 층간 절연막 구조’를 개발했다고 20일 밝혔다.
 반도체를 계속해서 작게 만드는 것은 물리적 한계에 가까워져 소자를 옆으로만 줄이는 대신 위로 쌓아 올려 집적도를 높이는 3차원 구조가 주목받고 있다.
 이 가운데 수직 채널 트랜지스터는 전류가 흐르는 길인 ‘채널’을 기존 수평 방향이 아닌 수직으로 만든 소자로, 제한된 면적에 더 많은 소자를 배치할 수 있어 고집적 메모리 구현에 유리하다.
 채널 소재로 산화물 반도체를 사용하면 전류가 새어나가는 현상을 크게 줄여 전력 소모가 적은 차세대 메모리 제작에 적합하다.
 하지만 산화물 반도체 내부에 산소가 있어야 할 자리에 비어 있는 ‘산소 공공’이 생겨 소자의 안정적인 작동을 어렵게 한다. 부족한 산소를 채우려다가 산소가 금속 전극까지 이동하면 오히려 전극이 산화돼 소자 성능을 떨어뜨린다.
 연구팀은 질화규소·이산화규소·질화규소로 구성된 새로운 다층 층간 절연막을 개발했다.
 층간 절연막은 반도체 내부의 여러 소자와 배선 사이를 분리하는 막으로, 쉽게 말해 아파트 층과 층 사이를 나누는 바닥과 천장 같은 역할을 한다.
 연구팀은 이 절연막을 전기 차단 용도 외에 산소 이동까지 조절하는 ‘산소 터널’로 활용했다. 산소가 필요한 산화물 반도체로 이동할 수 있도록 하면서 전극으로 이동하는 것을 억제한 것이다.
 그 결과 산화물 반도체 내 빈 산소 자리를 안정적으로 채우면서 전극의 불필요한 산화를 동시에 억제해 세계 최고 수준의 전류 흐름과 데이터 유지 시간을 달성했다.
 또 1000만회 이상 가혹한 동작을 한 뒤 문턱전압(트랜지스터가 켜지기 시작하는 기준 전압) 변화는 50㎷ 이하에 그쳐 높은 메모리 동작 안정성을 확인했다.
 권지민 교수는 “저전력 산화물 반도체와 기존 실리콘 회로를 3차원으로 결합하면 좁은 면적에 더 많은 메모리와 연산 기능을 넣을 수 있어 AI가 대규모 데이터를 더 빠르고 적은 전력으로 처리할 수 있다”며 “향후 차세대 반도체 기술인 컴퓨트 인 메모리(CIM)의 성능 향상에 기여할 것”이라고 말했다.
 연구결과는 재료과학 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’ 지난 5월 20일에 게재됐으며, 표지논문으로 선정됐다.
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 <img alt="차세대 메모리 소자인 산화물 수직 채널 트랜지스터의 성능과 안정성을 높일 다층 층간 절연막 구조를 AI로 생성한 이미지. KAIST제공." class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202608/20/dt/20260820133130836ogis.jpg" data-org-width="640" dmcf-mid="uDhPawu5T3" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202608/20/dt/20260820133130836ogis.jpg" width="658">
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 차세대 메모리 소자인 산화물 수직 채널 트랜지스터의 성능과 안정성을 높일 다층 층간 절연막 구조를 AI로 생성한 이미지. KAIST제공.
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 이준기 기자 bongchu@dt.co.kr
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