KAIST(총장 이광형)는 전기및전자공학부 조병진 교수 연구팀이 3차원 V-낸드 메모리의 고집적 한계를 극복할 수 있는 신소재 기반 기술을 개발했다고 20일 밝혔다.

낸드플래시 메모리는 스마트폰과 SSD 등에 쓰이는 대표적인 비휘발성 저장장치로, 데이터 저장 밀도를 높이기 위한 기술 경쟁이 이어지고 있다. 그러나 고집적화 과정에서 데이터 처리 속도 저하와 신뢰성 문제가 동시에 발생하는 한계가 있었다.

연구팀은 터널링층에 신소재 ‘붕소 산질화물(BON)’을 적용해 이 문제를 해결했다. 터널링층은 전자가 이동하는 통로 역할을 하는 핵심 구조로, 기존 실리콘 산질화물 기반 소재는 속도와 안정성을 동시에 확보하기 어려운 구조적 한계가 있었다.

특히 기존 기술에서는 데이터를 빠르게 지우면 저장된 전자가 외부로 누설되고, 반대로 안정성을 높이면 삭제 속도가 느려지는 ‘트레이드오프’ 문제가 발생했다. 이는 하나의 셀에 5비트를 저장하는 펜타 레벨 셀(PLC) 구현의 주요 장애로 지적돼 왔다.

연구팀은 전하 종류에 따라 장벽 높이가 달라지는 ‘비대칭 에너지 장벽’ 구조를 설계했다. 데이터를 지울 때 필요한 정공은 쉽게 통과시키고, 저장된 전자는 외부로 빠져나가지 않도록 제어하는 방식이다.

실험 결과 BON 기반 소자는 기존 대비 데이터 삭제 속도가 최대 23배 향상됐고, 반복 사용 후에도 성능 저하가 거의 없는 내구성을 보였다. 또한 32단계 전압을 구분하는 PLC 동작에서도 데이터 분포를 3배 이상 정밀하게 제어했다.

연구팀은 해당 기술이 실제 반도체 양산 공정에도 적용 가능한 수준이라고 설명했다.

조병진 교수는 “차세대 초고용량 메모리 제조에 바로 활용 가능한 기술”이라며 “반도체 기술 경쟁력 확보에 기여할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 국제전자소자학회(IEDM)에서 발표됐으며, 삼성휴먼테크논문대상에서 대학 부문 대상을 수상했다.