차세대 메모리로의 FeFET, 강점, 동작원리

 

 

 

FeFET이란?

 

FeFET 구조도

 

FeFET은 일반 트랜지스터의 게이트 절연체(dielectric) 자리에 강유전체(ferroelectric) 소재를 사용한 소자다. 강유전체란 외부 전기장을 가했다가 제거해도 전기적 분극 상태가 유지되는 특수한 결정 재료다. 즉, 두 가지 안정적인 분극 상태를 통해 '0'과 '1'을 기억하는 비휘발성 메모리 특성이 자연스럽게 구현된다.

(현재는 강유전체 소재로 하프뮴 옥사이드(HfO2)를 주로 사용한다.)

 

쉽게 말하면, 전원이 꺼져도 데이터가 사라지지 않는 트랜지스터다.(비휘발성)

 

기존 NAND 플래시 메모리가 전하를 가두는 방식으로 데이터를 저장했다면, FeFET은 게이트의 분극 방향을 바꾸는 것만으로 임계전압(threshold voltage)을 조절하여 데이터를 저장한다. 

 

[FeFET의 강점]

• 빠른 읽기/쓰기 속도 (수십 나노초 수준)
• 낮은 동작 전압 (5V 이하)
• 비파괴 읽기(non-destructive readout)
• 기존 CMOS 공정과의 호환성

 

 

 

FeFET 동작원리

 

 

n-type 세미콘덕터 기반 FeFET으로 동작원리를 살펴보자.

핵심은 강유전체는  전압이 없어도 분극 상태를 유지하고 그 상태를 기억하기에, 결국 gate 전압이 단순히 전기장만 만드는 게 아니라, ferroelectric의 분극 상태를 “기억”하게 만든다는 점이다.

 

우선 왼쪽 상황을 보자. 우리가 자주 보는 MOSFET 모양으로 재구성하였다.

[Polarization Up — 쓰기 상태 (V_g > 0V)]

게이트에 양(+)의 전압을 가하면 강유전체 절연층 내부의 분극이 위쪽 방향(↑)으로 정렬된다.(젤 위 그림 기준)

이때 분극의 음(−) 전하 면이 반도체 채널 쪽을 향하게 되어, n형 반도체 채널의 에너지 밴드가 아래로 휘어지는 밴드 벤딩(band bending) 이 일어난다. 전도대(E_C)가 페르미 준위(E_F) 아래로 내려오면서 전자가 채널에 축적되고, 트랜지스터는 낮은 임계전압(V_th)을 갖는 ON 상태가 된다.

(분극에 의해 전자가 축적되어 있기에, 조금만 더 전자가 도와줘도 채널형성, Vth 낮아짐 느낌)

 

게이트 전압을 제거해도 강유전체의 잔여 분극이 이 상태를 유지한다 — 이것이 비휘발성 메모리의 본질이다.

 

 

 

[Polarization Down — 지우기 상태 (V_g < 0V)]

반대로 게이트에 음(−)의 전압을 가하면 분극이 아래쪽 방향(↓)으로 뒤집힌다.

이번에는 분극의 양(+) 전하 면이 채널을 향해 에너지 밴드가 위로 휘어지는 반대 방향의 밴드 벤딩이 발생한다.

전도대가 페르미 준위에서 멀어지며 채널 내 전자가 고갈되고, 트랜지스터는 높은 V_th를 갖는 OFF 상태로 전환된다

 

 

 

이 두 V_th의 차이, 즉 메모리 창(memory window) 의 크기가 넓을수록 '0'과 '1'을 더 명확하게 구분할 수 있어 소자 신뢰성이 높아진다.

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FeFET의 강점과 활용

 

기존 소자 대비 FeFET가 유리한 부분은?

 

• DRAM과 NAND의 결합: 전원이 꺼져도 데이터가 유지되는 비휘발성을 갖추면서도, 커패시터(Capacitor)가 필요 없는 1-트랜지스터(1T) 구조로 극강의 효율성을 구현한다.
• 물리적 한계를 넘는 초저전력: 전하를 직접 주입하는 방식이 아닌, 분극(Polarization) 스위칭을 통해 동작한다. 덕분에 아주 낮은 전압에서도 구동이 가능하며 기존 플래시 메모리 대비 전력 소모를 획기적으로 줄인다.
• 나노초(ns)급의 초고속 반응: 분극 스위칭 속도가 매우 빨라 SRAM이나 DRAM 수준의 빠른 읽기·쓰기가 가능하다. 이는 실시간 처리가 중요한 AI 연산에 최적의 환경을 제공한다.
• 공정 호환성과 고집적화: 이미 반도체 공정에서 널리 쓰이는 하프늄 옥사이드($HfO2) 기반으로 제작되어 기존 CMOS 공정과 완벽히 호환된다. 10nm 이하의 미세 공정에서도 안정적으로 동작해 차세대 고밀도 메모리의 핵심 후보로 꼽힌다.

 

 

 

 

 

 

FTJ의 On/Off Ratio

FeFET을 활용해 단순 저장을 넘어 직접 연산하고 뇌를 흉내 내는 지능형 반도체로 진화한다.

• '메모리 월' 돌파, 인-메모리 컴퓨팅: 데이터 이동 없이 메모리 내부에서 즉시 연산(MAC)을 수행한다. 데이터 이동 과정에서 발생하는 병목 현상과 에너지 낭비를 근본적으로 해결해 AI 추론 속도를 극대화한다.
• 뇌를 닮은 인공 시냅스 구현: 0과 1의 디지털 상태를 넘어 분극 크기를 정밀하게 조절함으로써 다중 저항 상태(Multi-level)를 만든다. 단일 소자로 인간 뇌의 시냅스 가중치를 모사하며, 높은 인식률과 초저전력을 동시에 달성한다.
• 수직으로 쌓는 초고집적 3D 구조: 평면 구조의 한계를 넘어 3D 수직 적층이 가능하다. 기존 3D 낸드 공정 노하우를 활용해 데이터 저장 밀도를 비약적으로 높이면서도 높은 신뢰성을 유지한다.

 

 

 

아직 많이 연구중이지만 차세대 메모리 제품들도 정말 흥미로운 것 같다.

DRAM과 NAND의 시대가 언제까지 굳건할 것인가..!!

 

 

 

Reference

1. Toprasertpong, Kasidit & Takenaka, Mitsuru & Takagi, Shinichi. (2022). On the strong coupling of polarization and charge trapping in HfO2/Si-based ferroelectric field-effect transistors: overview of device operation and reliability. Applied Physics A. 128. 10.1007/s00339-022-06212-6. 
2. Kim, Jae & Choi, Min-Ju & Jang, Ho. (2021). Ferroelectric field effect transistors: Progress and perspective. APL Materials. 9. 021102. 10.1063/5.0035515.