국내 연구진, 이온빔으로 반도체 집적도 높이는 방법 찾았다

백진엽 기자 / 기사승인 : 2022-05-13 03:00:03
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김윤석 성균관대 교수, 세계 최초로 이온빔 활용
이온빔 적용하니 소재 강유전성 200% 이상 증가
▲ 김윤석 성균관대 교수(사진=과학기술정보통신부)

국내 연구팀이 이온빔을 이용해 차세대 반도체 소재를 고성능화하는 방법을 세계 최초로 구현했다.

과학기술정보통신부는 김윤석 성균관대학교 교수 연구팀이 차세대 반도체 소재로 주목받고 있는 하프늄옥사이드(HfO₂)에 '이온빔'을 이용해 강유전성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 방법을 구현했다고 13일 밝혔다.

반도체의 효율을 높이기 위해서는, 다시 말해 소자의 집적도를 현재 수준보다 월등히 높이려면 나노미터 혹은 그 이하의 얇은 막 상태에서도 충분히 큰 물성을 유지하기 위한 전략이 필요하다. 이를 위한 소재로 강유전성을 지니는 물질이 제안됐다.

강유전성은 외부 자기장 등에 의해 물체의 일부가 양(+)극이나 음(-)극을 띠게 된 후 그 성질을 유지하게 되는 성질을 말한다. 강유전성이 크면 메모리에서 데이터를 저장하는 기본구조인 '0'과 '1'의 차이가 커져 저장된 데이터를 보다 정확하게 읽을 수 있게 된다.

이같은 강유전성을 지니는 물질을 이용하면 반도체 소자의 집적도를 높일 수 있다는 아이디어는 이미 40여년 전에 나왔다. 하지만 최근 새로 도입된 소재인 하프늄옥사이드에서도 강유전성 증대를 위한 후처리과정이 추가로 필요하고 여러 공정 조건들이 강유전성에 큰 영향을 미치는 등 공정상 큰 한계점이 있어 구현되지는 실제로 구현되지 못했다.

이번 연구 성과는 이같은 한계를 극복하기 위한 방안을 제시했다. '이온빔'이라는 하나의 변수만으로 후처리과정이나 복잡한 공정최적화 과정없이 하프늄옥사이드의 강유전성을 쉽게 조절하고 향상시킬 수 있는 방법을 찾아낸 것이다.

연구팀은 이온빔을 적용한 결과, 강유전성의 증가 원인이 산소결함 밀도와 연계된 결정구조 변화에서 기인한다는 원리를 밝혀냈다. 또 이온빔을 적용하지 않을 때보다 강유전성을 200% 이상 증가시키는 결과를 얻었다.

김윤석 교수는 "이번 연구를 통해 강유전성을 활용한 고효율 반도체 소자의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다"며 "현재의 방법론적 연구 결과를 실제 반도체 산업에 적용하기 위해서는 최적 조건 탐색 등 후속 연구가 지속적으로 필요하다"고 말했다.

과기정통부 개인기초연구사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 국제학술지인 사이언스에 13일 게재됐다.

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