[과학]"얇지만 강하다"...반도체 3D 공정 이끌 차세대 핵심 소재?

(내외방송=정지원 과학전문 기자) 반도체 3D 집적 공정 시 고온에서도 우수한 내구성을 유지할 수 있는 소재가 세계 최초로 개발돼 앞으로 반도체 시스템 개발에 핵심이 될 것으로 보인다.

KAIST(한국과학기술원)는 12일 '내외방송'에 보낸 자료에서 "전상훈 전기및전자공학부 교수 연구팀이 하프니아 강유전체(외부 전기장 없이 스스로 양전하와 음전하의 위치가 변화하는 소재) 소재의 이해를 바탕으로 반도체 3D 집적 공정 시 고온에서도 안정한 강유전체 소재를 세계 최초로 개발했다"고 밝혔다.

하프니아 강유전체 소재는 비휘발성(전력이 끊어져도 정보를 유지) 절연막(전기가 통하지 않는 막)으로 CMOS(채널이 다른 회로를 짜맞춰 구성한 칩) 공정 호환성과 동작 속도, 내구성 등 우수한 특성으로 최근 주목받고 있는 물질이다.

연구팀은 3D 집적 공정 시 요구되는 고온 열처리 조건에서도 강유전체 박막(얇은 막) 내에서 상유전체(외부 전기장의 방향에 따라 전기분극의 방향과 크기가 결정되는 물질)의 형성을 완벽하게 억제하고, 비휘발성 기능을 유지하면서도 우수한 내구성을 유지하는 기술을 개발하는 데 성공했다.

강유전체 박막 내에서 이온 반지름이 작은 원소를 활용하는 도핑 기술을 통해 결정화 온도를 제어함과 동시에 도펀트(전기 전도도를 증가시킬 목적으로 첨가된 원자들)의 농도에 따른 에너지를 고려해 강유전체 소재의 비휘발성과 열적 안정성을 획기적으로 개선한 것이다.

CMOS 공정을 이용해 강유전체 기반 메소리 소자를 집적했고, 750℃ 이상의 고온에서도 우수한 강유전성(자발적으로 양전하와 음전하가 갈라지는 현상)이 발현된다는 것이 확인됐기 때문이다.

전 교수는 "이 연구는 제자리 상태였던 강유전체 소재 기반 3D 메모리와 집적 기술 개발에 대한 돌파구가 될 수 있을 것으로 판단된다"며 "앞으로 고집적, 고효율 시스템 개발에 핵심 역할을 할 것"이라고 말했다.

김기욱 박사과정이 제1저자로 참여한 이 연구는 삼성전자 등의 지원을 받아 수행됐으며 반도체 소자 분야 국제학술지인 'IEEE 국제전자소자학회(International Electron Devices Metting) 2022'에 지난 5일 발표됐다.