이온빔을 이용한 차세대 반도체 소재의 고성능화 세계 최초 구현

이온빔을 이용한 차세대 반도체 소재의 고성능화 세계 최초 구현

- 반도체 소자의 초고집적화를 위한 응용 가능성 열어 (사이언스지 게재) -

□ 과학기술정보통신부(장관 이종호, 이하 ‘과기정통부’)는 김윤석 교수(성균관대학교) 연구팀*이 차세대 반도체 소재로 주목받고 있는 하프늄옥사이드(HfO2)에 ‘이온빔’을 이용해서 강유전성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 방법을 세계 최초로 구현했다고 밝혔다.

  * 공동교신저자 : 김영민 교수(성균관대학교), 허진성 박사(삼성전자 종합기술원), Sergei Kalinin 박사(미국 오크리지 국립연구소)

 ￮ 과기정통부 개인기초연구사업(중견연구, 기본연구) 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지인 사이언스(Science)에 5월 13일 게재되었다.

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

 ￮ 이러한 강유전성을 지니는 물질을 사용할 경우, 나노미터의 매우 얇은 막 상태에서도 우수한 강유전성을 통해 반도체 소자의 집적도를 높일 수 있다는 아이디어가 이미 40여 년 전에 제안되었으나,

 ￮ 최근 새로 도입된 소재인 하프늄옥사이드에서도 강유전성 증대를 위한 후처리과정이 추가로 필요하고 여러 공정 조건들이 강유전성에 큰 영향을 미치는 등 실제 적용에는 공정상 큰 한계점이 있어 실제로 구현되지는 못했었다.

□ 이에 연구팀은 후처리과정이나 복잡한 공정최적화 과정 없이, ‘이온빔’이라는 하나의 변수만으로 하프늄옥사이드의 강유전성을 손쉽게 조절하고 획기적으로 향상시킬 수 있는 방법을 제시하였다.

 ￮ 강유전성의 발현 정도는 산소 공공(산화물 재료의 결정구조에서 산소 원자가 빠져 비어있는 자리)과 밀접한 관계가 있다고 알려져 왔으며, 연구팀은 이에 착안하여 이온빔을 이용한 산소 공공의 정량적 조절을 통해 강유전성을 향상시키는 방법을 고안하였다.

 ￮ 연구팀은 이온빔을 적용한 결과, 강유전성의 증가 원인이 산소결함 밀도와 연계된 결정구조 변화에서 기인한다는 원리를 밝혀냈으며, 이온빔을 적용하지 않을 때보다 강유전성을 200% 이상 증가시킬 수 있었다.

□ 김윤석 교수는 “이번 연구를 통해 강유전성을 활용한 고효율 반도체 소자의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.”라고 전하며,

 ￮ “현재의 방법론적 연구 결과를 토대로 실제 반도체 산업에 적용하기 위해서는 최적 조건 탐색 등 후속 연구가 지속적으로 필요하다.”라고 덧붙였다.

논문 정보 

□ 논문명 

  ○ Highly enhanced ferroelectricity in HfO2-based ferroelectric thin film by light ion bombardment / Science

□ 저자 

  ○ 김윤석 교수(교신저자/성균관대학교), 김영민 교수(공동 교신저자/성균관대학교), 세르게이 칼리닌(Sergei V. Kalinin) 박사(공동 교신저자/Oak Ridge National Laboratory), 허진성 박사(공동 교신저자/삼성전자 종합기술원), 강승훈 박사(제1저자/성균관대학교), 장우성 박사과정(공동 제1저자/성균관대학교), 안나 모로조브스카(Anna N. Morozovska) 박사(공동 제1저자/National Academy of Sciences of Ukraine)

□ 내용 요약

  ○ HfO2 기반 강유전체는 수 nm의 얇은 막 상태에서도 우수한 강유전성을 나타내기 때문에, 무어 법칙의 한계를 초월한 초고집적 반도체 소자 개발을 위한 새로운 소재 패러다임으로 기대되고 있다. 하지만 웨이크-업(wake-up)이라는 반복적인 전기장 인가를 통한 강유전성 증대 후처리과정이 추가로 필요하고, 여러 공정 조건들이 강유전성에 큰 영향을 미쳐 실제 양산화의 큰 장벽이 될 수 있어, 실제 적용에 공정상의 한계점을 보여주었다.

  ○ 강유전성 발현 정도는 산소 공공과 밀접한 관계가 있다고 알려져 왔으며, 이를 착안하여 연구팀은 이온빔을 이용하여 산소결함의 정량적 조절을 통해 강유전성을 향상시키는 방법을 고안하였다. 

  ○ 다양한 현미경을 이용하여 증가된 강유전성을 직접 관찰할 수 있었으며, 이러한 증가 원인이 산소결함 밀도와 연계된 결정구조 변화에서 기인한다는 원리를 밝혀내었다.

  ○ 이온빔을 이용할 경우, 이온빔을 적용하지 않을 때보다 200%이상 강유전성을 증가시킬 수 있었다. 뿐만 아니라, 복잡한 공정최적화 과정이나 웨이크-업 후처리과정이 필요치 않고, 이온빔이라는 하나의 변수로 HfO2 기반 강유전체에서의 강유전성을 손쉽게 조절하고 획기적으로 향상시킬 수 있었다.

용어 설명

1. 사이언스(Science) 誌

  ○ 과학 및 공학 분야 세계최고 권위 학술지(Impact Factor : 47.728)

2. 하프늄 옥사이드(hafnium oxide)

  ○ 화학식 HfO2의 무기 화합물

3. 이온빔(ion beam) 

  ○ 전기장이나 자기장을 이용하여 방향을 조정한 이온(전하를 가진 원자)의 흐름 

4. 강유전성 

  ○ 외부 전기장이 없이도 양전하와 음전하가 분리되는 자발 분극을 가지며, 외부 전기장에 의하여 분극의 방향이 바뀔 수 있는 물질. 각각의 분극 방향은 메모리에서 데이터를 저장하는 기본 구조인 ‘0’과 ‘1’에 대응될 수 있다.

5. 산소 공공(산소 결함)

  ○ 산화물 재료의 결정구조에서 산소 원자가 빠져 비어있는 자리