이온빔 이용 차세대 반도체 소재의 고성능화 세계 최초 구현

강유전성 활용한 고효율 반도체 소자의 실용화 기대

반도체 소자의 초고집적화 위한 응용 가능성 열어

왼쪽 부터 연구원들 김윤석 교수, 김영민 교수, 허진성 박사, 강승훈 박사, 장우성 대학원생

메모리, 트랜지스터 등의 산화물기반 소자의 현재 집적도를 월등히 뛰어넘기 위해서는, 수 nm 혹은 그 이하의 얇은 막 상태에서도 충분히 큰 물성을 유지하기 위한 새로운 전략이 필요하다. 이러한 고집적화를 구현하기 위한 소재로써 강유전성을 지니는 물질(강유전체: 전기분극을 기억하는 소재)이 개발되었다.

강유전성이 크게 되면, 메모리에서 데이터를 저장하는 기본구조인 ‘0’과 ‘1’의 차이가 커짐으로, 저장된 데이터를 보다 정확하게 읽을 수 있으며, 반대로 강유전성이 작게 된다면 저장된 데이터를 제대로 읽을 수 없게 되므로, 고집적화를 이루기 위해서는 얇은 막 상태에서도 우수한 강유전성이 필요하게 된다. 그러나 50 nm 이하에서는 강유전성이 급격하게 소실되고, 현재 반도체 산업공정에도 바로 적용할 수 없어서, 아이디어가 제안된 이후 지난 40여 년 동안 실제 구현되지 못하였다.

성균관대학교 김윤석 교수 연구팀이 차세대 반도체 소재로 주목받고 있는 하프늄옥사이드(HfO2)에 ‘이온빔’을 이용해서 강유전성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 방법을 세계 최초로 구현했다고 밝혔다.

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.

공동교신저자는 김영민 교수(성균관대학교), 허진성 박사(삼성전자 종합기술원), Sergei Kalinin 박사(미국 오크리지 국립연구소) 등이다.

□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.

□용어해설

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

□그림 설명

[그림 1] 이온빔을 이용한 HfO2 기반 강유전체의 상전이 과정 개념도
같은 물질이라도 서로 다른 결정구조를 지닐 수 있게 된다. HfO2 기반 물질에서 강유전성이 없는 단사정(monoclinic) 상이 아닌 강유전성이 있는 사방정(orthorhombic) 상을 가지기 위해서는 다양한 공정변수를 제어해야 한다. 그러나 이온빔만으로도 (왼쪽) 강유전성이 없는 단사정 상에서 (오른쪽) 강유전성이 있는 사방정 상으로 변하게 할 수 있다.
※ 상전이 : 결정구조가 바뀌는 과정을 상전이(phase transition)이라고 한다.
※ 결정구조 : 물질을 구성하고 있는 원자가 규칙적이고 반복적으로 배열되어 있는 상태를 결정구조(crystal structure)라고 한다.

그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 김윤석 교수

[그림 2] 이온빔을 조사 전 후의 결정구조와 강유전 분극신호 변화
이온빔 조사 이후에 HfO2 기반 물질이 강유전성이 없는 단사정상(왼쪽)에서 강유전성이 있는 사방정상(가운데)을 가지게 됨을 주사투과 전자현미경을 이용하여 결정구조를 관찰한 결과를 보여준다. 이와 함께, 원자힘현미경을 이용하여 이온빔 조사 영역의 강유전 분극신호(오른쪽)가 밝아짐을 통해서 강유전 분극이 증가함도 보여주었다.

그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 김윤석 교수, Reprinted with permission from S. Kang et al., Science (2022).

□연구자 이력사항
김윤석, 교신저자

1. 인적사항
○ 소 속 : 성균관대학교 신소재공학부
○ 전 화 : 031-290-7405

2. 학력
○ 2004 ~ 2007 박사, 한국과학기술원 신소재공학과 박사
○ 2002 ~ 2004 석사, 한국과학기술원 신소재공학과 석사
○ 1998 ~ 2002 학사, 고려대학교 재료금속공학부 학사

3. 경력사항
○ 2007 ~ 2009 한국과학기술원 응용과학연구소 박사후연구원
○ 2008 ~ 2010 독일 막스플랑크연구소 박사후연구원
○ 2011 ~ 2012 미국 오크리지국립연구소 박사후연구원
○ 2012 ~ 2016 성균관대학교 신소재공학부 조교수
○ 2016 ~ 현재 성균관대학교 신소재공학부 부교수

4. 기타 정보(전문분야)
○ 재료공학 (원자힘현미경을 이용한 나노물성분석 및 기계학습 적용 연구)

5. 연구지원 정보
○ 2020 ~ 2021 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(기본연구)
○ 2021 ~ 현재 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(중견연구)

김영민, 공동교신저자

1. 인적사항
○ 소 속 : 성균관대학교 에너지과학과
○ 전 화 : 031-299-4059

2. 학력
○ 2005 ~ 2010 박사, 한국과학기술원 신소재공학과 박사
○ 1999 ~ 2001 석사, 서울대학교 재료공학과 석사
○ 1991 ~ 1999 학사, 강원대학교 재료공학과 학사

3. 경력사항
○ 2002 ~ 2015 한국기초과학지원연구원 연구원
○ 2010 ~ 2013 미국 오크리지국립연구소 박사후연구원
○ 2016 ~ 현재 성균관대학교 에너지과학과 교수

4. 기타 정보
○ 2004 과학기술부 장관 표창
○ 2004 기초기술이사회장 표창

5. 연구지원 정보
○ 2020 ~ 현재 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(중견연구)

허진성, 공동교신저자
1. 인적사항
○ 소 속 : 삼성전자 종합기술원 Device 센터
○ 전 화 : 031-8061-4357

2. 학력
○ 2002-2008 박사, Caltech 응용물리학과 박사
○ 1998-2002 학사, 한국과학기술원 물리학과 학사

3. 경력사항
○ 2017 ~ 2018 미국 하버드대학교 방문연구원
○ 2008 ~ 현재 삼성전자 종합기술원 연구원

강승훈, 제1저자
1. 인적사항
○ 소 속 : 성균관대학교 신소재공학과
○ 전 화 : 031-210-3368