KAIST, 반도체 업계에 필요한 '강유전체 소재' 핵심 기술 개발

강유전체 소재와 3차원 메모리 소자 집적 공정 간극 줄여

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 차세대 반도체 핵심소재를 개발했다. 학계에서 활발하게 연구중인 강유전체 소재의 기능성을 확인하고, 반도체 제조 업계에 필요한 강유전체 소재 기반 3차원 메모리 소자 집적 공정 사이의 간극을 줄일 가능성을 제시했다.

한국과학기술원(KAIST)은 전상훈 전기전자공학부 교수 연구팀이 반도체 3차원 집적 공정에서도 열적으로 안정한 강유전체 소재를 개발했다고 12일 밝혔다.

강유전체는 외부 전기장 없이 스스로 분극을 가지는 재료이다. 외부 전기장에 의해 분극의 방향이 바뀔 수 있다. 비휘발성이라 기능성 소재로 메모리 소자에 활용이 가능하지만, 높은 온도에서 열적으로 안정성을 확보해야 한다.

특히 하프니아 강유전체 소재는 CMOS(상보형 금속 산화 반도체) 공정 호환성, 동작 속도, 내구성 등 물리적 특성이 우수해 차세대 반도체의 핵심 소재로 주목 받는다. 하지만 온도가 높으면 휘발되지 않는 특성을 잃고, 누설전류도 늘어난다. 이를 해결하기 위한 시도가 있었지만 3차원 집적 공정에서 발생하는 높은 열처리 조건에서 강유전체와 다른 일반 유전체 형성을 막지 못했다.

연구팀은 3차원 집적 공정에서 필요한 높은 온도의 열처리 조건에서도 이러한 문제를 해결할 수 있는 하프니아 강유전체 소재와 공정 기술을 개발했다.

강유전체 박막 속에 도핑 기술을 활용해 강유전체 박막의 결정화 온도를 제어하고, 강유전체 소재의 비휘발성, 기능성, 열적 안정성을 높였다.

고온의 열적 에너지(750도 이상, 30분)를 가한 실험에서도 우수한 강유전성이 발현됐다.

전상훈 교수는 “답보상태에 있던 강유전체 소재 기반의 3D 메모리와 회로 집적 기술 개발에 대한 돌파구가 되는 기술”이라며 “앞으로 고집적·고효율의 시스템 개발에서 핵심 역할을 하겠다”고 했다.

연구는 반도체 소자·회로 분야 학회인 ‘IEEE 국제전자소자학회 2022’에 지난 5일 발표됐다.

강민구 (science1@edaily.co.kr)