“차세대 반도체 개발 물꼬” KAIST, 세계 첫 반도체3D 집적공정 ‘강유전체 소재’ 개발

- 전기및전자공학부 전상훈 교수 연구팀
- 강유전체 3D 메모리 소자 개발 기여

[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국과학기술원(KAIST)은 전기및전자공학부 전상훈 교수 연구팀이 반도체 3D 집적 공정에서도 열적으로 안정한 강유전체 소재를 세계 최초로 개발했다고 12일 밝혔다. 이번 연구결과는 차세대 반도체 핵심 강유전체 기반 3D 메모리 개발에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

하프니아 강유전체 소재는 비휘발성 절연막으로 공정 호환성, 동작 속도, 내구성 등의 우수한 물리적 특성을 바탕으로 차세대 반도체의 핵심 소재로써 활발하게 연구되고 있는 물질이다. 하지만 하프니아 소재는 필연적으로 고온에서 비휘발성 특성을 잃고 누설전류가 증가하는 한계를 가진다. 이를 억제하기 위해 세계 유수의 기관들에서 다양한 접근방법들이 보고됐지만, 3D 집적 공정 시에 발생하는 고온의 열처리 조건(750℃ 이상, 30분)에서 강유전체 박막 내의 일반 유전체 형성을 억제할 수 없었다.

연구팀은 세계 최초로 3D 집적 공정에서 요구되는 고온의 열처리 조건에서도 강유전체 박막 내의 상유전체의 형성을 완벽하게 억제하고 비휘발성 기능을 유지하며 우수한 내구성을 가지는 하프니아 강유전체 소재 및 공정기술 개발에 성공했다.

3D 구조를 가지는 메모리 소자와 3D 집적 공정 호환이 가능한 강유전체 소재의 기존 문제점과 이를 해결하기 위한 솔루션.[KAIST 제공]

연구팀은 강유전체 박막 내에 이온 반지름이 작은 원소를 고용하는 도핑 기술을 활용해 강유전체 박막의 결정화 온도를 제어함과 동시에 도펀트의 농도에 따른 운동학적 에너지를 고려해 강유전체 소재의 비휘발성 및 기능성과 열적 안정성을 획기적으로 개선했다. 또 고온 열적 에너지(750℃ 이상, 30분)를 가한 후에도 우수한 강유전성이 발현되는 것을 확인했다.

전상훈 교수는 “이번 연구 결과는 답보상태에 있던 강유전체 소재 기반의 3D 메모리 및 회로 집적 기술 개발에 대한 돌파구가 되는 기술이 될 것으로 판단된다”며 “향후 고집적‧고효율의 시스템 개발에 핵심 역할을 할 것”이라고 설명했다.

이번 연구성과는 지난 5일 열린 반도체 소자 및 회로 분야 최고 권위 학회인 ‘IEEE 국제전자소자학회’에서 발표됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com