비휘발성 반도체 신소재 세계 최초 개발

KAIST 전상훈 교수팀이 만든 하프니아 강유전체
고온의 CMOS 공정에서도 비휘발성 성능 유지해
삼성전자 지원으로 'IEDM 2022'에서 기술 공개

KAIST 전상훈 교수팀이 개발한 하프니아 강유전체로 고온의 CMOS 3D 집적 공정이 가능하도록 만들었다. KAIST 제공

[파이낸셜뉴스] 한국과학기술원(KAIST) 전기및전자공학부 전상훈 교수팀이 고온의 반도체 집적회로(CMOS) 공정에서도 정보저장능력을 유지하는 비휘발성 반도체 신소재 '하프니아 강유전체'를 세계 최초로 개발했다. 연구진이 개발한 강유전체 소재와 공정은 반도체 제조 업계에서 차세대 반도체의 핵심인 강유전체 기반의 3D 구조 메모리 개발에 도움이 될 것으로 전망된다.

특히 이번 소재 개발은 삼성전자가 지원했으며, 반도체 소자 및 회로 분야의 최고 권위 학회 'IEEE 국제전자소자학회(IEDM) 2022)'에서 발표했다.

전상훈 교수는 12일 "지금까지 답보상태에 있던 하프니아 강유전체 소재 기반의 3D 메모리 및 회로 집적 기술 개발에 대한 돌파구가 되는 기술"이라며, "향후 고집적·고효율의 시스템 개발에 있어 핵심 역할을 할 것"이라고 말했다.

또한 삼성전자는 "이 소재는 강유전체를 이용한 접합으로 저항변화를 감지할 수 있으며, 저항변화메모리(ReRAM) 구조의 특성상 트랜지스터와 메모리를 하나로 구현 가능해 고집적화가 가능할 뿐만 아니라, 비휘발성 메모리 특성까지 가능하다는 장점이 있다"고 설명했다.

하프니아 강유전체 소재는 비휘발성 절연막으로, CMOS 공정 호환성, 동작 속도, 내구성 등의 우수한 물리적 특성을 바탕으로 차세대 반도체의 핵심 소재지만 고온의 열처리 과정을 거치면 그 성질이 사라진다.

연구진은 강유전체 박막 내에 이온 반지름이 작은 원소를 고용하는 도핑 기술을 활용했다. 이를 통해 강유전체 박막의 결정화 온도를 제어함은 물론 도펀트의 농도에 따른 운동학적 에너지를 고려해 강유전체 소재의 비휘발성 및 기능성과 열적 안정성을 획기적으로 개선했다.

연구진은 CMOS 공정을 이용해 강유전체 기반의 메모리 소자를 집적했다. 이때 750도 이상의 고온 상태로 30분간 열을 가해도 우수한 강유전성이 유지됐다. 또한 고온에 따른 강유전체 소재의 도메인 스위칭 동작을 전기적 측정을 통해 직관적으로 분석할 수 있는 시스템을 개발했다. 이 시스템으로 강유전체 소재의 열적 안정성 연구의 프레임 워크를 구축 및 제시했다.

연구진은 "학계에서 활발하게 연구되고 있는 강유전체 소재의 기능성과 반도체 제조 업계에서 필요로 했던 강유전체 소재 기반의 3D 메모리 소자 집적 공정 사이의 간극을 줄였다는 점에서 의미가 있다"고 말했다.
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