비휘발성·기능성·열적 안전성 삼박자 갖춘 `차세대 반도체 소재` 나왔다

KAIST, 강유전체 소재 및 공정기술 확보
고집적, 고효율 3D 메모리 소자에 활용

KAIST는 반도체 3D 집적 공정에서 열적으로 안정된 '강유전체 소재'를 개발했다. 이 소재는 고온의 열처리 조건에서 비휘발성, 기능성, 열적 안정성 등이 뛰어나다. KAIST 제공

고집적·고효율 3D 메모리 소자에 적용할 수 있는 차세대 반도체 소재가 개발됐다.

KAIST는 전상훈 교수 연구팀이 반도체 3D 집적 공정에서 열적으로 안정한 '강유전체 소재'를 개발했다고 12일 밝혔다.

강유전체는 외부 전기장 없이 스스로 분극으로 가지는 재료다. 기능성 소재로 메모리 소자에 활용이 가능하지만, 고온에서 열적으로 안전성을 확보해야 한다.

강유전체 중 하프니아 소재는 비휘발성 절연막으로 CMOS(상보형 금속산화반도체) 공정 호환성, 동작 속도, 내구성 등의 우수한 물리적 특성을 지녀 차세대 반도체 핵심 소재로 주목받고 있다. 하지만, 하프니아 소재는 고온에서 비휘발성 특성을 잃고, 누설 전류가 증가하기 때문에 3D 집적 공정 때 발생하는 고온의 열처리 조건에서 강유전체 박막 내 일반 유전체(상유전체) 형성을 막을 수 없다는 한계가 있었다.

연구팀은 3차원 집적 공정의 고온 열처리 조건에서 강유전체 박막 내 상유전체 형성을 완벽하게 억제하고, 비휘발성 기능과 우수한 내구성을 가지는 하프니아 강유전체 소재와 공정기술 개발에 성공했다. 강유전체 박막에 도핑기술을 적용해 박막의 결정화 온도를 제어함으로써 강유전체 소재의 비휘발성과 기능성, 열적 안정성을 획기적으로 개선했다.

연구팀은 CMOS 공정을 이용해 강유전체 기반의 메모리 소자를 집적한 후, 750도 이상 30분 이상 고온의 열 에너지를 가한 결과, 우수한 강유전성이 유지되는 것을 확인했다고 설명했다.

전상훈 KAIST 교수는 "그동안 진척을 보지 못했던 강유전체 소재 기반의 3D 메모리와 회로 집적기술 개발의 돌파구가 될 수 있는 연구성과라는 데 의미가 있다"며 "강유전체 기반의 3D 메모리 집적 공정의 핵심 기술로 쓰여 고집적·고효율 시스템 개발에 기여할 전망"이라고 말했다.

이 연구결과는 반도체 소자·회로 분야 학회인 'IEEE 국제전자소자학회 2022'에 지난 5일 발표됐다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr