이달의 과학기술인상에 반도체 소재 고성능화 이뤄낸 김윤석 교수

1월 과학기술인상

1월 이달의 과학기술인상에 선정된 김윤석 성균관대 신소재공학부 교수. 과기정통부 제공

이온빔을 사용해 복잡한 공정 없이도 차세대 반도체 소재인 하프늄옥사이드(HfO2)의 성능을 향상시킨 김윤석 성균관대 신소재공학부 교수가 이달의 과학기술인상 1월 수상자로 선정됐다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단은 이달의 과학기술인상 1월 수상자로 성균관대학교 신소재공학부 김윤석 교수를 선정했다고 4일 밝혔다. 이달의 과학기술인상은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정해 과기정통부 장관상과 상금 1000만 원을 수여하는 시상이다.

강유전성은 반도체 소재가 메모리를 정확하게 읽는 능력과 관련이 있다. 하프늄옥사이드는 나노미터 수준의 얇은 막에서도 우수한 강유전성을 보인다는 장점이 있다. 이러한 성질로 메모리, 트랜지스터 등 기존 산화물을 대체할 차세대 소재로 꼽힌다.

문제는 하프늄옥사이드의 강유전성 발현 원인이 밝혀지지 않았다는 점이다. 이 때문에 강유전성을 높이기 위한 복잡한 후처리 공정이 요구됐으며 실제 반도체 소자의 초고집적화 실현에 어려움이 있었다.

김윤석 교수 연구팀은 강유전성 발현 정도가 산화물 재료 결정구조의 산소공공과 밀접한 관계가 있다는 것에 주목했다. 산소공공은 산화물 재료의 결정구조에서 산소 원자가 빠져 비어있는 자리다. 

연구팀은 원자의 방향을 정렬해 만든 흐름인 이온빔을 사용해 하프늄옥사이드의 산소결함을 정량적으로 조절하는 방식을 고안했다. 이온빔을 하프늄옥사이드 기반 강유전체에 조사해 산소 공공을 형성함으로써 복잡한 공정과 후처리 과정 없이도 강유전성의 강화를 시도했다.

분석 결과 이온빔을 조사한 하프늄옥사이드 기반 강유전체는 기존 대비 200% 이상 강유전성이 증가한 것이 확인됐다. 연구팀은 이러한 분석 결과를 바탕으로 강유전성의 증가 원인이 산소결함 밀도와 연관된 결정구조 변화에서 기인한다는 원리도 규명했다. 

김윤석 교수는 “이번 연구는 하프늄옥사이드의 강유전성 발현 원인을 밝혀 강유전체의 고성능화를 구현한 데 의의가 있다”며 “강유전성을 활용한 고효율 반도체 소자의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다. 관련 연구를 담은 논문은 국제학술지 ‘사이언스’에 지난해 5월 게재됐다. 

이온빔을 조사한 하프늄옥사이드의 강유전성이 상승한 연구 결과. 과기정통부 제공

[박정연 기자 hesse@donga.com]