'차세대 반도체 소자' 개발 김윤석 성대 교수, 이달의 과학기술인 선정

과기정통부, 4일 발표

김윤석 성균관대 교수

[아시아경제 김봉수 기자] 과학기술정보통신부는 '이달의 과학기술인'상 1월 수상자로 차세대 반도체 소재인 하프늄옥사이드(HfO2)의 성능을 개선한 김윤석 성균관대 신소재공학부 교수를 선정했다고 3일 밝혔다.

김 교수는 HfO2의 강유전성, 즉 외부 전기장 등에 의해 물체의 일부가 양(+)극이나 음(-)극을 띠게 된 후 그 극성을 유지하는 성질이 발현되는 이유를 밝혀냈다. 또 이온빔을 이용해 HfO2의 강유전성을 높이는 기술을 개발해 반도체 소자 기술 경쟁력을 강화한 공로를 인정받았다.

강유전성이 큰 반도체 소재는 메모리에서 데이터를 저장하는 기본구조인 ‘0’과 ‘1’의 차이가 커져 저장된 데이터를 보다 정확하게 읽을 수 있다. 따라서 나노미터 수준의 얇은 막에서도 우수한 강유전성을 보이는 HfO2는 메모리, 트랜지스터 등 기존 산화물을 대체할 차세대 반도체 소재로 꼽힌다. 문제는 최근까지 HfO2의 강유전성 발현 원인이 밝혀지지 않았다는 것이다. 또 HfO2의 강유전성 증대를 위해 복잡한 후처리 공정이 필요해 실제 반도체 소자의 초고집적화 실현에 어려움이 있었다.

김 교수의 연구팀은 강유전성 발현 정도는 산화물 재료 결정구조의 산소 공공과 밀접한 관계가 있음에 착안해 이온빔으로 산소결함을 정량적으로 조절해 HfO2의 강유전성을 향상시키는 방법을 고안했다. 가볍고 미세 제어가 가능한 이온빔을 HfO2 기반 강유전체에 조사해 산소 공공을 형성함으로써 기존의 복잡한 공정과 후처리 과정 없이 이온빔 조사밀도 조절만으로 강유전성을 강화한 것이다. 실제 HfO2 기반 강유전체를 관찰한 결과 기존 대비 200% 이상 강유전성이 증가시키는데 성공했다. 강유전성 증가 원인이 산소결함 밀도와 연계된 결정구조 변화에서 기인한다는 원리도 규명했다. 이온빔이라는 하나의 변수만으로 강유전성을 향상시키는 기술은 현재 반도체 공정에 패러다임 변화 없이 적용 가능한 장점이 있다.

이같은 연구 결과는 지난해 5월 국제학술지 사이언스(Science)지에 게재될 정도로 국제적인 평가를 받았다.

김 교수는 “이번 연구는 하프늄옥사이드의 강유전성 발현 원인을 밝혀 강유전체의 고성능화를 구현했다는데 의의가 있다”라며 “이번 연구를 통해 강유전성을 활용한 고효율 반도체 소자의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr