한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 전상훈 전기 및 전자공학부 교수팀이 반도체 3D 집적 공정에서 열적으로 안정된 강유전체 소재를 세계 최초로 개발했다고 12일 밝혔다. 강유전체 기반 3D 메모리 집적 공정에서 핵심 기술로 평가받을 전망이다.
강유전체는 외부 전기장에 의해 분극 방향이 바뀔 수 있는 소재를 말한다. 비휘발성 특성이 있어, 메모리 소자 활용이 가능하다. 외부 전기장이 없으면 분극 특성을 유지하지 못하는 '상유전체'와 다르다.
이 중 하프니아 강유전체 소재는 우수한 물리 특성을 바탕으로 차세대 반도체 핵심 소재로 활발하게 연구되고 있다. 하지만 고온에서 비휘발성 특성을 잃고 누설전류가 증가하는 한계를 가진다. 3D 집적 공정 시 발생하는 고온 열처리 조건(750도 이상, 30분)에서 강유전체 박막 내 상유전체 형성을 억제할 수 없었다.
연구팀은 세계 최초로 3D 집적 공정에서 요구되는 고온 열처리 조건에서도 강유전체 박막 내 상유전체 형성을 완벽하게 억제하고, 비휘발성 기능을 유지하는 하프니아 강유전체 소재와 공정 기술을 개발했다. 강유전체 박막 내 도핑 기술을 활용해 결정화 온도를 제어, 강유전체 소재 비휘발성 및 기능성과 열적 안정성을 개선했다.
전상훈 교수 연구팀은 상보성 금속 산화막 반도체(CMOS) 공정을 이용해 강유전체 기반 메모리 소자를 집적했고 750도 이상 열을 30분 가한 후에도 우수한 강유전성이 발현되는 것을 확인했다. 또 분석 시스템을 개발해 강유전체 소재 열적 안정성 연구 프레임 워크를 구축·제시했다.
전상훈 교수는 “이번 연구 결과는 답보상태에 있던 강유전체 소재 기반의 3D 메모리 및 회로 집적 기술 개발에 대한 돌파구가 되는 기술이 될 것”이라며 “향후 고집적·고효율 시스템 개발에 핵심 역할을 할 것”이라고 설명했다.
김기욱 박사 과정이 제1 저자로 수행한 이번 연구는 반도체 소자 및 회로 분야 최고 권위 학회인 'IEEE 국제전자소자학회 2022(IEDM 2022)'에 12월 5일 발표됐다. 한편 이번 연구는 삼성전자와 차세대 지능형 반도체 사업단 지능형 반도체 선도기술개발 지원을 받아 진행됐다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
