한국재료연구원(KIMS·원장 최철진) 에너지.환경재료연구본부 김용훈 박사와 재료분석센터 송경 박사 연구팀이 포스텍 황현상 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 2차원 소재와 강유전체를 접합한 비휘발성 메모리 소자를 세계 최초로 개발했다.
이번 연구 결과는 세계 3대 반도체 학회 중 하나이자 '반도체 올림픽'이라고 불릴 정도로 세계적 권위를 가진 국제전자소자학회(IEDM 2024)에 채택돼 향후 귀추가 주목된다.
공동 연구팀은 2차원 소재인 이황화텅스텐(WS2)과 강유전체 하프늄지르코늄산화물(HZO)의 이종접합 기술을 개발해 계면 안정성과 우수한 결정성을 동시에 구현하는 데 성공했다.
이를 통해 강유전체 소자 기술 한계로 지적된 계면 안정성 문제를 해결하고 HZO의 결정성을 제어해 소자 간 특성 불균일성을 개선했다. 반도체 소자에서는 계면 안정성이 높을수록 성능 저하 없이 수명을 유지할 수 있어 반도체 신뢰성과도 직결된다.
연구팀은 하부 전극과 HZO 계면 안정성을 유지하고자 이황화 텅스텐 소재를 삽입한 후 불필요한 화학 반응을 최소화해 하부 전극 표면을 보호하고 HZO 박막 표면의 산소 원자 이동을 제어했다. 이로써 안정적인 계면 안정성을 확보하고 HZO의 강유전체 특성을 극대화하는 결과를 얻었다.
이와 함께 이황화 텅스텐의 격자 상수와 HZO의 특정 면 간 거리가 유사하다는 특성을 이용해 서로 결합할 때 우수한 결정성이 확보가 가능한 것에 착안해 물질 도메인 방향성을 제어하고 정렬성을 극대화함으로써 소자 간 신뢰성을 높였다.
2차원 이황화 텅스텐과 HZO의 이종접합 기술은 강유전체 기반의 차세대 비휘발성 메모리 소자를 구현하는 중요한 기술적 돌파구로 평가받고 있다. 이황화 텅스텐이 고온 환경에서 하부 전극을 보호함과 동시에 도메인의 정렬을 유도해 강유전체 소자의 성능을 크게 개선한 결과다.
연구팀은 반도체 후공정에 적용할 수 있는 400℃ 이하 저온 공정에서의 성능 최적화 작업을 이어가고 있다.
연구책임자인 김용훈 재료연 책임연구원은 “HZO를 활용한 비휘발성 메모리 소자 상용화의 가장 큰 난제였던 무질서한 도메인의 제어 문제를 해결함으로써 신뢰성과 내구성이 높은 비휘발성 메모리 특성을 확보했다”고 말했다.
창원=노동균 기자 defrost@etnews.com
