[세종=뉴스핌] 이태성 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 전기및전자공학부 전상훈 교수 연구팀이 하프니아 강유전체 소재의 물성적 이해를 바탕으로 반도체 3D 집적 공정에서도 열적으로 안정한 '강유전체' 소재를 세계 최초로 개발했다고 12일 밝혔다.

현재 반도체 제조 업계에서 고집적, 고효율의 3D 메모리 소자에 대한 필요성이 꾸준하게 대두되고 있다는 점을 고려할 때 이번 연구는 강유전체 기반의 3D 메모리 집적 공정에서 핵심 기술로 평가받을 것이라 예상된다. 

3D 구조를 가지는 메모리 소자와 3D 집적 공정 호환이 가능한 강유전체 소재의 기존 문제점. 이를 해결하기 위한 솔루션. [사진=한국과학기술원(KAIST)] 2022.12.12 victory@newspim.com

'강유전체'란 비휘발성 특성이 있는 기능성 소재로 메모리 소자 등에 활용이 가능하다. 하지만 고온에서 열적으로 안정성을 확보해야 하는 단계가 남아있다.

하프니아 강유전체 소재는 비휘발성 절연막으로 우수한 물리적 특성을 바탕으로 차세대 반도체의 핵심 소재로 연구되는 물질이다. 하지만 하프니아 소재는 고온에서 비휘발성 특성을 잃고 누설전류가 증가하는 한계를 가진다. 세계 유수의 기관들에서 다양한 접근방법들이 보고됐지만 3D 집적 공정 시에 발생하는 고온의 열처리 조건에서 강유전체 박막 내의 일반 유전체 형성을 억제할 수 없었다.

전상훈 교수 연구팀은 세계 최초로 3D 집적 공정에서 요구되는 고온의 열처리 조건에서도 강유전체 박막 내의 상유전체의 형성을 완벽하게 억제하고 비휘발성 기능을 유지하며 우수한 내구성을 가지는 하프니아 강유전체 소재 및 공정 기술을 개발하는 데에 성공했다.

왼쪽부터 전상훈 교수, 김기욱 박사과정 [사진=한국과학기술원(KAIST)] 2022.12.12 victory@newspim.com

연구팀은 강유전체 박막 내에 이온 반지름이 작은 원소를 고용하는 도핑 기술을 활용해 강유전체 박막의 결정화 온도를 제어하는 데 성공했다. 동시에 도펀트의 농도에 따른 운동학적 에너지를 고려해 강유전체 소재의 비휘발성 및 기능성과 열적 안정성을 획기적으로 개선했다.

전상훈 교수는 "이번 연구 결과는 답보상태에 있던 강유전체 소재 기반의 3D 메모리 및 회로 집적 기술 개발에 대한 돌파구가 되는 기술"이라며 "향후 고집적, 고효율 시스템 개발에 있어 핵심 역할을 할 것"이라고 설명했다.

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