신소재공학부 김윤석 교수, 이달의 과학기술인상 1월 수상자 선정

- 차세대 반도체 소재인 하프늄옥사이드의 강유전성 발현 원인 규명

신소재공학부 김윤석 교수가 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 선정하는 ‘이달의 과학기술인상’ 1월 수상자로 선정되었다.

‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 시상이다.

김윤석 교수는 차세대 반도체 소재인 하프늄옥사이드(HfO2)의 강유전성* 발현 원인을 밝히고, 이온빔을 이용해 HfO2의 강유전성을 높이는 기술을 개발하여 반도체 소자 기술 경쟁력을 강화한 공로를 높게 평가받아 이달의 과학기술인상으로 선정되었다.

* 강유전성: 외부 전기장 등에 의해 물체의 일부가 양(+)극이나 음(-)극을 띠게 된 후 그 성질을 유지하는 성질. 각각의 분극 방향은 메모리에서 데이터를 저장하는 기본 구조인 ‘0’과 ‘1’에 대응될 수 있다.

강유전성이 큰 반도체 소재는 메모리에서 데이터를 저장하는 기본구조인 ‘0’과 ‘1’의 차이가 커져 저장된 데이터를 보다 정확하게 읽을 수 있다.

HfO2는 수 nm의 얇은 막에서도 우수한 강유전성을 보여 메모리, 트랜지스터 등의 기존 산화물을 대체할 초고집적 차세대 반도체 소재로 꼽힌다.

하지만 아직까지 HfO2의 강유전성 발현 원인이 밝혀지지 않았으며, HfO2의 강유전성 증대를 위해 반복적인 전기장 인가 같은 복잡한 공정이 필요해 실제 전자소자의 초고집적화 실현에 어려움이 있었다.

김윤석 교수는 강유전성 발현 정도는 산화물 재료 결정구조의 산소 공공* 과 밀접한 관계가 있음에 착안하여, 이온빔**으로 산소결함을 정량적으로 조절하여 HfO2의 강유전성을 향상시키는 방법을 고안하였다.

* 산소공공: 산화물 재료의 결정구조에서 산소 원자가 빠져 비어있는 자리

** 이온빔 : 전기장이나 자기장으로 전하를 띤 원자(이온)의 방향을 정렬해 만든 흐름

연구팀은 가볍고 미세 제어가 가능한 헬륨이온빔을 HfO2 기반 강유전체에 조사해 산소 공공을 형성함으로써 기존의 복잡한 공정과 후처리 과정 없이 이온빔 조사밀도 조절만으로 강유전성을 강화하였다. 원자힘현미경으로 HfO2 기반 강유전체를 관찰한 결과 기존 대비 200% 이상 강유전성이 증가하였음을 확인하였다. 더불어 주사투과전자현미경을 이용하여 강유전성 증가 원인이 산소결함 밀도와 연계된 결정구조 변화에서 기인한다는 원리를 규명하였다.

이온빔이라는 하나의 변수만으로 강유전성을 향상시키는 기술은 현재 반도체 공정에 패러다임 변화 없이 적용 가능한 장점이 있다. 관련 연구성과는 국제학술지 사이언스(Science)지에 2022년 5월 게재됐다.

김윤석 교수는 “이번 연구는 하프늄옥사이드의 강유전성 발현 원인을 밝혀 강유전소재의 고성능화를 구현했다는데 의의가 있다”라며 “이번 연구를 통해 강유전성을 활용한 고효율 반도체 소자의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다.”라고 밝혔다.