과학기술정보통신부	보 도 자 료

보도 일시	2022. 5. 13.(금) 03:00 국제엠바고 (2022. 5. 13.(금) 조간)	배포 일시	2022. 5. 12.(목) 09:00

담당 부서	기초원천연구정책관실	책임자	과 장	김보열	(044-202-4530)
	기초연구진흥과	담당자	사무관	문영근	(044-202-4534)

이온빔을 이용한 차세대 반도체 소재의 고성능화 세계 최초 구현

- 반도체 소자의 초고집적화를 위한 응용 가능성 열어 (사이언스지 게재) -

□ 과학기술정보통신부(장관 이종호, 이하 ‘과기정통부’)는 김윤석 교수(성균관대학교) 연구팀*이 차세대 반도체 소재로 주목받고 있는 하프늄옥사이드(HfO2)에 ‘이온빔’을 이용해서 강유전성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 방법을 세계 최초로 구현했다고 밝혔다.

* 공동교신저자 : 김영민 교수(성균관대학교), 허진성 박사(삼성전자 종합기술원), Sergei Kalinin 박사(미국 오크리지 국립연구소)

￮ 과기정통부 개인기초연구사업(중견연구, 기본연구) 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지인 사이언스(Science)에 5월 13일 게재되었다.

□ 강유전성이란 외부 자기장 등에 의해 물체의 일부가 양(+)극이나 음(-)극을 띠게 된 후 그 성질을 유지하게 되는 성질을 말하며, 강유전성이 크면 메모리에서 데이터를 저장하는 기본구조인 ‘0’과 ‘1’의 차이가 커져 저장된 데이터를 보다 정확하게 읽을 수 있게 된다.

￮ 이러한 강유전성을 지니는 물질을 사용할 경우, 나노미터의 매우 얇은 막 상태에서도 우수한 강유전성을 통해 반도체 소자의 집적도를 높일 수 있다는 아이디어가 이미 40여 년 전에 제안되었으나,

￮ 최근 새로 도입된 소재인 하프늄옥사이드에서도 강유전성 증대를 위한 후처리과정이 추가로 필요하고 여러 공정 조건들이 강유전성에 큰 영향을 미치는 등 실제 적용에는 공정상 큰 한계점이 있어 실제로 구현되지는 못했었다.

□ 이에 연구팀은 후처리과정이나 복잡한 공정최적화 과정 없이, ‘이온빔’이라는 하나의 변수만으로 하프늄옥사이드의 강유전성을 손쉽게 조절하고 획기적으로 향상시킬 수 있는 방법을 제시하였다.

￮ 강유전성의 발현 정도는 산소 공공(산화물 재료의 결정구조에서 산소 원자가 빠져 비어있는 자리)과 밀접한 관계가 있다고 알려져 왔으며, 연구팀은 이에 착안하여 이온빔을 이용한 산소 공공의 정량적 조절을 통해 강유전성을 향상시키는 방법을 고안하였다.

￮ 연구팀은 이온빔을 적용한 결과, 강유전성의 증가 원인이 산소결함 밀도와 연계된 결정구조 변화에서 기인한다는 원리를 밝혀냈으며, 이온빔을 적용하지 않을 때보다 강유전성을 200% 이상 증가시킬 수 있었다.

□ 김윤석 교수는 “이번 연구를 통해 강유전성을 활용한 고효율 반도체 소자의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.”라고 전하며,

￮ “현재의 방법론적 연구 결과를 토대로 실제 반도체 산업에 적용하기 위해서는 최적 조건 탐색 등 후속 연구가 지속적으로 필요하다.”라고 덧붙였다.

<참고자료> : 1. 논문 정보          2. 연구이야기          3. 용어설명

4. 그림설명	5. 연구자 이력사항

담당 부서	기초원천연구정책관실	책임자	과 장	김보열	(044-202-4530)
	기초연구진흥과	담당자	사무관	문영근	(044-202-4534)
유관 기관	성균관대학교	책임자	교 수	김윤석	(031-290-7405)
	신소재공학과

논문 정보

□ 논문명

○ Highly enhanced ferroelectricity in HfO2-based ferroelectric thin film by light ion bombardment / Science

□ 저자

○ 김윤석 교수(교신저자/성균관대학교), 김영민 교수(공동 교신저자/성균관대학교), 세르게이 칼리닌(Sergei V. Kalinin) 박사(공동 교신저자/Oak Ridge National Laboratory), 허진성 박사(공동 교신저자/삼성전자 종합기술원), 강승훈 박사(제1저자/성균관대학교), 장우성 박사과정(공동 제1저자/성균관대학교), 안나 모로조브스카(Anna N. Morozovska) 박사(공동 제1저자/National Academy of Sciences of Ukraine)

□ 내용 요약

○ HfO2 기반 강유전체는 수 nm의 얇은 막 상태에서도 우수한 강유전성을 나타내기 때문에, 무어 법칙의 한계를 초월한 초고집적 반도체 소자 개발을 위한 새로운 소재 패러다임으로 기대되고 있다. 하지만 웨이크-업(wake-up)이라는 반복적인 전기장 인가를 통한 강유전성 증대 후처리과정이 추가로 필요하고, 여러 공정 조건들이 강유전성에 큰 영향을 미쳐 실제 양산화의 큰 장벽이 될 수 있어, 실제 적용에 공정상의 한계점을 보여주었다.

○ 강유전성 발현 정도는 산소 공공과 밀접한 관계가 있다고 알려져 왔으며, 이를 착안하여 연구팀은 이온빔을 이용하여 산소결함의 정량적 조절을 통해 강유전성을 향상시키는 방법을 고안하였다.

○ 다양한 현미경을 이용하여 증가된 강유전성을 직접 관찰할 수 있었으며, 이러한 증가 원인이 산소결함 밀도와 연계된 결정구조 변화에서 기인한다는 원리를 밝혀내었다.

○ 이온빔을 이용할 경우, 이온빔을 적용하지 않을 때보다 200%이상 강유전성을 증가시킬 수 있었다. 뿐만 아니라, 복잡한 공정최적화 과정이나 웨이크-업 후처리과정이 필요치 않고, 이온빔이라는 하나의 변수로 HfO2 기반 강유전체에서의 강유전성을 손쉽게 조절하고 획기적으로 향상시킬 수 있었다.

연구 이야기

<작성 : 성균관대학교 김윤석 교수>

□ 연구 배경

ㅇ 메모리, 트랜지스터 등의 산화물기반 소자의 현재 집적도를 월등히 뛰어넘기 위해서는, 수 nm 혹은 그 이하의 얇은 막 상태에서도 충분히 큰 물성을 유지하기 위한 새로운 전략이 필요하다. 이러한 고집적화를 구현하기 위한 소재로써 강유전성을 지니는 물질(강유전체: 전기분극을 기억하는 소재)이 제안되었다. 강유전성이 크게 되면, 메모리에서 데이터를 저장하는 기본구조인 ‘0’과 ‘1’의 차이가 커짐으로, 저장된 데이터를 보다 정확하게 읽을 수 있으며, 반대로 강유전성이 작게 된다면 저장된 데이터를 제대로 읽을 수 없게 되므로, 고집적화를 이루기 위해서는 얇은 막 상태에서도 우수한 강유전성이 필요하게 된다. 그러나 50 nm 이하에서는 강유전성이 급격하게 소실되고, 현재 반도체 산업공정에도 바로 적용할 수 없어서, 아이디어가 제안된 이후 지난 40여 년 동안 실제 구현되지 못하였다.

ㅇ 이러한 기술적 교착 상태를 돌파할 새로운 소재로서 2011년에 하프늄 옥사이드(hafnium oxide, HfO2) 기반 강유전체가 제안되었으며, 이는 불과 수 nm의 얇은 막 상태에서도 우수한 강유전성을 나타내기 때문에, 무어 법칙의 한계를 초월한 초고집적 반도체 소자 개발을 위한 새로운 소재 패러다임으로 기대되었다. 이 때문에 세계 각국에서 이를 이용한 극초박막 소자 개발의 기술 선점을 위한 연구 경쟁이 치열하게 진행되고 있다.

ㅇ 그러나 일반적인 강유전체와는 달리, 바로 사용할 수 없고 웨이크-업(wake-up)이라는 반복적인 전기장 인가를 통한 강유전성 증대 과정이 추가로 필요하고, 여러 공정 조건들이 강유전성에 큰 영향을 미쳐 실제 양산화의 큰 장벽이 될 수 있어, 실제 적용에 있어서 공정상의 한계점을 보여주었다.

□ 연구 내용

ㅇ 본 연구에서는 이온빔을 이용하여 HfO2 기반 강유전체의 강유전성을 획기적으로 향상시키는 방법을 개발하였다.

ㅇ HfO2 기반 강유전체에서의 강유전성 발현 정도는 산소 공공과 밀접한 관계가 있다고 알려져 왔으며, 본 연구에서는 헬륨이온빔(helium ion beam)을 이용하여 산소 공공을 정량적으로 조절하여, 강유전성을 획기적으로 증가시키는 기술을 개발하였다. 원자힘현미경(atomic force microscopy)을 이용하여 증가된 강유전성을 직접 관찰할 수 있었으며, 주사투과전자현미경(scanning transmission electron microscopy)을 이용하여 이러한 강유전성 증가 원인이 산소 공공의 밀도와 연계된 결정구조 변화에서 기인한다는 원리를 밝혀내었다.

ㅇ 이온빔을 이용한 강유전성 제어법을 사용하면, 복잡한 공정최적화 과정이나 웨이크-업 후처리과정이 필요치 않고, 이온빔 조사밀도라는 하나의 변수로 손쉽게 강유전성을 조절할 수 있으며, 이온빔을 이용하지 않을 경우보다 200%이상 강유전성을 획기적으로 증가시킬 수 있었다.

□ 기대 효과

ㅇ HfO2 기반 강유전체가 10여 년 전에 처음 제안되었으나, 복잡한 공정최적화 과정과 필수적인 후처리과정으로 인해, 실제 전자소자의 초고집적화를 위한 응용은 제한적인 상황이었다. 그러나 이온빔을 통한 강유전성 제어법은 기존의 복잡한 공정 과정들을 생략하게 하며, 이온빔이라는 하나의 변수만으로 자유자재로 물성을 제어할 수 있는 가능성을 열었다. 무엇보다 현재의 반도체 공정 패러다임을 바꿀 필요 없이 바로 적용할 수 있는 가능성도 높아서, 우리나라 반도체 산업 경쟁력을 한 차원 견인할 가능성이 기대된다.

ㅇ 일반적으로 대학 실험실 수준에서의 연구결과가 실제 전자소자 양산까지 연결되는 데는 수많은 과정을 거치게 된다. 특히, 초고집적 소자의 강력한 후보 소재인 HfO2 기반 강유전체는 초박막 상태의 2차원 구속으로 인해 매우 복잡한 공정최적화 과정을 요구하기 때문에, 실제 양산 적용까지는 극복해야할 엔지니어링 문제들이 산적해 있다. 이번 연구 결과는 이러한 과정을 대폭 줄여줄 수 있는 새로운 가능성을 제시한 것으로, 강유전성을 활용한 고효율 반도체소자의 실용화에 기여할 수 있을 것으로 예상한다.

용 어 설 명

1. 사이언스(Science) 誌

○ 과학 및 공학 분야 세계최고 권위 학술지(Impact Factor : 47.728)

2. 하프늄 옥사이드(hafnium oxide)

○ 화학식 HfO2의 무기 화합물

3. 이온빔(ion beam)

○ 전기장이나 자기장을 이용하여 방향을 조정한 이온(전하를 가진 원자)의 흐름

4. 강유전성

○ 외부 전기장이 없이도 양전하와 음전하가 분리되는 자발 분극을 가지며, 외부 전기장에 의하여 분극의 방향이 바뀔 수 있는 물질. 각각의 분극 방향은 메모리에서 데이터를 저장하는 기본 구조인 ‘0’과 ‘1’에 대응될 수 있다.

5. 산소 공공(산소 결함)

○ 산화물 재료의 결정구조에서 산소 원자가 빠져 비어있는 자리

그 림 설 명

[그림 1] 이온빔을 이용한 HfO2 기반 강유전체의 상전이 과정 개념도

같은 물질이라도 서로 다른 결정구조를 지닐 수 있게 된다. HfO2 기반 물질에서 강유전성이 없는 단사정(monoclinic) 상이 아닌 강유전성이 있는 사방정(orthorhombic) 상을 가지기 위해서는 다양한 공정변수를 제어해야 한다. 그러나 이온빔만으로도 (왼쪽) 강유전성이 없는 단사정 상에서 (오른쪽) 강유전성이 있는 사방정 상으로 변하게 할 수 있다.

※ 상전이 : 결정구조가 바뀌는 과정을 상전이(phase transition)이라고 한다.

※ 결정구조 : 물질을 구성하고 있는 원자가 규칙적이고 반복적으로 배열되어 있는 상태를 결정구조(crystal structure)라고 한다.

그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 김윤석 교수

[그림 2] 이온빔을 조사 전 후의 결정구조와 강유전 분극신호 변화

이온빔 조사 이후에 HfO2 기반 물질이 강유전성이 없는 단사정상(왼쪽)에서 강유전성이 있는 사방정상(가운데)을 가지게 됨을 주사투과 전자현미경을 이용하여 결정구조를 관찰한 결과를 보여준다. 이와 함께, 원자힘현미경을 이용하여 이온빔 조사 영역의 강유전 분극신호(오른쪽)가 밝아짐을 통해서 강유전 분극이 증가함도 보여주었다.

그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 김윤석 교수, Reprinted with permission from S. Kang et al., Science (2022).