박 민 혁_ 부산대학교 재료공학부 교수

2018년 대한민국의 산업계에서 가장 큰 수익을 올 린 있는 분야는 반도체산업이다. 반도체 산업 분야 에서 가장 핵심이 되는 소재에는 세라믹 소재 그 중 에서도 유전체 박막소재가 다수 포함되어 있다. 반 도체 산업의 근간이 되는 실리콘 기판은 물론이거니 와 기본 소자라 할 수 있는 Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor(MOSFET)의 oxide 층에 이용되는 HfO2나 주력수출 부품인 Dynamic Random Access Memory(DRAM)의 핵심 소자 인 capacitor의 유전층으로 삽입되는 ZrO2/Al2O3/ ZrO2의 삼중층 등을 들 수 있다. HfO2, ZrO2, Al2O3 등의 물질은 모두 전기적 특성에서 유전체(dielectric material)로 분리된다. 유전체란 전기장이 가해 졌을 때에 전기적인 극성을 띄게 되는 절연체를 일컫 는 말이다. 일반적인 유전체는 전기장을 가하지 않은 상태에 서는 극성을 보이지 않지만, 전기장을 가하지 않은 상황에서도 자발적으로 극성을 가지는 특수한 유 전체도 존재한다. 이와 같은 물질을 강유전체(ferroelectric material)라고 부른다. 강유전체의 경우 2개 이상의 자발적인 분극 상태를 전계를 가하지 않 은 상황에서 가질 수 있고, 적당한 전계를 가해서 여러 분극 상태 사이의 전환을 시킬 수 있다. 이와 같 은 특성은 전기적으로 2가지 혹은 그 이상의 상태 를 기록하고 읽는 데에 이용할 수 있기 때문에 강유 전체는 메모리 분야의 응용에 이상적인 물질이다. 하지만, 강유전체를 이용한 메모리는 장기간의 연구 에도 불구하고 실제 상용화에 이르지 못하였다. 작 은 면적에 더 많은 정보를 저장하는 것을 목표로 하 는 메모리 소자에서는 집적화가 소자 발전의 원동력 이었다. 하지만, 대표적인 강유전체 물질인 Pb(Zr,Ti) O3나 SrBi2Ta2O9 등의 경우에 박막의 두께를 얇게 했을 때 특성의 열화가 두드러지게 나타난 결과 소 자의 선폭은 130 nm이하로 줄일 수가 없었다.[1] 또 한, 반도체 산업의 표준물질인 Si 기판이나 TiN 등 의 금속 질화물 전극과의 계면 특성이 좋지 않은 등 의 문제가 있었다.

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