1월 과학기술인상, 김윤석 성균관대 교수 선정

-이온빔을 이용한 차세대 반도체소재 고성능화 실현

과학기술정보통신부(장관 이종호, 이하 ‘과기정통부’)와 한국연구재단(이사장 이광복, 이하 ‘연구재단’)은 이달의 과학기술인상 1월 수상자로 성균관대학교 신소재공학부 김윤석 교수를 선정했다고 지난달 4일 밝혔다. ‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 상이다.
  과기정통부와 연구재단은 김윤석 교수가 차세대 반도체 소재인 하프늄옥사이드의 강유전성1) 발현 원인을 밝히고, 이온빔을 이용해 하프늄옥사이드의 강유전성을 높이는 기술을 개발하여 반도체 소자 기술 경쟁력을 강화한 공로를 높게 평가했다고 밝혔다.
  강유전성이 큰 반도체 소재는 메모리에서 데이터를 저장하는 기본구조인 ‘0’과 ‘1’의 차이가 커져 저장된 데이터를 보다 정확하게 읽을 수 있다. 따라서, 나노미터 수준의 얇은 막에서도 우수한 강유전성을 보이는 하프늄옥사이드는 메모리, 트랜지스터 등 기존 산화물을 대체할 차세대 반도체 소재로 꼽힌다. 하지만, 최근까지 하프늄옥사이드의 강유전성 발현 원인이 밝혀지지 않았으며, 하프늄옥사이드의 강유전성 증대를 위해 복잡한 후처리 공정이 필요해 실제 반도체 소자의 초고집적화 실현에 어려움이 있었다.
  김윤석 교수 연구팀은 강유전성 발현 정도는 산화물 재료 결정구조의 산소 공공2)과 밀접한 관계가 있음에 착안하여, 이온빔3)으로 산소결함을 정량적으로 조절하여 하프늄옥사이드의 강유전성을 향상시키는 방법을 고안하였다.
  연구팀은 가볍고 미세 제어가 가능한 이온빔을 하프늄옥사이드기반 강유전체에 조사해 산소 공공을 형성함으로써 기존의 복잡한 공정과 후처리 과정 없이 이온빔 조사밀도 조절만으로 강유전성을 강화하였다. 하프늄옥사이드 기반 강유전체를 관찰한 결과 기존 대비 200% 이상 강유전성이 증가하였음을 확인하였고, 강유전성 증가 원인이 산소결함 밀도와 연계된 결정구조 변화에서 기인한다는 원리를 규명하였다. 이온빔이라는 하나의 변수만으로 강유전성을 향상시키는 기술은 현재 반도체 공정에 체계 변화 없이 적용 가능한 장점이 있다. 관련 연구성과는 국제학술지 사이언스(Science)지에 2022년 5월 게재됐다.
  김윤석 교수는 “이번 연구는 하프늄옥사이드의 강유전성 발현 원인을 밝혀 강유전체의 고성능화를 구현했다는데 의의가 있다”며 “이번 연구를 통해 강유전성을 활용한 고효율 반도체 소자의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

[주요 연구성과 설명]

<강유전성 발현 원인 밝혀 차세대 반도체용 강유전소재의 고성능화 구현>

그림 1. 하프늄옥사이드 기반 강유전체에서의 단사정상에서 사방정상으로 상전이 과정
강유전체(전기분극을 기억하는 소재)의 강유전성이 크게 되면, 메모리에서 데이터를 저장하는 기본구조인 ‘0’과 ‘1’의 차이가 커짐으로, 저장된 데이터를 보다 정확하게 읽을 수 있다. 따라서 고집적화를 이루기 위해서는 얇은 막 상태에서도 우수한 강유전성이 필요하다. 하프늄옥사이드 (hafnium oxide, HfO2) 기반 강유전체는 얇은 막 상태에서도 우수한 강유전성을 나타내지만, 아직까지 강유전성 발현 원인이 명확히 규명되지 않았다. 본 연구팀은 이온빔을 이용하여 산소 공공 밀도를 제어하고, 산소 공공 밀도 증가를 통해 강유전성이 없는 단사정(monoclinic)상에서 강유전성이 있는 사방정(orthorhombic)상으로 상전이를 유도하였다. 이를 통해, 하프늄옥사이드 기반 강유전체의 강유전성 발현이 산소 공공과 연계된 상전이에 있음을 밝혀내었다.

그림 2. 이온빔을 통한 강유전 사방정상 유도와 이를 통한 강유전성 증대 기술
하프늄옥사이드 기반 강유전체에서의 강유전성 발현이 산소 공공과 연계된 상전이에 있음을 이온빔을 통한 산소 공공 제어와 이에 대한 전기적 및 구조적 분석을 통해 밝혀내었다. 산소 공공 제어에 활용한 이온빔으로 강유전성을 제어하면, 복잡한 공정최적화 과정이나 후처리과정이 필요치 않고, 이온빔 조사밀도라는 하나의 변수로 손쉽게 강유전성을 조절할 수 있으며, 이온빔을 이용하지 않을 경우보다 200%이상 강유전성을 획기적으로 증가시킬 수 있음도 확인하였다. 이를 통해 기존의 복잡한 공정 과정을 단순화하여 이온빔이라는 하나의 변수만으로 물성을 쉽게 제어하고 고성능화할 수 있는 가능성을 열었다.

수상자 인터뷰

글로벌 패권 경쟁이 날로 심화되는 반도체 분야의 연구현장은 총성 없는 전쟁터를 방불케 합니다. 미·중·유럽연합·일 등 주요국은 반도체를 국가 안보의 핵심적인 전략 자산으로 인식하여 자국의 반도체 산업 육성책 마련에 전력을 다하고 있습니다. 우리 정부도 반도체 기술 개발과 인재양성을 위해 전방위적 노력을 기울이고 있습니다. 1월의 이달의 과학기술인상 주인공인 성균관대학교 김윤석 교수는 대학원 때부터 20년간 초정밀 물성을 탐구해온 경험을 기반으로 고효율 반도체 소재를 개발하여 우리나라 반도체 산업 경쟁력 강화를 이끄는 젊은 연구자입니다. 김 교수는 앞으로도 물성 발현에 대한 근본 원인을 탐구하여 효과적인 물성 제어, 그리고 이를 통한 고효율 반도체 소재의 구현에 이바지하고 싶다는 바람을 전했습니다. 2023년 계묘년을 시작하며 토끼처럼 지혜롭고 영민하게 목표를 향해 달려가는 김윤석 교수의 연구 이야기를 소개합니다.

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2023년 2월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>