윤명한(왼쪽부터) GIST 교수, 박민혁 서울대 교수, 최준규 GIST 박사, 이상우 GIST 석사, 김세현 서울대 박사과정. [GIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 기존보다 100℃ 낮은 온도에서 강유전체 산화물을 확보하는 방법이 개발됐다. 강유전체는 외부에서 전기장을 가하지 않더라도 스스로 전기분극을 나타내는 물질로서, 강유전체를 기반으로 제작된 메모리 소자는 기존 플래시메모리 대비 낮은 구동 전력, 빠른 처리 속도로 인해 차세대 고성능 반도체 메모리 소자로 주목받고 있다.

광주과학기술원(GIST)은 신소재공학부 윤명한 교수와 서울대학교 재료공학부 박민혁 교수 공동연구팀이 고성능 강유전체 산화물 확보를 위한 저온 심자외선(DUV) 기반 결함 제어 및 결정화 메커니즘을 규명했다고 밝혔다.

강유전체 중 하프늄-지르코늄 산화물(HZO)은 반도체와 전자 산업의 핵심 소재(상보형 금속 산화물 반도체, CMOS)와의 집적화 공정에 유리하고, 수 나노미터 스케일의 비교적 낮은 두께에도 우수한 강유전성과 낮은 터널링 효과를 유도한다는 점에서 주목받고 있다.

하지만 10nm(나노미터) 미만의 얇은 두께의 HZO에 강유전성을 보이는 사방정계(orthorhombic) 결정상을 확보하기 위해서는 400~500℃의 열처리 공정이 필수적이며, HZO의 결정화 메커니즘과 이를 제어하는 기술에 대해서는 아직 명확하게 밝혀진 바가 없다.

연구팀은 강유전성을 보이는 사방정계 결정 구조 형성에 산소 결함이 중요한 역할을 한다는 점에 주목했다.

급속 열처리 장치를 통한 통상적인 열처리 공정 이후 심자외선 기반 광활성화 공정을 도입함으로써 8nm의 HZO 박막 내 산소 결함을 유도하고 사방정계 결정 구조 형성에 성공했다.

이번 연구에서 활용한 DUV 광활성 공정 모식도(왼쪽) 및 DUV 광활성 공정 유무 및 처리 시간에 따른 강유전성 HZO 소재 자발 분극도 차이(오른쪽). [GIST 제공]

연구팀은 300℃ 비활성 가스 분위기에서 상하부 전극 제작까지 완료된 메모리 소자에 직접 심자외선을 조사하는 상대적으로 단순한 후공정 도입을 통해 매우 우수한 강유전성과 낮은 누설 전류 기반의 안정성을 확보하는데 성공했다. 원자 간 결합 에너지에 대한 분석과 초고해상도 현미경 분석을 통해 심자외선 광활성화 공정에 의해 6% 가량 증가한 산소 결함이 HZO의 결정상 제어에 미치는 영향과 메커니즘을 규명했다.

윤명한 교수는 “이번 연구 성과는 특히 심자외선 빛 조사를 통해 산소 결함과 같은 원자 수준의 미시적 특성을 변화시켜 금속산화물 결정상을 제어하고 이와 관련된 메커니즘을 규명한 것으로 학술적 의미가 크다”고 평가했다.

이번 연구결과는 전자 소자 및 재료과학 분야 국제학술지 ‘머티리얼즈 사이언스 & 엔지니어링 R: 리포츠’에 5월 7일 온라인 게재됐다.