반도체 더 작게, 성능은 극대화…韓 연구진이 해결했다

김윤석 성균관대 신소재공학부 교수 연구팀은 '하프늄옥사이드'에 이온빔을 이용해 강유전성을 획기적으로 향상시켰다. / 사진=게티이미지뱅크

과학자들은 차세대 반도체 소자 개발을 위해 '크기와의 전쟁'을 펼치고 있다. 소자는 작아져도 용량은 커져야 하고 성능까지 향상시켜야 하기 때문이다. 이런 상황에서 국내 연구진이 반도체 소자의 초고집적화(웨이퍼 표면 위 전자 회로 초고도 집적)를 위한 응용 가능성을 열었다.


김윤석 성균관대 신소재공학부 교수 연구팀은 13일 국제학술지 사이언스에 '하프늄옥사이드'에 이온빔을 이용해 강유전성을 획기적으로 향상시킨 연구 논문을 게재했다. 하프늄옥사이드는 차세대 반도체 소자로 주목받는 물질이다.

이번 연구의 핵심은 강유전성을 향상시킨 부분이다. 강유전성이란 외부 자기장에 의해 물체 일부가 양극(+)이나 음극(-)을 띠게 된 이후에도 유전성을 유지하는 성질이다.

강유전성이 크면 메모리에서 데이터를 저장하는 기본구조인 '0'과 '1' 차이가 길어져 저장된 데이터를 보다 정확하게 읽을 수 있다. 예컨대 0과 1사이가 길면 숫자를 보다 정확하게 파악하는 것처럼, 반도체 소자에선 강유전성이 크면 이 길이가 늘어나 데이터 파악이 용이하다.

연구팀은 이온빔과 하프늄옥사이드라는 소재를 활용해 강유전성을 증대시켰다. 특히 연구팀은 반도체 후처리 과정이나 복잡한 공정 최적화 과정 없이 이온빔이라는 하나만으로 하프늄옥사이드의 강유전성을 조절하고 향상시켰다.


연구팀은 이온빔을 적용했을 때가 이온빔을 적용하지 않을 때보다 강유전성을 200% 이상 증가시킬 수 있다고 밝혔다. 또 강유전성 증가 원인이 산소결함 밀도와 연계된 결정구조 변화에서 기인한다고 풀어냈다.

김윤석 교수는 "이번 연구를 통해 강유전성을 활용한 고효율 반도체 소자의 실용화를 앞당길 수 있을 것"이라며 "현재의 방법론적 연구 결과를 토대로 실제 반도체 산업에 적용하기 위해선 최적 조건 탐색 등 후속 연구가 지속적으로 필요하다"고 밝혔다.

한편 윤석열 대통령은 "요즘 전쟁은 총이 아니라 반도체로 한다"고 말할 정도로 반도체를 국가의 경제·안보 핵심으로 보고 있다. 최근 과학기술 주무부처 수장에도 세계적 반도체 권위자인 이종호 장관을 임명하기도 했다.

이온빔을 이용한 하프늄옥사이드 기반 강유전체의 상전이 과정 개념도. / 사진=성균관대