연구책임자인 재료연 김용훈 책임연구원, 송경 책임연구원, 포항공과대학교 황현상 교수, 논문 제1저자인 재료연 황승권 박사과정 학생연구원 (사진 왼쪽부터)

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진/ 이하 재료연) 에너지․환경재료연구본부 김용훈 박사와 재료분석센터 송경 박사 연구팀이 포항공과대학교 황현상 교수 연구팀과 공동 연구를 통해, 2차원 소재인 이황화 텅스텐(WS2)과 강유전체 하프늄지르코늄산화물(이하 HZO)의 이종접합 기술을 개발해 계면 안정성과 우수한 결정성(원자나 분자의 구조가 규칙적으로 배열된 상태)을 동시에 구현하는 데 성공했다. 이번 연구 결과는 세계 3대 반도체 학회 중 하나이자 반도체 올림픽이라고 불릴 정도로 세계적 권위를 가진 국제전자소자학회(IEDM, International Electron Devices Meeting 2024)에 채택됐다.

이황화 텅스텐은 텅스텐과 황으로 이뤄진 2차원 재료 중 하나로, 얇은 원자층의 구조를 가졌다. 수 나노미터 두께로도 고유의 물성을 가져 반도체나 에너지 저장 장치 등에 주로 활용된다. 강유전체(Ferroelectric)는 외부 전기장 없이도 스스로 분극을 가지는 재료이며, 전원이 꺼져도 정보가 유지되는 비휘발성 메모리에 적용될 수 있다. 그중 HZO는 강유전체 특성을 가지는 대표적인 재료이다.

이번 연구는 강유전체 소자 기술의 한계로 지적된 계면 안정성 문제를 해결하고, HZO의 결정성을 제어하여 소자 간 특성 불균일성을 개선했다. 계면 안정성은 두 물질이 맞닿아 있는 경계면에서 물리적, 화학적 변화를 최소화하여 고유의 물성이 안정적으로 유지되는 성질이다. 반도체 소자에서는 이와 같은 계면 안정성이 높을수록 성능 저하 없이 수명을 유지할 수 있어, 이는 반도체의 신뢰성과도 직결된다.

기존 원자층 증착법(ALD) 기반의 HZO 증착은 여러 문제점에 직면해 있다. 그중 한 가지 문제점은 하부 전극에 HZO를 증착할 때 고온과 산소에 노출되어 불필요한 화학 반응을 일으키고, 이때 형성된 얇은 산화물층이 HZO의 강유전체 특성을 떨어뜨린다는 것이다. 또한, HZO의 강유전성을 위해 고온에서 열처리 공정이 필수적이지만 이 과정에서 HZO 박막 표면의 산소 원자가 전극 쪽으로 이동해 HZO 표면에 산소 공공과 같은 결함을 유도할 뿐만 아니라 강유전체 특성이 동작 횟수에 따라 다르게 나타나는 문제가 발생했다.

이러한 문제를 극복하기 위해 전극과 HZO 계면의 안정성을 확보하기 위한 연구가 필요했다. 연구팀은 하부 전극과 HZO 계면 안정성을 유지하고자 이황화 텅스텐 소재를 삽입한 후 불필요한 화학 반응을 최소화해 하부 전극 표면을 보호하고 HZO 박막 표면의 산소 원자 이동을 제어했다. 이를 통해 안정적인 계면 안정성을 확보하여 HZO의 강유전체 특성을 극대화하는 결과를 얻었다.

또한, HZO 기반의 강유전체를 상용화하는 데 가장 큰 장벽은 각각의 나노미터 크기의 도메인들이 무질서한 방향으로 분포해, 소자 간 성능의 불균일성이 발생하여 신뢰성을 확보하는 데 문제가 있다. 연구팀은 이와 같은 문제를 극복하고자 이황화 텅스텐의 격자 상수(원자가 규칙적으로 배열된 단위)와 HZO의 특정 면 간 거리가 유사하다는 특성을 이용하여, 서로 결합할 때 우수한 결정성이 확보가 가능한 것에 착안했다. 이를 통해 물질 도메인의 방향성을 제어하고 정렬성을 극대화함으로써 소자 간 신뢰성을 높일 수 있었다.

2차원 이황화 텅스텐과 HZO의 이종접합 기술은 강유전체 기반의 차세대 비휘발성 메모리 소자를 구현하는 중요한 기술적 돌파구로 평가받고 있다. 이황화 텅스텐이 고온 환경에서 하부 전극을 보호함과 동시에 도메인의 정렬을 유도해 강유전체 소자의 성능을 크게 개선한 결과이다.

연구책임자인 재료연 김용훈 책임연구원은 “HZO를 활용한 비휘발성 메모리 소자 상용화의 가장 큰 난제였던 무질서한 도메인의 제어 문제를 해결함으로써 신뢰성과 내구성이 높은 비휘발성 메모리 특성을 확보했다.”라고 말했다. 연구팀은 반도체 후공정(Back End of Line, BEOL)에 적용할 수 있는 저온 공정(400도 이하)에서의 성능 최적화 작업을 이어가고 있다.

본 연구 성과는 과학기술정보통신부 지원을 받아 한국재료연구원 기본사업과 국가과학기술연구회 글로벌 TOP 전략연구단 지원사업, 그리고 한국연구재단 리더연구를 통해 수행됐다. 연구 결과는 논문의 제 1저자인 한국재료연구원 황승권 박사과정 학생연구원이 오는 12월 11일, 미국 샌프란시스코에서 열리는 국제전자소자학회 IEDM 2024에서 발표할 예정이다.