김윤석 성균과대학교 교수 (과학기술정보통신부 제공) 2023.01.04 /뉴스1

과학기술정보통신부와 한국연구재단은 이달의 과학기술인상 1월 수상자로 김윤석 성균관대학교 신소재공학부 교수를 선정했다고 4일 밝혔다.

과기정통부와 연구재단은 김윤석 교수가 차세대 반도체 소재인 하프늄옥사이드(HfO2)의 강유전성 발현 원인을 밝히고, 이온빔을 이용해  HfO2의 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 HfO2는 메모리, 트랜지스터 등 기존 산화물을 대체할 차세대 반도체 소재로 꼽힌다.

최근까지 HfO2의 강유전성 발현 원인이 밝혀지지 않았으며, HfO2의 강유전성 증대를 위해 복잡한 후처리 공정이 필요해 실제 반도체 소자의 초고집적화 실현에 어려움이 있었다.

김윤석 교수 연구팀은 강유전성 발현 정도는 산화물 재료 결정구조의 산소가 비어있는 자리와 밀접한 관계가 있음에 착안했다. 이온빔으로 산소결함을 정량적으로 조절하여 HfO2의 강유전성을 향상시키는 방법을 고안했다.HfO2 기반 강유전체를 관찰한 결과 기존 대비 200% 이상 강유전성이 증가하였이 확인됐다.

이온빔이라는 하나의 변수만으로 강유전성을 향상시키는 기술은 현재 반도체 공정에 패러다임 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"라며 "이번 연구를 통해 강유전성을 활용한 고효율 반도체 소자의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다"라고 밝혔다.


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