차세대 비휘발성 메모리·3차원 집적 반도체 위한 강유전체 공정 설계 기준 제시
국제 학술지 Advanced Functional Materials 게재
차세대 메모리 소재의 성능이 결정되는 ‘탄생 순간’이 실시간으로 포착됐다. 핵심은 산소 원자가 빠져 생기는 미세한 결함인 ‘산소 빈자리’를 조절하는 데 있었다.
서울대학교 공과대학 재료공학부 박민혁 교수 연구팀은 성균관대학교 김윤석 교수, 전남대학교 이영환 교수, 포항가속기연구소 전태열 박사 연구팀과 함께 차세대 비휘발성 메모리 소재로 주목받는 하프니아-지르코니아(HZO)의 열처리 과정에서 정보를 기억하는 성질을 지닌 강유전상이 형성되는 전 과정을 실시간으로 추적했다. 그 결과 산소 빈자리의 양에 따라 결정화 온도와 최종 결정상이 달라지고, 메모리 저장 성능에도 큰 차이가 난다는 사실을 밝혔다.
이번 연구 결과는 지난 24일 국제 저명 학술지 Advanced Functional Materials에 게재됐다.
강유전체는 전원이 꺼진 뒤에도 전기적 상태를 유지할 수 있는 물질이다. 이 때문에 전원이 꺼져도 정보를 보존하는 비휘발성 메모리와 저전력 반도체 소자의 핵심 후보 소재로 꼽힌다. 특히 하프니아계 강유전체는 기존 실리콘 반도체 공정과 호환성이 높으면서 수 나노미터 두께에서도 강유전성을 구현할 수 있어 차세대 고집적 메모리 소재로 활발히 연구되고 있다.
문제는 HZO가 처음부터 강유전체의 성질을 갖는 것은 아니라는 점이다. HZO에서 강유전성을 만드는 사방정상은 원자 배열이 비대칭인 구조로, 가장 안정한 상태는 아니지만 특정 공정 조건에서 유지되는 ‘준안정 결정상’이다. 연구진은 특히 열처리 후의 최종 구조보다 비정질 박막에서 결정이 처음 만들어지고 이후 강유전상을 비롯한 결정상이 선택되는 과정에 초점을 맞췄다. 기존의 열처리 전후 분석만으로는 이러한 변화를 정확히 구분하기 어려웠다.
연구의 핵심 변수는 ‘산소 빈자리’였다. 산소 빈자리는 HZO를 구성하는 산소 원자가 제자리에서 빠져나가 생기는 원자 수준의 작은 결함이다. 연구진은 원자층증착 공정에서 오존 주입량을 달리해 산소 빈자리 농도가 서로 다른 10nm 두께의 HZO 박막을 제작하고, 산소 빈자리의 양에 따라 결정화 경로가 어떻게 달라지는지를 비교했다.
이후 포항가속기연구소의 방사광을 이용한 실시간 스침각 광각 X선 산란(GIWAXS) 분석을 통해 비정질 상태의 박막이 가열 과정에서 결정으로 변하고, 냉각을 거쳐 최종 구조로 안정화되는 전 과정을 연속적으로 추적했다. 온도에 따른 격자 간격과 열처리 후 박막에 남는 미세한 늘어남이나 줄어듦인 ‘잔류 변형’을 구분해 분석하고, 결정립의 크기와 성장 방향, 각 결정상의 상대적 비율도 함께 비교했다. 이를 통해 산소 빈자리의 양이 결정화 시점부터 결정립 성장, 결정상 선택, 최종 전기적 특성까지 어떻게 영향을 미치는지를 하나의 흐름으로 연결했다.
* 스침각 광각 X선 산란(GIWAXS): X선을 얇은 박막에 비스듬히 쏴 원자 배열의 변화를 회절 무늬로 읽는 분석법
분석 결과, 산소 빈자리가 많을수록 HZO의 결정화는 늦어졌다. 산소 빈자리가 많은 박막에서는 원자 배열의 재정돈과 초기 결정핵 형성이 방해돼 더 높은 온도에서야 결정화가 시작됐다. 결정화 이후에도 결정립의 수평 방향 성장이 억제됐으며, 강유전성을 나타내는 사방정상보다 전기적 분극을 만들지 않는 비강유전성 정방정상이 상대적으로 오래 유지됐다.
반대로 산소 빈자리가 적은 박막에서는 결정화에 필요한 에너지 장벽이 낮아지고 결정립 성장이 원활하게 진행됐다. 그 결과 더 낮은 온도에서 결정화가 시작됐으며, 정보를 기억하는 데 필요한 강유전성 사방정상이 보다 유리하게 형성됐다. 원자힘현미경을 이용한 국소 압전반응과 전기적 분극 측정에서도 이러한 구조 분석과 일치하는 경향이 나타났다.
차이는 수치에서도 뚜렷했다. 산소 빈자리가 적은 박막은 산소 빈자리가 많은 박막보다 결정화 시작 온도가 30℃ 낮았다. 또한 같은 400℃에서 메모리의 0과 1을 구분하는 저장 신호를 나타내는 전환 가능 분극량(2Pr)도 약 11배 컸다.
이번 연구는 산소 빈자리를 단순히 제거해야 하는 결함이 아니라, HZO 박막의 결정화 시점과 강유전상 형성 경로를 조절하는 핵심 공정 변수로 제시했다는 데 의미가 있다. 특히 더 낮은 온도에서 강유전상을 형성할 수 있다는 점은 반도체 공정 측면에서도 주목할 만하다. 낮은 온도에서 강유전성을 확보하면 이미 형성된 배선과 소자의 열 손상을 줄여야 하는 반도체 후공정에 유리하기 때문이다.
이번 연구에서 밝혀낸 산소 빈자리와 결정화 경로의 관계는 향후 임베디드 비휘발성 메모리와 3차원 집적 메모리 등 차세대 메모리 기술에 활용돼, 스마트폰·자동차·사물인터넷 기기 등에서 전원이 꺼져도 정보를 안정적으로 유지하는 고집적·저전력 메모리 개발에 기여할 것으로 기대된다.
박민혁 교수는 “이번 연구는 산소 빈자리를 단순히 제거해야 하는 결함이 아니라, HZO 박막의 결정화 시점과 강유전상 형성 경로를 설계하는 핵심 변수로 규명했다는 데 의미가 있다”며 “실시간 방사광 분석을 통해 열처리 과정에서 일어나는 구조 변화를 직접 추적함으로써, 최종 전기적 특성이 형성되는 원인을 보다 명확하게 설명할 수 있었다”고 말했다. 이어 “이번 연구에서 확인한 산소 빈자리와 결정화 경로의 관계는 제한된 열 예산에서도 높은 강유전 성능을 구현해야 하는 차세대 비휘발성 메모리와 고집적 반도체 공정의 소재 설계에 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
공동 제1저자인 정현우 서울대 석박사통합과정생은 산화하프늄계 강유전체의 산소 빈자리·응력 제어와 방사광 기반 실시간 구조 분석을 연구하고 있다. 향후 반도체 공정 및 메모리 소자 연구개발 분야에서 차세대 비휘발성 메모리 기술 개발을 이어갈 계획이다. 공동 제1저자인 이재욱 서울대 석박사통합과정생은 산화하프늄계 강유전체의 저온 결정화 공정과 신규 전극 소재 개발 기술을 연구하고 있으며, 향후 반도체 공정 및 메모리 소자 분야에서 고성능·저전력 차세대 비휘발성 메모리 기술 개발을 이어갈 계획이다.
한편 이번 연구는 한국연구재단을 통한 과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행됐다(RS-2025-12872969, RS-2024-00444182).
참고 자료
- 논문명/저널: Oxygen-Vacancy-Regulated Crystallization and Ferroelectric Phase Stabilization in Hf0.5Zr0.5O2 Thin Films, Advanced Functional Materials
- DOI: 10.1002/adfm.77918
웹사이트: https://eng.snu.ac.kr/
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