포스텍 손준우 교수 연구팀, 차세대 반도체용 소재 저온 합성법 개발

포스텍 신소재공학과 손준우 교수 연구팀(제1저자: 박윤규 박사과정생, 교신저자: 손준우 교수)이 500도 이상의 고온에서만 합성할 수 있었던 높은 결정성의 루틸 TiO₂를 낮은 온도(50~150도)에서도 만들 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다.

연구 결과는 16일(영국 현지시간) 세계적인 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션 (Nature Communications)’에 발표됐다.

루틸 TiO₂는 고성능 DRAM, 3D 모노리식(monolithic) 반도체 등 차세대 디바이스용 소재로 주목받고 있는 고유전 물질이다. 유전률이 높아 작은 전압에서도 많은 양의 전하를 저장할 수 있다.

그러나 루틸 TiO₂를 합성하기 위해서는 매우 높은 온도가 필요하여 전자 디바이스 제작에 어려움이 있었다. 또한, 저온에서는 결정 내부 반복 구조상 산소가 있어야 할 자리에 산소가 없는 산소 결함이 발생하기 쉬워 우수한 성능의 디바이스를 구현할 만큼 균일한 품질을 얻기 어렵다는 문제가 있었다. 미세공정으로 이뤄지는 디바이스 산업에서는 재료의 균일도가 생산수율에 큰 영향을 미친다.

손준우 교수팀이 찾아낸 방법은 비교적 낮은 온도에서도 산소 이온을 충분히 공급할 수 있어 산소 결함이 거의 없는 균일한 품질의 루틸 TiO₂를 얻을 수 있다. 손준우 교수팀은 이를 기반으로 차세대 반도체 소자 개발에 주력할 계획이다.

손준우 교수는 “미래기술육성사업의 지원으로 산화물 이종접합 연구를 진행하던 중 이런 현상을 우연히 발견했다”며, “열 대신 계면에서의 이온 이동을 통해서도 산화물의 결정화가 가능함을 보여준 최초의 연구”라고 말했다.

이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 2017년 9월부터 수행됐다.

한편, 삼성미래기술육성사업은 국가 미래 과학기술 연구 지원을 위해 2013년부터 10년간 1조5천억원을 지원하고 있으며, 지금까지 561개 과제에 7,189억원의 연구비를 집행했다.

▲ 차세대 반도체용 소재의 새로운 합성법을 개발한 포스텍 손준우 교수 연수팀. 왼쪽부터 윤다섭, 박윤규, 손준우 교수, 조민국