가천대학교 전기공학과 박정웅 교수의 지도하에, 반도체공학과 석사 졸업생 홍인표 연구원이 주도한 연구가 국제 저명학술지 Ceramics International (SCIE Q1, 상위 9%) 2024년 9월호에 1저자 논문으로 게재됐다. 본 연구는 생산성이 낮고 비용이 높은 기존 ALD(Atomic Layer Deposition) 공정을 대체하기 위해, RF 스퍼터링 공정을 활용하여 강유전성 발현에 필수적인 상 전이를 유도하는 데 성공한 점에서 큰 의미를 갖는다.

연구팀은 HfO₂(하프늄 옥사이드)에 Al을 도핑한 HfxAl(1-x)Oy (HAO) 세라믹 타겟을 개발하고, 이를 이용해 RF 스퍼터링으로 박막을 증착함으로써, 고속·저비용 공정에서도 강유전체 특성을 확보할 수 있는 기술적 기반을 마련했다. 특히, 직접 개발한 1인치 크기의 고밀도 세라믹 타겟을 활용해 박막 증착 후, XRD, SEM, TEM 분석을 통해 정방정계(Orthorhombic) 상의 전이와 강유전성 발현을 실험적으로 입증했다.

Hf:Al 조성비는 x = 0.33, 0.5, 0.67로 다양하게 설정해 타겟을 제조하였으며, 1000°C에서 소결 후 1000~1600°C의 온도 범위에서 고상 반응법으로 고밀도 타겟을 제작하였다. 그 결과, Hf₀.₆₇Al₀.₃₃Oy 조성이 가장 우수한 결정구조와 강유전 특성을 나타냈으며, 이를 통해 스퍼터링 공정에서도 강유전체 메모리 소자에 요구되는 고유전율 및 강유전성이 구현될 수 있음을 실증했다.

홍인표 연구원은 “이번 연구는 ALD 공정 없이도 RF 스퍼터링이라는 대량 생산 공정으로 강유전성이 발현되는 박막을 구현했다는 점에서 생산성과 기술적 가치 모두를 입증한 성과”라며, “향후 대면적 공정 확장과 장기 신뢰성 평가를 통해 산업적 적용 가능성을 높일 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구 성과는 차세대 비휘발성 메모리 소자 개발에 있어 생산성과 경제성을 동시에 확보할 수 있는 핵심 기술로 주목받고 있으며, 웨어러블 기기, IoT 센서, 모바일 전자기기, 전장 시스템 등 고집적·저전력 반도체 제품에 널리 활용될 가능성이 기대되고 있다.

논문: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.05.401