500도 고온 없이도 차세대 반도체 소재 합성법 찾았다

포스텍 연구팀, 삼성전자 지원 받아 ‘루틸 TiO₂’ 합성법 개발

차세대 반도체용 소재로 주목 받는 ‘루틸 TiO₂’의 새로운 합성법을 개발한 손준우 포스텍 교수 연구팀. 왼쪽부터 윤다섭, 박윤규(제1저자), 손 교수(교신저자), 조민국. 삼성전자 제공

포스텍(포항공과대) 연구팀이 차세대 반도체용 소재로 주목 받는 ‘루틸(rutileㆍ금홍석) 구조 이산화티타늄(루틸 TiO₂)’을 낮은 온도에서도 합성할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다. 삼성전자의 지원을 받은 이번 연구는 기존 방식에서 필요했던 500도 이상의 고온 없이도 균일한 품질의 루틸 TiO₂을 얻을 수 있는 방법을 제시, 소재 양산의 물꼬를 텄다는 평가다.

17일 삼성전자에 따르면 손준우 포스텍 신소재공학과 교수 연구팀은 이런 내용의 논문을 전날 유명 과학저널 ‘네이처 커뮤니케이션’에 기고했다.

루틸 TiO₂은 TiO₂의 여러 결정구조 중 하나로, 작은 전압에서도 많은 양의 전하를 저장할 수 있는 성질 덕분에 고성능 D램, 입체형(3D) 집적 반도체 등 반도체 혁신에 유용하게 쓰일 수 있는 소재로 꼽혀왔다. 하지만 고온의 환경에서 루틸 TiO₂을 합성하는 기존 방법은 이를 활용한 반도체 제작에 걸림돌이 됐고, 저온에서 합성할 경우 결정 내부 산소가 있어야 할 자리에 산소가 없는 문제가 빈발해 반도체 수율(합격품 비율)을 보장할 수 없는 문제가 있었다.

손 교수팀은 산소 이온을 충분히 공급하는 방식을 통해 50~150도의 비교적 낮은 온도에서도 고품질 루틸 TiO₂를 얻을 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 손 교수는 “산화물 이종접합 연구를 진행하던 중 이러한 현상을 우연히 발견했다”며 “열 대신 이온 이동을 통해서도 산화물 결정화가 가능함을 보여준 최초의 연구”라고 설명했다. 연구팀은 이를 기반으로 차세대 반도체 소자 개발에 주력할 계획이다.

이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 2017년 9월부터 진행됐다. 센터는 국가 미래 먹거리를 책임질 과학기술 연구를 지원하고자 2013년간 10년간 1조5,000억원을 집행한다는 계획 아래 지금까지 561개 과제에 7,189억원을 지원했다.

이훈성 기자 hs0213@hankookilbo.com