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서울대 한승우 교수팀, 양자계산을 통한 차세대 high-k 물질 고속대량스크리닝 기술 개발
차세대 반도체 재료 선별 기술
서울시민일보
▲ 밴드갭과 유전상수 양자계산 자동화 코드의 개략도(a) 및 양자계산 자동화를 통해 얻은 1,800여개 산화물의 high-k 물성 지도(b). (사진제공=서울대)     © 서울시민일보
국내 연구진이 양자계산 시뮬레이션을 이용한 신물질 고속대량스크리닝(high-throughput screening) 기술의 초석을 마련했다.

서울대 공대는 6월 22일 “재료공학부 한승우 교수 연구팀(박사과정 임강훈, 윤용)이 국내 최초로 밴드갭과 유전상수의 제일원리계산 자동화 코드를 개발해 수천여 개의 산화물 구조 데이터베이스로부터 차세대 high-k 재료로 적합한 후보물질들을 선별해내는 데 성공했다”고 밝혔다.

High-k 물질은 반도체 정보소자에서 기존의 실리콘산화물 유전박막에 발생하는 누설전류를 억제하기 위해 새롭게 도입된 고유전체 박막재료다. 반도체 공정이 고집적화 될수록 더 작은 전류로 소자의 제어를 가능케 하는 차세대 high-k 물질이 요구되고 있다.

또 높은 유전상수를 가짐과 동시에 얇은 두께에서도 터널링(tunneling) 누설전류를 억제할 수 있도록 큰 밴드갭도 가져야 한다. 하지만 신물질에 대한 물성 측정의 고비용으로 인해 그 동안 제한적인 후보 물질들만이 high-k 재료로 고려돼 왔다.

이에 연구팀은 최근 급속도로 향상된 컴퓨팅 성능과 정밀한 밀도범함수이론(DFT) 계산 방법론들을 사용해 수많은 산화물의 물성을 고속대량스크리닝 할 수 있는 시뮬레이션 자동화 코드를 개발했다. 이 자동화 코드는 복잡한 양자시뮬레이션 과정을 일괄적으로 적용할 수 있으며, 밴드갭과 유전상수를 실험 대비 10% 이하 오차로 빠르게 구할 수 있다.

연구팀은 이 자동화 코드를 사용해 ICSD(Inorganic Crystal Structure Database)에 등재된 1,800여 개의 산화물 구조에 대한 물성 데이터베이스를 만들었다. 그리고 지금까지 전례가 없는 우수한 물성의 정방형 베릴륨옥사이드를 비롯해 10여 개의 새로운 high-k 후보 물질들을 선별했다.

이렇게 선별된 물질들은 모두 기존에 연구하던 하프늄옥사이드나 지르코늄옥사이드 보다 뛰어난 물성을 갖고 있다. 실제 CPU, DRAM, Flash 등의 소자에 적용한다면 크게 수십 배의 성능 향상을 기대할 수 있다.

또한 반도체 공정을 저전력의 새로운 기판 물질로 전환하려는 노력이 일어나는 가운데, 이번에 개발된 high-k 물질 데이터베이스가 공정 전환에 적합한 high-k 재료를 선택하는 가이드라인이 될 것으로 전망된다.

한승우 교수는 “실험으로는 불가능에 가까운 고비용의 고속대량스크리닝을 양자계산을 통해 수행하려는 추세가 세계적으로 확산되는 가운데, 국내에서는 처음으로 이에 대한 기술을 선점했다”며, “산업체나 실험연구자들이 직접 활용할 수 있는 물성 정보를 제공하는 이 기술을 다른 분야로 확장한다면 소재원천기술 개발의 가능성이 무궁무진할 것”이라고 연구 의의를 전했다.

이 연구는 미래창조과학부가 추진하는 EDISON 프로그램과 KISTI 슈퍼컴퓨터연구지원사업 전략과제의 지원으로 진행됐으며, 네이쳐 자매지인 엔피지 아이사 머터리얼즈 온라인 판(논문명 : Novel high-κ dielectrics for next-generation electronic devices screened by automated ab initio calculations) 6월 12일자에 연구 성과가 실렸다.
/ 서울시민일보 인터넷부 엄재성 기자 news@seoulnewspaper.com

기사입력: 2015/06/23 [18:00]  최종편집: ⓒ ihansung
 
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