미래 반도체의 가능성을 여는
나노전자소자와 첨단소재 혁신

소재–공정–소자–패키징을 통합적으로 연구하며 차세대 AI 및 초고집적 반도체 기술을 개발하는 ‘나노전자소자 및 재료연구실(NEDML)’ 구성원들.

반도체 기술은 국가 경쟁력과 산업 혁신을 좌우하는 핵심 동력입니다. 최신 이슈가 무엇인지 궁금합니다.

반도체 기술은 이제 단순한 산업 분야를 넘어 국가 안보와 산업 경쟁력을 좌우하는 핵심 전략 기술로 자리 잡았습니다. 특히 AI 기술의 확산으로 반도체 산업 전반의 패러다임이 빠르게 변화하고 있습니다. 과거에는 단순히 소자를 더 작게 만드는 미세화 경쟁이 중심이었다면, 현재는 AI 연산에 최적화된 고성능·저전력 시스템을 어떻게 구현할 것인가가 가장 중요한 이슈입니다. 이 과정에서 로직, 메모리, 패키징, 소재, 장비, 설계(EDA), 계측(Metrology) 기술이 서로 긴밀하게 연결되는 ‘종합 기술 산업’의 성격이 강해지고 있습니다.

우리나라는 메모리 반도체 분야에서 세계 최고 수준의 경쟁력을 보유하고 있지만, 중국의 빠른 추격과 글로벌 공급망 재편이라는 큰 도전에 직면한 상황입니다. 또한 로직 파운드리와 AI 시스템 반도체 분야에서는 지속적인 투자를 통해 글로벌 선도 기업들과의 기술 격차를 해소해야 합니다. 앞으로의 반도체 경쟁력은 특정 기술 하나만 잘해서 되는 게 아니라, 소재·공정·소자·설계·패키징을 통합적으로 연결할 수 있는 융합 역량과 생태계 구축에 달려 있습니다.

‘나노전자소자 및 재료연구실’(이하 연구실)에 대한 소개를 부탁드립니다.

2010년 한양대 부임 이후부터 연구실을 이끌어 왔습니다. 지도교수 1명, 연구교수 1명, 박사후연구원 1명, 대학원생 50명(석박통합과정 12명, 석사과정 38명), 학부연구생 1명 등 총 54명 규모이며, 차세대 반도체 소자 및 공정 분야를 중심으로 활발한 연구를 수행하고 있습니다.

우리 연구실의 가장 큰 특징은 반도체의 재료부터 공정, 소자, 패키징까지 연결하는 통합형 연구를 수행한다는 점입니다. 재료의 물리·화학적 특성을 이해하는 데서 출발해 실제 반도체 소자를 제작하고, 전기·광학·화학·물리적 특성을 직접 분석·해석하는 연구 체계를 갖췄습니다. 스마트 반도체 나노팹 기반의 공정 및 분석 인프라와 다양한 자체 장비를 활용 중입니다. 국내외 대학·연구기관·산업체와의 공동연구 및 산학협력을 통해 실제 산업에 적용이 가능한 연구를 수행하고 있습니다.

3차원 플래시 메모리 소자의 고(高)단화 및 저전력 문제를 해결하는 새로운 강유전체 소재 개발 등 재료·소재 부문에서 여러 성과를 거두신 것으로 압니다.

3차원 플래시 메모리의 고단화와 저전력화 한계 해결을 위해 하프늄 산화물(HfO₂) 기반 강유전체 소재를 핵심 연구 주제로 발전시켜 왔습니다. HfO₂에 Al을 도입한 Al-doped HfO₂ 강유전체 박막을 개발하고, 고속 급랭 공정을 통해 잔류분극과 항전기장 특성을 크게 향상시킨 것이 대표적입니다. 이 소재는 기존 3D 낸드(NAND)의 ONO 저장막보다 더 얇은 10㎚ 이하 박막을 구현하고 다치화 저장에 필요한 분극 특성을 확보해 초고층·저전력 낸드 플래시 개발에 기여할 수 있습니다.

해당 연구는 2020년 세계 최고 권위의 반도체 집적회로 학회인 ‘IEEE 초고집적회로 심포지엄(IEEE Symposium on VLSI Technology)’에서 발표됐고, 메모리 세션 하이라이트 논문으로 선정됐습니다. 단순히 새로운 물질을 제안한 데 그치지 않고, 기존 반도체 공정과 호환 가능한 HfO₂ 계열 소재를 활용했다는 점에서도 의미가 큽니다. 우리 연구실은 ‘소재 개발–공정 최적화–소자 적용’을 하나의 흐름으로 연결해, 차세대 반도체의 집적도, 전력 소모, 신뢰성 문제를 해결할 핵심 재료 플랫폼을 제시하고 있습니다.