전북대학교는 윤순주 전자공학부 전자재료공학전공 박사과정생과 박진태 석사과정생(지도교수 이윤경)이 열산화 이산화규소와 금속 계면에서의 화학 반응에 의한 전기적 특성 변화 메커니즘을 규명하고, 이 연구 결과를 재료과학 분야 상위 저널인 '악타 머터리얼리아'에 게재했다고 4일 밝혔다.
금속-산화물 계면은 메모리 및 트랜지스터와 같은 차세대 전자소자에서 핵심적인 역할을 수행한다. 특히 계면에서의 원자 확산은 소자의 신뢰성과 성능에 큰 영향을 미친다. 구리(Cu), 티타늄(Ti), 탄탈럼(Ta)과 같은 금속이 산소와 반응하거나, 열에 의해 산소 이온이 확산되면 절연 특성이 저하되고, 결함이 유발되어 소자 동작에 악영향을 미칠 수 있다.
최근 주목받는 저항성 메모리 및 신경형 컴퓨팅 소자에서는 오히려 금속 이온과 산소 공공의 이동이 핵심적인 저장 메커니즘으로 작동하기 때문에 이러한 계면 반응의 정밀한 제어가 필수적이다.
지금까지 많은 연구에서 계면 결함에 주목해왔다. 하지만 이러한 반응이 산화물 내부 전기적 특성에 미치는 영향, 특히 열처리 중 벌크 영역으로의 확장 메커니즘은 상대적으로 밝혀지지 않았다.
이번 연구는 Ti/이산화규소(SiO₂) 구조를 모델 시스템으로 설정해 열처리 전후의 전기적 특성과 화학 결합 상태를 정밀하게 분석했다. 금속 확산과 환원 반응이 이산화규소의 전자 상태 및 전하 이동 경로에 미치는 영향을 규명했다. 이 메커니즘은 다양한 금속-산화물 계면에서 보편적으로 적용될 수 있음을 확인했다. 이론적 계산은 이태훈 교수 연구팀과의 협업으로 진행한 밀도범함수이론(DFT) 시뮬레이션을 통해 실험 결과를 뒷받침했다.
새로 규명한 메커니즘은 차세대 메모리 기술의 신뢰성 향상과 제조 공정 최적화를 위한 중요한 기초 자료로 활용될 수 있으며, 다양한 금속-산화물 기반 소자 설계에 있어 중요한 방향성을 제시한다.
전주=김한식 기자 hskim@etnews.com
