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윤순주 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 ACTA MATERIALIA (IF 9.3)에 게재했다.
금속-산화물 계면은 메모리 및 트랜지스터와 같은 차세대 전자소자에서 핵심적인 역할을 수행하며, 특히 계면에서의 원자 확산은 소자의 신뢰성과 성능에 큰 영향을 미친다. Cu, Ti, Ta와 같은 금속이 산소와 반응하거나, 열에 의해 산소 이온이 확산되면 절연 특성이 저하되고, 결함이 유발되어 소자 동작에 악영향을 미칠 수 있다.
그러나 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 주목해왔으나, 이러한 반응이 산화물 내부 전기적 특성에 미치는 영향, 특히 열처리 중 벌크 영역으로의 확장 메커니즘은 상대적으로 밝혀지지 않았다.
이번 연구는 Ti/SiO₂ 구조를 모델 시스템으로 설정하여 열처리 전후의 전기적 특성과 화학 결합 상태를 정밀하게 분석하였다. 이를 통해 금속 확산과 환원 반응이 이산화규소의 전자 상태 및 전하 이동 경로에 미치는 영향을 규명하였으며, 해당 메커니즘은 다양한 금속-산화물 계면에서 보편적으로 적용될 수 있음을 확인했다. 이론적 계산은 이태훈 교수 연구팀과의 협업으로 진행된 DFT 시뮬레이션을 통해 실험 결과를 뒷받침하였다.
규명된 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.
해당 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 한국연구재단의 신진연구자지원사업, 기초연구실사업(단장 허근), 그리고 BK21 4단계 나노융복합에너지혁신소재부품인재양성사업단(단장 이승희)의 지원을 통해 수행되었다.
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