차세대 뉴로모픽 소자 'ReRAM' 기록·삭제 비밀 풀다

KAIST 연구진 세계 첫 규명…향후 AI 메모리 등에 활용 기대

차세대 메모리와 뉴로모픽 컴퓨팅 소자로 주목받는 ‘산화물 기반 저항 메모리(Resistive Random Access Memory, ReRAM)’의 작동 원리를 국내 연구진이 처음 밝혀냈다.

'ReRAM'(알이램)은 빠른 속도와 데이터 보존 능력, 단순한 구조로 인해 기존 메모리를 대체할 것으로 예상되는 1순위 후보다.

KAIST는 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 신소재공학과 박상희 교수 연구팀과 차세대 반도체 핵심 기술로 주목받는 산화물 기반 메모리의 작동 원리를 세계 최초로 정밀하게 밝혀냈다고 2일 밝혔다.

차세대 메모리 소자의 기록과 저장 원리를 규명한 KAIST 연구진. 왼쪽 위부터 차례로 신소재공학과 박상희 교수, 박성환 박사과정 공채원 박사과정, 홍승범 교수.(사진=KAIST)

연구팀은 ‘다중모드 주사 탐침 현미경(Multi-modal SPM)’을 활용해, 산화물 박막 내부에 전자가 흐르는 통로와 산소 이온의 움직임, 그리고 표면 전위(재료표면에 전하의 분포) 변화를 동시에 관찰하는 데 성공했다.

이를 통해 메모리에 정보를 기록하고 지우는 과정에서 나타나는 전류 변화와 산소 결함이 어떻게 달라지는지 상관관계를 규명했다.

연구팀은 이산화티타늄(TiO2) 박막에 전기 신호를 주어, 메모리에 정보를 기록하고 지우는 과정을 직접 구현해서 전류가 달라지는 이유가 산소 결함 분포의 변화 때문임을 나노 수준에서 직접 확인했다.

산소 결함이 많아지면 전자 이동 통로가 넓어져 전류가 잘 흐르고, 반대로 흩어지면 전류가 차단되는 등 전류의 흐름이 산소 결함의 양과 위치에 따라 달라진다는 것.

이를 통해 산화물 내의 산소 결함 분포가 메모리의 켜짐(on)/꺼짐(off) 상태를 결정한다는 점을 시각화했다.

연구팀은 또 메모리의 저항이 바뀌는 과정이 단순한 산소 결함 때문만이 아니라 전자 움직임(전자적 거동)과도 긴밀히 얽혀 있다는 사실도 규명했다.

제1저자인 공채원 신소재공학과 박사과정생은 "메모리를 ‘지우는 과정(소거 과정)’에서 산소 이온이 주입되면, 메모리가 안정적으로 꺼진 상태(고저항 상태)를 오래 유지할 수 있다는 사실도 확인했다"며 "향후 차세대 AI메모리 등에 활용 가능할 것"으로 기대했다.

KAIST 홍승범 교수는 “다중모드 현미경을 통해 산소 결함, 이온, 전자의 공간적 상관관계를 직접 관찰할 수 있음을 입증한 사례”라며 “향후 이러한 분석 기법이 다양한 금속 산화물 기반 차세대 반도체 소자의 연구와 개발의 새로운 장을 열 것”이라고 말했다.

KAIST 연구진이 규명한 차세대 메모리소자 기록 및 삭제 원리를 밝힌 연구 개요도.전압을 가하면(맨 왼쪽 그림) 박막상태를 변화시켜 격자내에서 산소이온이 빠져나가고, 그 빈자리에 전류가 잘 흐르면서 전도 채널이 발생한다.(맨 오른쪽 그림) 이때 저상 상태가 바뀌며 메모리 저장장치에 정보를 쓰고 지울 수 있게 된다. (그림=KAIST)