'산화물 기반 저항 메모리(ReRAM)'가 차세대 메모리와 뉴로모픽 컴퓨팅 소자로 주목받는 가운데, 한국과학기술원(KAIST·총장 이광형) 연구진이 그 작동 원리를 세계 최초로 정밀 규명했다. 차세대 메모리 개발에 핵심 단서를 제공할 것으로 기대된다.
KAIST는 홍승범·박상희 신소재공학과 교수팀이 이같은 성과를 거뒀다고 2일 밝혔다.
연구팀은 여러 종류 현미경을 하나로 결합한 '다중모드 주사 탐침 현미경(멀티모달 SPM)'을 활용해, 산화물 박막 내 전자가 흐르는 통로, 산소 이온 움직임, 표면 전위(재료표면 전하 분포) 변화를 동시 관찰했다. 이로써 메모리에 정보를 기록하고 지우는 과정의 전류 변화와 산소 결함이 어떻게 달라지는지 상관관계를 규명했다.
그리고 전류가 달라지는 이유가 산소 결함 분포 변화 때문임을 나노 수준에서 직접 확인했다. 산소 결함이 많아지면 전자 이동 통로가 넓어져 전류가 잘 흐르는 것이다. 이를 통해 산화물 내 산소 결함 분포가 메모리 온·오프 상태를 결정한다는 점을 정밀하게 시각화했다.
또 메모리 저항이 바뀌는 과정이 단순히 산소 결함 때문만이 아니라 전자 움직임(거동)과도 긴밀히 얽혀 있음을 규명했다.
특히 연구진은 메모리를 지우는 소거 과정에서 산소 이온이 주입되면, 메모리가 안정적으로 꺼진 상태(고저항 상태)를 오래 유지할 수 있다는 사실을 확인했다. 이는 메모리 소자 신뢰성을 높이는 핵심 원리로, 향후 안정적인 차세대 비휘발성 메모리 개발에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다.
홍승범 교수는 “다중모드 현미경을 통해 산소 결함, 이온, 전자의 공간적 상관관계를 직접 관찰할 수 있음을 입증한 사례”라며 “향후 이런 분석 기법이 다양한 금속 산화물 기반 차세대 반도체 소자 연구개발(R&D)의 새로운 장을 열 것”이라고 말했다.
공채원 KAIST 신소재공학과 박사과정 연구원이 1저자로 참여한 이번 연구는 'ACS Applied Materials and Interfaces'에 7월 20일 출판됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
