차세대 저항변화 메모리소자 개발을 통한
메모리 용량 확대 및 소형화 추진

 나노 분야 세계적 학술지 ACS Nano에 발표

신소재공학과(AMSE) 조형균 교수 연구팀(제1저자 김동수 석‧박통합과정)이 차세대 저항변화 메모리소자 개발을 통해 메모리 용량을 확대하고 소형화할 수 있는 연구결과를 얻어냈다고 발표했다. 이번 연구는 미국 화학회에서 발행하는 나노과학 분야 최고 권위 학술지인 ACS Nano(IF=13.709)에 5월 14일 온라인 게재되었으며, 한국 연구재단 중견연구과제 지원으로 수행되었다.

연구팀은 전기화학방법으로 결정 방향에 변화를 줄 수 있는 금속 전구체를 활용하여 균일한 나노 입자의 분포를 갖는 비정질 산화물 박막 형성에 성공했으며, 이러한 나노 입자가 내장된 비정질 산화막을 저항변화 메모리소자인 저항변화메모리소자(ReRAM)로 개발하여 메모리소자의 안정성과 신뢰성을 검증했다. 이 과정에서 저항변화는 나노 입자가 내장된 비정질 산화물 박막의 국부적인 영역에서 결정화를 이루는 것으로 메모리소자로서의 구동 메카니즘을 새롭게 규명했다. 또한 다중 비트저장을 위한 멀티 레벨 구현까지 가능하여 메모리의 기능요소인 집적도를 증대시킬 수 있는 있는 소자를 개발했다. 

최근 반도체 연구는 초융합을 표방하는 5G 시대에 직면해있고 메모리 역할은 더욱 커지고 있다. 간단한 구조, 나노 크기 소자제작, 단순공정, 비휘발성 성격을 지닌 저항변화메모리소자(ReRAM)는 메모리소자의 3대 대표 기능요소인 집적도, 비휘발성, 속도를 모두 만족할 수 있는 차세대 메모리소자로 현재 사용 중인 DRAM, NAND-Flash를 대체할 가능성을 보여주고 있다. 

이상적인 반도체 메모리는 소자의 균일성, 빠른 읽기‧쓰기 속도, 랜덤 액세스, 저비용, 3D 확장성, 저전력, 비휘발성, 높은 내구성, 넓은 온도 허용 오차, 다중 비트저장을 위한 멀티 스테이트(Multiple states)를 제공하여야 하며, 신뢰성과 안정성 확보가 필수적이다.

연구팀은 전해질에서 전압을 인가하여 산화, 환원 반응에 의한 박막을 성장시키는 전기화학방법으로 우수한 균일성 및 전기전도성의 소자합성 가능성을 확인하였다. 전기화학공정은 소량의 금속전구체만으로도 효과적으로 결정 방향 및 표면 거칠기를 조절할 수 있으며, 특히 금속 전구체가 전극표면에서 산소이온의 중간공급원인 수산화이온(OH-)을 제어하는데 효과적인 역할을 수행함을 주장하였다. 전극표면에서의 수산화이온(OH-) 농도는 산화물 박막 성장 속도를 결정하는 주요소이다. 추가적으로 본 연구에서는 박막성장속도를 증가/억제하는 각각의 금속 전구체(Sb, Pb)를 동시에 첨가하여 상쇄작용을 유도하였다. 결과적으로 특정 결정방향이 없는 나노 입자가 내장된 비정질 산화물박막 합성에 성공하였고, 이상적 메모리반도체가 필요로 하는 균일한 전기적 특성 및 내구성이 구현된 저항변화메모리소자에 응용했다.

[그림 1] ReRAM의 성능평가 : a. 소자의 균일성 b. 내구성 c. 안정성

저항변화메모리(ReRAM)소자 저항변화의 대표적 메커니즘은 이온 브릿지, 금속 필라멘트, 기본 소재 내에 생성된 산소 공공 등의 형성으로 전도성을 증가시키는 것으로 알려져 있다. 하지만 본 연구에서는 투과전자현미경 분석을 통하여 나노 입자가 내장된 비정질 산화물 박막의 결정화와 비정질화에 의한 전자의 이동을 원활하게 하여 전도도를 증가시키는 전자이동의 다리역할을 하는 것으로 새롭게 규명했다.

[그림 2] 상반되는 반응을 하는 금속전구체를 이용한 Nps-Cu2O 형성 모식도 및 ReRAM소자의 투과전자현미경 분석을 통한 전도성 브릿지