< 사진 1. (왼쪽부터) 신소재공학과 박상희 교수, 박성환 박사과정, 공채원 박사과정, 홍승범 교수 >

차세대 메모리와 뉴로모픽 컴퓨팅 소자로 주목받는 ‘산화물 기반 저항 메모리(Resistive Random Access Memory, ReRAM)’는 빠른 속도와 데이터 보존 능력, 단순한 구조 덕분에 기존 메모리를 대체할 후보로 떠오르고 있다. 우리 연구진이 이 메모리 작동 원리를 밝혀내 앞으로 고성능·고신뢰성 차세대 메모리 개발에 핵심 단서를 제공할 것으로 기대된다. 

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

연구팀은 여러 종류의 현미경*을 하나로 결합한 ‘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.

*여러 종류 현미경: 전류 흐름을 보는 전도성 원자간력 현미경(Conductive atomic force microscopy, C-AFM), 산소 이온 움직임을 보는 전기화학적 변형률 현미경(Electrochemical strain microscopy, ESM), 전위 변화를 보는 켈빈 탐침 힘 현미경(Kelvin probe force microscopy, KPFM) 

이 특별한 장비로 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. 

이 과정에서 산소 결함이 많아지면 전자의 이동 통로가 넓어져 전류가 잘 흐르고, 반대로 흩어지면 전류가 차단되는 등, 전류의 흐름이 산소 결함의 양과 위치에 따라 달라짐을 확인했다. 이를 통해 산화물 내의 산소 결함 분포가 메모리의 켜짐(on)/꺼짐(off) 상태를 결정한다는 점을 정밀하게 시각화하는 데 성공했다.

< 연구과정의 개요. SPM 모드 중 하나인 C-AFM(Conductive atomic force microscopy)를 이용하여 10 nm 두께의 TiO2박막 위에 형성(electroforming), 리셋(reset)과정에 해당하는 저항 스위칭을 일으킨 뒤 전계에 의해 변화한 국부적인 전류 변화를 관찰함, 이후 같은 위치에서 ESM(Electrochemical strain microscopy), KPFM(Kelvin probe force microscopy) 시그널을 종합적으로 분석하여 저항 스위칭현상에 영향을 미치는 이온-전자적 거동의 공간적 상관관계를 관찰하고 분석함 >

이번 연구에서는 단일 지점의 분포에 국한되지 않고, 수 마이크로미터(µm²) 크기의 넓은 영역에서 전기 신호를 인가한 뒤, 변화된 전류 흐름, 산소 이온의 움직임, 표면 전위 분포의 변화를 종합적으로 분석했다. 그 결과, 메모리의 저항이 바뀌는 과정이 단순히 산소 결함 때문만이 아니라 전자들의 움직임(전자적 거동)과도 긴밀히 얽혀 있다는 사실을 규명했다. 

특히 연구진은 메모리를 ‘지우는 과정(소거 과정)’에서 산소 이온이 주입되면, 메모리가 안정적으로 꺼진 상태(고저항 상태)를 오래 유지할 수 있다는 사실을 확인했다. 이는 곧 메모리 소자의 신뢰성을 높이는 핵심 원리으로 향후 안정적인 차세대 비휘발성 메모리 개발에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다. 

연구를 주도한 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.

< C-AFM과 ESM 기법을 연계하여 저항 스위칭 후 국부 전도도와 산소 결함 농도 변화의 상관관계를 분석함. 형성(electroforming) 과정 후 전도도가 증가한 영역에서는 결함 이온 농도로 해석될 수 있는 ESM amplitude 시그널이 증가하고, 리셋(reset) 과정 후 전도도가 감소한 영역에서는 해당 시그널 또한 함께 감소하는 현상을 관찰함. 이를 통해 저항 스위칭 후 전도도 변화와 국소 결함 이온 농도 변화가 양의 상관관계를 가짐을 공간적으로 분석함 >

신소재공학과 공채원 박사과정 연구원이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 미국화학학회(American Chemical Society, ACS)에서 발간하는 신소재·화학공학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘ACS Applied Materials and Interfaces’에 7월 20일 자로 출판됐다.

※ 논문 제목: Spatially Correlated Oxygen Vacancies, Electrons and Conducting Paths in TiO₂ Thin Films

※ DOI: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.5c10123 

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 수행됐다.