차세대 비휘발성 메모리 저항 가변 메커니즘 측정 성공

전형탁 교수

아주경제 이한선 기자 = 국내연구진이 차세대 비휘발성 메모리인 저항변화 메모리(Re램)의 최대 난제로 꼽히는 불분명한 스위칭 메커니즘을 측정할 수 있는 기술을 개발했다.

한양대학교는 전형탁 신소재공학부 교수와 서형탁 아주대학교 신소재공학과 교수가 주도하고 전희영 한양대 박사과정 연구원(1저자) 및 인하대 전기준 교수가 참여한 공동연구팀이 단일층 그래핀 전극 기반 비휘발성 메모리 소자의 저항 가변 메커니즘 측정 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업 및 신진연구자지원사업을 통해 이뤄져 탄소 및 나노재료분야 권위지인 카본지 온라인 최신판에 게재됐다.

연구팀이 개발한 단일층 그래핀 전극 기반 비휘발성 메모리 소자의 저항 가변 메커니즘 측정 기술은 낸드 플래시 메모리를 대체하기 위한 차세대 비휘발성 메모리 유력한 후보인 Re램의 스위칭 메커니즘을 최초로 측정했다.

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Re 램은 동작 원리에 대한 정확한 메커니즘 규명이 어려워 상용화의 최대 걸림돌로 작용해 왔고 여러 가지 다양한 메커니즘이 추측.제안됐지만 실제로 측정해 명확히 규명한 적은 없었다.

산소이온의 이동은 전극 하부의 수십 나노미터 영역에서 발생하는 현상이어서 비파괴적인 방법으로만 관찰해야만 했으나 측정기술은 아직까지 확보되지 못했었다.

연구팀은 이번 측정기술 개발에 사용한 단일층 그래핀 전극이 그래핀이 탄소 원자 단일층 도체이면서도 안정적이라는 특성을 이용해 다른 물질과 접합시 화학적으로 혼합돼도 경계면이 발생하지 않는다는 점에 착안해 난제를 푸는 해법을 제시했다.

저항이 바뀌는 이중층 산화물 채널을 원자층 증착 방식(ALD)을 이용해 24nm두께 산화티타늄(TiO2)과 1~5nm 두께 산화알루미늄(Al2O3)을 총 25~30nm 두께로 균일하게 도포해 비휘발성 메모리 소자를 구현했다.

이렇게 매우 얇은 막을 균일하게 증착해 스위칭에 필요한 전압을 1V 정도의 최저 수준으로 낮춰 저전력 메모리를 구현했고 이를 통해 저전압 스위칭에서 얻기 힘든 탁월한 반복 스위칭 특성을 강화했다.

그래핀 상부 전극에 음전하를 인가하면 산화티타늄 내에 있는 산소음이온은 하부로 분산되고 양전하를 가진 산소공공(산소음이온이 빠진 자리)이 상부로 올라오는데 이것은 화학적으로 결합이 매우 강한 산화알루미늄 층을 통과하지 못하고 산화티타늄 표면에 축적된다.

그래핀 전극에서 산화티타늄 표면으로 양자역학적 터널링 효과에 의해 전자가 쉽게 튀어나오도록 도와주게 되고 결국 전류가 잘 흐르는 상태가 된다.

반대로 양전하를 인가하면 산소음이온은 산화알루미늄을 통과해 그래핀 전극까지 올라오고 그래핀과 결합을 이룬다.

전자는 하부 전극에서 에너지 장벽 때문에 잘 터널링 되지 못해 전류가 낮은 상태가 된다.

연구팀은 이번 메커니즘을 규명하면서 메모리 소자내에서 산소음이온과 양이온인 산소공공의 이동현상을 그래핀의 단원자층 특성, 계면현상이 없는 화학 안정성을 활용하고 X-선 및 라만 분광법을 이용해 실측하는데 성공했다.

전형탁 교수는 “이번에 개발된 단일층 그래핀 전극 기반 비휘발성 메모리 소자의 저항 가변 메커니즘 측정 기술이 메모리 반도체 산업뿐만 아니라 신경회로망 소자 구현에도 큰 파급 효과를 줄 것으로 기대 된다”고 밝혔다.

연구팀은 산소 이온이 전계에 따라 이동해 단일층 그래핀의 화학적 결합 상태가 변화하는 것을 XPS 및 라만 분광법을 이용해 측정했다