메모리 전류 통로 3차원 관찰…"전극 미세 돌기가 길 안내"

KAIST, 저항변화메모리 내부 전류 통로 입체 구조·형성 원리 규명

전극 표면 돌출부에 전기장 집중…"차세대 메모리 설계 활용 가능"

[대전=뉴시스] KAIST 신소재공학과 홍승범·박상희 교수 공동연구팀이 차세대 저항변화메모리 내부의 전류 통로를 3차원으로 관찰하고 전극 표면의 미세한 모양이 통로 형성에 영향을 미치는 원리를 규명했다. 사진은 연구 모식도.(사진=KAIST 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내연구진이 차세대 메모리 내부의 전류 통로 관찰을 통해 전극 표면의 미세한 돌기가 통로의 형성 위치와 방향을 유도한다는 사실을 규명, 메모리의 작동 안정성을 높일 수 있는 새로운 단서가 확보됐다.

한국과학기술원(카이스트·KAIST)는 신소재공학과 홍승범 교수팀이 박상희 교수팀과 공동으로 저항변화메모리(RRAM) 내부의 전류 통로를 3차원으로 관찰하고 전극 표면의 미세 구조가 통로 형성에 미치는 영향을 밝혀냈다고 12일 밝혔다.

저항변화메모리는 절연체 내부에 전기가 흐르는 가느다란 통로를 만들거나 끊어 정보를 저장하는 비휘발성 메모리다. 통로가 연결되면 전류가 잘 흐르고 끊어지면 전류가 줄어드는 상태를 정보 '0'과 '1'로 구분해 저장한다. 이 통로가 '전도성 필라멘트'다.

전원이 꺼져도 정보가 유지되고 구조가 단순해 차세대 메모리로 주목받지만 전류 통로가 매번 같은 위치와 모양으로 만들어지지 않는다는 한계가 있다.

이번에 연구팀은 다이아몬드 탐침으로 시료를 조금씩 깎아내며 깊이별 전류 분포를 측정하는 전도성 원자힘현미경(C-AFM)을 활용해 CT처럼 메모리 내부 전류 통로의 3차원 구조를 복원했다.

두께 10나노미터(㎚)의 이산화티타늄 박막과 백금 전극을 활용해 실험한 결과, 전류 통로는 위쪽 탐침 부근에서 넓고 아래쪽 전극으로 갈수록 좁아지는 역원뿔 형태로 확인됐다.

특히 통로의 끝부분이 아래쪽 백금 전극 표면의 작은 돌출부와 연결되는 경향이 나타났다. 서로 다른 위치에 형성한 통로 5개에서도 같은 현상이 확인됐다.

연구팀은 전극 표면의 돌출부에 전기장이 집중되면서 전류 통로가 해당 위치를 향해 성장하는 것으로 분석했다. 전기장은 전하를 움직이게 하는 힘이 작용하는 공간으로 피뢰침처럼 뾰족하게 튀어나온 부분에서 강해질 수 있다. 컴퓨터 시뮬레이션에서도 전극 돌출부 주변에 전기장이 집중되는 현상이 나타났다.

또 연구팀은 전극에 가까워질수록 산소 공공이 통로 중심으로 모이는 양상을 확인했다. 연구팀 관계자는 "산소 공공은 전류 통로 내부에서는 이산화티타늄의 산소 원자가 빠져나가 생긴 빈자리로 전류가 흐르는 길을 만드는 데 중요한 역할을 한다"며 "탐침 부근에서 통로가 잘록해지는 현상은 산소 공공의 생성과 이동이 함께 작용한 결과일 수 있다"고 설명했다.

메모리의 기록·삭제 동작을 안정화하는 데 활용할 수 있을 것으로 평가받는 이번 연구 결과는 국제학술지 '나노 레터스(Nano Letters)'에 최근 게재됐다.

홍승범 교수는 "이 연구는 전류 통로의 입체적 형태와 끝부분의 위치를 실제 전극 표면의 나노 구조와 연결해 확인했다는 데 의미가 있다"며 "더 안정적으로 작동하는 차세대 저항변화메모리 개발에 중요한 기반이 될 것"이라고 말했다.


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