KAIST, 차세대 메모리 작동 원리 세계 최초 규명

다중모드 주사탐침 현미경으로 전자·산소 이온·산소 결함의 상관관계 시각화…차세대 반도체 연구에 핵심 단서 제공

차세대 메모리와 뉴로모픽 컴퓨팅 소자로 주목받는 ‘산화물 기반 저항 메모리(Resistive Random Access Memory, ReRAM)’는 빠른 속도, 데이터 보존 능력, 단순한 구조 덕분에 기존 메모리를 대체할 후보로 꼽힌다. KAIST 연구진이 이 ReRAM의 작동 원리를 세계 최초로 규명하면서, 고성능·고신뢰성 메모리 개발의 핵심 단서를 제공할 것으로 기대된다.

KAIST(총장 이광형) 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀은 박상희 교수 연구팀과 협업해 산화물 기반 메모리의 작동 원리를 정밀하게 밝혀냈다. 연구팀은 여러 종류의 현미경을 결합한 ‘다중모드 주사 탐침 현미경(Multi-modal SPM)’을 활용해, 산화물 박막 내부에서 전자가 흐르는 통로, 산소 이온의 움직임, 표면 전위 변화를 동시에 관찰하는 데 성공했다. 이를 통해 메모리에 정보를 기록하고 지우는 과정에서 나타나는 전류 변화와 산소 결함의 상관관계를 규명했다.

연구팀은 이산화티타늄(TiO2) 박막에 전기 신호를 주어 기록·삭제 과정을 구현한 뒤, 전류 변화가 산소 결함 분포 때문임을 나노 수준에서 확인했다. 산소 결함이 많으면 전자 통로가 넓어져 전류가 잘 흐르고, 결함이 흩어지면 전류가 차단되는 현상이 관찰됐다. 즉, 산화물 내 산소 결함 분포가 메모리의 켜짐(on)/꺼짐(off) 상태를 결정한다는 점을 시각적으로 입증한 것이다.

특히 메모리 소거 과정에서 산소 이온이 주입되면 메모리가 안정적으로 꺼진 상태(고저항 상태)를 오래 유지할 수 있음이 확인됐다. 이는 곧 메모리 소자의 신뢰성을 높이는 핵심 원리로, 안정적인 차세대 비휘발성 메모리 개발에 중요한 단서를 제공한다.

홍승범 교수는 “다중모드 현미경을 통해 산소 결함, 이온, 전자의 공간적 상관관계를 직접 관찰할 수 있음을 입증했다”며 “향후 이러한 분석 기법이 금속 산화물 기반 차세대 반도체 연구·개발의 새로운 장을 열 것”이라고 말했다. 이번 연구에는 KAIST 신소재공학과 공채원 박사과정 연구원이 제1 저자로 참여했으며, 연구 성과는 미국화학학회(ACS)가 발간하는 권위 있는 학술지 ACS Applied Materials and Interfaces 7월 20일 자에 출판됐다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 수행됐다. KAIST 연구팀은 이를 통해 초고집적·저전력 메모리, 나아가 차세대 반도체 소자 개발의 길을 여는 기반을 마련했다.

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