한양대-아주대 공동연구팀, '차세대 비휘발성 메모리' 난제 규명

[베리타스알파=조익수 기자] 차세대 비휘발성 메모리인 저항변화 메모리(Resistance Random Access Memory, 이하 Re램)의 최대 난제로 꼽히는 ‘불분명한 스위칭 메커니즘’을 측정할 수 있는 기술이 한양대-아주대 공동 연구진에 의해 개발됐다.

한양대 신소재공학부 전형탁 교수와 아주대 신소재공학과 서형탁 교수가 주도하고 전희영 한양대 박사과정 연구원(1저자) 및 인하대 전기준 교수가 참여한 공동연구팀은 ‘단일층(單一層) 그래핀 전극(電極) 기반 비휘발성 메모리 소자의 저항 가변 메커니즘 측정 기술’을 개발했다. 본 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업 및 신진연구자지원사업을 통해 이루어졌으며, 연구결과는 탄소 및 나노재료분야 권위지인 카본(Carbon)지 온라인 최신판 (Vol. 75, p.209-216)에 게재됐다.

연구팀이 개발한 ‘단일층 그래핀 전극 기반 비휘발성 메모리 소자의 저항 가변 메커니즘 측정 기술’은 낸드 플래시(NAND Flash) 메모리를 대체하기 위한 차세대 비휘발성 메모리 유력한 후보인 Re램의 스위칭 메커니즘을 최초로 측정한 것이다. Re램은 동작 원리에 대한 정확한 메커니즘 규명이 어려워 그 상용화의 최대 걸림돌로 작용해 왔고, 여러 가지 다양한 메커니즘이 추측 및 제안됐지만 실제로 측정해 명확히 규명한 적은 없었다. 특히 산소이온(Oxygen Ion)의 이동은 전극 하부의 수십 나노미터(1나노미터 = 10억분의 1미터) 영역에서 발생하는 현상이어서 비파괴적인 방법으로만 관찰해야만 했는데, 이에 대한 측정기술은 아직까지 확보되지 못했다.

연구팀은 이번 측정기술 개발에 사용한 ‘단일층 그래핀 전극’이 그래핀이 탄소 원자 단일층 도체이면서도 안정적이라는 특성을 이용해 다른 물질과 접합(接合)시 화학적으로 혼합돼도 경계면(境界面)이 발생하지 않는다는 점에 착안해  난제를 푸는 해법을 제시했다.

또한 저항이 바뀌는 이중층 산화물 채널을 원자층 증착 방식(ALD)을 이용해 산화티타늄(TiO2, 24nm두께)과 산화알루미늄(Al2O3,1-5nm 두께)을 총  25-30nm 두께로 균일하게 도포해 비휘발성 메모리 소자를 구현했다. 이렇게 매우 얇은 막을 균일하게 증착함해서 스위칭에 필요한 전압을 1V정도의 최저 수준으로 낮춰 저(低)전력 메모리를 구현했고, 이를 통해 저(低)전압 스위칭에서 얻기 힘든 탁월한 반복 스위칭 특성도 강화됐다.

그래핀 상부 전극에 (-)를 인가하면 산화티타늄(TiO2)내에 있는 산소음이온은 하부로 분산되고 양전하(陽電荷)를 가진 산소공공(산소空孔,Oxygen vacancy:산소음이온이 빠진 자리)이 상부로 올라오는데 이것은 화학적으로 결합이 매우 강한 산화알루미늄(Al2O3)층을 통과하지 못하고 산화티타늄(TiO2)표면에 축적된다. 그리고 그래핀 전극에서 산화티타늄(TiO2)표면으로 양자역학적 터널링 효과에 의해 전자가 쉽게 튀어나오도록 도와주게 되고 결국 전류가 잘 흐르는 상태가 된다. 반대로 (+)를 인가하면 산소음이온은 산화알루미늄(Al2O3)을 통과해 그래핀 전극까지 올라오고 그래핀과 결합을 이룬다. 그러나 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 ▲계면(界面)현상이 없는 화학 안정성을 활용,  X-선 및 라만 분광법(Raman Spectroscopy)을 이용해 실측하는데 성공했고 이번 결과는 세계 최초로 측정된 결과다.

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 연구의의를 밝혔다.