“메모리 속 전기 흐르는 길 찾았다”…KAIST, 반도체 작동 원리 규명

[헤럴드경제=구본혁 기자] 차세대 메모리 반도체 내부에서 전기가 흐르는 초미세 통로의 구조가 국내 연구진에 의해 밝혀졌다.

KAIST는 신소재공학과 홍승범·박상희 교수 공동연구팀이 저항변화메모리(RRAM) 내부의 전류 통로를 3차원으로 관찰하고, 전극 표면의 미세 구조가 통로 형성에 영향을 미치는 원리를 규명했다고 12일 밝혔다.

저항변화메모리는 전기가 흐르는 통로를 만들거나 끊어 정보를 저장하는 차세대 반도체다. 전류가 흐르는 상태와 흐르지 않는 상태를 각각 디지털 정보인 ‘0’과 ‘1’로 구분한다.

하지만 전류 통로가 만들어지는 위치와 모양이 매번 달라 메모리의 작동 전압과 성능이 일정하지 않다는 문제가 있었다.

연구팀은 이 같은 문제를 해결하기 위해 메모리 내부에 형성되는 ‘전도성 필라멘트’라는 초미세 전류 통로를 입체적으로 관찰했다.

이를 위해 전도성 원자힘현미경(C-AFM)을 활용했다. 연구팀은 두께 10㎚의 이산화티타늄 층에 전류 통로를 형성한 뒤 약 0.1㎚씩 100차례 깎아내며 내부 구조를 분석했다.

그 결과 전류 통로는 위쪽이 넓고 아래쪽 전극으로 갈수록 좁아지는 깔때기 형태를 보였다. 특히 통로의 끝부분이 아래쪽 백금 전극 표면의 미세한 돌출부와 연결되는 경향을 확인했다.

이 같은 현상은 서로 다른 위치에 형성된 5개의 전류 통로에서 공통적으로 나타났다.

연구팀은 전극 표면의 작은 돌기에 전기장이 집중되면서 전류 통로가 자라는 방향에 영향을 미치는 것으로 분석했다.

컴퓨터 시뮬레이션에서도 전극 돌출부 주변에 전기장이 집중되는 현상이 확인됐다. 전극 표면의 미세한 구조가 전류 통로 형성의 ‘길잡이’ 역할을 한다는 설명이다.

연구팀은 전류 통로 내부의 산소 원자 빈자리인 ‘산소 공공’의 분포도 분석했다. 산소 공공은 전류 통로 형성에 중요한 역할을 하는 결함 구조다.

분석 결과 아래쪽 전극에 가까워질수록 산소 공공이 통로 중심에 집중되는 것으로 해석됐다. 위쪽 통로가 좁아지는 현상 역시 산소 공공의 생성과 이동이 복합적으로 작용한 결과일 가능성을 제시했다.

이번 연구는 전류 통로의 입체적 형상을 관찰하는 데 그치지 않고, 통로가 특정 위치에 형성되는 원인을 실제 전극 표면의 나노 구조와 연결해 설명했다는 점에서 의미가 있다.

홍승범 KAIST 교수는 “이번 연구는 전도성 필라멘트의 3차원 형상을 단순히 관찰하는 것을 넘어 그 모양과 끝 위치를 실제 전극의 나노 구조와 연결해 이해했다는 데 의미가 있다”며 “전극 표면 구조까지 설계 변수로 고려한다면 보다 안정적으로 작동하는 차세대 저항변화메모리를 개발하는 데 중요한 기반이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 지난 8월 11일 온라인 게재됐다.

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