한양대 연구팀, ‘차세대 비휘발성 메모리’ 규명

▲전형탁 교수. 사진제공=한양대

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 이러졌으며 연구결과는 탄소 및 나노재료분야 권위지인 카본(Carbon)지 온라인 최신판에 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.

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.