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신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2017(21)-제3장 AI용 반도체 소재-반도체 재료기반 시냅스 소자 기술(2)-집필 최창환(한양대) - 시냅스 소자 연구, 다양한 소재 적용 활발
  • 기사등록 2020-02-12 14:45:51
  • 수정 2020-02-12 14:47:18
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시냅스 소자 연구, 다양한 소재 적용 활발



[다양한 재료 기반의 시냅스 소자 연구개발 동향]


■ 나노 이온 저항 변화 메모리 기반 시냅스 소자


저항 변화를 얻기 위해 적용된 나노 이온 기반의 비휘발성 메모리 소자는 음이온 (anion)과 양이온 (cation)의 움직임에 따라 분류될 수 있으며 높은 scaling, 빠른 스위칭 속도, 좋은 endurance 및 낮은 에너지 소비로 각광 받는 금속-절연체-금속 구조로 단극성 (Unipolar)와 양극성 (Bipolar)의 구동 특징을 갖는다. 스위칭 특성은 산화물, 금속 전극 및 계면에 의해 영향을 받으며 음이온 (anion)기반 저항 스위치 변화는 금속 산화물 저항 변화 소자 (RRAM)이라 구분되고 양이온 (cation)기반 저항 스위치 변화는 Conductive Bridge RAM (CBRAM)으로 분류된다. RRAM은 전도성 filament 스위칭에 의해 동작되며 낮고 높은 저항 상태는 유전체의 소프트 절연 파괴 (Soft Breakdown)과 산소 공극 (Oxygen Vacancy)에 의한 전도성 필라멘트 형성 때문에 발생된다.


예를 들면, 낮은 저항에서 높은 저항으로 변화에 의한 RESET은 금속/산화물 계면에서 이동된 산소 이온 (Oxygen Ion)이 산소 공극 (Oxygen Vacancy)와 재결합하여 전도성 필라멘트를 파괴함으로 관찰되며 이러한 산소 이온은 이동은 전계 (Electric Field)에 의해 가능하다. 금속 전극과 전도성 필라멘트의 간격에 의해 저항이 결정되며 SET 및 RESET 특성은 금속 산화물 형성 방법에 현저한 영향을 받는다.


GdOx/Cu:MoOx, TiOx, WOx, HfOx, AlOx, TaOx, TiOx/HfOx 및 TaOx/HfOx multi layers, PCMO 등 다양한 재료들이 연구 보고되었고 <그림 3-3-3-7> 점진적 SET/RESET 변화, 프로그램 시간 간격, 점진적 프로그램 방법, 스위칭 동작 원리, 및 상대적 시냅스 무게 및 강도 (Weight/Strength)에 의해 다른 특성이 보고된다. 단일 박막 (AlOx)는 점진적 저항 상태 변화가 가능하다.


Cross-Bar 형태에서는 Multi layer 박막이 유리하고 가해진 펄스 폭에 따라 다른 특성이 관찰된다<그림 3-3-3-8>. 펄스 조건에 따라 다른 STDP 특성이 HfOx, AlOx 및 PCMO 소자로 보고되었다<그림 3-3-3-9>. 다양한 재료 기반의 시냅스 소자 중 저항 변화 기반 시냅스 소자는 상대적으로 낮은 에너지 사용 (sub pJ)의 장점으로 많은 연구가 진행되며 특히 10 x 10 nm2의 extremely scaled corssbar RRAM에서 < 0.1 pJ/ event의 연구 결과가 보고되었다.</p>


저항변화 시냅스 소자의 다른 형태는 빠른 양이온 (Cation)의 확산에 의한 형태로 Ag+ 또는 Cu2+ 이온이 절연체로 확산되어 Conductive Bridge를 형성하는 구조 (CBRAM)이다. 절연체는 Chalcogenide, Oxide, Amorphous Silicon, 및 Amorphous Carbon이 사용될 수 있으며 (Diffusive Metal Electrode, e.g., Pt, Au/Solid Electrolyte/Inert Metal Electrode, e.g., Pt, Au 구조) 음이온 (Anion)기반의 RRAM과 기본적인 특성을 공유한다. Ag/a-Si/W 형태의 CBRAM에 동일한 펄스를 가했을 때 Potentiation과 Depression이 관찰되었고 1.5 x 108 펄스 Cycle까지 특성을 유지되었다.


또한, Ag/Ag2S/nanogap/Pt CBRAM에서 Pulse 폭을 바꾸는 방법이 적용되었을 때 (80 mV Height, 0.5 S Width, 0.488 Hz (Pulse Interval이 클 때)에서 0.4 Hz (Pulse Interval이 작을 때)로 증가) 단기 저장 (Short-Term Memory, STM)에서 장기 저장 (Long- Term Memory, LTM)으로 Synaptic 특성이 바뀜이 보어 되었는데, 이는 LTP에서 특별한 역치값(Threshold)이 있음을 알려준다.


나노이온저항·상변화·강유전체·자성재료·전계효과 등 다양

서울대·KAIST·포항공대·ETRI·GIST·한양대·성균관대 선도


■ 상변화 메모리 기반 시냅스 소자


상변화 메모리 (Phase Change Random Access Memory, PCRAM or PCM)은 가해진 전기 펄스에 의한 열에 의해서 비정질 (높은 저항 상태)과 다결정질 (낮은 저항 상태)의 상 (Phase, 相) 전위로 동작하는 비휘발성 소자이다. RESET은 비정질 상태에서 반응하는 상태로 상변화물질을 melting 후 짧은 시간동안 전류를 흘려 빠르게 ㅤㅋㅞㄴ칭시키고 다결정질의 SET 상태는 결정질 온도와 melting 온도 사이 구간에 해당되는 온도를 상변화물질에 오랫동안 전류를 통해 가하는 열처리를 통해 얻는다.


PCRAM을 통한 점진적 저항 변화는 비정질 영역의 부피 변화에 기인하여 여러개의 멀티 저항을 갖게 되며 앞서 언급한 RRAM의 경우와 마찬가지로 펄스 폭 변화 (Pulse-Width Modulation)을 통해서도 아날로그 특성을 확보할 수 있다. 진폭, 지속 시간 및 펄스 횟수에 따른 Pre-Synaptic과 Post-Synaptic의 Time Difference로 다른 STDP 특성이 관찰되며, Multi-Pulse Scheme, Single-Pulse Scheme 및 Two-PCM Synapse Scheme로 분류 될 수 있다.


다중 펄스 방법 (Multi Pulse Scheme)은 변화는 진폭을 갖는 SET과 RESET 펄스를 갖는 Pre-Spike와 하나의 Pulse를 갖는 Post-Spike의 방법으로 시간 차이 (△ t)는 진폭과 순서에 의해 결정되고 Pre-Spike의 SET 또는 RESET 펄스가 Post-Spike와 중첩되어 시냅스 무게 (Synaptic Weight)의 변화시킨다. 싱글 펄스 방법 (Sinlge Pulse Scheme)은 뉴론의 Spike 때마나 축색돌기를 통해 신호를 전하고 다른 뉴론이 신호를 받아 Spike를 형성하는데 중첩의 과정의 결과로 Synaptic Weight을 형성하는 된다. 두 개의 PCM 시냅스 방법 (Two-PCM Synapse Scheme)은 하나의 PCM은 Long-Term Potentiation (LTP)를 갖고 다른 PCM은 Long-Term Depression (LTD)를 갖을 때 각각 결정질 PCM일 때 LTP 는 Synaptic LTP-like 효과를 LTD는 Synaptic LTD-like한 결과를 얻게 된다.


■ 강유전체 재료 기반 시냅스 소자


강유전체 재료를 이용한 시냅스 소자는 고정된 진폭을 갖는 다중 펄스나 진폭을 변화 시키는 펄스를 가해 박막 재료의 분극 (Polarization)을 점진적으로 변화 시켜 시냅스 소자로 적용한다. 3-Terminal FET보다는 소비 전력 및 소자 집적 밀도 때문에 2-Terminal의 멤리스터 형태의 강유전체 시냅스 소자에 대한 연구가 더 활발하며 강유전체 층을 갖는 터널 junction내에서 강유전체 분극을 스위칭 시켜 터널 저항을 변화시키는 원리로 동작한다. 앞서 기술한 저항변화 및 상변화 시냅스 소자와 동일하게 진폭, 지속 시간 및 펄스 횟수의 변화로 점진적 저항을 변화 시켜 Synaptic Weight에 영향을 줄 수 있다.


강유전체 터널 Junction의 저항은 다양한 전압 펄스에 의해 변화 될 수 있고 이를 통해 Synaptic Weight를 변화 시킨다. 강유전체 재료 기반 시냅스 소자는 펄스 조건의 변화 이외에 도메인(Domain) 크기 또한 특성에 영향을 줄 수 있는 인자이다.


■ 자성 재료 메모리 기반 시냅스 소자


스핀전달토크 기반 자성 메모리 (Spin Torque Transfer Magnetic RAM)에서 저항 변화는 강자성 (Ferromagnetism)재료 기반 소자를 통한 전류의 크기에 의해서 이루어진다. MgO 기반 MTJ 소자 멤리스터와 유사하게 동작하여 시냅스 소자로 적용 가능한 것이 실험적으로 증명되었다. Parallel과 Anti-Parallel 상태 특성은 비휘발성 저항 변화 메모리와 유사하여 높고 낮은 저항 상태을 만들고 이러한 저항 변화 점진적일 때 시냅스 소자로 사용 가능하다. 강유전체 재료 기반 시냅스 소자와 유사하게 Potentiation과 Depression 사이의 상태에 반복적인 프로그램 전압이 필요하다. MgO 기반의 MTJ의 STDP 특성은 2개의 톱니 모양의 Spike 시간이 다른 전압의 최대치를 야기하고 이러한 최대치의 전압은 △t > 0 일 때 감소하는 △t 따라서 증가하고, 반면에 전압 최소치는 △t < 0 일 때 감소하는 △t 따라서 감소하게 된다. 이러한 △t 변화를 통해 STDP 측정이 가능하다.</p>


■ 전계 효과 기반 시냅스 소자


Hot electron 주입과 전자 터널링에 의해 프로그래밍 하는 플로팅 게이트 MOS transistor가 아날로그 학습에 적용된 연구 결과가 있으며, CNT 기반 FET 소자를 이용하여 가해진 활성 전위에 따른 Post-Synaptic Potential에 대한 연구 결과도 보고되었다.


나노튜브와 유전체 사이에 빛에 의해 생성된 전자의 축척과 trapping이 앞서 언급한 비휘발성 메모리와 같은 효과로 사용하게 되어 시냅스로 적용 가능하지만, 대면적 구현에 어려운 한계를 가지고 있다. 또한, 나노입자와 유기물 입자의 복합체를 채널 재료로 사용한 유기 FET 소자를 이용해서 Potentiation과 Depression의 특성이 보고되었다.

▲ <그림 3-3-3-7>다양한 재료에 따른 저항 변화 메모리 소자 기반 시냅스 소자 특성 비교


▲ <그림 3-3-3-8>AlOx, TiOx/HfOx 및 PCMO 시냅스 소자 특성 비교


▲ <그림 3-3-3-9>HfOx, AlOx, PCMO 시냅스 소자의 다양한 펄스 따른 STDP 특성 비교


▲ <그림 3-3-3-10>Ag/a-Si/W CBRAM (위)와 Ag/Ag2S/nanogap/Pt CBRAM 소자의 특성 비교


▲ <표 3-3-3-2>이온 이동에 따른 저항 변화 메모리 소자 기반의 뉴로모픽 소자에 적용 가능한 재료 비교


▲ <그림 3-3-3-11>PCRAM 구조 및 동작 메커니즘


▲ <그림 3-3-3-12>펄스 폭 변화에 따른 PCRAM 특성 비교


▲ <그림 3-3-3-13>펄스 조건에 따른 Ferroelectric 터널 Junction의 저항 변화


▲ <그림 3-3-3-13>펄스 조건에 따른 Ferroelectric 터널 Junction의 저항 변화


▲ <그림 3-3-3-14>MgO 기반 MTJ 소자의 톱니 모양의 Spike를 사용한 STDP 특성


▲ <그림 3-3-3-15>FET 기반 Synapse 소자의 STDP 및 STP특성 : Floating Gate Transistor, Carbon Nanotube FET, Orgainc FET


▲ <표 3-3-3-3>다양한 재료를 응용한 시냅스 특성을 갖는 뉴로모픽 소자 비교


▲ <표 3-3-3-4>뉴로모픽 소자 및 관련 기술-국내 선도연구기관


▲ <표 3-3-3-5>뉴로모픽 소자 및 관련 기술-해외 선도연구기관


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