■ 기술 소개

현재 널리 사용되고 있는 정보 처리·저장 소자에는 D램(DRAM) 및 S램(SRAM), 낸드 플래시(NAND FLASH) 메모리 등이 있다. 이중 D램과 S램은 읽기·쓰기 속도는 빠르지만 휘발성이라 주기적으로 쓰기를 반복해야 해 전원 소모가 많고 전원공급을 중단하면 정보가 모두 지워진다는 단점이 있다.

이에 반해 현재 비휘발성 메모리로 사용하고 있는 낸드 플래시 메모리는 비휘발성이므로 정보를 반영구적으로 저장할 수 있지만, 읽기·쓰기 속도가 느린 단점이 있다.

한편 D램, S램, 플래시메모리 모두 전자를 정보 저장매체로 사용하고 있는데, 소자의 크기가 20nm급 이하에서는 저장되는 전자의 개수가 줄어들고 누설 전류에 따라 소자 특성이 급격하게 악화되는 특성으로 인해 집적도에 한계가 있다.

간단한 소자 구조(금속/산화물/금속 적층구조)를 이용하는 ‘저항변화 메모리(ReRAM:Resistive Random Access Memory)’는 인가된 전압·전류 조건에 따라 원자나 이온이 이동해 소자의 저항이 바뀜으로써 상태를 기억하는 소자를 말한다.

이러한 특징으로 인해 저항변화 메모리는 반영구적인 정보저장장치로 사용될 수 있다. 또한 저항변화 메모리는 전자가 아닌 원자의 이동에 의해 정보가 저장되므로 기존의 전자를 이용한 소자들이 지닌 성능 및 집적도의 한계를 모두 극복할 수 있고, 구조가 간단해 공정상에도 이점을 가지고 있다.

저항변화 메모리램은 0과 1의 뚜렷한 두 가지 상태를 통해 정보를 저장하는 디지털 소자와는 달리, 소자에 인가된 전하량에 비례해 저항이 변화함으로써 다양한 아날로그 메모리의 특성을 구현할 수 있다. 이는 생명체의 고유한 신호전달 체계인 신경접합부(chemical synapse)와 매우 유사한 특성을 보인다.

이는 저항변화 메모리 시냅스로 기존 디지털 기반의 컴퓨팅 방식(von Neumann)의 단점을 보완한 새로운 개념의 뉴모로픽(neuromorphic) 시스템을 개발할 수 있다는 의미다. 이를 통해 저전력·병렬연산 및 패턴인식 분야에 활용이 가능해 차세대 정보산업에 새로운 전기를 열 것으로 기대된다.

■ 연구 현장은 지금....

○ 저항변화 메모리 기반 고집적메모리 및 뉴로모픽 소자 개발

저항변화 메모리는 기존 전자 기반 메모리의 스케일링 한계를 극복할 수 있는 최적의 소자로 평가되어 전 세계 반도체 업체와 대학에서 적극적인 관심을 보이고 있다.

다만 기존 메모리와 비교할 때 원자스케일의 스위칭 기구(mechanism)에 대한 이해가 부족하고, 소자의 스위칭 전압·저항의 산포가 상대적으로 크며, 선택소자 없이 동작할 경우 누설전류로 인해 메모리 어레이의 크기가 제한되는 단점이 있어 이를 해결하기 위한 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다. <그림1>는 샌디스크(Sandisk)와 도시바(Toshiba)가 2013년 ISSCC학회에 발표한 자료로, 32 기가바이트급 저항변화 메모리 소자의 가능성을 보인 것이다.

본 연구실에서는 지난 10여 년간 저항변화 메모리와 관련된 박막재료·공정·소자에 대해 연구를 진행하였다. 중점 분야는 저항변화 메모리용 신재료, 스위칭 산포개선 기술 및 3-D 집적화가 가능한 선택소자이다.

<그림2>의 왼쪽 그림은 NbOx를 선택소자와 저항변화 메모리로 이용한 3차원 하이브리드 저항변화 메모리 소자의 모식도로서 2012년 VLSI technology 학회에 발표된 것이다. 본 연구실은 이와 함께 시냅스특성을 가지는 저항변화 메모리를 개발하고 이를 이용한 뉴로모픽 시스템을 패턴인식에 활용하는 연구도 진행하고 있다.

▲ 그림1- 32 기가바이트(Gbit)급 저항변화 메모리 소자의 가능성 <출처: 2013 IEEE Int. Solid-State Circuits Conf.,210).

▲ 그림2- 3차원 하이브리드 ReRAM 소자의 모식도와 실험실의 뉴로모픽 소자 - NbOx를 선택소자와 저항변화 메모리(ReRAM)로 이용한 3차원 하이브리드 ReRAM 소자의 모식도(좌)와 실험실의 뉴로모픽 소자(우) <출처 : 2012 IEEE Symp. on VLSI Technology,155>.

■ 관련기술 - 저항변화형 메모리(RRAM) 기술

▲ 유기물 저항변화 메모리 <출처 : MRS Bulletin, 37, 144 (2012)>.

■ 기술의 정의

전기가 통하지 않는 부도체도 일정 수준 이상 전압을 가하면 미약한 전류가 흐르는 현상을 이용한 메모리 소자 기술이다.

■ 기술실현의 장애요인

스위칭 메커니즘에 대한 보다 철저한 이해 및 재료와 공정의 최적화를 통해 저항변화 메모리 소자의 신뢰성을 확보하는 것이 가장 우선적으로 해결해야 할 과제. 저항변화 메모리는 소재에 대한 선택도가 매우 넓어서 성능을 구현하거나 스케일링 하는데 있어 매우 유리하다는 판단으로 차세대 고밀도 비휘발성 메모리로서 밝은 전망을 가지고 있다.

■ 기술의 예상 실용화 시기
5~6년후
삼성전자의 차세대 메모리 R램은 앞으로 5년 뒤부터나 상용화될 것으로 보인다.
최근 휴대전화 등에 사용해 소비 전력을 삭감할 계획이 보도되고 있지만 아직 실현되지 않았으며, 실용화를 방해하는 요인으로 내구성이 입증되지 않거나 작동 원리가 해명되지 않은 점 등이 있다.

■ 기술개발동향

○ 한국

광주과학기술원은 3차원 적층형 비휘발성 유기물 저항 변화 메모리 소자 개발했다.
건국대학교는 나노 구조 틀인 양극산화알루미늄을 제작해 강유전성 특성을 갖는 단결정성 비스무스산화철 나노입자를 성공적으로 제작하였고, 내부의 저항변화 메모리 특성과 전기분극 현상 간의 상관성 연구를 수행했다.

○ 일본

알루미늄 양극 산화막을 이용한 AlOx-ReRAM이 Ni와 Ta 등의 전이 금속 산화물을 이용한ReRAM과 마찬가지로 몇 볼트의 전압인가에 절연체에서 금속 상태로 변환 역방향 바이어스를 인가하면 금속 상태에서 절연체 상태로 돌아오는 것을 이용한 AlOx-ReRAM의 개발과 그 동작 원리 해명을 목적으로 연구를 진행 중이다.