KAIST 연구진이 차세대 메모리로 주목받는 산화물 기반 저항 메모리(ReRAM)의 작동 원리를 세계 최초로 정밀 규명했다. 이번 연구 성과는 향후 고성능·고신뢰성 차세대 비휘발성 메모리 개발에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다.

 

KAIST 홍승범 신소재공학과 교수 연구팀은 박상희 신소재공학과 교수 연구팀과 협업해, 산화물 기반 메모리의 동작 원리를 다중모드 주사 탐침 현미경(Multi-modal SPM)을 활용해 규명했다고 밝혔다. 연구팀은 산화물 박막 내부의 전자 이동 경로, 산소 이온 움직임, 표면 전위 변화를 동시에 관찰하는 데 성공했다.

 

연구에서는 이산화티타늄(TiO₂) 박막에 전기 신호를 인가해 메모리의 기록과 소거 과정을 직접 구현했다. 그 결과 전류의 흐름이 산소 결함의 양과 분포에 따라 달라지며, 산화물 내 산소 결함 분포가 메모리의 켜짐(on)/꺼짐(off) 상태를 결정한다는 사실을 나노 수준에서 시각적으로 입증했다.

 

 

이번 성과는 특정 지점의 국소 관찰에 그치지 않고, 수 마이크로미터(㎛²) 크기의 넓은 영역에서 변화된 전류 흐름, 산소 이온 이동, 표면 전위 분포를 종합적으로 분석했다는 점에서 의미가 크다. 이를 통해 메모리 저항 변화가 단순히 산소 결함에 의한 것이 아니라 전자 거동과도 긴밀히 연관돼 있음을 밝혀냈다.

 

특히 연구팀은 메모리를 지우는 과정에서 산소 이온이 주입되면, 메모리가 안정적으로 고저항 상태를 오래 유지한다는 점을 확인했다. 이는 메모리 소자의 신뢰성을 높이는 핵심 원리로, 향후 안정적인 차세대 비휘발성 메모리 개발에 중요한 기초 자료가 될 전망이다.

 

 

홍승범 KAIST 교수는 “다중모드 현미경을 통해 산소 결함, 이온, 전자의 공간적 상관관계를 직접 확인할 수 있음을 입증했다”며 “이러한 분석 기법은 금속 산화물 기반 차세대 반도체 소자 연구와 개발의 새로운 장을 열 것”이라고 말했다.

 

이번 연구에는 KAIST 신소재공학과 공채원 박사과정 연구원이 제1 저자로 참여했으며, 성과는 미국화학학회가 발간하는 권위 있는 학술지 ‘ACS Applied Materials and Interfaces’에 7월 20일 자로 게재됐다.

 

헬로티 이창현 기자 |