KAIST, 차세대 메모리 속 ‘전류가 흐르는 길’을 입체로 들여다봐 생성 원리 규명
차세대 메모리는 아주 가느다란 전류의 ‘길’을 이었다 끊었다 하며 0과 1을 저장한다. 문제는 이 길이 매번 다른 자리에 제멋대로 생긴다는 점이었다. 그 길이 어디서 왜 생기는지가 처음으로 입체로 드러났다.
차세대 메모리 안에서 전기가 흐르는 길이 어떻게 만들어지는지를 입체적으로 밝힌 연구가 나왔다. KAIST 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀은 같은 학과 박상희 교수 연구팀과 공동으로, 저항변화메모리(RRAM) 내부의 전류 통로를 3차원으로 관찰하고 전극 표면의 미세한 모양이 통로의 형성과 연결 위치에 영향을 미치는 원리를 규명했다고 12일 밝혔다. 저항변화메모리는 전기가 잘 흐르지 않는 얇은 물질 안에 가느다란 통로를 만들거나 끊어 정보를 저장한다. 통로가 생겨 전류가 흐르면 ‘1’, 끊어지면 ‘0’을 기록하는 식이다. 이 통로를 ‘전도성 필라멘트’라 부른다. 문제는 이 길이 매번 같은 위치와 모양으로 생기지 않는다는 점으로, 길이 달라지면 정보를 기록·삭제하는 데 필요한 전압도 들쭉날쭉해진다. 연구 결과는 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 올해 8월 11일 온라인 게재됐다.
왜 메모리 속 ‘전류의 길’이 문제였나
저항변화메모리는 차세대 저장 기술로 주목받는다. 전원이 꺼져도 정보를 유지하고, 구조가 단순하며, 빠르게 작동하기 때문이다. 사람의 뇌처럼 정보를 처리하는 인공지능 소자에 쓰려는 연구도 진행되고 있다.
작동 원리는 ‘길 내기’다. 전기가 잘 통하지 않는 얇은 산화물 안에 아주 가느다란 전류 통로가 생기면 전기가 흐르고, 그 통로가 끊어지면 흐르지 않는다. 이 두 상태를 0과 1로 구분해 정보를 저장한다.
문제는 이 길이 일정하지 않다는 데 있다. 통로가 매번 같은 위치와 모양으로 생기지 않다 보니, 전기가 흐르는 정도도 달라진다. 그러면 정보를 기록하거나 지우는 데 필요한 전압이 들쭉날쭉해져 메모리가 불안정해진다. 메모리를 안정적으로 만들려면, 이 길이 애초에 어떻게 생기는지부터 알아야 했다.
CT처럼 쌓아 복원한 ‘전류의 길’ 입체 지도
연구팀은 메모리 내부를 CT처럼 들여다봤다. 메모리 재료를 아주 얇게 깎아내면서 깊이마다 전류가 흐르는 위치를 측정하고, 이렇게 얻은 여러 장의 ‘전류 지도’를 쌓아 내부 통로의 입체적인 모습을 복원한 것이다. 여러 단면 사진을 모아 몸속을 입체로 보여주는 컴퓨터단층촬영(CT)과 같은 원리다.
쓴 도구는 끝이 매우 뾰족한 탐침으로 표면을 살피며 전류를 재는 ‘전도성 원자힘현미경’이다. 연구팀은 두께 10나노미터(nm, 10억 분의 1미터)인 이산화티타늄 층 안에 전류 통로 하나를 만든 뒤, 단단한 다이아몬드 탐침으로 약 0.1나노미터씩 총 100회에 걸쳐 깎아내며 통로의 모습을 추적했다. 머리카락 굵기의 수만 분의 1 수준을 한 겹씩 벗겨 낸 셈이다.
드러난 모양은 ‘깔때기’였다. 통로는 위쪽 탐침 부근에서는 넓고 아래쪽 전극으로 갈수록 좁아졌다. 위가 넓고 아래가 뾰족한 역원뿔 형태다. 탐침 바로 아래에는 통로가 갑자기 잘록해지는 부분도 있었다.
전극 표면 ‘작은 돌기’가 길잡이였다
가장 눈에 띈 발견은 통로의 끝이 아래쪽 전극의 작은 돌출부와 연결되는 경향이었다. 전극은 메모리 내부에 전기를 공급하는 부분으로, 겉으로는 평평해 보여도 아주 작게 확대하면 표면에 높낮이가 있다. 연구팀이 통로의 입체 구조와 아래쪽 백금 전극의 표면을 비교하자, 통로의 끝은 평평한 곳보다 작게 튀어나온 곳에 연결되는 경향을 보였다. 서로 다른 위치에 만든 5개의 통로에서 공통으로 확인됐다.
왜 작은 돌기가 길을 끌어당길까. 연구팀은 돌출된 부분에 전기장이 집중되기 때문이라고 해석했다. 전기장은 전하를 움직이게 하는 힘이 작용하는 공간으로, 뾰족한 부분에서 강해진다. 피뢰침 끝에 전기가 모이는 것과 같은 이치다. 컴퓨터로 전기장 분포를 계산한 결과에서도 아래쪽 전극의 돌출부 주변에 전기장이 집중되는 현상이 나타나, 전극 표면의 작은 돌기가 전류 통로를 이끄는 ‘길잡이’ 역할을 할 수 있음을 뒷받침했다.
이 발견은 메모리 설계에 새로운 변수를 더한다. 그동안 전극 표면의 울퉁불퉁함은 공정에서 어쩔 수 없이 생기는 부산물로 여겨졌지만, 이번 연구는 그것이 전류의 길을 가두고 이끄는 구조적 요인임을 보였다. 홍승범 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 “앞으로 전극 표면 구조까지 하나의 설계 변수로 고려한다면 보다 안정적으로 작동하는 차세대 저항변화메모리를 개발하는 데 중요한 기반이 될 것”이라고 말했다.
