- 전극 증착 속도 정밀 제어로 전도성 필라멘트 안정화…복잡한 추가 공정 불필요
- 1만 회 이상 구동에도 안정적 동작 확인…응용물리학회지 '에디터스 픽' 선정
- 저전력 뉴로모픽 컴퓨팅 소자 상용화 앞당길 핵심 기반 기술로 기대
RRAM은 저항값의 변화를 이용해 데이터를 저장하는 비휘발성 메모리다. 전원이 차단돼도 저장된 정보를 유지할 수 있으며, 동작 속도가 빠르고 소비전력이 낮아 기존 플래시 메모리의 '메모리 병목(Memory Bottleneck)' 현상을 해결할 차세대 기술로 평가받는다. 그러나 반복 구동에 따른 내구성 저하와 동작 불안정성이 상용화의 주요 과제로 남아 있었다.
연구팀은 차세대 반도체 소재인 이황화몰리브덴(MoS₂)에 주목, 전자빔 증착(e-beam evaporation) 공정을 활용해 신뢰성을 높이는 기술을 고안했다. 기존에는 MoS₂를 활용한 데이터 저장 과정에서 전도성 필라멘트(conductive filament)가 불규칙하게 생성돼 소자 성능이 저하되는 문제가 발생했다.
이를 해결하기 위해 연구팀은 상부 전극의 증착 속도를 정밀하게 제어해 금속 원자가 MoS₂ 내부 결함으로 침투하는 정도를 조절하는 방식을 도입했다. 전도성 필라멘트의 형성 위치와 성장 과정을 안정적으로 제어한 결과, 소자의 동작 신뢰성이 개선됐다.
실제 실험에서 초당 0.1Å(옹스트롬)의 증착 속도 조건으로 제작된 소자는 약 1만 배(10⁴)에 이르는 저항 차이를 구현했다. 또한 1만 회 이상의 반복 구동 후에도 안정적인 동작 특성을 유지했으며, 2,000초 이상 데이터를 보존하는 것으로 확인됐다. 소자 구동에 필요한 전압 편차도 감소해 기존 RRAM의 한계점을 극복했다.
홍웅기 교수는 “이번 연구는 별도의 복잡한 공정 추가 없이 증착 속도라는 공정 변수만으로 MoS₂ 기반 RRAM의 전도성 필라멘트 형성을 안정적으로 제어할 수 있음을 입증한 것”이라며 “향후 저전력 AI 반도체와 뉴로모픽 컴퓨팅 소자 개발을 위한 핵심 기반 기술로 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구 성과는 미국물리학협회(AIP)가 발행하는 응용물리학 분야 국제학술지 「Applied Physics Letters」에 게재됐으며, 우수성을 인정받아 'Editor's Pick'으로 선정됐다. 제1저자로는 허윤정 연구원(대학원 파운드리공학과 석사과정)이 참여했다.
해당 연구는 한국연구재단 ‘차세대지능형반도체기술개발사업’, 정보통신기획평가원 ‘정보통신방송혁신인재양성사업’, 한국산업기술진흥원 ‘산업혁신인재성장지원사업’의 지원을 받아 진행됐다.
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