RRAM에 대하여 – 4 Forming과 Compliance Current

RRAM 연구원들이 가장 많이 하는 실수는 무엇일까요? 공정을 잘못하는 것? 아닙니다. 바로 측정 장비 세팅을 잘못해서 멀쩡한 소자를 한 번에 태워버리는 것입니다.

RRAM의 저항 변화(Switching)는 필라멘트(Filament)라는 미세한 전도성 통로가 생기고 끊어지는 과정입니다. 하지만 이 필라멘트 형성을 제어하지 못하면, 소자는 영구적인 절연 파괴(Hard Breakdown)를 일으켜 단순한 ‘도선(Wire)’이 되어버립니다.

이번 글에서는 RRAM을 살려내기 위해 반드시 알아야 할 Electroforming(포밍) 과정과, 소자의 안전벨트인 Compliance Current(제한 전류) 설정법에 대해 설명해보겠습니다.

1. RRAM의 첫 작동: Electroforming

갓 공정을 마친 RRAM 소자(Pristine State, Virgin State)는 저항 변화 특성을 보이지 않습니다. 상부 전극과 하부 전극 사이가 완벽한 절연체(Insulator)로 막혀 있기 때문입니다.

RRAM으로서 동작하게 하려면, 이 절연체에 초기 필라멘트 길을 터주는 과정이 필요한데, 이를 Electroforming 혹은 줄여서 Forming이라고 합니다.

Forming의 특징

1. 높은 전압: 일반적인 SET 동작 전압(예: 1~2V)보다 더 높은 전압(예: 5~7V)이 필요합니다. 처음 길을 뚫는 것이 가장 힘들기 때문입니다.
2. Soft Breakdown: 절연체를 완전히 파괴하는 것이 아니라, 미세한 누설 경로(Leakage Path)만 만드는 ‘Soft Breakdown’을 유도해야 합니다.
3. 일회성(One-time): 대개 소자를 작동하기 시작할 때 딱 한 번만 수행하면 됩니다.

2. 소자의 안전벨트: Compliance Current

Forming 과정이나 SET 과정에서 전압을 가하면, 절연체 내부에 필라멘트가 자라나며 전류가 급격히 흐르기 시작합니다. 이때가 가장 위험한 순간입니다.

왜 태워먹는가? (Joule Heating Runaway)

1. 필라멘트가 연결되는 순간 저항(R)이 급격히 낮아집니다.
2. 전압(V)은 그대로인데 저항이 낮아지니, 옴의 법칙(I=V/R)에 의해 전류(I)가 폭발적으로 증가합니다.
3. 전류가 증가하면 줄 발열(Joule Heating)이 발생하여 소자가 뜨거워집니다.
4. 열 때문에 필라멘트가 비정상적으로 굵어지고, 결국 소자가 녹아버리거나 영구적으로 붙어버립니다 (Hard Breakdown).

Compliance Current의 역할

이 사태를 막기 위해 측정 장비(Source Measurement Unit, SMU)에 “전류가 아무리 많이 흘러도 딱 여기까지만 흘려라”라고 상한선을 걸어두는 기능이 바로 Compliance Current (I_cc)입니다.

• 설정 예시: Forming 전압을 5V까지 Sweep 하더라도,I_cc를 1µA로 설정하면, 소자가 켜지는(ON) 순간 전류는 1µA에서 딱 멈춥니다.
• 효과: 필라멘트가 지나치게 굵어지는 것(Overshoot)을 방지하여, 다음번에 다시 끊을 수 있는(Reset) 상태로 만들어 줍니다.

3. 실전 측정 레시피 (Step-by-Step)

Keithley 4200이나 Keysight B1500 같은 장비를 사용할 때의 표준 절차입니다.

Step 1. Forming (초기 길 뚫기)

• Mode: DC Voltage Sweep
• Voltage: 0V → +5V (소자 특성에 따라 조절)
• Compliance Current (I_cc): 매우 중요! 보통 10nA ~ 1µA 사이로 낮게 설정합니다.
• 결과: 특정 전압(Forming Voltage)에서 전류가 I_cc 레벨에 도달하면 성공.

Step 2. RESET (길 끊기)

• Mode: DC Voltage Sweep (Bipolar 소자라면 반대 극성)
• Voltage: 0V → -3V
• Compliance Current:설정하지 않거나 높게 둠 (예: 100µA).
  • Tip: RESET은 필라멘트를 태워서 끊어야 하므로 큰 전류가 필요합니다. 여기서 I_cc를 너무 낮게 걸면 RESET이 안 됩니다.

Step 3. SET (다시 연결하기)

• Mode: DC Voltage Sweep
• Voltage: 0V → +3V
• Compliance Current: Forming 때와 비슷하거나 약간 높게 설정 (예: 10µA ~ 100µA).
  • Tip: 이때 설정한 I_cc의 크기가 LRS(Low Resistance State)의 저항값을 결정합니다. I_cc가 높을수록 저항은 더 낮아집니다(필라멘트가 굵어짐).

4. 심화: I_cc를 걸어도 죽는 이유 (Overshoot)

“분명히 Compliance를 걸었는데 소자가 죽었어요!”

이는 장비의 한계 때문입니다. 장비가 “전류가 넘네? 줄여야지”라고 반응하는 데에는 미세한 지연 시간(Delay)이 있습니다.

이 찰나의 순간에, cable이나 probe station에 숨어있던 기생 커패시터(Parasitic Capacitance)에 충전된 전하가 소자로 한꺼번에 쏟아져 들어가는 Current Overshoot 현상이 발생합니다.

해결책 (Advanced Tip)

1. 트랜지스터 연결 (1T1R): 장비의 I_cc 대신, 트랜지스터의 Gate 전압으로 전류를 제한하는 것이 가장 확실합니다 (물리적 제한).
2. 내장 저항 사용: 소자와 직렬로 저항을 하나 달아서(Series Resistor) 과도 전류를 막습니다.

5. 결론

RRAM 연구에서 가장 중요한 것은 “적절한 굵기의 필라멘트”를 만드는 것입니다. 너무 가늘면 금방 끊어지고(Retention 불량), 너무 굵으면 다시는 안 끊어집니다(Reset 불가). 이 적절한 균형을 맞춰주는 것이 바로 Compliance Current입니다.

실험실에서 첫 측정을 시작할 때, 반드시 낮은 전류(~1µA)부터 시작해서 서서히 올리는 것이 좋습니다.

참고: Investigation of compliance current effect on resistive switching properties