RRAM(Resistive Random Access Memory)은 memristor의 한 종류라고 할 수 있습니다. 이 글에서는 차세대반도체 중 하나인 이 소자에 대해 알아보겠습니다.
Memristor 설명
Memory와 Resistor의 합성어로 저항의 값을 저장할 수 있는 소자를 의미합니다. 데이터 처리 속도가 빠르고, 전력 효율이 좋으며 집적도가 좋아서 기존의 von-Neumann architecture의 한계를 해결한 Neuromorphic computing에 사용될 수 있어서 차세대 메모리 중 하나로 연구가 진행되고 있습니다.
그중 제가 석사 과정 동안 연구했던 RRAM은 ECM(Electrochemical metalization mechanism)과 VCM(Valence change mechanism)으로 구분할 수 있습니다. ECM은 electrode에 사용되는 금속이 전기적 자극으로 인해 소자 내부 insulator layer로 침투하여 금속 필라멘트를 형성하는 방법으로 switching을 하고(주로 Ag나 Cu를 사용), VCM은 소자에서 insulator로 사용되는 oxide의 oxygen vacancy(Vo)가 필라멘트(Conduction filament, CF) 역할을 해서 switching을 하게 됩니다.
저는 VCM, 그중에서 HfOx-based RRAM을 연구해서 VCM을 기준으로 설명하도록 하겠습니다.
작동 mechanism
이 소자는 MIM(Metal – Insulator – Metal)의 간단한 구조로 구성되어 있습니다. 기본 구조는 TE(Top electrode) – Switching layer – BE(Bottom electrode)입니다. Switching layer는 내부에 필라멘트가 형성되거나 사라지는 과정을 통해 소자의 저항에 영향을 주는 층으로, HfOx TiOx TaOx 등을 많이 사용합니다.
주로 TE와 BE는 한쪽은 산소와 반응을 거의 하지 않는 금속(Pt 등)을, 다른 한쪽은 산소와 잘 반응하는 금속(Ti, Ta 등)을 사용합니다. 또는 oxygen reservoir layer를 쓰기도 하는데 이는 switching layer 내부에 Vo를 형성시켜 필라멘트를 생성하고 switching 방향을 정하게 합니다.
Forming process
당연히 초기 상태는 고저항 상태(HRS, High Resistance State)입니다. 여기서 Top electrode(TE)에 강한 전압(위의 그림에서는 -)을 가해주면 switching layer 내부에서 breakdown이 일어나고 산소 이온이 이동하여 switching layer에 다수의 Vo들이 생겨납니다. 이것이 필라멘트를 형성하여 저저항 상태(LRS. Low Resistance State)로 변하게 됩니다.
Reset process
Forming 전압과 반대의 전압(+)을 가하게 되면 switching layer에서 나간 oxygen ion 들이 다시 switching layer로 이동하게 됩니다. 그러면 필라멘트가 끊어지고 HRS 상태가 됩니다. 이를 reset process라고 합니다.
Set process
Reset 된 소자에 Forming 전압과 같은 방향의 전압(-)을 가해주면 switching layer의 oxygen ion이 나가서 필라멘트가 재형성됩니다. 일반적으로 Forming voltage보다 Set voltage가 낮은 편입니다.
소자를 작동시킬 때 전압의 polarity는 소자의 구조에 따라 달라집니다. 즉, 위 그림의 구조를 뒤집은 소자의 Forming voltage와 Set voltage는 + voltage를 가해야 합니다. 중요한 건 소자의 구조에 따른 oxygen ion의 이동 방향입니다.
그러면 이 소자의 특성을 어떻게 확인하는지 다음 글에서 설명하도록 하겠습니다.
참고: https://ietresearch.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1049/iet-cds.2018.5388
