조만호 교수팀, 차세대 초격자 상변화 메모리 개발

초격자 구조 내 티타늄 원자 도핑을 통한 상변화 메모리 특성 개선

안정적인 다치화 레벨 구현을 통한 뉴로모픽 메모리로의 활용 가능성 제시

[사진. (왼쪽부터) 조만호 교수, 임현욱 연구원]

이과대학 물리학과 조만호 교수 연구팀이 차세대 초격자 상변화 메모리(Advanced iPCM)를 개발했다. 연구 성과는 물리 및 재료과학 분야의 권위 있는 국제 학술지 ‘머터리얼즈 투데이(Materials Today, IF 24.2)’에 8월 18일 게재됐다.

연구팀은 우수한 상변화 특성으로 잘 알려진 게르마늄텔루라이드(GeTe)와 안티몬텔루라이드(Sb2Te3) 층이 초격자 구조를 이루고 있는 기존 계면 상변화 메모리(iPCM)에서 한 단계 발전시켜, 초격자 구조의 안티몬텔루라이드(Sb2Te3) 층에 티타늄(Ti) 원소를 선별적으로 치환하는 방식으로 메모리 소자에 획기적 개선이 가능함을 밝혔다. 

이는 차세대 메모리에서 요구되는 동작 에너지 및 반복 측정 신뢰도 평가에서 기존 연구를 넘어서는 결과를 도출했을 뿐만 아니라, 안정적인 다치화(Multi-level Cell) 레벨 구현을 통한 뉴로모픽(Neuromorphic) 메모리로의 활용 가능성을 최초로 발견한 것이다. 

초격자 상변화 물질은 상변화 동작 과정에서 발생하는 엔트로피 소실(Entropic Loss)을 기하급수적으로 낮춰 동작 시 발생하는 폐열로 인한 불필요한 전력 소모를 줄이는 등 현존하는 최고의 성능을 가진 상변화 메모리 소재로 알려져 있다. 그러나 초격자 상변화 물질은 복잡한 구조로 인해 동작 원리가 명확히 규명되지 못했으며, 막질 개선에 대한 연구도 미흡했다.

이에 조만호 교수 연구팀은 티타늄(Ti) 원소를 안티모니(Sb) 원소로 선별적으로 치환해 기존 초격자 상변화 메모리보다 우수한 동작 특성이 확보된 차세대 초격자 상변화 메모리 개발에 성공했다. 동작 속도 및 반복 측정 신뢰도 등에서 기존 초격자 상변화 메모리보다 우수한 특성을 보였으며, 특히 스위칭 에너지에서 기존 상변화 메모리 특성을 넘어서는 초저전력 동작을 확보했다.

실험은 티타늄(Ti) 원소가 인접한 텔루륨(Te) 원소와 강한 원자 간 결합을 형성함으로써 인접한 게르마늄(Ge) 원자의 팔면체 결합 구조를 왜곡(Peierls Distortion)시켜 효율적인 상변화가 가능하도록 진행했다. 기존에 상변화의 주요 동작을 유발하는 게르마늄텔루라이드(GeTe) 층이 아닌 안티몬텔루라이드(Sb2Te3) 제어 층에 티타늄(Ti)을 첨가해 결합 특성과 열전도도 특성을 조절함으로써 열효율 증가와 계면 공간 확장 등 초격자 기반 상변화 메모리의 특성 개선이 가능함을 보여 줬다.

[그림. 차세대 초격자 상변화 메모리 모식도 및 원자 결합 구조도]

이번 연구 결과는 장기간 정체돼 있던 초격자 상변화 메모리의 후속 개발 방법론을 확보했을 뿐만 아니라, 기존 상변화 특성 외에도 PIM(Processing-in-Memory) 및 딥러닝 연산 등을 수행하는 ‘크로스바 어레이(Crossbar Array)’ 구조 등에 적용 가능한 차세대 비휘발성 멤리스터로의 활용 가능성 또한 제시했다.

조만호 교수는 “이번 연구는 복잡한 구조로 인해 특성 개선이 미흡했던 초격자 상변화 메모리에 대한 개발 방법론의 시작”이라며, “낮은 동작 에너지, 높은 반복 측정 신뢰도 및 다치화 레벨 구현을 통한 차세대 뉴로모픽 메모리로의 활용이 기대된다.”고 연구의 의의를 밝혔다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 원천기술개발사업(PIM인공지능반도체 핵심기술개발), 나노 및 소재 기술개발사업, 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 물리학과 조만호 교수(교신저자), 임현욱 연구원(제1저자), 화학과 심은지 교수, 성균관대 양철웅 교수, 서울과기대 최병준 교수, 동국대 정광식 교수 등이 공동 저자로 참여했다. 

논문정보

● 논문제목: Advanced interfacial phase change material: Structurally confined and interfacially extended superlattice

● 논문주소: https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.07.025