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RRAM

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목차

1. 개요

ReRAM(Resistive Random-Access Memory)은 저항 변화를 이용하여 데이터를 저장하는 차세대 비휘발성 메모리 기술이다. 1960년대에 저항 변화 현상이 처음 발견된 이후, 2000년대 초 실온에서 동작하는 ReRAM 개발이 이루어지면서 상용화 연구가 본격적으로 진행되었다. ReRAM은 기존 메모리 기술보다 빠른 속도와 작은 셀 크기를 가지며, 저전력으로 작동하는 장점을 통해 플래시 메모리, PRAM, MRAM 등 기존 메모리 기술을 대체하거나 뉴로모픽 컴퓨팅 등 다양한 분야에 활용될 가능성을 보인다.

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RRAM
개요
종류비휘발성 메모리, 저항 변화 메모리
다른 이름ReRAM (Resistive RAM)
설명저항 변화를 이용한 차세대 비휘발성 메모리
특징
장점고속 스위칭 속도
저전력 소비
고집적 가능성
비휘발성
기술적 과제신뢰성 확보
균일한 성능 유지
제조 공정의 복잡성
작동 원리
핵심 원리물질의 전기적 저항 변화를 이용
저항 변화 유발전압 인가 또는 전류 흐름
데이터 저장 방식고저항 상태 (High Resistance State, HRS)와 저저항 상태 (Low Resistance State, LRS)를 이용하여 0과 1을 표현
응용 분야
주요 분야차세대 메모리 (스토리지 클래스 메모리, SCM)
임베디드 메모리
뉴로모픽 컴퓨팅
잠재적 응용모바일 기기
웨어러블 기기
사물 인터넷 (IoT)
인공지능 (AI)
기술 동향
연구 개발성능 향상 (속도, 내구성, 전력 효율)
새로운 재료 탐색
3차원 집적 기술 개발
상용화일부 제품 출시 및 개발 진행 중
참고 자료
관련 기술멤리스터
PCM (Phase-Change Memory)
MRAM (Magnetoresistive RAM)
FeRAM (Ferroelectric RAM)
추가 정보
관련 용어Colossal Electro-Resistance (거대 전기 저항 효과)

2. 역사

저항 변화 메모리(ReRAM)의 기본 개념은 1960년대에 처음 제안되었으며, 관련된 저항 스위칭 현상 역시 이산화 규소와 같은 물질에서 초기부터 관찰되었다.[14][15][11] 이후 수십 년간 기초적인 연구가 진행되었으나,[16][17][18] 본격적인 소자 개발 및 상용화 노력은 2000년대에 들어서면서 시작되었다.

2000년대 초, 여러 연구 기관과 기업들이 페로브스카이트 구조 물질이나 전이 금속 산화물 등을 이용하여 실온에서 작동 가능한 ReRAM 소자의 가능성을 입증하면서 기술 개발 경쟁이 촉발되었다.[107][108][109] 이 시기 삼성전자, 샤프, IBM 등 다수의 기업들이 ReRAM 연구 개발에 참여하기 시작했으며, 다양한 구현 방식에 대한 특허 출원이 이어졌다.[4][5][6][106] 초기에는 KB 수준의 제한된 용량으로 상용화가 시도되기도 했다.

2000년대 중반 이후 스팬션, 후지쯔 등도 독자적인 ReRAM 소자 개발 결과를 발표했으며,[106] 인텔은 관련 연구회를 조직하는 등 업계 전반의 관심이 고조되었다. 당시 많은 기업들은 ReRAM을 기존 NAND형 플래시 메모리를 대체할 유력한 차세대 메모리 기술로 보고 2010년대 상용화를 목표로 연구 개발에 박차를 가했다.[110]

2010년대에 들어서는 상용화를 위한 구체적인 움직임이 나타났다. 2011년 파나소닉은 세계 최초로 ReRAM 양산을 발표하며 기존 메모리 대비 빠른 속도와 낮은 전력 소모를 장점으로 내세웠다.[111] 2012년에는 엘피다 메모리가 고용량 시제품 제작 성공을 발표했고,[112] Rambus는 ReRAM 기술을 보유한 Unity Semiconductor를 3500만달러에 인수하며 기술 확보에 나섰다.[7] 파나소닉은 탄탈륨 산화물을 이용한 1T1R 구조의 평가 키트를 출시하기도 했다.[8]

2013년에는 미국의 스타트업 크로스바가 우표 크기 칩에 1TB 저장이 가능한 ReRAM 프로토타입을 공개하며 주목받았고,[9] HP는 멤리스터 이론에 기반한 ReRAM 웨이퍼를 시연하며 향후 PB급 대용량 저장 장치 개발 계획을 발표했다.[10]

한편, ReRAM 소자의 작동 원리가 레온 추가가 제안한 네 번째 기본 회로 소자인 멤리스터의 정의에 부합하는지에 대한 학술적 논쟁도 있었다.[20][21][22][23][24][25] 또한, 초기 연구 대상이었던 이산화 규소 기반 ReRAM에 대한 연구도 꾸준히 이어져, 필라멘트 형성 메커니즘 규명 및 성능 개선을 통해 새로운 가능성을 제시하고 있다.[12][13][26][27][28]

2. 1. 초기 연구 (1960년대 ~ 2000년대 초)

저항 변화 메모리(ReRAM)에 대한 초기 연구는 1960년대부터 시작되었다. 1963년과 1964년에 네브래스카-링컨 대학교 연구진이 박막 저항 메모리 어레이를 처음으로 제안했으며,[14][15] 1966년에는 이산화 규소에서 저항성 스위칭 현상이 발견되었다.[11] 1967년에는 J.G. 시몬스가 이 새로운 박막 저항 메모리에 대한 추가 연구 결과를 보고했다.[16][17] 1970년에는 원자력 연구소와 리즈 대학교 연구진이 이러한 저항 변화 메커니즘을 이론적으로 설명하고자 시도했다.[18]

1990년대에 들어서면서 ReRAM 연구는 새로운 국면을 맞이했다. 1994년 네덜란드의 필립스 연구소는 비교적 저렴한 박막 형태의 티탄산 납을 사용하여 실온에서 전계 유기에 의한 전기 저항 변화를 구현하는 데 성공했지만, 저항 변화율이 크지 않다는 한계가 있었다. 1997년에는 일본의 토쿠라 요시노리 연구 그룹이 강상관 전자계 물질인 Pr0.7Ca0.3MnO3(PCMO) 단결정을 이용하여 40K (=-233°C)의 극저온 환경에서 전계 유기 거대 저항 변화 현상을 발견했다.[107] 그러나 이 연구는 제작 비용이 높은 단결정을 사용했고 매우 낮은 온도에서만 작동했기 때문에 실제 소자 응용에는 어려움이 따랐다. 같은 해 플로리다 대학교와 허니웰 연구팀은 "자기 저항 랜덤 액세스 메모리"의 제조 방법을 보고하기도 했다.[19]

2000년대 초반에는 실온에서의 저항 변화 연구에 중요한 진전이 있었다. 2000년, 휴스턴 대학교의 Zhuang 연구팀은 PCMO 박막과 은·백금 전극 계면에서 실온 상태로 수십 배에 달하는 저항 변화를 성공적으로 구현했다. 같은 해 IBM 연구소 역시 크롬을 첨가한 티탄산 스트론튬 박막을 이용하여 실온 실험에 성공하고 그 동작 메커니즘을 발표하면서, ReRAM의 실용화를 위한 연구가 본격적으로 시작되는 계기를 마련했다. 이러한 성과를 바탕으로 2002년에는 샤프가 자사의 미국 법인 및 휴스턴 대학교와 공동으로 PCMO 박막을 사용한 64비트 ReRAM 시제품을 학회에서 발표했다.[108][109] 이 시기 여러 회사에서 ReRAM 개발에 뛰어들며 관련 특허를 출원하기 시작했다.[4][5][6]

2. 2. 본격적인 개발 경쟁 (2000년대 중반 ~ 현재)

2000년대 초반부터 여러 기업이 ReRAM 개발에 뛰어들었으며, 다양한 방식의 기술 구현에 대한 특허를 출원했다.[4][5][6] 초기 ReRAM은 KB 수준의 제한적인 용량으로 상용화되었다.

실용화를 위한 연구는 2000년대 들어 더욱 활발해졌다. 2000년, 휴스턴 대학교 연구팀은 상온에서 페로브스카이트 구조를 가진 PCMO 박막과 은, 백금 전극 계면에서 수십 배의 저항 변화를 구현하는 데 성공했다. 같은 해 IBM 역시 크롬을 첨가한 티탄산 스트론튬을 이용한 상온 실험에 성공하며 동작 원리를 발표했다. 이러한 성과를 바탕으로 ReRAM의 실용화 연구가 빠르게 진전되었다. 2002년에는 샤프가 미국 법인 및 휴스턴 대학교와 공동으로, PCMO 박막을 사용한 64비트 ReRAM 소자를 학회에 발표했다.[108][109]

이후 주요 기업들의 개발 경쟁이 본격화되었다.

이 시기 여러 기업들은 NAND형 플래시 메모리를 대체할 차세대 메모리로서 ReRAM의 가능성에 주목하고, 2010년경 상용화를 목표로 기술 개발에 박차를 가했다.[110]

  • 2011년 5월: 파나소닉은 세계 최초로 ReRAM 양산을 발표했다. 2메가비트급 제품을 2011년 말 샘플 출하하고 2012년부터 양산에 돌입할 계획이라고 밝혔으며, 기존 플래시 메모리 대비 10배 빠른 처리 속도와 텔레비전 등의 대기 전력을 3분의 1 이하로 줄일 수 있다고 강조했다.[111]
  • 2012년 1월: 엘피다 메모리는 50nm 공정으로 제작된 64메가비트 ReRAM 시제품의 동작을 확인했으며, 2013년에는 30nm 공정으로 기가비트급 ReRAM 양산을 목표로 한다고 발표했다.[112]
  • 2012년 2월: Rambus는 ReRAM 기술을 보유한 Unity Semiconductor를 3500만달러에 인수했다.[7]
  • 2012년 5월: 파나소닉은 탄탈륨 산화물을 기반으로 한 1T1R(1개의 트랜지스터와 1개의 저항 소자) 구조의 ReRAM 평가 키트를 출시했다.[8] 같은 달, 마이크론 테크놀로지는 회사 갱생법 절차를 밟고 있던 엘피다 메모리 인수를 공식화했다.[113]
  • 2012년 6월: 중앙대학교 연구팀은 ReRAM과 NAND 플래시 메모리의 장점을 결합한 하이브리드 SSD 아키텍처를 개발했다고 발표했다.[114]
  • 2013년: 크로스바는 우표 크기 칩 하나에 1TB의 데이터를 저장할 수 있는 ReRAM 프로토타입을 공개하며, 2015년 대량 생산을 목표로 한다고 밝혔다.[9] 이 소자의 메모리 구조(Ag/a-Si/Si)는 은(Ag) 기반 CBRAM과 유사한 특징을 보였다.
  • 2013년: HP는 멤리스터 기반 ReRAM 웨이퍼를 시연했다. HP는 이 기술을 바탕으로 2018년에는 100TB 용량의 SSD, 2020년에는 1.5PB 용량의 SSD 출시를 예측하며, 이는 기존 NAND 플래시 메모리의 용량 증가 한계 시점과 맞물릴 것으로 전망했다.[10]


2015년에는 인텔과 마이크론 테크놀로지가 공동 개발한 3D XPoint(옵테인) 기술이 발표되었다. 개발사 측은 저항 변화 메모리와는 다른 기술이라고 주장했지만, 작동 원리 면에서 유사하다는 지적이 제기되기도 했다.

3. 원리

ReRAM(저항 변화 메모리)은 특정 물질의 저항값이 외부에서 가해지는 전압이나 전류에 따라 가역적으로 변하는 현상을 이용하는 비휘발성 메모리이다. 기본 원리는 일반적으로 절연체 역할을 하는 유전체 박막에 충분히 높은 전압을 가하면, 박막 내부에 전기가 통하는 미세한 경로(전도 경로 또는 필라멘트)가 형성될 수 있다는 점이다.[29] 이 전도 경로는 물질 내의 공극이나 금속 결함 이동 등 다양한 물리적, 화학적 메커니즘을 통해 생성될 수 있다.

일단 전도 경로가 형성되면, 이후에는 더 낮은 전압을 이용하여 이 경로의 상태를 제어할 수 있다. 특정 전압을 인가하여 전도 경로를 끊으면 소자는 높은 저항 상태(High Resistance State, HRS)가 되고, 이를 '리셋(Reset)'이라고 한다. 반대로 다른 전압을 인가하여 경로를 다시 연결하면 낮은 저항 상태(Low Resistance State, LRS)가 되며, 이를 '세트(Set)'라고 한다. 이 두 가지 저항 상태를 디지털 정보의 '0'과 '1'에 대응시켜 데이터를 저장하고 읽어낼 수 있다. 전도 경로는 단일 필라멘트 형태일 수도 있고, 여러 개의 경로가 관여할 수도 있다.[30] 이러한 경로의 존재와 변화는 전도성 원자력 현미경 등을 통해 직접 관찰할 수 있다.[29][31][32][33] 저항 변화가 일어나는 방식은 국소적인 필라멘트 형태일 수도 있고, 전극 계면이나 물질 전체에 걸쳐 비교적 균일하게 발생할 수도 있다.[34]

3. 1. 전계 유기 거대 저항 변화

ReRAM의 셀 구조


전계 유기 거대 저항 변화에는 두 가지 주요 원리가 있다. 하나는 금속 산화물과 전극 사이의 계면에서 저항이 변하는 방식이고, 다른 하나는 금속 산화물 내부의 전도 경로 자체의 저항이 변하는 방식이다.[106]

첫 번째 방식인 계면형은 가해지는 전압의 방향에 따라 저항 변화 특성이 달라지는 바이폴라형 거동을 보인다. 이러한 방식은 주로 페로브스카이트 구조를 가진 금속 산화물에서 나타난다. 두 번째 방식인 전도 경로형은 전압의 방향보다는 전압의 크기(절댓값)에 따라 저항이 변하는 논폴라형 거동을 보인다. 이 방식은 2원계 금속 산화물에서 흔히 관찰된다. RRAM 소자 내부의 CMR(거대자기저항) 막에는 이 두 가지 원리 중 하나가 적용되며, 제조사마다 사용하는 방식에 차이가 있다.[106]

오른쪽 그림에서 볼 수 있듯이, ReRAM 장치의 개별 셀은 전계 효과 트랜지스터 (FET) 하나와 CMR 막 하나가 직렬로 연결된 구조를 가진다. 데이터를 기록할 때는 워드선에 전압을 걸어 특정 셀을 선택한 후, 쓰기선과 비트선 사이에 전압을 인가하여 CMR 막의 저항값을 변화시킨다. 이처럼 트랜지스터 하나와 저항 하나로 구성된 단순한 구조(1T1R 구조라고 불림) 덕분에 셀의 면적을 작게 만들 수 있어 고밀도화에 유리하다.

3. 2. 셀 구조



전계 유기 거대 저항 변화(CMR)는 크게 두 가지 원리로 나뉜다. 하나는 금속 산화물과 전극 사이의 계면에서 저항이 변하는 '계면형'이고, 다른 하나는 금속 산화물 내부에 형성되는 전도 경로의 저항이 변하는 '전도 경로형'이다. 계면형은 주로 인가하는 전압의 방향에 따라 저항이 변하는 바이폴라형 특성을 보이며, 페로브스카이트 구조를 가진 금속 산화물에서 자주 발견된다. 반면, 전도 경로형은 전압 방향보다는 전압의 크기(절댓값)에 따라 저항이 변하는 논폴라형 특성을 보이며, 2원계 금속 산화물에서 주로 나타난다. RRAM 소자에 사용되는 CMR막은 이 두 가지 원리 중 하나를 기반으로 하며, 제조사마다 각기 다른 특징을 가진다[106]。

ReRAM 장치의 개별 메모리 셀은 오른쪽 그림처럼 전계 효과 트랜지스터(FET) 1개와 저항 변화 소자(CMR막) 1개가 직렬로 연결된 구조를 가진다. 이 구조는 트랜지스터 1개와 저항 1개로 이루어져 1T1R (1 Transistor 1 Resistor) 구조라고 불린다. 데이터를 기록할 때는 워드선(Word Line)에 전압을 가해 특정 셀을 선택한 후, 쓰기선(Write Line)과 비트선(Bit Line) 사이에 전압을 걸어 CMR막의 저항값을 변화시킨다. 1T1R 구조는 매우 단순하기 때문에 셀을 구성하는 면적을 작게 만들 수 있어 메모리의 고밀도화에 유리하다.

3. 3. 형성 (Forming) 과정

'''필라멘트 형성:''' 특정 전압 이상에서 전류가 급격히 증가하며 전도성 필라멘트가 형성되는 예시. 필라멘트 형성 후에는 전류를 제한하여 소자의 급격한 손상을 막는 경우가 많다.


기본 원리는 일반적으로 절연체인 유전체에 충분히 높은 전압을 가하면 전기가 통하는 경로(전도 경로)가 만들어질 수 있다는 점이다.[29] 이 전도 경로는 물질 내 빈 공간(공극)이나 금속 결함의 이동 등 다양한 원인으로 만들어질 수 있다. 일단 전도 경로가 만들어지면, 다른 낮은 전압을 이용하여 경로를 끊어 높은 저항 상태로 만들거나(''리셋''), 다시 연결하여 낮은 저항 상태로 만들 수 있다(''세트''). 하나의 필라멘트가 아닌 여러 개의 전류 경로가 관여할 수도 있다.[30] 이러한 전류 경로의 존재는 전도성 원자력 현미경을 이용해 유전체 내부에서 직접 관찰할 수 있다.[29][31][32][33]

저항이 낮은 경로는 특정 부분에 집중된 형태(필라멘트형)이거나 전체적으로 균일한 형태일 수 있다. 두 경우 모두 전극 사이의 전체 영역 또는 한쪽 전극 근처에서 발생할 수 있다. 필라멘트형과 균일형 전도 경로는 저항이 낮은 상태일 때 소자 면적에 따라 저항값이 어떻게 변하는지를 측정하여 구분할 수 있다.[34]

특정 조건에서는 이러한 초기 형성 과정을 거치지 않을 수도 있다.[35] 이런 경우에는 초기 상태에서도 절연체인 산화물 층을 통해 흐르는 전류가 이미 상당히 클 것으로 예상된다. 예를 들어, 특수한 확산이나 어닐링 공정을 통해 구리(Cu) 이온이 미리 유전체 내부에 존재하도록 만든 ReRAM 소자는 높은 전압을 가하는 형성 과정이 필요 없을 수 있다. 이런 소자는 초기 상태로 되돌리기도 비교적 쉽다.[36] 만약 처음부터 구리가 유전체 내에 없다면, 전해질에 직접 전압을 가하여 형성 과정을 거치게 될 가능성이 높다.[37]

3. 4. 작동 방식 (Operation Styles)



ReRAM(저항 변화 메모리)은 인가되는 전압이나 전류에 따라 저항값이 바뀌는 소자를 이용하는 메모리이다. 작동 방식은 스위칭 특성에 따라 크게 양극성(Bipolar)과 단극성(Unipolar)으로 나눌 수 있다.

  • 양극성 스위칭 (Bipolar Switching): 저항 상태를 변화시킬 때 인가하는 전압의 극성이 중요하다. 예를 들어, 낮은 저항 상태(Set)에서 높은 저항 상태(Reset)로 바꿀 때와 그 반대로 바꿀 때 서로 다른 극성의 전압을 사용한다.
  • 단극성 스위칭 (Unipolar Switching): 전압의 극성보다는 크기에 의존하여 저항 상태를 변화시킨다. Set 동작과 Reset 동작 모두 같은 극성의 전압을 사용하지만, 전압의 크기를 다르게 조절한다.


저항 변화는 주로 금속 산화물 박막 내에서 발생하며, 그 원리에 따라 다음과 같이 구분할 수 있다[106].

  • 계면형: 금속 산화물과 전극 사이의 계면에서 저항이 변하는 방식이다. 주로 인가 전압의 방향에 따라 저항이 변하는 양극성 거동을 보이며, 페로브스카이트 구조의 금속 산화물에서 자주 나타난다[106].
  • 전도 경로형: 금속 산화물 내부에 형성되거나 소멸하는 전도성 필라멘트(전도 경로)에 의해 저항이 변하는 방식이다. 주로 전압의 방향보다는 절댓값에 의존하는 단극성 거동을 보이며, 2원계 금속 산화물에서 많이 관찰된다[106].


ReRAM 셀을 구성하는 방식으로는 대표적으로 1T1R 구조와 크로스 포인트(Cross-point) 구조가 있다.

  • 1T1R (1 Transistor 1 Resistor) 구조: 오른쪽 그림처럼 하나의 전계 효과 트랜지스터(FET)와 하나의 저항 변화 소자(CMR막)가 직렬로 연결된 구조이다[106]. 트랜지스터가 각 셀을 선택하고 다른 셀과의 전기적 간섭을 막아주는 역할을 하므로, 임의 접근 메모리(Random Access Memory)에 주로 사용된다. 구조가 단순하여 셀 면적을 작게 만들 수 있어 고밀도화에 유리하다[106]. 현재까지 발표된 가장 큰 1T1R RRAM 칩은 130 nm 공정으로 제작된 64 Mb 용량이다[59].

  • 크로스 포인트 (Cross-point) 구조: 트랜지스터 없이 워드 라인(Word Line)과 비트 라인(Bit Line)이 교차하는 지점에 저항 변화 소자만 배치하는 구조이다. 구조가 매우 단순하고 수직으로 여러 층을 쌓아 3차원 적층이 가능하기 때문에, 낸드 플래시와 같은 대용량 저장 장치를 대체할 잠재력이 있다. 하지만 트랜지스터가 없어 셀 간의 누설 전류나 간섭 문제가 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위해 저항 변화 소자와 직렬로 선택 소자(Selector)라는 별도의 장치를 연결해야 한다. 선택 소자는 특정 전압 이상에서만 전류를 통과시키는 다이오드와 유사한 역할을 하여 원하지 않는 셀로 전류가 흐르는 것을 막아준다. 선택 소자의 성능(특히 On/Off 전류 비율)이 전체 메모리 어레이의 크기와 성능을 결정하는 중요한 요소가 된다[38]. 선택 소자로는 박막 기반 임계값 스위치[38], 양극성 ReRAM을 위한 펀치 스루 다이오드[39], 단극성 ReRAM을 위한 PIN 다이오드[40] 등이 연구되고 있으며, BEOL(Back-End-Of-Line) 공정과 호환되는 2단자 소자가 요구된다.

4. 재료 시스템 (Material Systems)



ReRAM(저항 변화 메모리) 셀은 다양한 무기 및 유기 물질 시스템을 기반으로 제작될 수 있으며, 이 물질들은 열적 또는 이온 저항 스위칭 효과를 나타낸다.[34] 이러한 재료 시스템은 사용되는 물질의 종류에 따라 다양하게 분류될 수 있으며, 구체적인 종류와 특성은 하위 섹션에서 자세히 다룬다.[34][41][42][43]

Adesto의 CBRAM(Conductive Bridging RAM) 기술은 산소 공공(oxygen vacancy) 대신 전극 금속에서 생성된 전도성 필라멘트를 이용하는 방식이다. 초기에는 Ag/GeS2 시스템을 사용했으나,[72] 이후 텔루륨(Te) 필라멘트가 은(Ag)에 비해 더 나은 안정성을 보여 ZrTe/Al2O3 시스템으로 변경하였다.[73] Adesto는 이 기술을 사물 인터넷(IoT) 애플리케이션을 위한 초저전력 메모리에 적용하는 것을 목표로 삼았다. 관련 제품은 Altis 파운드리에서 제조되었으며,[74] 타워재즈(TowerJazz) 및 파나소닉과도 45nm 공정 파운드리 계약을 체결했다.[74]

ReRAM 소자의 개별 셀은 일반적으로 오른쪽 그림과 같이 전계 효과 트랜지스터(FET)와 저항 변화 물질 막이 직렬로 연결된 1T1R(1 Transistor 1 Resistor) 구조를 가진다. 워드선(Word Line)에 전압을 인가하여 특정 셀을 선택하고, 쓰기선(Write Line)과 비트선(Bit Line) 사이에 전압을 인가하여 저항값을 변화시켜 데이터를 기록한다. 이 구조는 셀 면적을 작게 만들 수 있어 메모리의 고밀도화에 유리하다.[106]

4. 1. 무기 재료

여러 무기 물질 시스템은 열적 또는 이온 저항 스위칭 효과를 나타낸다. 이러한 물질들은 다음과 같은 범주로 분류할 수 있다:[34]

  • 상변화 칼코겐화물, 예를 들어 Ge2Sb2Te5 또는 AgInSbTe
  • 니켈 산화물(NiO), 오산화 탄탈륨(Ta2O5), 또는 이산화 티타늄(TiO2)과 같은 이원 전이 금속 산화물
  • Sr(Zr)TiO3[41] 또는 PCMO와 같은 페로브스카이트
  • 황화 게르마늄(GeS), 셀렌화 게르마늄(GeSe), SiOx 또는 Cu2S와 같은 고체 전해질
  • 육방정계 질화 붕소와 같은 2차원 (적층) 절연 재료[42][43]


전기장에 의한 저항 변화 원리는 크게 두 가지로 나뉜다. 첫째는 금속 산화물과 전극의 계면에서 저항이 변하는 '계면형'이고, 둘째는 금속 산화물 내 전도 경로의 저항이 변하는 '전도 경로형'이다. 계면형은 인가 전압 방향에 따라 저항값이 달라지는 바이폴라형 특성을 보이며, 주로 페로브스카이트 구조의 금속 산화물을 사용한다. 반면 전도 경로형은 전압 방향보다는 전압의 절댓값에 따라 저항이 변하는 논폴라형 특성을 보이며, 주로 2원계 금속 산화물에서 나타난다. ReRAM 소자에는 이 두 원리 중 하나를 이용한 막이 사용되며, 제조사마다 특징이 있다.[106]

4. 2. 유기 재료

RRAM(저항 변화 메모리)에 사용될 수 있는 재료 중에는 유기 물질도 포함된다. 대표적인 예시는 다음과 같다.[34]

  • CuTCNQ와 같은 유기 전하 이동 복합체
  • Al AIDCN과 같은 유기 공여체-수용체 시스템

4. 3. 페로브스카이트 기반 ReRAM

페로브스카이트는 열적 또는 이온 저항 스위칭 효과를 나타내는 물질 중 하나로 ReRAM에 사용될 수 있다.[34] 대표적인 예시로는 Sr(Zr)TiO3[41] 또는 PCMO 등이 있다.

금속 산화물을 사용하는 ReRAM의 작동 원리 중 하나인 전계 유기 거대 저항 변화는 계면에서의 저항 변화에 기반한다. 이러한 계면형 저항 변화는 페로브스카이트 구조를 가진 금속 산화물에서 주로 나타나며, 인가된 전압의 방향에 따라 저항이 변하는 바이폴라형 거동을 보인다.[106]

5. 응용 분야

(내용 없음)

5. 1. 기존 메모리 대체

ReRAM은 기존의 다른 메모리 기술과 비교했을 때 여러 장점을 가진다. PRAM과 비교하면, ReRAM은 더 빠른 속도로 작동하는데, 스위칭 시간이 10ns 미만이다.[89] MRAM과 비교했을 때는 더 단순하고 작은 셀 구조(8F² 미만)를 가진다는 장점이 있다.[89] 특히, 다이오드 하나와 저항 스위칭 소자 하나를 수직으로 쌓는 1D1R(하나의 다이오드, 하나의 저항 스위칭 장치) 구조를 사용하면, 크로스바 메모리 구조에서 단위 셀 크기를 4F²(F는 특징 치수)까지 줄일 수 있어 높은 집적도를 달성할 수 있다.[89] 또한, 플래시 메모리나 레이스트랙 메모리와 비교했을 때 낮은 전압으로도 작동하므로, 저전력 소모가 중요한 응용 분야에 유리하다.[89]

ITRI는 ReRAM이 30nm 이하의 미세 공정에서도 구현 가능함을 보여주었다.[90] 산화물 기반 ReRAM의 작동 원리인 산소 원자의 이동은 2nm 정도의 매우 작은 영역에서도 일어날 수 있는 것으로 연구되었다.[91][92] 메모리 셀 내부에 형성되는 전도성 필라멘트가 메모리 작동의 원인일 경우, 셀 크기가 작아져도 필라멘트의 크기는 직접적으로 줄어들지 않을 수 있다.[93] 대신, 외부 저항 등으로 전류를 제한하여 필라멘트의 전류 전달 능력을 조절할 수 있다.[94]

하지만 ReRAM의 잠재력을 실현하기 위해서는 해결해야 할 과제도 있다. 특히 메모리 셀이 대규모로 배열될 때 발생하는 누설 전류, 즉 스니크 경로(sneak path) 문제가 중요한 장애물이다. 2010년에는 이 문제를 해결하기 위한 방안으로 상보적 저항 스위칭(CRS) 기술이 제안되었다.[95] CRS 방식은 정보를 저장할 때 고저항 상태와 저저항 상태(HRS/LRS 및 LRS/HRS)를 쌍으로 사용하여 전체 저항을 항상 높게 유지함으로써, 더 큰 규모의 수동 크로스바 배열을 가능하게 한다.[95]

초기 CRS 방식은 데이터를 읽을 때 셀 상태가 변할 수 있는 파괴적 판독 방식을 사용했기 때문에 스위칭 내구성에 한계가 있었다. 이를 개선하기 위해 용량(capacitance) 측정을 기반으로 하는 새로운 비파괴적 판독 방식이 제안되었으며, 이는 재료의 내구성과 전력 소비 요구 사항을 낮출 수 있다.[96] 또한, 스니크 경로 문제를 피하기 위해 2개의 층으로 구성된 구조를 사용하여 저저항 상태(LRS)에서의 비선형성을 만드는 방법[97]이나, 단일 층 구조에서도 강한 비선형 전도성을 보이는 소자[98], 고저항 상태(HRS) 및 안정성을 개선하기 위한 또 다른 2층 구조[99] 등이 연구되고 있다.

스니크 전류 문제를 해결하는 또 다른 접근법은 선택된 셀에 데이터를 쓰는('설정') 동안, 해당 셀이 속한 행 전체에 걸쳐 읽기 및 리셋 작업을 병렬로 수행하는 것이다.[100] 이 방식은 3차원 구조의 ReRAM(3D-ReRAM)에서 특히 유용할 수 있으며, 저전류 ReRAM 시스템에서 구현 가능성이 입증되었다.[101]

ReRAM을 비롯한 비휘발성 메모리(예: MRAM, PCM)를 사용한 2차원 및 3차원 캐시 메모리 설계는 DESTINY[102]와 같은 도구를 사용하여 모델링할 수 있다.

5. 2. 뉴로모픽 컴퓨팅

인공지능의 많은 발전에서 증가하는 계산 요구 사항으로 인해 ReRAM 구현이 인공 지능 및 머신 러닝 응용 프로그램을 실행하는 데 매우 유용한 하드웨어가 될 수 있다는 추측이 많다.[103]

스탠퍼드 대학교 공과대학 연구원들은 "메모리 자체 내에서 AI 처리를 수행하여 컴퓨팅 장치와 메모리 장치 간의 분리를 없애는" RRAM을 개발했다. 이는 최첨단 기술보다 에너지 효율이 두 배 높다.[104]

5. 3. 기타 응용 분야

인피니언 테크놀로지스는 ReRAM 기술을 전도성 브릿징 램(CBRAM)이라고 부르며, NEC는 "나노브릿지", 소니는 "전해 메모리"라는 이름으로 유사 기술을 개발하고 있다. 최근 연구에서는 CBRAM 기술이 3D 프린팅에도 적용될 수 있는 가능성이 제시되었다.[86][87]

또한, 양자점을 기반으로 한 비휘발성 저항 메모리 장치도 연구되고 있다. 이 장치는 10 ns의 빠른 스위칭 속도와 10,000:1의 높은 ON/OFF 비율을 가지며, 10만 번의 스위칭에도 견딜 수 있는 우수한 내구성을 보여주었다. 안정적인 데이터 보존 능력과 재현성도 확인되었다. 작동 원리는 산화알루미늄(AlOx) 장벽을 이용하여 양자점에 전하를 가두는 방식으로 추정되며, 이는 ON/OFF 상태에서 정전 용량 값의 뚜렷한 변화를 통해 뒷받침된다.[88]

인공지능(AI) 분야의 발전으로 계산 요구량이 증가함에 따라, ReRAM은 인공지능 및 머신 러닝 응용 프로그램을 실행하는 데 유용한 하드웨어로 주목받고 있다.[103] 스탠퍼드 대학교 공과대학 연구진은 메모리 자체에서 AI 처리를 수행하여 컴퓨팅 장치와 메모리 장치 간의 분리를 없애는 방식의 RRAM을 개발했다. 이 기술은 기존 기술보다 에너지 효율이 두 배 더 높은 것으로 알려졌다.[104]

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