- 원자층증착 기반 2층 수직형 RRAM에 단기 기억과 장기 가중치 저장 기능 통합  
- 완전 하드웨어 기반 와이드 리저버 컴퓨팅으로 MNIST 91.3% 분류 정확도 달성
- 국제 학술지 ‘Advanced Science(IF=14.1)’에 연구 성과 게재

▲ 왼쪽부터 전자전기공학부 김성준 교수(교신저자), 에너지신소재공학과 김현석 교수(교신저자), 이세은 석사과정생(제1저자), 박재원 박사과정생(제1저자)

동국대학교 전자전기공학부 김성준 교수 연구팀(이세은 석사과정생(공동 제1저자), 김성준 교수(공동 교신저자))과 동국대학교 에너지신소재공학과 김현석 교수 연구팀(박재원 박사과정생(공동 제1저자), 김현석 교수(공동 교신저자))이 원자층증착(ALD) 기반 2층 IGZO 수직형 저항변화메모리(VRRAM)에서 휘발성·비휘발성 저항변화 특성을 하나의 소자 플랫폼에서 구현하고, 이를 활용한 완전 하드웨어 기반 와이드 리저버 컴퓨팅 시스템을 개발했다.

이번 연구는 3차원 수직형 메모리를 단순한 저장 밀도 확대 수단에서 벗어나, 단기 기억과 장기 가중치 저장, 하드웨어 추론 연산을 하나의 소자 플랫폼에 통합한 사례로, 향후 적층 수와 집적도를 확대하면 저전력 엣지 인공지능, 실시간 센서 신호 처리 및 고집적 뉴로모픽 반도체에 활용될 수 있을 것으로 기대를 모은다.

기존 하드웨어 리저버 컴퓨팅은 단기 기억용 휘발성 소자와 학습된 가중치 저장용 비휘발성 소자를 서로 다른 재료·공정에 기반해 각각 구현하고, 출력 연산을 소프트웨어에 의존하는 한계가 있었다. 연구팀은 단일 ALD-IGZO 수직형 메모리에서 포밍(forming) 전후에 나타나는 서로 다른 저항변화 특성을 활용해 문제를 해결했다.

연구팀은 TiN 전극과 SiO2 절연층을 두 층으로 적층하고, 홀 측벽에 IGZO 저항변화층을 원자층증착 방식으로 균일하게 형성했다. 제작된 소자는 포밍 전에는 입력이 제거된 뒤 전류가 점차 감소하는 휘발성 특성을 보여 리저버로 활용됐으며, 포밍 후에는 변화된 전도도 상태를 유지하는 비휘발성 특성을 나타내 학습된 가중치를 저장하는 출력층 소자로 활용됐다. 또한 서로 다른 감쇠 응답을 갖는 복수의 리저버를 병렬로 결합한 ‘와이드 리저버 컴퓨팅’ 구조를 적용하고, 비휘발성 소자의 출력 전류를 물리적으로 합산해 핵심 곱셈·누산 연산을 하드웨어에서 수행했다.

개발된 소자는 휘발성 동작에서 5만 회, 비휘발성 동작에서 5천 회 이상의 반복 구동에도 안정적인 특성을 유지했다. 와이드 리저버 적용 결과, MNIST 손글씨 이미지 분류에서 91.31%의 정확도를 기록해 단일 리저버의 84.39%보다 향상된 성능을 보였다. Fashion-MNIST에서도 82.73%의 정확도를 달성했으며, 이미지 한 장을 처리하는 데 필요한 소자 수준 에너지는 약 3.71nJ로 평가됐다.

김성준 교수는 “이번 연구는 입력 정보 변환부터 가중치 저장, 출력 연산까지 하나의 ALD-IGZO 수직형 메모리 플랫폼 소자에서 구현했다는 점에 의미가 있다”며, “에너지신소재공학과 연구팀과의 협력을 통해 PEALD 기반 IGZO 박막을 정밀 형성하고 소자 동작을 위한 안정적 기반을 확보했다”고 밝혔다. 이어, “향후 수직 적층 구조와 소자 집적도를 확대해 고집적·저전력 하드웨어 인공지능 시스템으로 발전시킬 계획”이라고 덧붙였다.

이번 연구는 산업기술평가원의 민관공동투자 반도체 고급인력양성, 과학기술정보통신부 나노 및 소재기술개발사업 (국가전략기술소재개발_HUB)와 서울특별시가 지원하는 서울앵커센터의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 「Coexisting Volatile and Nonvolatile Switching in 3D ALD-IGZO Vertical RRAM for Fully Hardware-Based Wide Reservoir Computing」이라는 제목으로 재료·나노소자 분야 국제 학술지 「Advanced Science(IF=14.1)」에 2026년 8월 온라인 게재됐다.