Engineering Synaptic Behaviors of ReRAM Device for the Hardware Neuromorphic System

Abstract

기존 폰노이만 방식의 컴퓨터와 달리 인간의 두뇌를 모방한 뉴로모픽 시스템은 매우 낮은 소비 전력(~15W)과 자가 학습 능력을 갖기 때문에 현재 차세대 전자 소자로 각광받고 있다. 하드웨어 뉴로모픽 소자를 구현하기 위하여 우수한 특성의 시냅스 소자 제작에 필수적이며 이는 학습과 기억에 관여하는 필수 요소 중 하나이다. 시냅스 소자는 고밀도의 집적도, 저전력 동작, 선형적이고 대칭적인 컨덕턴스 변화, 우수한 재현성 등의 물리적, 전기적 특성이 충족되어야 한다. 다양한 차세대 메모리 소자를 이용한 시냅스 소자 구현에 대한 연구가 진행되고 있으나, 그 중에서도 특히 저항성 메모리(ReRAM) 에 대한 연구가 활발히 이루지고 있다. 이는 ReRAM의 간단한 구조, 저전력 구동, Complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) 호환성 등의 장점으로 인하여 이상적인 시냅스 소자를 구현할 수 있는 가능성이 크기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 시냅스 소자 구현을 위하여 다양한 구조의atomic layer deposition(ALD) 기반 ReRAM 소자를 제작하였다. 제작된 각 소자들의 I-V 그래프를 도출하여 안정적인 저항성 스위칭을 나타내는 것을 입증하였다. 또한 각 소자들로부터 우수한 시냅스 특성을 도출하기 위하여 두 가지 방식의 실험을 설계하였다. 첫번째 실험은 기존 HfO2 스위칭 층 위에 TaOx 층을 삽입함으로써 스위칭 층 내의 산소 공공의 농도를 제어하여 안정적이고 점진적인 컨덕턴스 변화를 도출하였고, 두번째 실험은 새로운 유형의 펄스 측정 방법을 제안하여 상충 관계인 컨덕턴스의 선형성과 컨덕턴스 비율을 동시에 향상시켰다. 이를 통하여 제작된 ReRAM 기반 시냅스 소자들이 우수한 특성으로 하드웨어 뉴로모픽 시스템에 적용 가능할 것이라는 가능성을 입증하였다.