리튬 이온 기반 멤리스터 커패시터 병렬 구조의 저항변화 특성 연구

A Study on the Resistve Switching Characteristic of Parallel Memristive Circuit of Lithium Ion Based Memristor and Capacitor

본 연구에서는 멤리스터 소자의 높은 신뢰성을 확보하기 위해 소자 제작 단계에서 30 nm 두께의 ZrO2 금속산화물 박막 위 국부영역에 리튬 filament seed 층을 패턴하여 작은 이온반경의 리튬이온을 저항변화 주체로 활용하는 멤리스터 소자를 구현하였다. 패턴 된 리튬 filament seed 대비 다양한 상부전극의 면적을 적용하여 멤리스터-커패시턴스 병렬 구조의 이온형 저항변화 소자에서 커패시턴스가 filament type 저항변화 특성에 미치는 영향을 조사하고자 하였다. 이를 위해 ZrO2 박막 위에 5 nm 두께, 5 ㎛ × 5 ㎛ 면적의 리튬 filament seed 증착 후 50 ㎛, 100 ㎛ 직경의 상부전극을 증착, 리튬 메탈의 확산을 위한 250℃ 열처리 전 후 샘플에서 저항변화 특성을 확인하였다. 열확산에 의해 형성된 전도성 filament의 경우 전압에 의한 제어가 불가함을 확인하였으며, 전압에 의해 형성된 filament만이 electrochemical migration에 의한 가역적 저항변화 특성 구현이 가능한 것을 확인하였다. 전압에 의한 filament 형성 시 병렬로 존재하는 커패시턴스의 크기가 filament의 형성 및 소실에 중요한 인자임을 확인하였다.

In this study, in order to secure the high reliability of the memristor, we adopted a patterned lithium filament seed layer as the main agent for resistive switching (RS) characteristic on the 30 nm thick ZrO2 thin film at the device manufacturing stage. Lithium filament seed layer with a thickness of 5 nm and an area of 5 ㎛ × 5 ㎛ were formed on the ZrO2 thin film, and various electrode areas were applied to investigate the effect of capacitance on filament type memristive behavior in the parallel memristive circuit of memristor and capacitor. The RS characteristics were measured in the samples before and after 250℃ post-annealing for lithium metal diffusion. In the case of conductive filaments formed by thermal diffusion (post-annealed sample), it was not available to control the filament by applying voltage, and the other hand, the as-deposited sample showed the reversible RS characteristics by the formation and rupture of filaments. Finally, via the comparison of the RS characteristics according to the electrode area, it was confirmed that capacitance is an important factor for the formation and rupture of filaments.