Fabrication and characterization of inorganic-based flexible resistive random access memory

Abstract

유연 전자기기는 뛰어난 휴대성, 사용자 친화적 인터페이스 등의 장점으로 차세대 전자기기로서 주목 받고 있다. 유연 전자기기의 구성요소 중 유연 메모리는 데이터 프로세싱, 저장, 외부와의 통신 등에 필수적인 구성요소로서 여겨지고 있다. 현재까지 많은 연구자들이 스핀 코팅(spin-coating), 롤-투-롤(roll-to-roll) 등의 공정을 이용해 플라스틱 기판 상에 유기물을 이용한 플레쉬 메모리, 강유전 메모리, 저항변화 메모리 등을 제시한 바가 있다. 이러한 방식은 낮은 비용으로 넓은 면적에 유연 소자를 제작할 수 있다는 장점을 가지고 있지만 낮은 성능과 반도체 공정과의 비호환성이 걸림돌이 되고 있다. 본 학위 논문은 이러한 점을 극복하기 위해 뛰어난 성능을 가지고 있는 무기물질을 이용하여 유연 메모리를 제작하는 방법을 제시하고 있다. 두 번째 장에서는 반도체 공정과 소프트 리소그라피를 이용한 one transistor-one memristor 구조의 유연 메모리를 개발하였다. 트랜지스터의 액티브 층으로 활용하기 위해 도핑 된 단결정 실리콘 박막을 SOI (silicon-on-insulator) 기판으로부터 분리해 유연 기판에 전사하고 트랜지스터를 제작한다. 그 후 PEALD를 (plasma-enhanced atomic layer deposition) 이용해 비정질 TiO2 저항변화 메모리를 집적하여 유연 저항변화 랜덤 액세스 메모리를(Resistive Random Access Memory, RRAM) 개발하였다. 제작된 소자는 유연기판상에서 신뢰적이고 재현성 있는 저항변화 특성을 가지고 있었으며 100번 이상의 쓰기/지우기 및 104 초 이상의 데이터 유지 특성을 보유하고 있었다. 또한 심한 굽힘 상태에서도 소자의 성능을 유지하였으며 1000번 이상의 반복 굽힘 에서도 소자가 파괴되지 않았다. 최종적으로 제작된 유연 메모리는 플라스틱 기판 상에서 주변 셀간의 간섭 없이 성공적인 랜덤 액세스 구동을 보여주었다. 세 번째 장에서는 완전구동 가능한 one diode-one resistor 구조의 RRAM을 개발하였다. 선택 소자로서 유연한 고성능 단결정 다이오드를 제작하기 위하여 SOI 기판에서 950 °C 이상의 온도에서 도핑을 한 실리콘 박막을 유연기판에 전사하고 이에 CuxO 저항변화 메모리를 스퍼터링과 산소 플라즈마를 이용해 집적하였다. 안정성과 신뢰성을 평가하기 위하여 쓰기/지우기 및 데이터 유지 측정을 진행하였으며 제작된 소자는 뛰어난 굽힘 성능을 보유하고 있었다. 네 번째 장에서는 기존의 전사공정을 탈피하여 무기 기반 레이저 리프트 오프 공정을 (inorganic-based laser lift-off, ILLO) 도입하여 one selector-one resistor 크로스바 구조의 메모리를 유연기판에 개발하였다. 유리기판에 레이저 감응 무기물질을 증착한 후 그 위에 크로스바 구조의 메모리를 제작을 하였으며 이를 ILLO 공정을 통해 변형 없이 유연기판에 성공적으로 전사하였다. 본 개발에 활용된 물질은 모두 무기물 기반으로 높은 공정온도가 가능하였다. 실험에 앞서 유한요소 시뮬레이션을 통해 열적 손상 및 변형 없는 최적의 구조를 선정하였다. 최종적으로 전사된 메모리는 주변 셀간의 간섭 없이 성공적으로 각 셀의 데이터를 어드레싱하였다. 본 실험에서 제시된 ILLO 공정은 차후 고집적 소자에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.