Flexible electronics have been extensively investigated in order to realize system-on-plastic (SoP) ap-plications as the next generation technology in various areas, including flexible displays, artificial skin, wear-able computing devices, e-paper, and bio-integrated medical devices. In particular, flexible memory is con-sidered as an essential component for SoP applications due to its vital role in data processing, storage, and communica-tions with other devices. A number of research groups have reported a variety of organic based flexible memory devices such as flash memory, resistive memory, and ferroelectric memory, directly fabri-cated at relatively low temperature on flexible substrates using spin-coating, roll-to-roll, and other processes. Although these organic-based flexible memories have been well-established with the capability of achieving flexible electronics over large areas in a cost-effective manner, there are still big challenges in developing high-density flexible memory with high performance, including how to resolve insufficient performance arising from inherent material proper-ties and the non-compatibility with complementary metal？oxide？semiconductor (CMOS) processes.
To solve these limitations, there have been attempts to transfer printed inorganic materials onto flexi-ble substrates as a method of incorporating the outstanding performance of inorganic materials processed at high temperature on rigid substrates. Several conceptual high-performance devices, such as integrated cir-cuits, inorganic light-emitting diodes, and nanogenerators, have been successfully fabricated by transferring micropatterned inorganic nanomembranes onto flexible substrates. This transfer printing method has enabled excellent electrical performance, exceeding those previously demonstrated on plastic substrates.
Chapter 2 describes a resistive random access memory (RRAM) with a one diode-one resistor (1D-1R) architecture in a passive matrix array on flexible substrates. The selection diode is integrated to prevent cell-to-cell interference during memory operation by utilizing its rectifying property. To fabricate single crystal silicon diodes as high performance selection devices of memory, single crystal silicon membranes, which had been doped at high temperature above $950^\circ C$, are arrayed on a plastic substrate by using transfer printing method. The integrated diodes exhibit high-performance electrical properties with a high rectifying ratio of $10^5$ at ±1 V and a current density of $10^5 A/cm^2$ in the forward bias region. The resistance switching phenome-non of 1D-1R memory occurs stably and consistently in repeated DC weep and pulse mode. By integrating high-performance single crystal silicon diodes with plasma-oxidized resistive memory, cell-to-cell interference between adjacent memory cells is effectively prevented, and random access operation of a 1D-1R flexible memory device is thereby successfully performed on a plastic substrate.
However, the difficulties of multilayer metal interconnection caused by the inevitable alignment inac-curacies during the transfer process aggravated attempts to scale down to nanometer regime. In particular, putting aside the expense of silicon-on-insulator (SOI) wafers, the fundamental thermal instabilities of poly-mers limit their integration with other functional electronic materials/devices because a high-temperature pro-cess is required after transfer printing, which is incompatible with polymer materials, and this has consistently restricted the achievement of high-density flexible memory for SoP technology.
To overcome these issues, there have been novel approaches for fabricating inorganic-based flexible electronic devices that have been fully fabricated on rigid substrates at high temperature to flexible sub-strates. Among approaches for completing the inorganic-based flexible devices, silicon wafer thinning tech-nology is preferred due to compatibility with CMOS and roll-to-roll process. After finishing the whole semi-conductor processes, wafer thinning process can be adopted for fabricating flexible electronic devices by uti-lizing CMP and etching processes. Furthermore, the demand for flexible electronic packaging technology is growing in order to realize packaging completed flexible/wearable devices. Although remarkable progress in flexible electronic devices has been achieved thus far, the electronic packaging technology for flexible elec-tronic devices is still in its infancy.
In chapter 3, to address above mentioned limitations, we demonstrates ACF packaged ultrathin Si-based flexible NAND flash memory by employing a simple method. Through delicate etching of the bottom silicon of the SOI wafer, flip-chip bonded device is thinned, and then highly flexible packaging completed Si-based device can be fabricated without cracks nor wrinkles. The contact resistance and the daisy-chain re-sistance successfully remains stable even when the device is severely bent, retaining its value during the 300,000 cycles of repetitive bending. By this method, packaging-completed Si-based flexible NAND-type flash memory array can be fabricated for the first time, which shows memory operation (read/write/erase) and endurance/retention stability as in the rigid device even under 2000-cycles of bending, demonstrating the simplicity and convenience of this method.
In chapter 4, we report a conceptual strategy for the fabrication of packaging-completed flexible NAND flash memory using wafer thinning/bonding method via wafer thinning technique based on wet etch-ing process and roll-packaging process. The 16 × 16 flash memory arrays for 256 bit of flexible memory are fabricated on a SOI wafer (200 μm in thickness) using a conventional microfabrication process, and then subsequently interconnect to FPCB substrate through wet etching process of bottom Si (thinning) and roll-packaging process (bonding). The memory operation of the fabricated flexie NAND flash device is success-fully performed under bended condition. Finally, addressing tests of the 16 × 16 flash memory arrays, formed on FPCB substrates, are successfully evaluated in a variety of cases, which is directly related to its compati-bility with flexible nonvolatile memory applications.
유연 전자기기는 뛰어난 휴대성, 사용자 친화적 인터페이스 등의 장점으로 차세대 전자기기로서 주목 받고 있다. 이러한 유연 전자기기의 상용화를 위해서, 유연 전자기기의 구성 요소 중 유연 비휘발성 메모리는 데이터 처리, 데이터 저장 및 외부기기와의 통신을 위해 반드시 구현되어야 할 전자소자로 여겨지고 있다. 지금까지 많은 연구자들이 스핀코팅(spin-coating), 롤-투-롤(roll-to-roll) 등의 공정을 이용해 플라스틱 기판 상에 유기물을 이용한 플래쉬 메모리, 강유전체 메모리, 저항 변화 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 박사학위 논문에서는 이러한 단점들을 극복하기 위해 고성능의 무기물질을 이용한 유연 비휘발성 메모리를 제작하는 공정 및 제작된 소자의 전기적 특성평가 방법을 제시하고 있다.
두 번째 장에서는 완전구동 가능한 one diode-one resistor 구조의 RRAM를 개발하였다. 선택 소자로서 유연한 고성능의 단결정 다이오드를 제작하기 위하여 SOI 기판에서 $950^\circ C$ 이상의 온도에서 도핑 공정을 완료한 실리콘 박막을 플라스틱 기판에 전사하고 이 실리콘 다이오드에 $Cu_xO$ 저항변화 메모리를 스퍼터링과 플라즈마 옥시데이션 공정을 이용해 집적하였다. 안정성과 신뢰성을 평가하기 위하여 보존성 및 내구성 측정을 진행하였으며, 개발된 소자는 뛰어난 굽힙 특성을 보여주었다. 최종적으로 제작된 유연 메모리 소자는 실리콘 다이오드의 정류특성으로 인해서 플라스틱 기판 상에서 주변 메모리 셀간의 간섭없이 성공적인 랜덤 액세스 구동을 증명하였다.
세 번째 장에서는 패키징 공정이 완료된 유연 낸드 플래시 메모리를 개발하였다. 이방성 도전 필름(anisotropy conductive film, ACF)을 이용하여 패키징 공정이 완료된 실리콘 기반의 낸드 플래시 메모리의 제작을 위해서, 먼저 반도체 공정을 이용하여 SOI 기판에서 낸드 플래시 메모리를 제작하였다. 이후, 플립칩(flip-chip bonding) 공정을 이용하여 패키징 공정을 적용하고 이에 SOI 웨이퍼의 뒷면 실리콘을 KOH 용액을 이용한 습식 식각 공정을 통해 제거하여 유연한 특성을 갖는 플래시 메모리 소자의 제작을 완료하였다. 이방성 도전 필름을 통해 패키징 공정이 완료된 실리콘 기반의 낸드 플래시 메모리는 안정적인 보전성, 내구성 그리고 굽힙 특성을 보여주었다. 최종적으로는 낸드 플래시 메모리를 우리가 원하는 패턴으로 쓰기/읽기 동작을 수행하여 64 bit의 모든 메모리 셀이 오류 없이 메모리 구동이 가능함을 증명하였다.
네 번째 장에서는 세 번째 장과는 달리 먼저 SOI 웨이퍼의 뒷면 실리콘을 제거하고 이후 패키징 공정을 적용하여 패키징이 완료된 16 x 16 고집적 낸드 플래시 메모리를 제작하였다. 앞서 세 번째 장과 마찬가지로, 반도체 공정을 이용하여 SOI 기판에서 낸드 플래시 메모리를 제작하고 웨이퍼를 얇게하는 공정에서의 보호와 패키징 공정에 적용하기 위해 handle wafer로 유리 기판을 이용하여 메모리 소자에 부착하였다. 이에 KOH 용액을 이용한 습식 식각 공정으로 SOI 웨이퍼의 뒷면 실리콘을 제거한 후, 양산성의 향상을 위해 롤투롤 공정을 통해 패키징 공정을 적용하였다. 마지막으로 handle wafer인 유리 기판을 레이저 리프트 오프 공정(laser lift-off)으로 떼어내어 유연한 낸드 플래시 메모리를 제작하였다. 제작된 유연 메모리는 안정적인 비휘발성 메모리 구동을 보여주었다.
본 박사학위 논문에서는 유연 비휘발성 메모리를 전사인쇄 공정 및 웨이퍼를 얇게 만드는 공정 기술을 통해 제조 가능한 유연 메모리 소자의 제작 방법을 제시하였다. 제시된 이러한 방법들은 유연 전자기기의 필수구성요소인 유연 비휘발성 메모리의 제작을 가능케 함으로써 차후 후속 연구를 통해 고성능의 유연 비휘발성 메모리 소자를 상용화 할 수 있는 기반 기술이 될 것이라 생각된다.
