Flexible electronics have attracted great attention as one of the promising future technologies, advantageous over traditional inorganic semiconductor devices on rigid substrates due to their widespread applications enabled by the mechanical bendability. Accordingly, flexible memories have been developed to realize the fully functional flexible systems with data storage ability and for the advanced system with circuital implementation. However, most of the flexible electronics and memory devices reported to date are in large feature size with relatively poor performance compared to the conventional silicon wafer-based CMOS devices and memories. The main crucial reasons arise from the definite limitations of the nature of the flexible substrates, that plastics have low thermal stability and susceptibility to chemicals. Therefore there are material limitations available on plastics, and sophisticated fabrication processes used for conventional CMOS fabrication are unavailable on plastics, resulting low performance with large feature size.
Here, we show for the first time flexible high-performance inorganic memory transistors that perform excellent memory properties with highly scaled down dimension as similar as the traditional wafer-based rigid memory devices. This achievement is realized through the introduction of the wafer thinning technique cooperating with the transfer printing process. By wafer thinning, the memory transistors made by conventional CMOS fabrication are transformed in the flexible form. The trilayer dielectric structure was implemented for charge trapping during nonvolatile memory functions, and the FinFET structure was adopted to accommo-date the floating body effect required for the 1-T DRAM operation.
The flexible nonvolatile memory characteristics presented here shows the best performance of the flexible memories in our knowledge, even satisfying the traditional technical specifications of the commercialized nonvolatile memories. In addition, flexible ultrafast 1 transistor dynamic random access memory (1T-DRAM) operation is demonstrated for the first time. Furthermore, the flexible memory transistors reported here demonstrates ‘unified memory’ characteristics that function as both the nonvolatile memory and the ultrafast DRAM in a single transistor device. Stable flexibility is confirmed that the memory transistors are not damaged withstanding the mechanical bending and the bending cycles. These results are believed to be a significant approach to the fully integrated high-density flexible systems with the processor-level functionality.
플렉시블 전자소자는 그들의 기계적 휘어짐 특성과 가볍다는 장점 때문에 기존 웨이퍼 기반 소자에 비하여 광범위한 응용 분야에 적용될 수 있으므로 차세대 미래 기술 중 한 기술로 많은 관심을 불러왔다. 또한 데이터 저장 및 회로 장치를 포함하는 고성능 플렉시블 시스템을 위하여 플렉시블 메모리 소자 연구도 활발히 연구되고 있다. 하지만, 여태까지 개발된 플렉시블 전자소자와 메모리 소자들은 기존 웨이퍼 기반 제품에 비하여 소자 크기가 클 뿐만 아니라 소자 성능 또한 떨어진다. 이는 플렉시블 기판 그 자체의 명확한 한계점 때문으로, 플라스틱은 열적 안정성, 화학적 안정성이 떨어진다. 그러므로 플라스틱 기판 상에 구현 가능한 물질에 한계점이 있으며, 또한 기존 CMOS 공정에서 사용되는 정교한 공정 기술들을 적용할 수 없다. 결국, 여태까지의 플렉시블 소자는 크기가 클 뿐만 아니라 소자 성능 또한 저성능에 머물 수 밖에 없었다.
이 논문에서는 기존 웨이퍼 기반의 메모리 소자 성능과 비슷한, 매우 우수한 성능을 가지는 플렉시블 무기물 메모리 소자를 보여준다. 이는 웨이퍼 박막화 (wafer thinning) 기술과 트랜스퍼 프린팅 (transfer printing) 기술의 조화를 통해 이루어 진다. 웨이퍼 박막화를 통하여 기존 CMOS공정을 이용해서 만들어진 우수한 성능의 메모리 소자를 휘어질 수 있도록 변형하고 이를 플라스틱 기판으로 전사함으로써 기존에는 볼 수 없었던 고성능의 플렉시블 메모리 소자를 구현하였다. 소자는 비휘발성 메모리 동작을 위한 전하 트랩핑을 할 수 있는 삼층 절연체 구조를 가지며, 초고속 1T-DRAM 메모리 동작을 위해 필요한 부유 바디 구조를 가지는 FinFET구조를 사용하였다. 이 논문에서의 플렉시블 비휘발성 메모리 특성은 기존 발표되어진 플렉시블 메모리 연구와 비교하여 가장 우수한 성능을 나타낼 뿐만 아니라, 상용화된 웨이퍼 기반의 메모리 소자의 기술적 스펙도 만족시킨다. 또한, 초고속 메모리인 1T-DRAM 메모리 특성을 플렉시블 기판 상에서 최초로 보여준다. 또한, 이 논문에서 보고되는 메모리 소자는 하나의 메모리 소자 내에서 비휘발성 메모리와 초고속 1T-DRAM 메모리의 복합기능을 수행할 수 있는 퓨전메모리이다. 아울러, 기계적 휘어짐과 반복적인 휘어짐에 따라 플렉시블 메모리 소자 성능에 영향이 없음을 보임에 따라 기계적 안정성을 확인하였다. 이러한 결과는 컴퓨터레벨의 진정한 플렉시블 시스템의 실현을 위하여 중요한 방향성을 제시한다고 여겨진다.
