Flexible electronics is a spotlighted field in the approaching era of Internet-of-Things (IoT) based on its ultrathin, lightweight, and highly bendable nature, providing the strong potential to broaden the field of electronics ranging from soft appliances (e.g., wearable devices, e-papers, and rollable computers) to bio-implantable healthcare devices (e.g., artificial skins and in vivo chips). In particular, flexible memory is an essential element in achieving soft electronic systems, considering its vital functions in data processing, information storage, and communication operations. Flexible memories based on organic-, carbon-based (e.g., carbon nanotubes (CNTs) or graphene), and two-dimensional materials (e.g., $MoS_2$) have been widely studied to take advantage of their highly flexible properties and applicability of the cost-effective ambient process (e.g., spin coating, ink-jet printing, and roll-based process). Nevertheless, insufficient electrical performance (e.g., low carrier mobility), poor material properties (e.g., thermal instability and degradation), problematic issues on integration, and incompatibility with the conventional CMOS process have been an unsolved issue.
To address these problems, there have been efforts to realize flexible memories with inorganic materials directly on plastic substrates. However, various problems including limited thermal budget of the polymer substrate, imprecise multilayer alignment, and roughness issues occurred. Therefore, novel approaches have been researched to overcome the limitations in direct fabrication on plastic substrate through fabricating the memory on a conventional rigid substrate (e.g., silicon or glass wafer) with high-temperature CMOS process first, and then transferring the top thin device layer on a polymer substrates. The aim of this dissertation is to realize inorganic materials-based high-performance flexible memories ranging from mainstream charge-trap flash memory to next-generation data-storage devices (e.g., phase change memory and ferroelectric memory) by utilizing transfer technology.
In chapter 2, ACF-packaged ultrathin Si-based flexible NAND flash memory array was demonstrated on plastic substrate. Silicon-based flexible devices have received extensive attention owing to its outstanding performance, reliability and state-of-the-art CMOS compatibility, however, ultrathin Si-based device with flexible interconnections have not been demonstrated. There have been efforts to utilize anisotropic conductive film (ACF) as a packaging material which is highly elastic and resilient under various stress conditions, however, the required high pressure of the flip-chip bonding process made it difficult to apply the ACF to highly-vulnerable ultrathin silicon devices. Herein, highly-flexible and ultrathin ($1 \mum$ in thickness) Si-based NAND flash memory interconnected on plastic substrate was demonstrated by ACF-packaging the Si-based NAND device on plastic substrate first, and then delicately eliminating the sacrificial bottom Si of the wafer. Reliable interconnection and memory operation were achieved during the bending condition without physical degradation due to its mechanical stability. The work presented here suggests a useful methodology to realize various high-performance fully-packaged Si-based flexible large-scale integrated (LSI) devices.
In chapter 3, Si-based flexible NAND flash memory (f-NAND) was demonstrated on a plastic substrate through highly-productive roll-based transfer and simultaneous interconnection process. An ultrathin f-NAND chip was prepared on an intermediate transfer substrate by bonding the Si NAND flash on a rigid glass and subsequently removing the handle wafer. Roll-based flip-chip packaging technology with precise optical alignment allowed the f-NAND to be transferred and simultaneously interconnected on a flexible printed circuit board (FPCB) through thermo-compression ACF bonding. The ACF packaging materials exhibited outstanding bonding capability for continuous roll-based transfer and excellent flexibility of interconnection, because of its inherent elastic nature from the polymer-based thermo-setting resin. Non-linear elastic deformation of the dynamic roll-based bonding was investigated by a finite element analysis (FEA) to optimize the uniform pressure distribution on the FPCB with concentrated pressure on electrode bumps for reliable transfer and interconnection. Finally, the ACF-packaged Si f-NAND was successfully completed on the FPCB in a chip-on-flex structure, showing excellent flexibility and stable operations of the NAND memory. Unit flash memories with outstanding properties were connected in series to build a NAND flash string. Reliable operation of the flexible $16 \times 16$ NAND flash array was confirmed at the circuit level by programming and reading letters in ASCII codes. The results may open up new opportunities of integrating Si-based high-performance f-LSIs on plastics with the ACF packaging in highly-productive roll-based production.
In chapter 4, we demonstrate crossbar-structured flexible phase-change random access memory (f-PRAM) on plastics by highly-productive physical exfoliation technique. Phase change memory (PCM) has been considered one of the most attractive candidates in achieving next-generation flexible memories thanks to its outstanding merits such as fast switching speed, high-reliability, and excellent non-volatility. Nevertheless, critical challenges such as the effective integration of the low power-consuming PCM with the selection device and its efficient transfer to plastics remain to realize fully functional flexible PCM. In this work, an array of 1 schottky diode (SD)-1 PCM integrated cells was fabricated on rigid substrate by conventional semiconductor processes, and then physically lifted-off and transferred on flexible substrate, eliminating the problematic issues of the direct fabrication on plastics. The oxide-based SD (Pt/$TiO_2$/Ti) effectively suppressed the sneak current through the adjacent cells for the random access operation of the memory array. The chalcogenide $Ge_2Sb_2Te_5-based$ PCM operated in low switching power on plastics through the current confinement effect of the Ni filament-based nanoscale heater. The final flexible phase change random access memory demonstrated reliable memory properties on plastics during bending conditions.
유연전자기기는 매우 얇고 가벼우며 잘 휘어지는 장점이 있으며, 각종 플렉서블/웨어러블 디바이스나 생체이식소자 등의 다양한 형태로 다가오는 사물인터넷 시대에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다. 유연전자기기를 실현하는데 있어 시스템 내에서 신호처리, 정보저장, 소자 간 통신에 핵심적인 역할을 담당하는 고성능 유연 메모리는 특히 필수적으로 구현되어야 할 요소이다. 현재 유기물이나 탄소를 기반으로 한 유연 메모리가 많이 연구되고 있지만, 소재의 전기적인 특성이 낮을 뿐만 아니라 열이나 수분에 의해 쉽게 열화 되며, 집적하기 어렵고 기존 반도체공정과 호환가능하지 않다는 단점이 있다. 한편, 무기물질을 기반으로 한 메모리 소자를 직접 유연 기판상에 제작하려는 시도가 이어져왔지만, 열에 의한 고분자 기판의 특성 저하, 다층 정렬 문제, 기판 거칠기 문제 등이 해결되지 못했다.
이러한 문제들을 해결하기 위해, 실리콘이나 유리 등과 같은 기판 상에 고온 열처리를 동반하는 기존의 반도체 공정을 이용하여 고성능 메모리 소자를 제작한 이후 매우 얇은 상부 소자 층 만을 유연 기판으로 옮겨 휘어지도록 만드는 전사 기술이 활발히 연구되었다. 본 연구의 목표는, 무기 소재-기반의 고성능 메모리 소자를 유연하게 구현하기 위한 다양한 전사 기술을 개발하고, 이를 이용하여 현재의 주 보조기억메모리인 차지-트랩 플래시메모리뿐만 아니라 차세대 메모리인 상변화메모리 또한 매우 얇고 휘어지도록 구현하는 것이다.
두 번째 단원에서는, 이방성 전도필름을 이용한 유연 소자 상호접속 기술을 개발하고, 이를 이용하여 패키징이 완료된 실리콘-기반의 유연 낸드-타입 플래시메모리를 구현하였다. 실리콘-기반의 소자는 전기적인 특성이 높고 안정적으로 동작하며 최신의 반도체공정과 호환가능하다는 장점이 있지만, 매우 얇은 실리콘-기반 소자 및 이를 기판과 전기적으로 상호접속하기 위한 유연 전기접속기술이 부재하였다. 본 연구에서는 실리콘 웨이퍼에 낸드-타입의 플래시메모리를 제작하고 이방성 전도필름을 이용하여 소자를 유연 기판상에 전기적으로 상호접속 한 다음 웨이퍼의 후면을 식각하여 제거하는 방법을 이용하여, 매우 얇고 유연한 실리콘-기반 낸드 플래시 메모리를 유연 기판 상에 전기적으로 상호접속 된 형태로 구현하였다. 본 방법을 이용하여 구현된 유연 메모리 소자 및 유연 상호접속은 휘어지는 상황에서도 전기적/구조적 성능저하 없이 굉장히 안정적으로 동작하였다.
세 번째 단원에서는, 롤-기술을 기반으로 하는 전사 및 상호접속 기술을 개발하고, 이를 이용하여 유연 기판 상에 전기적으로 상호접속 된 실리콘-기반의 유연 낸드플래시 메모리를 구현하였다. 임시 지지 기판 상에 형성된 매우 얇은 실리콘-기반의 낸드 플래시메모리 소자는 이방성 전도필름을 이용한 롤-기반 플립-칩 본딩 기술을 통해 유연기판에 안정적으로 전사되었으며 동시에 전기적으로 상호접속 되었다. 이를 위해 동적 롤-기반 본딩 및 이에 의한 비선형 탄성 변형이 유한요소해석에 의해 계산되었으며, 전극 범프에만 압력이 집중될 수 있도록 공정을 최적화하였다. 최종 실리콘-기반의 낸드 플래시메모리는 칩-인-플랙스 구조로 완성되어 매우 뛰어난 유연성을 보여주었으며 낸드 어레이 내에서 아스키 코드 문자를 프로그래밍하고 읽어 들이는 어드레싱 테스트를 통해 안정적으로 동작함을 확인하였다.
네 번째 단원에서는, 물리적인 소자 박리 방법을 개발하고, 이를 이용하여 크로스바 구조의 상변화 랜덤 액세스 메모리를 유연 기판상에 휘어지도록 구현하였다. 상변화메모리는 빠른 스위칭 속도, 높은 신뢰성 및 우수한 비 휘발성이 있어 차세대 유연 메모리를 구현하는데 있어 가장 매력적인 후보 중 하나이다. 그럼에도 불구하고 낮은 전력으로 동작하는 상변화메모리, 이와 호환 가능한 선택 소자 및 이들을 유연 기판으로 옮기는 전사 방법이 부재하여 유연 상변화메모리를 구현하는 것이 어려웠다. 본 연구에서는 기존의 반도체 공정을 이용하여 단단한 기판 상에 하나의 쇼트키 다이오드와 하나의 상변화메모리로 이루어진 셀을 크로스바 형태로 집적하고 이를 물리적으로 박리하여 유연기판상에 옮김으로써 매우 얇고 유연한 상변화 랜덤 억세스 메모리를 구현하였다. 유연 상변화메모리는 휘어지는 상황에서도 물리적/전기적으로 안정적인 동작을 보여주었다.
