Resistive Random Access Memory (RRAM) is a two-terminal structure in which an insulating film is inserted between metal electrodes. When a high voltage is applied with the current compliance set to the insulating film, a path through which the current flows is formed inside the insulating film. The RRAM writes and erases via changes of the resistances caused by opening and closing the path while switching the voltages. The RRAM is a non-volatile memory that is very easy to increase memory density due to its very simple structure and can operate at a relatively low voltage. As the absolute amount of information increases exponentially, it is attracting attention as a next-generation memory suitable for the Internet of Things (IoT) era, which requires low power in a battery-limited situation.
On the other hand, initiated Chemical Vapor Deposition (iCVD) uses a gas phase unlike a solution process, thus it is possible to deposit an ultrathin polymer film with both high purity and quality. Therefore, it is regarded as a suitable process to realize polymer-based integration circuits. However, due to the mechanism of the iCVD process, the deposited polymer has very good insulating properties. For this reason, a strong electric field must be applied to the polymer insulating layer to cause electroforming, giving rise to a problem that it is difficult to control the formed current path. Meanwhile, a method of forming a current path with metal diffusions on a polymer insulating layer using copper as an upper electrode has been reported. This report also has a limitation that it is difficult to apply directly to a low-power device because the resistances in the on-state are very low.
In this study, the RRAM based on a polymer thin film formed by copolymerizing the small number of monomers called 1,3,5-trivinyl-1,3,5-trimethylcyclotrisiloxane (V3D3) with monomers called 2-Hydroxyethyl Methacrylate (HEMA) was fabricated and its electrical properties were evaluated. Even under a strong bending radius of 3 mm (1.6 % of tensile stress), the resistances in the on-state were rather high, in the order of tens of thousands of $\Omega$, showing that it is very suitable for low-power devices. In addition, excellent Off characteristics ensured an overall On / off ratio of more than $10^3$. The on/ off states of $10^4$ sec or more were maintained and the number of operations over $10^5$ cycles was recorded. Entirely, the fabricated RRAM showed the applicability as a next-generation memory device to realize the Internet of Things (IoT) very well.
저항 변화 메모리는 금속 전극 사이에 절연막이 삽입된 2단자 구조이다. 절연막에 전류 상한을 인가한 상태로 높은 전압을 인가하면 절연막 내부에 전류가 흐를 수 있는 통로가 형성된다. 이렇게 생긴 통로를 전압을 가해 열고 닫으면서 생기는 저항 변화를 이용해 정보를 저장하는 방식으로 동작한다. 저항 변화 메모리는 매우 간단한 구조 덕분에 집적도를 높이기 매우 용이하고, 비교적 낮은 전압에서 동작이 가능한 비휘발성 메모리이므로 정보의 절대적인 양이 기하급수적으로 증가하면서 배터리 제한적인 상황에서 저전력을 요구하는 사물인터넷 시대에 매우 적합한 차세대 메모리로 주목받고 있다. 이러한 시대적 배경 속에서 가벼우면서 매우 탄력성이 좋고, 저온에서 합성이 가능한 덕분에 다양한 기판에 회로를 그릴 수 있으며 저비용으로 빠른 생산이 가능하다는 장점이 있는 고분자 물질을 기반으로 저항 변화 메모리를 만들려는 시도가 꾸준히 이루어져 왔다.
한편, 개시제를 이용한 화학 기상 증착 공정은 용액 공정과는 달리 기상을 이용하므로 매우 순도가 높고 질이 높은 고분자 박막을 수 나노미터 두께로 증착이 가능하다는 점에서 고분자 기반 집적 회로를 구현하는 데에 매우 적합한 공정으로 주목받고 있다. 그러나 공정 메커니즘상 증착된 고분자는 매우 강한 절연성을 가지게 되고, 이를 이용해 저항 변화 메모리를 제작하게 되면 전기적 포밍을 일으키기 위해 강한 전기장을 인가해야 하므로 형성되는 전류 통로를 제어하기 어렵다는 문제가 있다. 한편, 구리를 상위 전극으로 사용해 고분자 절연층에 금속 통로를 형성하는 방법이 보고되었지만 전류 통로가 형성된 상태에서의 저항이 매우 낮아 저전력 소자로 바로 적용하기에는 어렵다는 한계점이 있다.
본 연구에서는, 2-Hydroxyethyl Methacrylate (HEMA)라는 단량체에 1,3,5-trivinyl-1,3,5-trimethylcyclotrisiloxane (V3D3)라는 단량체를 소량 공중합해서 형성한 고분자 박막을 기반으로 유연 기판 위에서 저항 변화 메모리를 제작해 그 특성을 평가하였다. 3 mm의 다소 강한 굽힘 반경 하에서도(1.6 % 인장 강도) ON 상태에서의 저항이 수 만 $\Omega$ 정도로 높아서 저전력 소자에 적합한 특성을 보였을 뿐만 아니라, OFF 특성이 우수하여 전체적으로 최소 $10^3$ 이상의 On/off 전류비를 확보하였다. 아울러 $10^4$ 초 이상 On/off 상태를 유지하였으며, $10^5$ 회 이상의 동작 횟수를 기록하여 사물인터넷을 구현화 할 차세대 메모리 소자로서의 적용 가능성을 보여주었다.
