Resistive switching behaviors of unipolar nonvolatile memory for flexible device applications

Abstract

오늘날 트랜지스터 및 메모리 소자와 같은 전자 소자를 유연, 또는 투명하거나 신축성이 있도록 제작하는 시도가 늘어나고 있다. 하지만, 전자 소자에 가장 많이 사용되는 기판인 실리콘은 이러한 특성이 거의 없다. 실리콘 기판의 한계를 극복하기 위해 휘어지는 기판과 휘어지는 반도체 물질을 탐색하는 연구가 진행되고 있다. 플라스틱 필름, 섬유 종이 또는 테이프와 같은 많은 종류의 기판이 휘어지는 전자 소자를 제작하기 위해 기판으로 사용되고 있다. 이 중 테이프는 유연성, 부착성 및 저렴한 가격 등 기판으로 활용되기에 좋은 특성을 가지고 있다. 한편, 유기물은 유연성이 우수하여 휘어지는 전자 소자의 활물질로 사용되고 있다. 유기 저항변화 메모리는 유기 재료의 다양성, 저렴한 소자 제조 비용, 인쇄 가능성 등과 같은 여러 장점을 갖는 유망한 데이터 저장 기술이다. 그러나 유기 저항변화 메모리 소자에서 저항 스위칭 현상의 메커니즘은 명확하게 이해되지 않았다는 문제점이 있다. 먼저, 휘어지는 메모리 소자를 만들기 위해 시판되는 테이프를 기판으로 사용하여 메모리를 제작하였다. 휘어지는 기판인 테이프 위에 8 X 8 어레이의 비휘발성 저항변화 메모리 소자를 제작했다. 메모리 소자 구조는 Au/AlOx/Au/AlOx/Al/tape 이다. 제조 공정은 저온, 건식 공정을 활용하여 테이프 기판의 손상 없이 메모리 소자를 제작할 수 있었다. 제작된 메모리 소자는 전형적인 단극성 비휘발 저항변화 메모리 특성을 나타냈다. 메모리 소자는 ~3.5 V에서 ON 상태로 바뀌고 5 V 후에 음의 기울기 영역을 나타내며, ~10 V에서 OFF 상태로 바뀌었다. 메모리 소자는 높은 ON/OFF 비율, 우수한 재현성, 우수한 안정성, 그리고 높은 수율을 나타냈다. 특히 ON/OFF 비율은 ~10^4으로 높았으며 장치는 200 번 이상의 읽기/쓰기 동작을 견뎌냈다. 소자의 데이터 유지 시간은 ~10^4 초 이상이었다. 수율은 ~68 %로 나타났으며, 이 메모리 소자는 극도로 휘어진 상태에서도 안정적인 전기적 특성을 보여주었다. 휘어지는 저항변화 메모리 소자를 제작하였으나, 뚜렷한 단극 저항변화 메모리의 작동원리는 밝혀지지 않은 상황이었다. 이에 단극 저항변화 메모리의 작동원리를 조사하기 위해 메커니즘 탐구에 적합한 새로운 단극 저항변화 메모리를 제작하였다. 메모리 소자에 일정한 전압 스트레스를 메모리 소자에 인가하였고, 시간에 따른 전류 동작을 조사하였다. 이 측정에서 가해진 스트레스 전압은 ON 상태로 만들기 위한 알려진 문턱 전압보다 낮음에도 불구하고 전류는 급격하게 증가하였고 결국 메모리 소자는 ON 상태에 도달했다. 낮은 전압 스트레스 하에서 ON 상태에 도달하는 데 필요한 시간의 분포는 Weibull 분포로 설명할 수 있었다. 켜지는 데 걸리는 시간에 대한 통계 분석을 통해 전류의 급격한 증가가 일정한 확률 법칙을 따르는 것을 발견하였다. 시간이 지남에 따라 전류가 증가할 확률은 동일한 전압 스트레스 하에서 OFF 상태와 모든 중간 저항 상태에서 일정하게 나타났다. 스트레스 전압이 증가함에 따라 전류가 증가할 확률은 기하 급수적으로 상승했다. 이러한 통계적 분석을 통해 메모리가 켜지는 과정은 활물질 내부에 전류가 잘 통하는 percolation network 통로가 확률적으로 형성되며 저항값이 낮아진다고 추정하였다. 박사학위 과정 동안의 연구에서 단극 저항변화 메모리를 활용하여 휘어지는 메모리 소자를 제작하였고, 단극 저항변화 메모리 소자의 작동원리에 대하여 탐구하였다. 본 연구를 통하여 단극 저항변화 메모리 소자의 작동원리의 많은 부분을 이해할 수 있었으며, 메모리 소자의 효율적으로 활용하기 위한 작동 방식을 제시하였다. 또한, 이 연구는 앞으로 더 향상된 단극 저항변화 메모리를 제작할 수 있도록 돕는 발판을 제공하였다.

Nowadays, electronic devices such as transistors and memory devices have become flexible, transparent, or stretchable. Si which has been the most commonly used substrate for electronic devices barely has these properties. To overcome the limitation of Si for flexible electronic devices, researchers have been looking for flexible substrates and flexible active materials. Many kinds of substrates such as plastic films, fiber papers, or tapes have been used for flexible application. Among these, the scotch tape can be a good flexible substrate with good flexibility, attach-ability, and low price On the other hand, organic materials have also been used as active materials of flexible electronic devices because of their good flexibility. Organic resistive memory is one of the promising data storage technologies due to several advantages such as versatility of organic materials, low-cost device fabrication, and application on printable and flexible devices. However, the mechanism of the resistive switching phenomenon in organic resistive memory devices has not been clearly understood In this regard, first, I have fabricated 8 X 8 arrays of non-volatile resistive memory devices on a commercially available tape as the flexible substrate. The memory device structure was Au/AlOx/Au/AlOx/Al/tape. The fabrication process to make memory devices was dry and did not require a high-temperature process. Therefore, the tape substrate did not suffer from any damage during the fabrication. The fabricated memory devices showed typical unipolar non-volatile resistive memory property. The memory devices were turned to ON-state at ~3.5 V and turned to OFF state at ~10 V, showing a negative differential region after ~5 V. The memory devices exhibited a high ON/OFF ratio, good reproducibility, good stability, and high yield. Specifically, the ON/OFF ratio was high as ~10^4, and the devices endured over 200 cycles of reading/writing process. The retention time of the devices was longer than ~10^4 s. I observed that ~68 % of the total fabricated memory cells were well-operated. More importantly, the devices showed stable electrical properties under various bending conditions. Although flexible memory devices were fabricated, the operating mechanism of the unipolar resistive memory device was still not clear. I investigated the time-dependent current behavior of unipolar-type memory devices under constant voltage stress. In this measurement, the current abruptly increased several times and reached ON state even when the applied stress voltage was below the turn-on voltage which was obtained from voltage sweeping. The distribution of the time required to reach ON state (denoted as turn-on time) could be described with Weibull distribution which has often been used for time-dependent gate dielectric breakdown in semiconductor transistors. Through statistical analysis of the turn-on times, I found that the abrupt increase of current followed a specific probability law. The probability of current increase over time was found to be constant in the OFF state and in all intermediate resistance states under the same voltage stress. The probability exponentially increased as the stress voltage bias increased. Through the statistical analysis, I estimated that the process of turning on the memory is probabilistically forming a conducting percolation network through which the current passes through the active layer. During my thesis study, I fabricated flexible memory devices using unipolar resistive memory and investigated the switching mechanism of unipolar resistive memory devices. This research has led to understanding a large part of the switching mechanism of unipolar resistive memory devices and suggested operating methods for efficient use of the memory devices. Furthermore, this research may provide a foothold to manufacture more improved unipolar resistive memory devices in the future.