High performance floating gate memories using graphene as charge storage medium and atomic layer deposited high-k dielectric layers as tunnel barrier

Taşınabilir elektronik cihaz teknolojisinde süregelen gelişim ile birlikte düşük güç tüketimi, gelişmiş veri tutma oranı ve daha yüksek çalışma hızı, modern flaş bellek teknolojisi tarafından talep edilen özellikler haline gelmiştir. Ayrık yük yakalama ortamı taşıyan flaş bellek aygıtları, geleneksel ikincil kapılı hafıza teknolojisine alternatif bir çözüm olarak kabul edilmektedir. Yük depolama ortamı olarak Si-nitrür kullanarak geliştirilmiş flaş bellekler dayanıklılık, daha iyi ölçekleme yeteneği ve basit üretimi nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır. Tünelleme ve kontrol bariyerleri olarak Atomik katman kaplama (ALD) tekniğiyle üretilmiş yüksek-k dielektrikli filmlerin kullanımı, daha küçük yapıların üretimine ve verinin tutulma zamanını etkilemeksizin daha fazla yük tutulumuna elverdiğinden flaş bellek yapıları için çok önemlidir. ALD tekniği tam olarak kontrol kalınlığı ve yüksek konformalite sağlayabildiğinden deliksiz yüksek-k dielektrikli film büyütülmesi için çok güçlü bir tekniktir. Flaş bellek aygıtları için yük yakalama aracı olarak grafen kullanılması, geliştirilmiş yük depolama kapasitesine sahip daha küçük ölçekli aygıtlar elde etmek açısından umut vericidir. Grafen, derin enerji seviyelerinde daha fazla yük tutulabilecek yer bulunması nedeniyle etkili bir yük depolama ortamı olarak görülmektedir.Bu tez çalışmasında, ALD ile büyütülmüş tünel katmanı olarak HfO2/AlN ve kontrol katmanı olarak Al2O3 malzemeler içeren grafen flaş bellek cihazları imal edilir. Grafen oksit nanotabakalar Hummers yöntemi ile doğal grafitin asit eksfoliyasyonu ile elde edilmektedir. Grafen tabakası suda çözünür grafen oksit süspansiyonunun döndürerek kaplanması ve ısıl tavlama işlemi ile elde edilir. Histerezis penceresi, veri saklama oranı ve elektron/deşik depolama mekanizmalarını içeren bellek performansı yüksek frekansta kapasitans-voltaj ölçümleri yapılarak belirlenir. Grafenin cihaz performansına etkisini karşılaştırmak için, yük saklama ortamı olarak Si-zengin SiN tabaka kullanan özdeş flaş kapasitörler imal edilmiş ve karakterizasyonu yapılmıştır. Si-nitrür filmler yüksek SiH4/NH3 gaz akış oranı ile plazma destekli kimyasal buhar biriktirme sisteminde kaplanmıştır. Grafen flaş bellek cihazları üstün bellek performansı gösterir. Si-nitrür temelli hücrelerle ile karşılaştırıldığında, histerezis pencere, veri tutma performansı ve programlama hızı grafen kullanımı ile önemli ölçüde geliştirilmiştir. Elektron depolama için grafen flaş bellek 5 V gerilimde ve 100 ns darbe süresi ile 1.2 V düz bant kayması sağlar. Grafenin yük depolama ortamı ve ALD ile büyütülen yüksek-k dielektriklerin tünel ve kontrol katmanları olarak kullanılması mevcut flaş teknolojisini geliştirir ve en az 10 yıllık saklama, düşük voltajda çalışma, hızlı yazma performansı ve CMOS-uyumlu fabrikasyon gibi gereksinimleri karşılar.Anahtar kelimeler: Flaş bellek, grafen, yüksek-k dielektrikler, ALD