High performance floating gate memories using graphene as charge storage medium and atomic layer deposited high-k dielectric layers as tunnel barrier
Yük depolama ortamı olarak grafen, tünelleme bariyeri olarak atomik katman kaplama tekniğiyle üretilmiş yüksek-k dielektrik kullanılarak oluşturulan yüksek performanslı ikincil kapılı hafıza yapıları
- Tez No: 336911
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. AYKUTLU DANA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Flaş bellek, grafen, yüksek-k dielektrikler, ALD, Flash memory, graphene, high-k dielectrics, ALD
- Yıl: 2013
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 100
Özet
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.
Özet (Çeviri)
With the ongoing development in portable electronic devices, low power consumption, improved data retention rate and higher operation speed are the merits demanded by modern non-volatile memory technology. Flash memory devices with discrete charge-trapping media are regarded as an alternative solution to conventional floating gate technology. Flash memories utilizing Si-nitride as charge storage media dominate due to enhanced endurance, better scaling capability and simple fabrication. The use of high-k dielectrics as tunnel layer and control layer is also crucial in charge-trap flash memory devices since they allow further scaling and enhanced charge injection without data retention degradation. Atomic layer deposition (ALD) is a powerful technique for the growth of pinhole-free high-k dielectrics with precisely controlled thickness and high conformality. The application of graphene as charge trapping medium in flash memory devices is promising to obtain improved charge storage capability with miniaturization. Graphene acts as an effective charge storage medium due to high density of states in deep energy levels.In this thesis, we fabricate graphene flash memory devices with ALD-grown HfO2/AlN as tunnel layer and Al2O3 as control layer. Graphene oxide nanosheets are derived from the acid exfoliation of natural graphite by Hummers Method.The graphene layer is obtained by spin-coating of water soluble graphene oxide suspension followed by a thermal annealing process. Memory performance including hysteresis window, data retention rate and program transient characteristics for both electron and hole storage mechanisms are determined by performing high frequency capacitance-voltage measurements. For comparing the memory effect of graphene on device performance, we also fabricate and characterize identical flash capacitors with Si-rich SiN layer as charge storage medium and HfO2 as tunnel oxide layer. The Si-nitride films are deposited with high SiH4/NH3 gas flow ratio by plasma-enhanced chemical vapor deposition system.Graphene flash memory devices exhibit superior memory performance. Compared with Si-nitride based cells, hysteresis window, retention performance and programming speed are both significantly enhanced with the use of graphene. For electron storage, graphene flash memory provides a saturated flat band shift of 1.2 V at a write-pulse duration of 100 ns with a voltage bias of 5 V. The high density of states and high work function of graphene improve the memory performance, leading to increased charge storage capability, enhanced retention rate and faster programming operation at low voltages.The use of graphene as charge storage medium and ALD-grown high-k dielectrics as tunnel and control layers improves the existing flash technology and satisfies the requirements including scalability, at least 10-year retention, low voltage operation, faster write performance and CMOS-compatible fabrication.
Benzer Tezler
- Düşük güçlü MOS tasarım yöntemlerinin incelenmesi ve bazı üniversal aktif elemanlara uygulanması
Investigation of low power MOS design methods and application to some universal active elements
PELİN DOĞAN SEKRETER
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiErciyes ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ALÇI
DR. ÖĞR. ÜYESİ ATİLLA UYGUR
- High performance CMOS FTFN design and applications
Yüksek performanslı CMOS FTFN tasarımı ve uygulamaları
UĞUR ÇAM
Doktora
İngilizce
2000
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. HAKAN KUNTMAN
- DSP tabanlı bir sistem ile anahtarlamalı relüktans motorunun kontrolu
DSP based control of switched reluctance motor
İZEL ÇİPRUT
Yüksek Lisans
Türkçe
1994
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. R. NEJAT TUNCAY
- High-level synthesis of a hardware accelerator for quaternion to Euler angles conversion
Kuaterniyondan Euler açılarına dönüşüm için donanım hızlandırıcısının yüksek seviyeli sentezi
SERKAN ŞENEL
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ RAMAZAN YENİÇERİ
- Nicelenmiş derin öğrenme ağları için FPGA tabanlı hızlandırıcı tasarımı
FPGA-based accelerator design for quantized deep learning networks
MUSTAFA TAŞCI
Doktora
Türkçe
2022
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBalıkesir ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYHAN İSTANBULLU