Alternatieve kanaalmaterialen voor 3-D NAND geheugen

Heden ten dage is intensief gebruik  van consumenten-elektronicatoestellen zoals smart phones, tablets, computers, GPS systemen, elektronische gezondheidstoestellen, muziekspelers en digitale foto- en videocamera’s onlosmakelijk verbonden met de moderne maatschappij. Bijgevolg is de markt voor deze toestellen een van de snelst groeiende markten ter wereld. De onophoudelijk toenemende vraag naar dezedraagbare apparaten waarin grote hoeveelheden gegevens opgeslagen moeten worden heeft geleid tot een uitzonderlijke groei van de markt voor niet-vluchtig geheugen. Niet-vluchtig geheugen is geheugen dat de opgeslagen informatie onthoudt, zelfs wanneer de voeding uitgeschakeld is. Aangezien iedere toepassing verschillende noden heeft zijn er verschillende geheugens op de markt: harde schijven, magneetband, optische schijven zoals CD, NAND en NOR Flash geheugen enzovoort. De meest gebruikte geheugens voor massaopslag zijn harde schijven en NAND Flash geheugens. Harde schijven zijn gebaseerd op ronddraaiende magnetische schijven gecombineerd met magnetische koppen om gegevens op die schijven te lezen en schrijven. NAND flash daarentegen is een halfgeleidergeheugen dat volledig als halfgeleiderschakeling is gebouwd, en bijgevolg geen bewegende delen heeft. Ondanks de hogere kost per bit t.o.v. harde schijf is NAND Flash een sterke drijfkracht voor de halfgeleiderindustrie geworden dank zij de beproefde schaalbaarheid, laag vermogensverbruik en duurzaamheid van dit geheugen die van wezenlijk belang zijn voor draagbare toepassingen.

Aangezien klassieke planaire NAND Flash de grenzen van de schaalbaarheid bereikt heeft werd 3D NAND geheugentechnologie voor het eerst in 2014 in massaproductie genomen. De derde dimensie wordt benut door NAND cellen op elkaar te stapelen, zodat niet alleen de densiteit van het geheugen sterk verhoogd wordt, maar ook de kost per bit verminderd wordt. In tegenstelling tot planaire NAND kan 3D NAND geen gebruik maken van het monokristallijne siliciumsubstraat als transistorkanaal, en moet dus een ander kanaalmateriaal gebruikt worden. In de industrie wordt nu polykristallijn silicium (poly-Si) gebruikt. De geleiding doorheen poly-Si wordt echter bepaald door de distributie van korrelgroottes en gehinderd door verstrooiing aan korrelgrenzen en geladen defecten. Bijgevolg is de stroom (ID) bij  het lezen van het geheugen laag en onstabiel, en wordt deze nog kleiner wanneer meer cellen gestapeld worden zodat poly-Si op lange termijn geen duurzame oplossing is voor het verder schalen van 3D NAND. Dit doctoraat is een inspanning om alternatieve kanaalmaterialen met hogere mobiliteit dan poly-Si te onderzoeken, als mogelijke oplossing om 3D NAND verder te schalen naar toekomstige generaties.