Evaluatie van alternatieve vertikale transistors voor 3D NAND toepassingen

De nood aan betrouwbare, goedkope geheugens met hoge densiteit is nog nooit zo belangrijk geweest, voornamelijk omwille van de opkomst van het
"Internet der dingen"(eng: "Internet of Things", IoT), dat een verdere uitbreiding in dataopslagmethoden zal vereisen. Flash NAND technologie heeft steeds
een belangrijke rol gespeeld bij deze voortdurende expansie en is zo een drijvende kracht in de halfgeleiderindustrie geworden. Het Flash geheugen is
kostenefficiënt, robuust, niet volatiel en heeft een hoge densiteit. De technologie heeft echter ook enkele nadelen, zoals bijvoorbeeld de lage snelheid, grote
celgrootte en het hoge energieverbruik op chip-niveau, ten gevolge van de vereiste periferie (bv. ladingspompen). Omwille van deze redenen is het interessant om onderzoek te doen naar alternatieve geheugen-technologieën die niet de nadelen, maar wel de voordelen van de Flash-geheugens kunnen behouden.

Tot op heden heeft de 3D NAND technologie geen mogelijke vervanger en binnen de opslag-klasse-geheugens (eng: "Storage Class Memory", SCM) zijn er
geen met vergelijkbare eigenschappen. Het zou zeer aantrekkelijk zijn om de problemen met 3D-NAND op te lossen, zonder in te boeten op de voordelen
ervan. Een geheugen dat daaraan voldoet zou een veelbelovende kandidaat zijn om 3D-NAND en/of opslag-type SCM’s te vervangen. De ontdekking van
ferroëlektrisch hafniumoxide (FE-HfO2) in 2010, waarvan de spontane polarisatie kan worden omgekeerd door het aanleggen van een elektrisch veld, heeft de interesse in ferroëlektrische geheugens opnieuw aangewakkerd. Ferroëlektriciteit kan snelle geheugenchips met een laag energieverbruik mogelijk maken.

In deze doctoraatsthesis wordt een nieuw geheugenconcept onderzocht, dat de voordelen van ferroëlektriciteit combineert door toepassing van FE-HfO2 filmen met verticale architectuur, waarbij de hoge dichtheid van de verticale 3D NAND structuur kan worden behouden. De invloed van verscheidene factoren op de FE eigenschappen wordt uitvoerig bestudeerd aan de hand van planaire capaciteiten, waarna een geoptimaliseerde film wordt ontwikkeld voor verdere 3D integratie. Twee FE-specifieke effecten, "wake upën ïmprint", worden in detail bestudeerd. Empirische modellen worden voorgesteld om de oorzaak van deze fenomenen te beschrijven. De geoptimaliseerde FE-HfO2 filmen worden geïntegreerd in een 3D cilindrische capaciteit. FE eigenschappen worden aangetoond, wat bevestigt dat de verticaal geëtste Si/oxide zijwanden en cilindrische structuren kristallisatie in de FE-fase niet verhinderen. Ten slotte worden 3D-NAND-type macaroni ferroëlektrische veldeffecttransistoren gefabriceerd met een geheugenvenster tot 2 V, snelle schrijf- en wispulsen tot 100 ns, een uithouding vergelijkbaar met flashgeheugens, en een geëxtrapoleerde retentie tot 10 jaar op 85ºC. Om de studie te vervolledigen, worden storings- en ladingstrapping effecten geanalyseerd. Deze technologie bewerkstelligt non-volatiele geheugens met een laag energieverbruik, hoge dichtheid en hoge snelheid, zodat de kloof in snelheid tussen de centrale rekeneenheid (CPU) en de opslageenheid verminderd wordt.