Νανοηλεκτρονικές διατάξεις πυριτίου

Abstract

The aims of this work were: a) To demonstrate the feasibility of flash type memory devices fabricated by a hybrid silicon and molecular technology. b) To demonstrate the feasibility of such a device in a 3-D architecture fabricated at low temperature (? 400 0C). Prototypes hybrid silicon-organic memory devices using gold nanoparticles (Au nps) as charge storage elements were fabricated. The nanoparticles were deposited over a conventional (MOS like) silicon device at room temperature by two different methods: a) by chemical processes and surface functionalization of the underlying silicon dioxide layer and b) by means of the Langmuir-Blodgett (LB) technique. The tunneling oxide of the devices is a 5 nm or a 3 nm thermal SiO2 layer and the control oxide is an organic insulator (C19H39COO)2Cd (54 nm or 108 nm thick) deposited by the LB technique at room temperature. The new materials (Au nps and (C19H39COO)2Cd) were incorporated into capacitor MIS structures and characterized by the measurements and the properties of these structures. The memory devices exhibit non-volatile memory characteristics at low operation voltages, are batch fabricated and remain stable in normal ambient conditions for the last 6 months. Additionally a prototype 3-D memory device was fabricated by low temperature wafer bonding technique. The pre-formed S/D and channel areas were separated after bonding by anisotropic etching. The charge storage elements (Au nps) were deposited by self-assembly. The memory operation of this device was demonstrated.

Οι στόχοι της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήσαν: α) Η ανίχνευση της δυνατότητας κατασκευής υβριδικών διατάξεων μνήμης, τύπου Flash, με τη χρησιμοποίηση τεχνολογίας Si και μοριακών υλικών. β) Η κατασκευή σε χαμηλή θερμοκρασία (? 400 0C) και η επίδειξη λειτουργίας μίας τέτοιας μνήμης σε τρισδιάστατη αρχιτεκτονική. Πράγματι, κατασκευάσθηκαν πρωτότυπες, υβριδικές διατάξεις μνήμης από Si και οργανικά υλικά, που είχαν νανοσωματίδια Au (Au nps) σαν κόμβους αποθήκευσης του φορτίου. Τα νανοσωματίδια εναποτέθηκαν πάνω σε μία συμβατική διάταξη Si, παρόμοια με του τρανζίστορ MOSFET, σε θερμοκρασία δωματίου με δύο διαφορετικές μεθόδους: α) με χημικές διαδικασίες και ενεργοποίηση της επιφάνειας του υποκειμένου στρώματος SiO2 και β) με την τεχνική Langmuir-Blodgett (LB). Το οξείδιο σήραγγος των διατάξεων είναι 5 nm ή 3 nm θερμικό διοξείδιο του πυριτίου και το οξείδιο ελέγχου είναι ένας οργανικός μονωτής (C19H39COO)2Cd (πάχους 54 nm ή 108 nm) εναποτεθημένος με την LB τεχνική σε θερμοκρασία δωματίου. Τα νέα υλικά (Au nps και (C19H39COO)2Cd) ενσωματώθηκαν σε δομές πυκνωτών MIS και χαρακτηρίσθηκαν από τις μετρήσεις και τις ιδιότητες αυτών των δομών. Οι διατάξεις μνήμης παρουσιάζουν μη πτητικά χαρακτηριστικά σε χαμηλές τάσεις λειτουργίας, μπορούν να κατασκευασθούν σε παρτίδες και παρέμειναν σταθερές σε κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος για 6 μήνες, Επιπρόσθετα κατασκευάσθηκε μία πρωτότυπη, τρισδιάστατη διάταξη μνήμης με την τεχνική της συγκόλλησης δισκιδίων σε χαμηλή θερμοκρασία. Οι προσχηματισμένες περιοχές της πηγής (S), της εκροής (D) και του καναλιού χωρίσθηκαν μεταξύ τους μετά τη συγκόλληση με υγρή, ανισοτροπική εγχάραξη. Τα στοιχεία αποθήκευσης του φορτίου (Au nps) εναποτέθηκαν με το φαινόμενο της αυτοοργάνωσης. Στο τέλος έγινε επίδειξη των χαρακτηριστικών μνήμης αυτής της διάταξης.