برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۰ تا ۱۳۹۷/۰۵/۲۶

آمار مقاله
  • بازدید کل ۳,۱۱۹
  • بازدید این ماه ۵۲
  • بازدید امروز ۲
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۸۷
  • قبول شدگان ۵۴
  • شرکت کنندگان یکتا ۴۸
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۶۵
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

مقالات منتخب ماهنامه نانو

طرح درس

منابع پیشنهادی هشتمین مسابقه ملی-عناوین کلی

نویسندگان
امتیاز کاربران

توسعه حافظه‌های نانوبلوری

حافظه‌های غیرفرار قابل حمل به‌طور گسترده در تجهیزات الکترونیکی قابل حمل (پرتابل) به‌کار گرفته می‌شوند. بنابراین، انتظار می‌رود اندازه ابعاد حافظه‌های متداول رو به کاهش گذارد. بار الکتریکی ذخیره‌شده در گیت شناور می‌تواند به‌آسانی، از طریق یک اکسید تونلی باریک، نشت کند و باعث کاهش قابلیت اطمینان شود. برای حل این مشکل، حافظه‌های نانوبلوری پیشنهاد شده‌اند. حافظه‌های نانوبلوری جایگزین مناسبی برای حافظه‌های غیرفرارند، زیرا دارای سرعت عملکردی بالا، مقیاس‌پذیری مناسب، و قابلیت اطمینان بالایی هستند. مقاله حاضر، مروری بر وضعیت موجود تحقیقات در زمینه حافظه‌های نانوبلوری، مواد تشکیل‌دهنده، فرایند ساخت، ساختارها، و روش‌های عملیاتی بروز جدیدترین فناوری حافظه‌های نانوبلوری دارد.
مقدمه:
از سال ۱۹۹۰، تجهیزات الکترونیکی قابل حمل از وسایل مهم زندگی روزمره به شمار می‌آیند و بسیاری از این محصولات نیاز به حافظه دارند. در سال ۱۹۶۷، Sze و Kahng -از آزمایشگاه بل - ساختار گیت شناور را اختراع کردند که از فناوری‌های مهم مورد نیاز برای حافظه‌ها به ‌شمار می‌رود. شکل ۱ a لزوم کوچک‌سازی محصولات را نشان می‌دهد. کوچک کردن ترانزیستورها نه‌تنها باعث جایگیری بیشتر در فضای محدود می‌شود بلکه سرعت سوئیچینگ را نیز افزایش می‌دهد. در چنین شرایطی، حافظه‌های غیرفرار متداول با محدودیت‌های فیزیکی خود مواجه می‌شوند. به‌طور مثال، با کوچک‌سازی تجهیزات، ضخامت لایه اکسیدی برای تونل­زنی به اندازه کافی نخواهد بود و در کارایی حافظه تاثیر منفی خواهد گذاشت. از آنجا که گیت شناور رسانا است، اگر در مسیر تونل­زنی لایه اکسیدی نشتی وجود داشته باشد، همه بار الکتریکی ذخیره‌شده تلف خواهد شد و قابلیت اطمینان برای استفاده از این نوع از حافظه‌ها به‌شدت کاهش می‌یابد. در سال ۱۹۹۵، شرکت IBM برای اولین بار حافظه‌های نانوبلوری را پیشنهاد داد و در قرن ۲۰ محققان حافظه‌های نانوبلوری را پیشنهاد مناسبی برای حل مشکل کوچک‌سازی دانستند (شکل b1) علاوه ‌بر این، حافظه‌های نانوبلوری قابلیت ذخیره‌سازی ۲ بیت در هر سلول را دارند. این توانایی به‌دلیل وجود مراکز مستقل ذخیره‌سازی الکترون در ساختار حافظه‌های نانوبلوری است. به عبارت بهتر، ساختار نانوبلوری امکان ذخیره‌سازی بیشتر داده‌ها را در یک سلول فراهم می‌سازد و همچنین میزان تراکم حافظه‌ها را نیز افزایش می‌‌دهد.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل ۱. a) ساختار حافظه غیرفرار گیت شناور؛ b) ساختار حافظه غیرفرار نانوبلوری؛ c) مد اجرای برنامه و عملیات پاک کردن تجهیزات حافظه نانوبلوری

اطلاعات و داده‌ها در حافظه‌های نانوبلوری از طریق انتقال بارهای الکتریکی در نانوبلورها، در نانوبلورها ذخیره می‌شود. بنابراین، برای روشن شدن یک ترانزیستور نیاز به ولتاژ بالایی است که اصطلاحاً عملیات برنامه نامیده می‌شود. سیستم دیجیتالی صفر و یک حافظه از طریق اعمال یک ولتاژ با نام ولتاژ خوانده‌شده (read voltage, Vread) به گیت بین عملیات برنامه و عملیات پاک کردن (Erase) تعیین می‌شود که مطابق با جریان تخلیه است.
دو سازوکار با نام‌های تونل‌زنی فولر ـ نوردهیم (FN) و تخلیه کانال الکترون داغ (CHEI) برای بررسی عملیات برنامه و سازوکار تونل‌زنی فولر ـ نوردهیم برای عملیات پاک کردن به‌کار برده می‌شود. تونل‌زنی فولر ـ نوردهیم فرایندی است که در آن الکترون‌ها به‌راحتی می‌توانند از طریق یک سد سه‌ضلعی، که به‌وسیله‌ گیت میدان بزرگ القا می‌شود، تونل‌زنی کنند. سازوکار تخلیه کانال الکترون داغ فرایندی است که یک الکترون انرژی زیادی از یک میدان الکتریکی (جریان نزدیک) به‌ دست می‌آورد؛ سپس، با شبکه برخورد کرده و آن را به لایه ذخیره بار الکتریکی منتقل می‌کند. تغییر آستانه ولتاژ، تراکم بالای حافظه، مصرف پایین انرژی، زمان بازداری مناسب، و پایداری عالی ازجمله الزامات حافظه‌های غیرفرار پیشرفته است. حافظه‌های قابل حمل (فلش مموری) نانوبلوری به‌صورت تجاری عرضه شده‌اند که حافظه نانوبلوری با گره ۹۰ نانومتری، حافظه نانوبلوری ۱۲۸ کیلوبایتی با نام Nor Split Gate و حافظه نانوبلوری ۴ مگابایتی با نام Numonyx از آن جمله‌اند.


filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل ۲. نمودار و ساختار حافظه غیرفرار بلوری

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل ۳. تصاویر TEM و نمای شماتیکی از تشکیل نانوبلور طی فرایند خودسازماندهی با افزایش زمان عملیات حرارتی (a تا c). نشاندن لایه تله به‌وسیله‌ پخش فعال نیکل در محیط گاز نیتروژن و آرگون در دمای اتاق (d). نیروهای پیش‌برنده در تشکیل نانوبلور طی فرایند خودسازماندهی

مقاله حاضر، مروری بر مطالعات انجام‌شده در زمینه فناوری حافظه نانوبلوری که می‌تواند با صنعت مدارهای مجتمع (IC) سازگار باشد ارائه کرده است. درباره خواص نانوبلورها، ساختار تجهیزات، و فرایند ساخت نانوبلورها، که ویژگی‌های حافظه‌های نانوبلوری را تحت تاثیر قرار می‌دهد، بحث شده و همچنین چالش‌های پیش رو نیز مورد بررسی قرار گرفته است.

1. روش‌های تشکیل نانوبلور
حافظه‌های غیرفرار از جنس نانوبلورهای اکسید فلز ـ اکسید سیلیکون به شرح زیر ساخته می‌شود: ابتدا، سطوح ویفر سیلیکون (۱۰۰) به روش امواج رادیویی تمیز می‌شود. این فرایند طبق استاندارد آمریکایی RCA انجام می‌شود و طی آن اکسیدها و ذرات میکرو از سطح ویفر سیلیکون برداشته می‌شود. سپس، یک لایه اکسیدی با کیفیت بالا و به ضخامت ۵ نانومتر بر روی سطح ویفر رشد می‌کند. لایه اکسیدی مذکور به‌عنوان یک تونل اکسیدی عمل می‌کند. پس از این مرحله، یک لایه تله بار الکتریکی تشکیل می‌شود و سپس، بر حسب نوع ماده، یک سری عملیات (مانند عملیات حرارتی و...) برای تهیه نانوبلور اعمال می‌شود. یک لایه ضخیم اکسیدی جهت ذخیره‌سازی به‌ وجود می‌آید و درنهایت الکترودهای گیت تشکیل می‌شود. در شکل ۲، نمودار و ساختار تشکیل حافظه غیرفرار بلوری به تصویر کشیده شده است.
روش‌های زیادی برای تهیه نانوبلورهایی که در ساخت حافظه‌های غیرفرار نانوبلوری به‌کار برده می‌شوند وجود دارد. از میان این روش‌ها، روش‌های خودسازماندهی، رسوب‌نشانی، و واکنش شیمیایی انتخاب و توضیح داده می‌شود.

1.1. خودسازماندهی
اصول فرایند خودسازماندهی برای تشکیل نانوبلورها در شکل ۳ (a تا d) نشان داده شده است. یک لایه تله به ضخامت ۱ تا ۵ نانومتر تشکیل شده و سپس فیلم تا نزدیک دمای اتکتیک و در محیط گاز خنثی تحت عملیات حرارتی قرار گرفته و لایه تله به ساختار نانوبلوری تبدیل می‌شود. قطر نانوبلور به ضخامت لایه تله، درجه حرارت، و مدت‌زمان عملیات حرارتی بستگی دارد. در شکل d3 مهم‌ترین عوامل محرک و پیش‌برنده فرایند مذکور آورده شده است. نیروهای پخش‌کننده و لایه‌های مزدوج الکتریکی بر روی ابعاد نانوبلورها و همچنین پراکندگی موقعیت آن‌ها تاثیرگذار است. این فرایند از طریق آسایش فیلم تحت بار به انجام می‌رسد و به‌وسیله‌ تحرک سطح محدود می‌شود. در طول فرایند عملیات حرارتی، اتم‌های سطح تحرک کافی پیدا می‌کنند و امکان خودسازماندهی فیلم فراهم می‌شود. در این حالت، فیلم مورد نظر از لحاظ ترمودینامیکی و حرارتی در حالت پایدار به سر می‌برد. در حین فرایند اختلال، فیلم به قطعات کوچک‌تر تبدیل می‌شود تا انرژی الاستیک که در طی فرایند لایه‌نشانی حاصل شده است کاهش یابد. کاهش انرژی سطح و نیروی پخش‌کننده بین سطح مشترک بالا و پایین موجب پایداری فیلم می‌شود. بنابراین، شکل هندسی نهایی به تعادل بین نیروهای پیش‌برنده مذکور بستگی دارد. نیروهای این نواحی به پایداری نانوبلورها و ثابت نگه داشتن فاصله بین آن‌ها کمک شایانی می‌کند. درنتیجه، با به‌کارگیری فرایند خودسازماندهی در تشکیل نانوبلورها نمی‌توان از گسسته بودن لایه‌های تله اطمینان حاصل کرد.

2.1. رسوب‌نشانی
یک لایه تله ترکیبی یا فوق اشباع از طریق القای یونی در داخل یک لایه عایق یا در داخل یک سیستم رسوب بار حاصل شده و طی عملیات حرارتی به نانوبلور تبدیل می‌شود. سازوکار هسته‌زایی نانوبلورها در طول فرایند عملیات حرارتی سریع به شرح زیر است: ابتدا سیستم فوق اشباع مایع ـ جامد (محلول فوق اشباع) در طول فرایند عملیات حرارت‌دهی جدا می‌شود. همان‌طور که درجه حرارت و مدت‌زمان عملیات حرارتی افزایش می‌یابد، اجزای محلول مذکور می‌توانند انرژی لازم را به ‌دست آورند و از موقعیت اولیه خود خارج و به داخل فیلم ترکیبی وارد شوند. در اثر برخوردهای متوالی اجزای مذکور، انرژی لازم جهت نفوذ فراهم شده و هسته‌زایی آغاز می‌شود. با افزایش درجه حرارت عملیات حرارت‌دهی، اجزای فوق به هسته چسبیده و در لایه تله ساختار نانوبلورها تشکیل می‌شود. در شکل ۴، تشکیل نانوبلورهای با تراکم بالا به نمایش گذاشته شده است. به‌کارگیری روش متداول القای یونی با انرژی بالا برای کاربردهایی مانند حافظه‌های نانوبلوری دارای کاستی‌هایی است. پراکندگی یونی (با تابع توزیع گوسی) با انرژی تخلیه بالا (۱۵۰ ـ ۳۰ کیلو الکترون ولت) در منحنی گوسی، باند پهنی را تشکیل می‌دهد و کنترل نانوبلورهای نزدیک به تونل اکسیدی بسیار مشکل است. علاوه‌ بر این، زمانی که یون‌های القاشده به سطح مشترک بین اکسید سیلیکون و زیرلایه سیلیکون می‌رسد، تونل اکسیدی را تخریب می‌کند که باعث کاهش کارایی وسیله مورد نظر می‌شود.


filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل ۴. نمای شماتیکی از تشکیل نانوبلور طی فرایند رسوب‌نشانی


filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
شکل ۵. نمای شماتیکی از تشکیل نانوبلور طی فرایند واکنش شیمیایی

3.1. واکنش شیمیایی
ساخت لایه تله نانوبلوری به روش واکنش شیمیایی به‌طور گسترده شایع است و در شکل ۵ نیز نشان داده شده است. سازوکار عمل به شرح زیر است: ابتدا، یک لایه مزدوج یا سه‌تایی ترکیبی به‌وسیله‌ مواد مختلف تشکیل می‌شود و سپس لایه مورد نظر به‌وسیله‌ فرایند عملیات حرارتی سریع و در حضور گاز اکسیژن اکسید می‌شود. مواد مختلف با ظرفیت‌های متفاوت اکسیداسیون هستند، زیرا انرژی آزاد گیبس آن‌ها با هم متفاوت است و هر چه آنتالپی آن‌ها پایین‌تر باشد فرم پایدارتر اکسیدی راحت‌تر تشکیل می‌شود. بنابراین، در طول فرایند اکسیداسیون عملیات حرارتی سریع، یکی از مواد تشکیل‌دهنده لایه مزدوج ترکیبی تمایل به اکسید شدن دارد و ماده دیگر متمایل به مزدوج شدن با دیگر اتم‌های همان ماده است و درنهایت نانوبلور تشکیل می‌شود. فرایندی مشابه با فرایند مذکور در لایه‌های سه‌تایی ترکیبی نیز انجام می‌شود.
برای تشکیل نانوبلور و لایه اکسیدی اطراف آن وجود دو پارامتر اصلی غلظت اکسیژن و حرارت لازم است. تنها تزریق اکسیژن به داخل لایه ترکیبی در مرحله هم‌رسوبی باعث اکسیداسیون نمی‌شود، بلکه فرایند عملیات حرارت‌دهی سریع لازم و باعث کنترل بهتر غلظت اکسیژن است. کنترل غلظت اکسیژن در لایه ترکیبی از موضوعات مهم است. غلظت پایین اکسیژن باعث می‌شود فرایند اکسیداسیون لایه ترکیبی به اندازه کافی انجام نشود و نشتی بالای جریان خواهیم داشت. غلظت بالای اکسیژن نیز باعث اکسیداسیون نانوبلور خواهد شد. هر دو حالت گفته‌شده، غلظت پایین و بالای اکسیژن، باعث کاهش کارایی حافظه خواهد شد.
برای تشکیل نانوبلورها سه سازوکار در بالا ذکر شد که از میان آن‌ها روش‌های واکنش شیمیایی و رسوب‌نشانی بهترین روش‌ها هستند، زیرا در این سازوکارها کنترل سایز و تراکم نانوبلورها ممکن است.

2. سیر تکاملی مواد و فناوری‌ها
حافظه‌های غیرفرار نانوبلوری، بر حسب نوع ماده تشکیل‌دهنده، معمولاً به سه دسته تقسیم می‌شوند: نیمه‌رسانا، فلز، و نانوبلورهای دی‌الکتریک بالا از نوع k.
از آنجا که سیلیکون و ژرمانیم قابل رقابت با نیمه‌رساناها هستند، ساخت حافظه‌های نانوبلوری از جنس سیلیکون و ژرمانیم به‌طور گسترده مورد بررسی قرار گرفت. برای اولین بار Tiwari و همکارانش حافظه‌های نانوبلوری از جنس سیلیکون را به‌عنوان جایگزینی برای گیت شناور متداول در ساختار حافظه‌های غیرفرار معرفی کردند.
در سال ۱۹۹۰، نانوبلورهایی از جنس ژرمانیم به نانوبلورهای سیلیکونی ترجیح داده می‌شد، زیرا نانوبلورهای ژرمانیمی ثابت دی‌الکتریک بالا (۱۶) و شکاف باند کوچک (0/6 الکترون ولت) داشتند. Chen و همکارانش پیشنهاد کردند که نانوبلورهای ژرمانیمی قابلیت جفت­شدگی بالایی با کانال رسانایی دارند و در ولتاژهای پایین، عملیات برنامه/ عملیات پاک کردن می‌تواند پنجره حافظه بالایی را به ‌وجود آورد. مدل Shi برای حافظه‌های نانوبلوری بیان می‌کند که بارهای الکتریکی تخلیه‌شده در مرکز تله ذخیره می‌شوند. این مراکز در حین فرایند ذخیره‌سازی طولانی‌مدت بار الکتریکی به ‌وجود می‌آیند. به‌تازگی و برای اولین بار حافظه‌های نانوبلوری دواتمی از جنس سیلیکون/ ژرمانیم توسط Shi و همکارانش ساخته و به‌عنوان جایگزینی برای گیت شناور متداول در ساختار حافظه‌های غیرفرار معرفی شده‌اند. حافظه‌های نانوبلوری دواتمی در مقایسه با حافظه‌های نانوبلوری سیلیکونی دارای مزایایی هستند؛ این مزایا عبارت‌اند از: افزایش کارایی حافظه، افزایش زمان بازداری، افزایش سرعت اجرای برنامه، و افزایش قابلیت ذخیره‌سازی بار الکتریکی. برتری حافظه‌های نانوبلوری هترواتم به این دلیل است که سطح مشترک سیلیکون در اطراف نانوبلور ژرمانیم باعث افزایش ارتفاع سد بین سطح مشترک سیلیکون/ ژرمانیم شده و از نشت کردن بار الکتریکی ذخیره‌شده نانوبلور جلوگیری می‌کند. برای افزایش کیفیت سطح مشترک عایق‌های نانوبلور، نانوبلورهای ژرمانیم ـ سیلیکون با ساختار هسته ـ لایه پیشنهاد شده است. با به‌کارگیری این ساختار پارامترهایی مانند زمان بازداری و سرعت اجرای برنامه/ پاک کردن افزایش می‌یابد.
بهینه‌سازی تجهیزات حافظه‌های غیرفرار نانوبلوری به‌منظور دستیابی به سرعت‌های بالای اجرای برنامه/ پاک کردن حافظه دستیابی مستقیم پویا (DRAM) و همچنین طولانی شدن زمان بازداری حافظه‌های قابل حمل است. برای حصول این هدف باید یک تقارن در انتقال بار الکتریکی از طریق گیت دی‌الکتریک حاصل شود تا نسبت انرژی آزاد گیبس عملیات برنامه/ عملیات پاک کردن به انرژی آزاد گیبس زمان بازداری به حداکثر برسد. یکی از رویکردهای رسیدن به این هدف طراحی ارتفاع چاه پتانسیل در گره‌های حافظه است. بنابراین، باید شکاف انرژی زیادی بین زیرلایه سیلیکونی و گره‌های حافظه فراهم شود تا عملیات اجرای برنامه و بازداری به وقوع بپیوندد. گره‌های حافظه از جنس نانوبلورهای فلزی می‌تواند فرایند مذکور را عملیاتی سازد. مهم‌ترین مزایای نانوبلورهای فلزی در مقایسه با نانوبلورهای نیمه‌رسانا عبارت‌اند از: تراکم بالای حالت‌های الکترونی در اطراف سطح فرمی (Fermi)، مقیاس‌پذیری سایز نانوبلورها، گستره وسیعی از قابلیت‌های اجرایی، اختلالات انرژی کم به‌دلیل محدودیت‌های سد.
مدل الکترواستاتیک (منشاگرفته از فرمولاسیون تجزیه‌ای و شبیه‌سازی عددی) بیان می‌کند که نانوبلورهای فلزی باعث افزایش قابل توجهی در میدان الکتریکی بین نانوبلور و کانال دریافت می‌شود. افزایش میدان الکتریکی به‌وسیله‌ کنترل گیت انجام می‌شود. این قبیل سیستم‌ها می‌توانند کارایی بالایی در ولتاژ پایین عملیات برنامه/ عملیات پاک کردن داشته باشد. تلاش زیادی برای افزایش کارایی و قابلیت اطمینان حافظه‌های غیرفرار با به‌کارگیری نانوبلورهای فلزی شده است. Liu و همکارانش با به‌کارگیری روش ذخیره‌سازی اشعه الکترونی، رشد نانوبلورهای طلا، پلاتین، و نقره را بر روی دی‌اکسید سیلیسیم گزارش کردند. Yang و Hu نانوبلورهای کبالت و نیکل و همچنین حافظه غیرفرار دی‌الکتریک بالا از نوع k را پیشنهاد کردند. نانوبلورهای سیلیسید فلزی نیز مورد توجه و توسعه قرار گرفت. ساخت آسان و پایداری حرارتی بالای این نانوبلورها در مقایسه با نانوبلورهای فلزی از جمله برتری‌های آن‌ها به شمار می‌رود.

جدول ۱. انرژی آزاد گیبس و درجه حرارت عملیات حرارتی سریع (RTA) مواد مختلف.
filereader.php?p1=main_6caeba444797a281a

Lin و Yang برای اولین بار حافظه‌های غیرفرار از جنس دی‌الکتریک بالا از نوع k (نانوبلورهای دی‌اکسید هافنیم و دی‌اکسید سریم تعبیه‌شده در دی‌اکسید سیلیسیم) را پیشنهاد کردند. هافنیم و سیلیکون در محیط اکسیژن پخش شده و در اثر عملیات حرارت‌دهی در درجه حرارت‌های بالا به نانوبلورهای دی‌الکتریک بالا از نوع k تبدیل می‌شوند.
این‌گونه نانوبلورها در تست‌های عملیاتی به میزان کمی مهاجرت افقی یا عمودی بارهای الکتریکی ذخیره‌شده را خواهند داشت و برای ساخت حافظه‌های غیرفرار ۲ بیتی با تراکم بالا بسیار مفید هستند.
با در نظر گرفتن انرژی آزاد گیبس، روابط ترمودینامیکی، مشخص می‌شود که در فرایند اکسیداسیون حرارتی سریع، سیلیکون نسبت به فلزات آسان‌تر اکسید می‌شود. دی‌اکسید سیلیسیم دارای انرژی آزاد گیبس اکسیداسیون پایینی است و به همین دلیل رسوب نانوبلورهای فلزی در لایه دی‌الکتریک دی‌اکسید سیلیسیم نسبت به لایه‌های ترکیبی فلز سیلیکون به‌آسانی انجام می‌شود. بنابراین، حداکثر درجه حرارت اکسیداسیون حرارتی سریع برای تشکیل نانوبلورها با افزایش انرژی آزاد گیبس مربوط به اکسید فلزات کاهش می‌یابد. این مطلب در جدول ۱ آورده شده است. اختلاف زیاد بین انرژی آزاد گیبس سیلیکون ـ اکسیژن (Si- O) و درجه حرارت پایین‌تر اکسیداسیون حرارتی سریع برای تشکیل نانوبلورهای فلزی مورد نیاز است. در CMOS درجه حرارت فرایند اکسیداسیون حرارتی سریع از پارامترهای بسیار مهم است. نانوبلورهای فلزی با دمای تشکیل پایین‌تر برای به‌کارگیری در فرایندهای CMOS استاندارد ترجیح داده می‌شوند.
طراحی ارتفاع چاه انرژی پتانسیل (deff) در گره‌های ذخیره از رویکردهای دیگر است که از طریق انتخاب مواد فلزی مناسب، با در نظر گرفتن انرژی خروجی یا انرژی آزاد ترمودینامیکی، حاصل می‌شود. بین زیرلایه و گره‌های ذخیره یک سد نامتقارن به ‌وجود آورده می‌شود؛ به عنوان مثال، یک سد کوچک برای عملیات اجرای برنامه و یک سد بزرگ برای بازداری. در طول فرایند برنامه، لازم است بارهای الکتریکی به انرژی سد اکسید تونلی غلبه کنند. این فرایند در شکل ۶a نشان داده شده است. در مورد بازداری، ساختار نامتقارن سد باعث فراهم آوردن ارتفاع سد انرژی اضافی می‌شود که از رهایی بارهای الکتریکی از گره‌های ذخیره به‌وسیله‌ اکسید جلوگیری می‌کند. این عملیات در شکل b6 نشان داده شده است. حافظه‌های نقره، پلاتین، طلا، تنگستن، کبالت، نیکل، سیلیکون نیکل با فرمول NiSi2، آهن نیکل با فرمول Ni1-xFex، هافنیم، نیترید تیتانیم، و نانوبلورهای فلزی آلومینیوم ساخته شده و مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. زمانی که ارتفاع چاه انرژی پتانسیل بیشتر است، اثر حافظه بهبودیافته مشاهده می‌شود. در شکل c6 رابطه بین انرژی آزاد ترمودینامیک و انرژی باند سیلیکون نشان داده شده است. این قبیل دیاگرام‌ها به محققان در انتخاب فلز مناسب کمک زیادی می‌کند. در جدول ۲، خلاصه‌ای از نتایج تحقیقات محققان بر روی نانوبلورهای فلزی‌ای که به‌عنوان گره‌های ذخیره بار الکتریکی هستند آورده شده است.

filereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6
شکل ۶. دیاگرام انرژی پیوند نانوبلورهای فلزی تعبیه‌شده بین تونل اکسیدی و لایه اکسید در طول a) عملیات اجرای برنامه، و b) زمان بازداری؛ c) انرژی آزاد ترمودینامیکی نانوبلورها.

حافظه‌های غیر‌فرار نانوبلوری (سیلیکون پایه) با صنعت مدارهای مجتمع سازگاری نشان می‌دهد. منابع تحقیقاتی اخیر و فناوری رشدیافته تولید از جمله زمینه‌های قابل تعامل این دو صنعت است. حافظه‌های غیرفرار نانوبلوری دی‌الکتریک بالا از نوع k می‌تواند پس از یک تست عملیاتی از مهاجرت بارهای الکتریکی ذخیره‌شده جلوگیری کند. این قبیل سلول‌ها برای ساخت حافظه‌های غیر فرار ۲ بیتی با تراکم بالا بسیار سودمند است. در فناوری ساخت حافظه‌های غیرفرار نانوبلوری می‌توان با طراحی یک سد با ساختار نامتقارن کارایی عملیات برنامه و ذخیره اطلاعات را افزایش داد. همچنین، امکان کاهش درجه حرارت اکسیداسیون تشکیل نانوبلورها به‌وسیله‌ ترکیب سیلیکون ـ فلز نیز وجود دارد.

3. سیر تکاملی ساختار تجهیزات
عملکرد یک حافظه غیرفرار کارامد به شرح زیر است: سرعت بالای اجرای برنامه/ عملیات پاک کردن، مصرف انرژی پایین، پنجره حافظه کافی، و قابلیت اطمینان بالا (پایداری و دوام بالا). برای بهبود ویژگی‌های حافظه رویکردهایی پیشنهاد شده است. رویکردهای مذکور اغلب بین کارایی حافظه مانند سرعت اجرای برنامه/ عملیات پاک کردن و زمان بازداری جایگزینی‌هایی انجام می‌دهند. با کاهش مقیاس اکسید تونلی، به‌عنوان مثال، سرعت اجرای برنامه/ عملیات پاک کردن افزایش یافته و از طرفی باعث کاهش زمان بازداری می‌شود. برخی از رویکردها، بدون اینکه دیگر ویژگی حافظه فدا شود، روش‌هایی برای بهبود سرعت اجرای برنامه/ عملیات پاک کردن یا زمان بازداری معرفی می‌کنند که عبارت‌اند از: طراحی سد تونل‌زنی، نانوبلورهای چندلایه، طراحی انرژی خروجی یا انرژی آزاد گیبس، و ناپایدار‌سازی اکسید.

جدول ۲. انرژی آزاد ترمودینامیکی و ویژگی‌های حافظه ساخته‌شده از مواد مختلف.
filereader.php?p1=main_843eca7556234d9c9

طراحی تونل اکسیدی بر پایه سد نامتقارن انرژی در اکسید تونلی است که به وضعیت حافظه وابسته است و برای فرایند اجرای برنامه/ عملیات پاک کردن و همچنین برای مد بازداری به‌کار می‌رود. عموماً ارتفاع سد (Ø) اکسید تونل متداول تحت تاثیر گیت قرار نمی‌گیرد و به اینکه سیستم در چه حالتی ـ فرایند اجرای برنامه/ عملیات پاک کردن یا وضعیت بازداری ـ قرار دارد بستگی ندارد. این موضوع در شکل b7 نشان داده شده است. S. Baik و همکارانش ساختار نیترید ـ اکسید ـ نیترید را با ارتفاع سد قابل تنظیم برای سرعت اجرای برنامه/ عملیات پاک کردن پیشنهاد کردند. زمانی که یک ولتاژ مثبت به گیت اعمال می‌شود، ارتفاع سد اکسید تونل تنظیم‌ شده (j Ø) در طول فرایند عملیات برنامه کاهش می‌یابد؛ در شکل b7 خطوط خط‌چین نشان‌دهنده این موضوع است. بنابراین، خروج الکترون‌ها از سابستریت و ورود به داخل نانوبلورها راحت‌تر انجام می‌شود. بعد از عملیات برنامه، سد انرژی به ارتفاع اولیه خود بازمی‌گردد و از تونل‌زنی الکترون‌ها از نانوبلور به زیرلایه در طول فرایند بازداری جلوگیری می‌کند. درb7 خطوط پر نشان‌دهنده این مطلب است. حافظه‌های نانوبلوری‌ای که ساختار نامتقارن دی‌اکسید هافنیم/ دی‌اکسید سیلیسیم دارند بر پایه عرض تغییر‌پذیر سد استوارند. زمانی که ولتاژ مثبت به اندازه کافی به گیت اجرای برنامه اعمال می‌شود، پهنای سد در دی‌اکسید هافنیم/ دی‌اکسید سیلیسیم باریک‌تر از پهنای یک لایه منفرد اکسیدی می‌شود که در شکل c7 نشان داده شده است. در طول فرایند بازداری، میزان پهنای سد حفظ می‌شود و از تونل‌زنی الکترون از سابستریت به نانوبلور جلوگیری می‌شود. شکل d7 موید این مطلب است. با به‌کارگیری رویکردهای اکسید تونلی مذکور، سرعت اجرای برنامه/ عملیات پاک کردن، بدون فدا شدن زمان بازداری، بهبود می‌یابد.
R. Ohba و W. R. Chen و همکارانشان نانوبلورهای چندلایه را برای بهبود زمان بازداری معرفی کردند. همان‌طور که در شکل e7 نشان داده شده است، لایه پایینی نانوبلورها می‌تواند از نشتی بارهای الکترونی از لایه بالایی نانوبلورها به داخل سابستریت جلوگیری کند. سازوکار این فرایند نیز از طریق اثر مسدودکنندگی کولومبی است. بنابراین، ذخیره‌سازی بار الکتریکی در حافظه‌های نانوبلوری چندلایه نسبت به حافظه‌های نانوبلوری تک‌لایه با کارایی بالاتری انجام می‌پذیرد.
طراحی انرژی آزاد ترمودینامیکی در نانوبلورهای فلزی، که بر پایه سد نامتقارن بین سابستریت و یک چاه انرژی پتانسیل عمیق بوده است، در بخش قبلی به‌طور کامل مورد بحث و بررسی قرار گرفت. برای حافظه‌های نانوبلوری فلزی، می‌توان سد انرژی کوچکی در طول فرایند عملیات برنامه و همچنین یک سد انرژی بزرگ‌تر در طول فرایند بازداری به ‌دست آورد. شکل ۶ (a وb ) موید این مطلب است. بنابراین، امکان بهبود هم‌زمان سرعت اجرای برنامه/ عملیات پاک کردن و همچنین زمان بازداری میسر می‌شود.
درنهایت، می‌توان این‌گونه نتیجه‌گیری کرد که افزایش کیفیت اکسید در اطراف نانوبلورها می‌تواند بهبود قابل توجهی در خواص حافظه‌ها ایجاد کند. پس از اعمال اکسید در اطراف نانوبلورها، نشت بارهای الکتریکی در طول فرایندهای عملیات اجرای برنامه/ عملیات پاک کردن و همچنین زمان بازداری در شکل ۸ نشان داده شده است. لازم به ذکر است که لایه اکسید احاطه‌شده در اطراف نانوبلورها به‌طور قابل توجهی از نشت بارهای الکتریکی جلوگیری می‌کند. بنابراین، پنجره حافظه و سرعت اجرای برنامه/ عملیات پاک کردن، همانند زمان بازداری و میزان پایداری و دوام، می‌تواند بهبود داده شود.
S. C. Chen و همکارانش روش پلاسما را برای افزایش کارایی حافظه پیشنهاد کردند. پیوند آویزان (graft) اتم‌های سیلیکون در ساختار اکسید اطراف نانوبلورها می‌تواند به‌وسیله‌ فرایند اعمال پلاسما ناپایدار شود که در نتیجه آن در عملکرد پنجره حافظه و زمان بازداری بهبود حاصل می‌شود. علاوه‌ بر این، نتایج آزمایشگاهی حاکی از آن است که با اعمال پلاسما کیفیت اکسید بهبود یافته و به دنبال آن میزان دوام و پایداری نیز افزایش می‌یابد. از دیگر روش‌هایی که باعث بهبود کارایی اکسید می‌شود می‌توان به روش سیال فوق بحرانی دی‌اکسید کربن اشاره کرد. سازوکار عمل این روش آن است که تله‌های موجود بر روی اکسید ناپایدار شده و نشت بارهای الکتریکی از طریق تله‌های مذکور به میزان زیادی متوقف می‌شود.

4. چالش‌ها
اگرچه حافظه‌های نانوبلوری دارای مزایای فراوان‌اند و کاندیدای مناسبی برای حل مشکل اندازه و حجم (مقیاس‌پذیری) در حافظه‌های متداول هستند، برای کاربردی شدن با چالش‌هایی مواجه‌اند که باید بر آن‌ها غلبه شود.

filereader.php?p1=main_8f14e45fceea167a5
شکل ۷. دیاگرام‌های انرژی پیوند. a) اکسید تونلی متداول؛ b) ساختار نیترید ـ اکسید ـ نیترید؛ c) ساختار دی‌اکسید هافنیم/ دی‌اکسید سیلیسیم در طول عملیات برنامه؛ d) ساختار دی‌اکسید هافنیم/ دی‌اکسید سیلیسیم در طول عملیات بازداری؛ e) نانوبلورهای چندلایه

filereader.php?p1=main_c9f0f895fb98ab915
شکل ۸. a) بعد از اصلاح لایه اکسید، نشتی بار الکتریکی که لایه اکسیدی می‌تواند از آن جلوگیری کند؛ b) بازداری؛ c) خواص پایداری حافظه بهبودیافته بعد از اصلاح لایه اکسید

5. قابلیت ساخت و تولید مجدد
پارامترهایی مانند اندازه، شکل، و پیکربندی نانوبلورها خواص حافظه‌های نانوبلوری را تحت تاثیر قرار می‌دهد. نانوبلورها از طریق طرح‌یابی یا الگوسازی تهیه نشده‌اند؛ بدین ترتیب، تغییرات در خواص ادوات ساخته‌شده مجزا بسیار مهم است. نقشه راه بین‌المللی فناوری، که در سال ۲۰۰۹ برای نیمه‌رساناها ترسیم شده است، حاکی از آن است که تا سال ۲۰۲۰ اندازه سلول حافظه به ۱۰۰۰ نانومترمربع کاهش می‌یابد و این بدین معنی است که هر سلول حافظه می‌تواند تنها ۱۰ نانوبلور را در خود جای دهد. مقیاس بسیار کوچکی که برای سلول حافظه در نظر گرفته شده است چالش‌هایی را در زمینه سنتز مواد مناسب با سایز و شکل یکسان و همچنین مونتاژ آن‌ها در ماتریس نانوبلوری به ‌وجود می‌آورد.

6. نشتی بارهای الکتریکی
نانوبلورهای با تراکم بالا قابلیت بالایی در ذخیره‌سازی بار الکتریکی در یک حافظه و همچنین کنترل نوسانات بین تجهیزات منفرد دارند، زیرا نانوبلورهای زیادی در هر سلول حافظه وجود دارد. بنابراین، امکان نشتی بارهای الکتریکی ذخیره‌شده در نانوبلورها نیز وجود دارد، اگرچه اکسید اطراف نانوبلورها در سیستم‌های نانوبلوری با تراکم بالا نیز وجود دارد. اگر اکسید نتواند به‌طور موثر از انتقال بارهای الکتریکی بین نانوبلورها جلوگیری کند، حافظه نانوبلوری گره‌های ذخیره بار الکتریکی را از دست خواهد داد و این بدین معنی است که از اتلاف بارهای الکتریکی ذخیره‌شده در فرایند نشتی از طریق اکسید تونلی جلوگیری خواهد شد. ناپایدار‌سازی لایه اکسید می‌تواند انتقال بارهای الکتریکی بین نانوبلورها را کاهش دهد. درنهایت، با افزایش پیوسته تراکم نانوبلورها، بارهای الکتریکی موجود در نانوبلورها به‌طور مستقیم تونلی در لایه اکسید ایجاد می‌کنند.

7. خلاصه
حافظه‌های متداول (گیت شناور) با محدودیتی مواجه‌اند که در آن بارهای الکتریکی ذخیره‌شده از طریق مسیری، که با تکرار عملیات به‌ وجود می‌آید، به داخل کانال نشت می‌کنند. در یک دهه اخیر، جهت جایگزینی طرح اکسید تونلی برای حافظه‌های متداول، ساختارهای سلول حافظه که با تله‌های جداگانه به‌عنوان منبع ذخیره بار الکتریکی عمل می‌کنند، پیشنهاد شده است. در این مقاله سه روش متداول برای ساخت نانوبلورها شرح داده شده است؛ این سه روش عبارت‌اند از: خودسازماندهی، رسوب‌نشانی، و واکنش شیمیایی. برای تولید ساختارهای نانوبلوری هم‌شکل و کنترل‌پذیر دو روش رسوب‌نشانی و واکنش شیمیایی ترجیح داده می‌شود. در این مقاله سه گروه اصلی نانوبلورها معرفی شده است؛ این سه گروه عبارت‌اند از: فلزات، نانوبلورهای دی‌الکتریک بالا از نوع k، و نیمه‌رساناها. همچنین، تاثیر فناوری‌ها بر روی رفتار و خواص حافظه‌ها نیز مورد بررسی قرار گرفته است. نانوبلورهای فلزی برای تولید در مقیاس تجاری کاندیدای مناسبی هستند. علاوه ‌بر این، برای به‌ دست آوردن سرعت‌های بالای اجرای برنامه/ عملیات پاک کردن و زمان بازداری طولانی، به‌طور هم‌زمان و بدون فدا کردن خواص دیگر حافظه، راهکارهایی پیشنهاد شده است؛ این راهکارها عبارت‌اند از: طراحی سد تونلی، نانوبلورهای چندلایه، طراحی انرژی آزاد ترمودینامیکی، و ناپایدارسازی اکسید احاطه‌کننده نانوبلورها.
حافظه‌های نانوبلوری با چالش‌هایی مواجه‌اند که در ارتباط با کاهش اندازه و حجم آن‌ها است؛ این چالش‌ها عبارت‌اند از: نوسانات از یک جزء به جزء دیگر و نشتی بار الکتریکی در چگالی بالا.
در صنعت حافظه‌های غیرفرار، یافتن روش‌هایی که محدودیت‌های مقیاسی را با دیگر الزامات مناسب هماهنگ سازد بسیار اهمیت دارد.

منابـــع و مراجــــع

Ting-Chang Changa,Fu-Yen Jiana, Shih-Cheng Chenc, and Yu-Ting Tsaib ,Materials Today , 2011, V.14, No.12