Développement du pompage de charges pour la caractérisation in-situ de nanocristaux de Si synthétisés localement dans SiO2 par implantation ionique basse énergie et lithographie stencil

par Regis Diaz

Thèse de doctorat en Matériaux, Technologie et Composants de l'Electronique

Sous la direction de Gérard BenAssayag et de Jérémie Grisolia.

Le président du jury était Bertrand Raquet.

Le jury était composé de Gérard BenAssayag, Jérémie Grisolia, Christophe Constancias.

Les rapporteurs étaient Anne-sophie Cordan, Abdelkader Souifi.


  • Résumé

    Le regain d'attention des industriels pour les mémoires non volatiles intégrant des nanocristaux, illustré par l'introduction sur le marché de la Flexmemory de Freescale en technologie 90 nm, incite à poursuivre des études sur ce type de systèmes. Pour cela, nous avons mis au point des cellules mémoires élémentaires, à savoir des transistors MOS dont l'oxyde de grille contient une grille granulaire formée par un plan de nanocristaux de silicium (Si-ncx) stockant la charge électrique.Ce travail présente les principaux résultats issus de ces travaux, ceux-ci allant du procédé de fabrication à la caractérisation fine des dispositifs mémoires. Le parfait contrôle de l'élaboration de la grille granulaire de Si-ncx par implantation ionique à très basse énergie (ULE-IBS) est accompagné de caractéristiques « mémoires » répondant aux normes industrielles d'endurance et d'une discrimination des pièges responsables du chargement. Le stockage majoritaire par les Si-ncx est démontré, ce qui est essentiel pour la rétention de la charge. Nous avons développé une technique électrique permettant d'extraire à la fois la quantité de charge stockée par les Si-ncx mais également leurs principales caractéristiques structurales (taille, densité, position dans l'oxyde). Cette extension de la technique électrique de « pompage de charges », non destructive et in-situ permet de suivre l'état du composant en fonctionnement et de caractériser des pièges (e.g. les Si-ncx) pour la première fois au-delà de 3 nm de profondeur dans l'oxyde. Ces résultats ont été validés par des observations TEM. La résolution du pompage de charge étant le piège unique, nous avons alors couplé l'ULE-IBS avec la lithographie « Stencil » pour réduire latéralement le nombre de Si-ncx synthétisés. Cette technique nous permet pour le moment de contrôler la synthèse locale à la position désirée dans l'oxyde de « poches » de Si-ncx de 400 nm. La synthèse de « quelques » Si-ncx est envisagée à très court terme. Nous serons alors en mesure de fabriquer des mémoires à nombre choisi de nanocristaux (par SM-ULE-IBS), dont les propriétés structurales (taille, densité, position) et électriques (quantité de charge stockée) seront vérifiées par pompage de charge, offrant ainsi des outils puissants pour la fabrication et la caractérisation de mémoires à nombre réduit de nanocristaux, notamment pour des longueurs de grilles inférieures à 90 nm

  • Titre traduit

    Development of the charge pumping technique for the in-situ characterization of Si nanocrystals synthesized locally in SiO2 by ultra-low-energy ion-beam-synthesis and stencil lithography


  • Résumé

    The aim of this thesis has been to fabricate and electrically characterize elementary memory cells containing silicon nanocrystals (Si-ncs), in other words MOSFET which insulating layer (SiO2) contains a Si-ncs array storing the electrical charge. We have shown that we perfectly control the synthesis of a 2D array of 3-4 nm Si-ncs embedded into the MOSFET oxide by low-energy ion implantation (1-3 keV) Reaching this goal implied two key steps: on the one hand develop a reliable MOSFET fabrication process incorporating the Si-ncs synthesis steps and on the other hand develop tools and methods for both memory window and Si-ncs array itself characterizations. We have developed an in-situ characterization technique based on the well-known charge pumping technique, allowing for the first time the extraction of traps depth (e.g. the Si-ncs array) further than 3 nm into the oxide layer leading to the characterization of both position of these Si-ncs into the SiO2 matrix and their structural properties (diameter, density). These results have been confirmed by EF-TEM measurements. Finally, we have worked on the improvement of controlled local synthesis of Si-ncs pockets by combining low-energy ion implantation and stencil lithography. We reduced the size of these pockets down to about 400 nm using this parallel, low cost and reliable technique and identified the limiting effect for the pockets size reduction. These results pave the way for memory cells containing a few Si-ncs with a well-defined position into the oxide and a well-controlled number of ncs


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