Impact d'une post-oxydation thermique sur l'isolation électrique d'un dispositif MOS contenant des nanocristaux de silicium obtenus à partir de dépôts PPECVD

par Simon Perret-Tran-Van

Thèse de doctorat en Physique et ingénierie des plasmas de décharge

Sous la direction de Caroline Bonafos et de Bernard Despax.

Soutenue en 2011

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    Ce travail de thèse étudie l'impact des traitements thermiques sur des couches d'oxynitrure de silicium contenant des nanocristaux de silicium pour la fabrication de dispositifs MOS dans le but de produire des mémoires non volatiles. Partant des enjeux économiques et industriels relatifs aux mémoires non volatiles, ce travail s'intéresse en premier lieu à faire l'état de l'art des mémoires non volatiles justifiant ainsi l'emploi de nanocristaux de silicium pour fabriquer ce type de mémoire. Dans le cadre de l'élaboration de couches isolantes très fines (<15 nm) contenant des nanostructures de silicium, il est primordial de bien contrôler, étape par étape, tous les paramètres et leurs effets sur les empilements. Les différents outils qui ont permis le diagnostic des couches sont décris, évalués et justifiés : ellipsométrie spectroscopique, photoluminescence, MET, MEHR et EFTEM (respectivement : Microscopie Electronique à Transmission, Microscopie Electronique à Haute Résolution et imagerie filtrée). Ces outils permettent alors l'étude des dépôts et des effets des traitements thermiques sur les couches déposées et le substrat. Ces analyses montrent qu'il est possible d'élaborer un empilement silicium cristallin / oxyde tunnel en SiO2, couche isolante contenant des nanocristaux de silicium par le contrôle des paramètres de dépôt et de recuit thermique sous atmosphère inerte puis sous atmosphère faiblement oxydante. L'étude révèle aussi les phénomènes à l'origine des mécanismes de nucléation, de croissance et d'oxydation des nanocristaux de silicium. Enfin, les dispositifs mémoires fabriqués à partir des empilements réalisés sont caractérisés par C(V). Les premiers résultats montrent à la fois l'intérêt et les difficultés rencontrées en utilisant cette nouvelle procédure. Une charge significative fut retenue pendant plusieurs mois dans un des dispositifs ce qui est très encourageant et justifie la poursuite de l'étude de tels dispositifs.

  • Titre traduit

    Impact of thermal treatments on the electrical insulation of a mos device containing silicon nanocrystals produced by PPECVD


  • Résumé

    This work studies the impact of annealing treatments on silicon nanocrystals embedded in a silicon oxinitride matrix in order to produce non-volatile memory devices. The controlled fabrication of Si nanocrystals embedded in thin silicon oxinitride films (< 15 nm) on top of a silicon substrate has been realized by PPECVD with N2O-SiH4 precursors. Memory devices consisting of a metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) with nanocrystals are promising candidates for low-power applications with a high storage density. The effect of inert and oxidizing annealing processes on the Si nanocrystals' spatial and size distributions is studied by coupling ellipsometry measurements and cross-sectional Transmission Electron Microscopy observations. Annealing under oxidizing ambience is shown to be a powerful way to create a quality tunnel oxide with the controlled thickness needed to design future memory devices. This study gives interesting insight about the physics underlying the Si nanocrystals nucleation, growth and oxidation mechanisms. Finally, memory devices produced from staking those layers have been studied by an electrical characterization technique (capacity as a function of applied voltage). First results show the interest and the difficulties encountered by using this technique. A significant amount of charges has been stored for several months in one of the devices which is really encouraging and justifying in the pursuit of the study for these devices.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (200 p.)
  • Annexes : Références bibliogr. en fin de chapitres

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2011 TOU3 0347
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