Caractérisarion physique par imagerie électronique de défauts dans les technologies mémoires avancées

par Emilie Petit-Faivre

Thèse de doctorat en Micro et Nanoélectronique

Sous la direction de Christophe Muller.

Le président du jury était Arnaud Bournel.

Les rapporteurs étaient Catherine Chaillout-Bougerol, Bernard Chenevier.


  • Résumé

    De nos jours, l'essor des produits électroniques nomades requièrent une capacité de stockage de données croissante et imposent la fabrication de composants mémoire performants, denses et fiables. Cela implique une grande robustesse des cellules mémoires élémentaires dont les dimensions caractéristiques sont régulièrement réduites. L'objectif principal de la thèse est d'appréhender les mécanismes de claquage d'oxydes minces voire ultraminces intégrés dans des empilements métal/oxyde/semiconducteur. Un intérêt particulier a été porté à la croissance d'îlots cristallins épitaxiés se formant lors de certaines sollicitations électriques et associée aux mécanismes de DBIE (Dielectric Breakdown Induced Epitaxy). L'étude des différents dispositifs (cellules mémoires à grille continue ou discrète, transistors, condensateur) a permis de proposer des corrélations entre la défaillance électrique de ces dispositifs et les défauts microstructuraux générés. Ce travail a été réalisé selon une méthodologie intégrant (i) la sollicitation électrique ; (ii) une préparation d'échantillons adaptée ; (iii) l'identification, l'observation et la caractérisation des défauts par microscopie électronique en transmission (TEM). L'ensemble des études menées a permis d'isoler deux paramètres électriques principaux ayant un rôle prépondérant sur la formation d'îlots de silicium épitaxiés, en lien avec le mécanisme de DBIE : la charge injectée et le courant de compliance. Ces deux paramètres apparaissent comme des facteurs limitant l'emballement thermique qui conduit, en général, à un claquage diélectrique franc de l'oxyde et semblent, par conséquent, retarder la défaillance irréversible d'un dispositif.

  • Titre traduit

    Physical defect characterization by electron microscopy in advanced memories


  • Résumé

    Nowadays, the microelectronic industry had to take up ambitious challenges to satisfy the strong economic demand because of the mobile electronic products booming like smartphones, tablets, or more recently "phablets". These high added value products requires the growth of data storage capacity and, subsequently, to produce high-performance, dense and reliable components. That implies a great cell memories robustness whose critical dimensions are regularly reduced. In this context, the thesis issue is to better understand the breakdown mechanisms of the thin and ultra-thin oxides embedded in metal/oxide/semiconductor stacks. Actually, epitaxial growth of crystalline silicon hillocks was pinpointed. These hillocks grown under electrical stresses and were associated to DBIE mechanisms (Dielectric Breakdown Induced Epitaxy). Device studies allowed to correlate electrical stress conditions and microstructural defects thanks to a 3-steps methodology : (i) electrical stresses leading to microstructural defects ; (ii) sample preparation including defect localization and extraction ; (iii) identification, observation and characterization of defects by transmission electron microscopy (TEM). Two main electrical parameters were identified with factors responsible for hillocks growth linked to DBIE : the injected charge and the compliance current. These parameters seem to limit the thermal runaway inducing hard breakdown. Consequently, it is possible that delays the irreversible device degradation. In addition, hillocks seem to grow preferentially under polysilicon grain boundaries over the SiO2/Si stacks.


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