Caractérisation et modélisation du stockage de charge dans des nanocristaux de silicium de nouvelles mémoires non volatiles

Characterization and modeling of storage properties in silicon nanocrystals for new non volatile memory

• Auteur / Autrice : Stéphane Ferraton
• Direction : Jacques Zimmermann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanoélectronique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Grenoble INPG

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse

Silicium cristallisé

Mots clés libres

Memoire non volatile à grille volante

Nanocristaux de silicium , Caractérisation électrique , Modélisation

Nanocristaux de silicium , Chargement électrique

Buit basse fréquence , Mesure

Conductance dynamique

FT-DLTS (Deep Level transient spectroscopy)

Résumé

La réduction de l'épaisseur de l'empilement de grille pose la problématique de la fiabilité des mémoires non volatiles à grille flottante. Parmi les solutions envisagées, l'une des plus prometteuses consiste à utiliser une couche discrète de nanocristaux de silicium (nc-Si) comme grille flottante. Ce travail de thèse propose une étude du chargement et du comportement dynamique des nc-Si au moyen de caractérisations électriques complémentaires (quasi-statique C,I-V, bruit BF, impédance dynamique, DLTS). Le chargement des nc-Si ainsi que la dynamique de chargement sont étudiés par des mesures simultanées de capacité et de courant en régime quasi-statique. Les caractéristiques sont simulées à l'aide de modèles autorisant jusqu'à trois états de charge pour les nc-Si et incorporant une distribution de taille pour ceux-ci en accord avec les relevés morphologiques. De plus, la constante d'effet tunnel et la répartition spatiale de la densité volumique de piéges (nc-Si, pièges HTO/Si02. . . ) dans l'oxyde sont déterminées par des mesures de bruit BF. La DSP de bruit obtenue par les mesures de conductance de grille s'est avérée montrer une très bonne concordance avec les mesures directes de bruit BF. Enfin une étude spectroscopique par FT-DLTS permet de dissocier la réponse des nc-Si de celle de pièges lents situés à l'interface oxyde tunnel/oxyde de contrôle. Cette étude met en evidence une dispersion en diamètre des nc-Si et l'emmagasinement de plusieurs charges par les nc-Si de grandes tailles. Différentes techniques de caractérisations électriques complémentaires et l'appui de modèles physiques spécifiques viennent renforcer la compréhension des mécanismes de chargement des nc-Si.

The reliability of the gate stack of conventional non volatile floating gate memory device is a major issue to pursue the downscaling of the memories. A solution consists in introducing new materials such as a discrete layer of silicon nanocrystals (Si-nc) acting as a floating gate. A study of the charging/discharging mechanisms of Si-nc using complementary electrical techniques (quasi-static C,I-V, LF noise, impedance, DLTS) is presented in this manuscript. The charging and the charge dynamics of the Si-nc is clearly evidenced using simultaneous quasi-static capacitance and current measurements based on the feedback charge method. The characteristics are simulated using models involving three states of charge and a size distribution of Si-nc in agreement with SEMITEM micrographs. Furthermore, the tunneling constant and the space charge density (Si-nc, traps HTO/Si02. . . ) in the gate oxide are determined by low frequency noise technique. Ln addition, the noise PSD obtained from the gate conductance measurements shows a good agreement with those obtained by the low frequency noise measurements. Finally, using a spectroscopy technique (FT-DLTS), the response of the Si-nc is distinguished from the slow traps response located at the interface between the tunnel oxide and the control oxide. The size dispersion and the accommodation of multiple charges in the biggest Si-nc are revealed. Different complementary electrical techniques and specifie physical models are used to highlight the charging mechanisms of the Si-nc.