Elaboration and characterization of materials at the nanometric scale for non volatile memories applications
ELABORATION ET CARACTERISATION MICROSCOPIQUE DE MATERIAUX A L’ECHELLE NANOMETRIQUE EN VUE DE L’APPLICATION AUX MEMOIRES NON VOLATILES
Résumé
The recent developments of non volatile flash memory technologies have focused both on stand alone devices, allowing large density memory areas (some gigabits) fabrication, and on architectures, called embedded devices which are employed in low consumption logic circuits. In order to follow the scaling of microelectronic circuits, industrial companies pay increasing attention to discrete trap non volatile memories. The main idea is to replace the conventional continuous floating gate by a high number of discrete storage nodes. In this PhD research, we studied silicon and metallic nanocrystals (Ni, Pt) as discrete traps. After an overview of the state of the art of nanocrystal memories, the integration issues of the silicon nanocrystal in industrial devices are taken up. The passivation of the silicon nanocrystal is then presented. Nanocrystals are specifically treated to resist to post deposition oxidant anneals. The study of processes under ammonia and nitrous oxide is carried out by employing analytic methods such as XPS, SEM, and energy filtered TEM. In order to understand the exact nature of the nitrided shell, surrounding the nanocrystals after ammonia treatment, HRXPS analysis were carried out at the ELETTRA synchrotron (Trieste, Italy). The best nitridation recipes were then used for industrial memory flows and the main obtained results are presented as a function of post deposition annealing conditions. In addition, platinum and nickel metallic nanocrystals are studied. The main results show that high density assemblies of small sized platinum nanocrystals (2 nm, 3E12 /cm²) can be elaborated using a sputtering process, followed by a dewetting anneal. HRTEM analysis confirmed the crystalline structure of these nanocrystals. C(V) measurements revealed an excellent memory effect with a maximal programming window of 7.1 V. A charge of 2 stored electrons per nanocrystal is estimated and promising retention performances were shown as well. Finally, the challenges of the integration of metallic nanocrystals in industrial devices are discussed and our work has led to innovative processes compatible with conventional 200 mm memory processes.
Aujourd’hui, les développements des dispositifs mémoire non volatile de type Flash se font à la fois pour des architectures mémoire dites "stand-alones"(plans mémoire de densité de plus en plus élevée de l’ordre de quelques gigabits), et pour des architectures dites "embedded" (embarquées), facilement intégrables dans des circuits logiques très basse consommation. En vue de pousser toujours plus loin la miniaturisation des dispositifs électroniques, les industriels du secteur de la microélectronique portent aujourd’hui beaucoup d’attention aux mémoires non volatiles à pièges discrets. L’idée de base est de remplacer la grille flottante continue des mémoires FLASH actuelles par une multitude de sites discrets de piégeage. Dans le cadre de cette thèse, les pièges discrets sont constitués de nanocristaux de silicium ou métalliques (Ni et Pt). Après un état de l’art sur les technologies des mémoires à nanocristaux et sur les problèmes que pose leur intégration dans une filière industrielle, la passivation des nanocristaux de silicium est abordée. Les nanocristaux sont spécifiquement traités pour résister aux divers recuits ultérieurs à leur élaboration. L’étude des recuits de passivation sous ammoniac et sous oxyde nitreux, pour nitrurer l’interface (coeur de silicium des nano cristaux)/(oxyde de surface), est ainsi menée au moyen d’analyse XPS, SEM et Energy Filtered TEM. Afin de comprendre la nature exacte de la coquille nitrurée formée autour des nanocristaux par les traitements NH3, une série d’analyses HRXPS ont été conduite au synchrotron ELETTRA (Trieste, Italie). Les meilleurs procédés de nitruration ont ensuite été utilisés sur une filière mémoires industrielle et les principaux résultats électriques sont exposés. Enfin, les nanocristaux métalliques (Ni, Pt), plus en amont par rapport à l’industrie microélectronique, sont aussi étudiés. Les principaux résultats montrent qu’une forte densité de plots de platine est obtenue par pulvérisation cathodique et recuit de démouillage; la valeur de la densité est supérieure à 3 1012 cm-2 et la taille des nanocristaux est comprise entre 2 et 3 nm. Les analyses HRTEM montrent le caractère cristallin des nanocristaux de platine. Les mesures C(V) révèlent un excellent effet mémoire avec des fenêtres pouvant atteindre 7,1 V. Les performances en rétention s’avèrent prometteuses et la charge stockée est estimée à 2 électrons par nanocristal. Enfin les problèmes liés à l’intégration de tels nanocristaux métalliques dans une filière mémoire industrielle ont été traités. Ces travaux ont abouti à la mise en œuvre de procédés innovants qui rendent compatible l’intégration des nanocristaux métalliques avec les filières mémoires flash 200 mm conventionnelles.
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