Croissance et caractérisation électrique de nanocristaux d'InAs / SiO2 pour des applications de mémoires non volatiles sur silicium

• Auteur / Autrice : Moïra Hocevar
• Direction : Michel Gendry, Abdelkader Souifi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dispositifs de l’électronique intégrée
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Lyon, INSA

Mots clés

Mots clés contrôlés

Croissance cristalline

Boîtes quantiques

Épitaxie par faisceaux moléculaires

Matériaux nanostructurés

Résumé

Depuis la première proposition de 1995 de remplacer la grille flottante en polysilicium des mémoires non volatiles (MNV) par des nanocristaux de Si (nc-Si), la recherche est très active dans ce domaine. Cette étude se propose d'une part, d'améliorer les caractéristiques d'une MNV à nanocristaux en termes de temps de rétention et d'autre part, d'évaluer les possibilités d'un stockage multibits dans ces nanocristaux. De ce point de vue, le semiconducteur InAs présente des avantages par rapport au Si. En effet, l'InAs possède un offset de bande de conduction plus important que le Si avec l'oxyde SiO2, ce qui devrait conduire à un meilleur confinement des électrons et donc à un meilleur temps de rétention qu'avec le Si. Par ailleurs, la masse effective des porteurs dans l'InAs étant plus faible que celle dans le Si, les niveaux confinés sont mieux séparés, ce qui augmenterait les potentialités de stockage multibits avec des électrons. L'objectif de ma thèse a consisté à évaluer le potentiel d'une MNV à nanocristaux d'InAs (InAs) par comparaison aux MNV à nc-Si. Dans un premier temps, il s'est agi de faire croître, dans un réacteur d'épitaxie par jets moléculaires, des nc-InAs sur un oxyde tunnel SiO2 formé sur un substrat Si. Les nanocristaux sont monocristallins et hémisphériques. Il s'est avéré que la température joue un rôle prépondérant dans le contrôle de la densité des nc-InAs alors que leur taille dépend plutôt de la quantité de matière déposée (de 2 à 12 nm de hauteur). Leur densité peut atteindre 7 x 10exp11 cm -2. Dans un deuxième temps, nous avons fabriqué des structures MOS à nc-InAs destinées à intégrer des cellules mémoires. Nous avons montré qu'il était possible de charger et de décharger les structures à nc-InAs. Les temps d'écriture et effacement peuvent atteindre 1 µm et 0,1 ms à 12 V et 10 V respectivement. Par ailleurs, les mesures des temps de rétention ont permis de démontrer que l'utilisation des nc-InAs augmente le temps de rétention de 2 décades par rapport aux nc-Si pour une structure de dimensions identiques. Il s'avère que l'amélioration des caractéristiques de rétention des électrons dans les nc-InAs est due à l'offset de bande plus important de l'InAs avec le SiO2 que pour le Si. En conclusion, la maîtrise de la croissance et de l'encapsulation des nc-InAs a permis leur intégration dans des dispositifs mémoires tests qui ont présenté des caractéristiques prometteuses pour les mémoires non volatiles.

Since the first proposal in 1995 ofreplacing the polysilicon floating gate of the non volatile memories (NVM) by Si nanocrystals (nc-Si), research in this field is very active. The objective of this study consists in the fabrication of a InAs nanocrystal (nc-InAs) NVM: thus, using InAs allows first the improvement of NVM characteristics thanks to a high electronic affinity, and second, the evaluation of multibits storage in a unique nanocrystal. The nc-lnAs have been grown by molecular bearn epitaxy on a tunnel Si02 on Si. The nc-InAs are monocrystalline and hemispherical. Their height depends on the number of deposited InAs monolayers, whereas the density depends on the growth temperature. We also fabricated MOS structure containing nc-lnAs. The write and erase time is 1μs at 12 V and 14 V respectively. Finally, we demonstrated that the retention time is 2 decades higher in nc-InAs than in nc-Si for an identical structure.