Etude de la creation de protons mobiles dans l'oxyde de silicium et application à un système de mémoire non volatile

= uStudy of the proton creation in silicon dioxide and application to a non-volatile memory device

• Auteur / Autrice : Valérie Girault
• Direction : Carole Plossu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, électrotechnique et automatique
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits d'interface

Protons

Mémoires non-volatiles à accès sélectif

Mots clés libres

Electronique

Microélectronique

Soi

Technologie Silicium sur isolant (SOI)

Mémoire non volatile

Rétention

Endurance

Proton

Hydrogène

Oxyde silicium

Résumé

Dans le domaine des mémoires non volatiles de la microélectronique, plusieurs systèmes ont été proposés ces dernières années. Le développement et l'optimisation de ces dispositifs ont conduit à l'émergence des mémoires EEPROM et FLASH EEPROM aujourd'hui très fiables, qui occupent désormais la majeure partie de la production mondiale. Ces mémoires fonctionnent par stockage d'électrons dans une couche de polysilicium, elle-même encapsulée dans une couche de diélectrique. Dans le but de proposer un dispositif aussi fiable et consommant encore moins d'énergie, l'idée d'un système de mémoire non volatile a émergé en 1996 ayant pour base la migration de protons mobiles dans l'oxyde de grille d'un transistor MOS. Ces protons sont obtenus par recuit des structures sous hydrogène. C'est donc dans cette perspective que ce travail de thèse a été engagé. Dans un premier temps, une étude expérimentale exhaustive concernant les conditions de création de protons mobiles dans l'oxyde de silicium est rapportée. Elle a été réalisée sur des dispositifs élémentaires fabriqués sur des substrats Silicon On Insulator (SOI), les premiers a avoir permis cet effet. Les premiers dispositifs mémoires ayant démontré des caractéristiques prometteuses, l'étape suivante dans cette étude a concerné le remplacement de la structure SOI par une structure similaire réalisée avec des procédés et des matériaux plus standards et en particulier avec de l'oxyde de silicium thermique. Cette étape franchie sur des dispositifs capacitifs, nous avons engagé la fabrication d'un transistor mémoire. L'oxyde thermique a été utilisé et des procédés de réalisation ont été tentés. Si les transistors ont permis, pour une part, de créer les protons mobiles dans l'oxyde de grille, la caractérisation électrique des dispositifs a mis en évidence des disfonctionnements majeurs qui empêchent la fabrication réelle de ce type de mémoire non volatile. En revanche, l'étude a permis de mieux comprendre les réactions chimiques entre l'oxyde de silicium et l'hydrogène, ces deux composants restant très présents dans les procédés technologiques de la microélectronique d'aujourd'hui.

The development and the optimisation of non-volatile memory devices lead the very reliable EEPROM and FLASH EEPROM memories to become the major part of the world production. In order to build a device as reliable as the previous ones and consuming still less energy, a new idea for a non-volatile memory device emerged in 1996. The running mode of this new device type uses the migration of protons in the gate oxide of a MOSFET transistor. These protons are created after annealing the device under a hydrogenated atmosphere. The present thesis was then initiated to understand and develop such a new type of non-volatile memory device. First, a complete experimental study of the particular conditions necessary for the proton creation in the silicon dioxide is presented. Elementary devices made on Silicon-On-Insulator (SOI) substrates were used to lead this study since these substrates first allowed the proton creation. Very promising characteristics were obtained on the elementary SOI-based devices and the replacement of the costly SOI structure has been the next development step. More standard processes and standard materials, such as the thermal silicon dioxide, were chosen. Only the hydrogen treatment necessary to allow the proton creation had to be added in the making. Once the previous step reached, we tried to make a proper non-volatile memory MOSFET transistor. The thermal silicon dioxide was used as the gate oxide and several techniques and treatments were attempted to subsequently allow the proton creation. On one hand, the transistors really presented migrating protons in their gate oxide, but on the other hand, their electrical characteristics evidenced major running deficiencies, which avoid its future making. Nevertheless, this study was useful to better understand the chemical reactions between the silicon dioxide and the hydrogen gas, which is very commonly, used components in many technological processes in microelectronics today.