Caractérisation et modélisation des propriétés des couches de SiO2 : application aux têtes de lecture-écriture pour disques durs et aux mémoires EEPROM

= Characterization and modeling of Si02-films properties : application to read-write heads for hard disk and to EEPROM memories

• Auteur / Autrice : Silvia Croci
• Direction : Bernard Balland
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPM - Laboratoire de Physique de la Matière (1961-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composants électroniques

Électronique

Résumé

Les travaux présentés dans ce mémoire développent deux axes différents de recherche. Le premier concerne la caractérisation de Si02 obtenu par dépôt chimique en phase vapeur sous activation par plasma (PECVD) à basse température (50°C) ; les précurseurs de l'oxygène et du silicium sont respectivement 0 2 et l'hexamethyldisilazane (HMDS). Le but de cette recherche est d'obtenir un oxyde de bonne qualité destiné à être utilisé dans la fabrication d'une nouvelle génération de têtes magnétiques d'écriture-lecture pour disques durs. L'amélioration des propriétés des oxydes a été recherchée en faisant varier le rapport des flux des précurseurs. Le second axe de recherche concerne la modélisation des caractéristiques électriques des oxydes tunnel d'épaisseur <10 nm, utilisés dans les mémoires EEPROM des générations actuelles. La modélisation des caractéristiques capacitives a été abordée dans une approche de type classique puis quantique, et appliquée au cas de structures polysilicium/oxyde/semiconducteur. Concernant la modélisation des caractéristiques courant-tension, le mécanisme de conduction impliqué est de type tunnel Fowler-Nordheim (FN). Nous avons traité les modèles semi-classiques et quantiques puis porté une attention particulière aux modèles approchés aisément intégrables dans les simulateurs de mémoires. Nous avons finalement proposé une nouvelle procédure itérative permettant une extraction précise et fiable des coefficients FN. De plus, aucun des modèles connus ne permettant de rendre compte de la conduction de l'oxyde tunnel à très forts champs électriques (>107 V. Cm- 1 ), nous avons développé un nouveau modèle, basé sur la présence de défauts dans l'oxyde, permettant de rendre compte de la conduction FN aussi bien à faibles qu'à forts champs électriques. Finalement, nous avons estimé l'impact de divers paramètres technologiques, tels que le dépôt de polycide et la nitruration sous N20, sur les caractéristiques électriques des structures MOS.

The work presented in this manuscript develops two different research ways. The first concerns the characterisation of Si02 obtained by Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD) at low temperature (50°C); the oxygen and silicon precursors are respectively 0 2 and hexamethyldisilazane (HMDS). The aim of this research is the production of oxides of good properties to be used in the fabrication of a new generation of read-write heads for hard disks. The oxides properties have been improved by varying the precursors flux ratio. The second research branch concerns the modeling of tunnel oxides capacitance voltage (C-V) and current-voltage (I-V) electrical characteristics; the considered oxides thickness (around 7 nm) is the one used in the present generation of EEPROM memories. With regard to C-V modeling, we have begun by the classical model in the case of ideal and real structures, that we have extended to the treatment to polysilicon/SiOz/semiconductor structures. In a second time, we have considered the quantum models. Concerning I-V modeling for the studied Si02 thicknesses, the conduction mechanism is Fowler-Nordheim injection (FN). We have considered semi-classical and quantum models for this injection mechanism; particular attention has been paid to approximated models that can be easily integrated in EEPROM memories simulators. Finally, we have proposed a new iterative procedure for precise and reliable FN coefficients extraction. Moreover none of the above models being able to explain the observed conduction of tunnel oxides at very high electric fields (>107 V cm-1 ), we have developed a new model, based on the presence of defects in the oxide, able to explain the FN conduction as well at low that at strong fields. Finally we have evaluated the impact of various technological parameters, as polycide deposition and tunnel oxide N20 nitridation on electrical characteristics of MOS structures.