UNIVERSITE DE PROVENCE AIX-MARSEILLE I THESE pour obtenir le grade de DOCTEUR DE LUNIVERSITE DE PROVENCE Ecole doctorale : Sciences Pour l'Ingnieur : Mcanique, Physique, Micro et Nanolectronique Prsente et soutenue publiquement le 2 avril 2008 par Stphanie JACOB TITRE : INTEGRATION, CARACTERISATION ET MODELISATION DES MEMOIRES NON VOLATILES A NANOCRISTAUX DE SILICIUM DIRECTEUR DE THESE : Pascal MASSON, Prof. Universit de Nice Sophia-Antipolis CO-ENCADRANTS : Barbara DE SALVO, HDR, Dr. Ing. CEA-LETI Minatec Gilles FESTES, Dr. Ing. ATMEL Rousset JURY Prsident : M. Rachid BOUCHAKOUR, Prof. Universit de Provence, Marseille Rapporteurs : M. Salvatore LOMBARDO, Dr. IMM-CNR, Catagne, Italie M. Georges PANANAKAKIS, Prof. INP Grenoble Examinateurs :Mme Barbara DE SALVO, HDR, Dr. Ing. CEA-LETI Minatec, Grenoble M. Gilles FESTES, Dr. Ing. ATMEL, Rousset M. Pascal MASSON, Prof. Universit de Nice Sophia-Antipolis Invits : M. Romain COPPARD, Dr. Ing. R&D, Sofileta-CEA, Grenoble M. Thierry PEDRON, Dr. Dir. Technologie Avance, ATMEL, Rousset Thse CIFRE ATMEL Rousset en collaboration avec le CEA-LETI Minatec et lIM2NP tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009 tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009 Sachez vous loigner, car, lorsque vous reviendrez votre travail, votre jugement sera plus sr. , Leonard de Vinci On peut aussi btir quelque chose de beau avec les pierres qui entravent le chemin. , Johann Wolfgang Von Goethe tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009 tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009 REMERCIEMENTS CetravailateffectuauseinduLaboratoiredesNano-Dispositifs(LNDE)du CEA-LETI Minatec et de la socit Atmel Rousset, dans le cadre dune convention CIFRE. JexprimedabordtoutemagratitudeSimonDeleonibus,chefduLNDEet OlivierDemolliens,chefduD2NT(DpartementNanNoTechnologies)pourmavoir accueillieauseinduCEA-LETIdeGrenoble.JeremerciegalementThierryPedron, Directeur de la Technologie Avance, pour en avoir fait de mme au sein dAtmel Rousset. Grceleurcollaboration,jaipubnficierdesmeilleuresconditionspourralisercette thse. JeremerciegalementPascalMasson,mondirecteurdethse(professeur lInstitutMatriauxMicrolectroniqueNanosciencesdeProvence(IM2NP)dabordet maintenantlUniversitdeNiceSophia-Antipolis)demavoirfaitconfianceetde mavoir soutenue pour ces trois annes de thse et depuis le stage de fin dtude. JexprimetoutemareconnaissanceetmagratitudeBarbaraDeSalvo,mon encadrante au CEA/LETI, pour mavoir guide durant toute la dure de cette thse, en me faisantpartagersagrandeexprienceetsesprcieuxconseils.Mercidemavoirfait confiance une nouvelle fois aprs le stage. Je tiens galement remercier Romain Coppard, pouravoirtmonencadrantchezAtmelpendant2ansetdemi.Samotivationetson enthousiasmeontlargementcontribufaireavancerleprojet.Mercidemavoir renouvel sa confiance pour de nouvelles aventures. Jadresse mes plus vifs remerciements Gilles Festes pour avoir repris la suite de mon encadrement, pour son aide prcieuse sur denombreuxpointsetpouravoirttoujoursdisponiblemalgrsachargedetravail. Quils soient tous les trois assurs de toute ma gratitude. MesremerciementssincresvontRachidBouchakour,ProfesseurlUniversit deProvence,pouravoirbienvouluprsiderlejury.Jexprimetoutemagratitude SalvatoreLombardo,directeurderecherchelIMM-CNRetGeorgesPananakakis, Professeur lINPG, pour avoir bien voulu accepter la tche de rapporteur. JesouhaitegalementremercierDamienDeleruyelle,matredeconfrence lUniversitdeProvence,poursadisponibilitaucoursdecestroisansetenparticulier pouravoirassurlerelaisdePascaletpoursaprsencergulireGrenobleaudbutla thse. Je remercie ensuite trs chaleureusement les membres de lquipe mmoire : Marc Bocquet, Julien Buckley, Guillaume Gay, Marc Gly, Eric Jalaguier, Carine Jahan, Gabriel tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009 Molas, Etienne Nowak, Luca Perniola et Tiziana Pro. Ils ont toujours t disponibles pour rpondre toutes mes questions. Leur bonne humeur a sans aucun doute contribu au bon droulement de cette thse. Un grand merci Luca qui ma normment aide au cours de cestroisans.Mercipoursonsupportsurlacaractrisationlectriqueetpoursonaide indispensablesurlamodlisation.MerciGabrielpoursonexpertise.MerciEricpour sonexprience,sadisponibilitpournosdiscussionssrieuses(ounon)ainsiqueson expertise en carnets de lots de nanocristaux 3D partage celle de Marc G. laccent chantant.JesouhaiteboncourageauxthsardsTiziana,MarcB.(initiateurdu Atchoushowquimaruinelorsdesonpassageau416),GuillaumeetEtiennepourla suite. JadressetousmesremerciementsauxquipesduLSCDP(Laboratoirede Simulation et Caractrisation des Dispositifs et Procds) dirig par Fabien Boulanger pour leursupportindispensablesurlacaractrisationlectrique(AlainToffoli,DenisBlachier, Patrick Grosgeorges, Vincent Vidal, Fabienne Allain et Jacques Cluzel) et sur la simulation TCAD(PascalScheiblin,PierretteRivallin,SylvainBarraud,GillesLecarval).Mercien particulierPascalpoursesprcieuxconseilsetsonaidesurlessimulationsporteurs chauds. Ce travail naurait pu tre effectu sans le support des quipes dAtmel. Je remercie la fab pour avoir sorti les lots. Merci aux personnes de diffusion : Sylvie Bodnar, Stphanie AngleetGaelBorvon.MercienparticulierSylviepourlesnanocristaux,pourstre toujoursintressecestravauxetenfinpoursagentillesse.MerciArnaudTalagrand pour le dveloppement des tapes de gravure ncessaires la fabrication du dmonstrateur. MerciThibautPate-CazalpourlescaractrisationslectriquessurPCM.MerciJean-Franois Thiery pour les caractrisations des matrices mmoires et pour avoir pris le temps de me former sur ces mesures ainsi que sur les mthodes de test des produits Flash, malgr sa charge de travail. Merci Laurence Morancho avec qui jai pos mes premires pointes.Je tiens galement remercier toutes les personnes de la salle blanche et des autres laboratoiresduLETI(LFE,SDOT,SSIT,SCPIO)quiontapportleurcontribution (de jour comme de nuit !) : Pierre Mur, Lilian Masarotto, Jean-Philippe Colonna...et beaucoup dautres. Commentnepasciterlesthsardsdu416quiontpartagmonbureaudurantces annes et qui ont apport beaucoup de bonne humeur (par ordre dapparition) :Romain(quimadonnunavant-gotdesjoiesetsurtoutdespeinesdelardaction), Atsushi (pas folle lagupe qui matrise le subjonctif), Fred(toujours enavance,augrand dsespoirdesesvoisins),Vince(mercipourtaculturemusicaleetfootballistique),JP (collectionneurobsessionneldebotesdelot2poucesetfournisseurofficieldebarres tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009 chocolatesdulabo),Guillaume(soitdignedemonbureauetsurtoutdemonPCtant attendu) et Louis (la relve en matire de culture musicale est assure !). Je salue galement les thsards CIFRE avec qui jai dcouvert le langage Atmlien au cours des premires semaines de ma thse : Michel, Loeizig et Jol qui a galement t lautre reprsentant dAtmel au LETI (merci pour les blagues raffines et aussi pour le travail en diffusion sur les nanocristaux et les oxydes).Jenoubliepaslesautresthsardsetpost-docduLNDEquejeremerciepouravoir participlambiancechaleureusequirgneltage:Marco,Juliano,Ccilia,Emilie, Perrine, Michael, Jyotshna, Estelle, Stphane, Sophie et Alexandre. Je leur souhaite tous bonne continuation. Je noublie pas de remercier toutes les autres personnes que jai ctoyes durant ces troisannesetquimontapportleuraideouquiontcontribucreruneambiance agrable, quecesoitauLETI :Corine,Julie,Franois,OlivierW.,Cyrille,Christel, BernardG.,Georges,Thomas,Maud,Thierry,OlivierF,Sophie,Virginie,Laurent, Arnaud, Claude, Bernard P., Nathalie, Marie-Pierre, Xavier, Jrme, Florent, Marie-Anne, Jean-Charles,Olga,Emmanuelle,SbastienouquecesoitchezAtmel :Eva,Pascal, Alexis, Eleonore, Willem, Magali, Nadia, Didier, GillesL., Stphane, Patrick, Jean-Yves, Gilles M., Serguei, Florence, Mathieu, Jrme, Jean-Paul, Jean-Marc B., Franois J., Elsa, Ccile, Catherine, Bruno, Bertrand, Lionel, Eric Y., Tamzin, Virginie, Bernard B., Yves T., Michel M., Luc J Jenetermineraipassansadresserungrandmercimesparentspourtoutcequils ontfaitetpourlesoutienquilsmontapportduranttoutesmestudes.Jesouhaiteune bonne continuation mon petit frre (bien que plus grand en taille). Enfin, un immense merci Ludo pour avoir t mes cts depuis toutes ces annes. Merci pour sa patience et pour avoir support les sautes dhumeur dune thsarde ainsi que les soires, les nuits, les week-ends et les mois de rdaction passs clotrs la maison. Encore merci de mavoir soutenue et motive pendant ces trois annes. tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009 tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009- 1 - SOMMAIRE Liste des abrviations ......................................................................... 5 Liste des symboles.............................................................................. 7 Introduction gnrale .......................................................................... 9 Chapitre I :Introduction :Lesmmoiresnon-volatilesbasede silicium......................................................................... 13 I.1Introduction.................................................................................................... 17 I.2Contexte ......................................................................................................... 17 I.3Historique des mmoires non-volatiles....................................................... 20 I.4Fonctionnement et architectures des mmoires Flash.............................. 22 I.4.1Prsentation et fonctionnement de la cellule mmoire................................. 22 I.4.2Architectures des mmoires Flash................................................................. 26 I.5Limites des mmoires Flash......................................................................... 28 I.6Les solutions ................................................................................................. 31 I.6.1Les mmoires Flash sites de pigeage discrets......................................... 32 I.6.1.1Les mmoires base de nitrure ........................................................... 33 I.6.1.2Les mmoires nanocristaux de silicium............................................. 36 I.6.1.2.ARsultats publis par Freescale .................................................................. 37 I.6.1.2.BRsultats publis par STMicroelectronics.................................................... 43 I.7Conclusion..................................................................................................... 46 ANNEXE :Lessolutionsalternativeslaminiaturisationdesmmoires Flash.................................................................................................. 47 Bibliographie.......................................................................................................... 54 tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009- 2 - Chapitre II :FabricationdesmmoiresFlashnanocristauxde silicium........................................................................... 61 II.1Introduction.................................................................................................... 65 II.2Mthodes de fabrication des nanocristaux de silicium.............................. 65 II.2.1Prcipitation de silicium en excs................................................................. 65 II.2.2Synthse sous forme darosol ..................................................................... 65 II.2.3Technique de croissance par CVD ................................................................ 66 II.2.3.1 Procd une tape........................................................................... 66 II.2.3.2 Procd deux tapes........................................................................ 67 II.2.3.3 Influence de la prparation de surface avant dpt des nanocristaux de silicium................................................................................................ 68 II.2.3.4 Nitruration des nanocristaux de silicium .............................................. 69 II.3IntgrationdesnanocristauxdesiliciumdansunproduitFlash NOR 130 nm................................................................................................... 70 II.3.1Organisation dune mmoire Flash ............................................................... 70 II.3.2Fabrication dune mmoire Flash standard .................................................. 71 II.3.3Les diffrentes possibilits dintgration des nanocristaux de silicium .... 80 II.3.4Niveaux de masques ...................................................................................... 93 II.4Conclusion..................................................................................................... 95 ANNEXE :Autresprocdsdefabricationpossiblesintgrantles nanocristaux de silicium..................................................... 96 Bibliographie........................................................................................................ 106 Chapitre III :CaractrisationlectriquedesmmoiresFlash nanocristaux de silicium........................................... 109 III.1Introduction.................................................................................................. 113 III.2Caractrisationlectriquedescellulesmmoiressimplesnanocristaux de silicium.................................................................................................... 113 III.2.1Influence des mthodes de programmation ............................................. 113 III.2.1.1Ecriture par porteurs chauds .......................................................... 113 III.2.1.2Effacement par Fowler-Nordheim................................................... 114 tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009- 3 - III.2.1.2Effacement par Fowler-Nordheim................................................... 114 III.2.2Influence des paramtres technologiques................................................ 115 III.2.2.1Influence de limplant canal ............................................................ 117 III.2.2.2Influence de lpaisseur de loxyde tunnel ...................................... 117 III.2.2.3Influence de la taille et de la densit des nanocristaux ................... 120 III.2.2.3.AInfluence du procd de fabrication....................................................... 120 III.2.2.3.BInfluence de la taille des nanocristaux ................................................... 120 III.2.2.4Influence de la passivation des nanocristaux.................................. 124 III.2.2.4.APassivation avec NH3 et NO.................................................................. 124 III.2.2.4.BDpt dune couche de Si3N4................................................................. 126 III.2.2.5Influence du dilectrique de contrle .............................................. 127 III.2.2.5.AInfluence de la nature du dilectrique : HTO ou ONO............................ 127 III.2.2.5.BInfluence de l'paisseur, densification du HTO...................................... 129 III.3Caractrisationlectriquedesmatricesmmoiresnanocristauxde silicium......................................................................................................... 135 III.3.1Introduction................................................................................................. 135 III.3.2Influence du procd de fabrication des nanocristaux de silicium......... 136 III.3.2.1Influence de la taille des nanocristaux ............................................ 136 III.3.2.2Comparaison des procds une tape/deux tapes....................... 137 III.3.3Influence des conditions de programmation............................................ 137 III.3.3.1Amlioration de la distribution des tensions crites ........................ 138 III.3.3.1.AInfluence du temps dcriture................................................................. 138 III.3.3.1.BInfluence de la polarisation du substrat.................................................. 139 III.3.3.2Amlioration de la distribution des tensions effaces...................... 140 III.4Fiabilit......................................................................................................... 141 III.4.1Endurance................................................................................................... 141 III.4.2Rtention..................................................................................................... 143 III.4.3Rtention aprs endurance........................................................................ 144 III.4.4 Gate disturb ........................................................................................... 146 III.5Conclusion................................................................................................... 148 Bibliographie........................................................................................................ 150 Chapitre IV :ModlisationdesmmoiresFlashnanocristauxde silicium....................................................................... 151 IV.1Introduction.................................................................................................. 155 tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009- 4 - IV.2Le modle de la quasi-grille flottante......................................................... 155 IV.2.1Rsultats des simulations avec le modle de la quasi-grille flottante.... 158 IV.2.1.1Effacement Fowler-Nordheim......................................................... 158 IV.2.1.1.AInfluence de lpaisseur de loxyde tunnel .......................................... 158 IV.2.1.1.BInfluence de lpaisseur du HTO de contrle...................................... 161 IV.2.1.1.CInfluence du taux de couverture des nanocristaux de silicium............ 163 IV.2.1.1.DComparaison avec la Flash standard................................................. 164 IV.2.1.2 Gate disturb .............................................................................. 165 IV.3Ecriture par porteurs chauds ..................................................................... 169 IV.3.1Etudedelalocalisationdelachargedansunecellulemmoire nanocristaux de silicium............................................................................ 169 IV.3.1.1Introduction .................................................................................... 169 IV.3.1.2Dispositifs dtude .......................................................................... 170 IV.3.1.3Simulations lectrostatiques........................................................... 171 IV.3.1.4Simulationsdynamiquesdelcritureparlectronschaudset interprtation des donnes exprimentales .................................... 172 IV.3.1.4.ASimulations TCAD.............................................................................. 172 IV.3.1.4.BModlisation analytique...................................................................... 177 IV.4Conclusion................................................................................................... 182 ANNEXE 1 :McanismesdeconductiontunnelFowler-Nordheimettunnel direct.............................................................................. 184 ANNEXE 2 :Quelques lments de la thorie des porteurs chauds......... 189 Bibliographie........................................................................................................ 192 Conclusions et perspectives........................................................... 197 Bibliographie de lauteur ................................................................. 203 tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009- 5 - Liste des abrviations CHEChannel Hot Electron CICircuits Intgrs DMADirect Access Memory EEPROMElectrically Erasable Programmable Read Only Memory EFTEMEnergy-Filtered Transmission Electron Microscopy EOTEquivalent Oxide Thickness EPROMElectrically Programmable Read Only Memory FAMOSFloating-gate Avalanche-injection MOS FLOTOXFLOating gate Thin Oxide HDPHigh Density Plasma HHIHot Hole Injection HTOHigh Temperature Oxyde ITRSInternational Roadmap for Semiconductors LDDLow-Doped Drain MEBMicroscope Electronique Balayage MIMISMetal-Insulator-Metal-Insulator-Semiconductor MNOSMtal-Nitrure-Oxyde-Semi-conducteur MOSMtal Oxyde Semi-conducteur MTJMagnetic Tunnel Junction ONOOxyde/Nitrure/Oxyde PCMPhase Change Memory RAMRandom Access Memory ROMRead Only Memory SASTI Self Aligned Shallow Trench Isolation SILCStress Induced Leakage Current Si-NCsNanocristaux de Silicium SNOSSilicium-Nitrure-Oxyde-Silicium SONOSSilicium-Oxyde-Nitrure-Oxyde-Silicium STIShallow Trench Isolation TEMTransmission Electron Microscopy UVUltra Violet tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009- 6 - tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009- 7 - Table des symboles NomDescriptionValeurUnit 0Permittivit du vide8,854.10-12F/m CEnergie du bas de la bande de conduction du SiJ FEnergie du niveau de FermiJ oxPermittivit du dilectrique considrF/m Eox Champ lectrique dans le dilectrique considrV/m SiPermittivit du Si11,9.0F/m hConstante de Planck6,62620.10-34J.s Constante de Planck /21,0546.10-34J.s JHTO Densit de courant travers le HTO de contrleA/m Jtun Densit de courant travers loxyde tunnelA/m kConstante de Boltzmann1,38062.10-23J.K-1 mox Masse de llectron dans le dilectrique considrkg mSiMasse de llectron dans le Sikg dotDiamtre du nanocrystalm SiO2Barrire de potentiel Si/SiO23,15eV qCharge lmentaire1,60219.10-19C QFGCharge dans la grille flottanteC Rdot Portion de surface couverte par les nanocristaux TTempratureK tHTOEpaisseur du HTO de contrlem tONO Epaisseur de lONO de contrlem tox Epaisseur du dilectrique considrm ttun Epaisseur de loxyde tunnelm VbTension applique sur le substrat dun transistorV VCGPotentiel de la grille contrleV VdTension applique sur le drain dun transistorV VFGPotentiel de la grille flottanteV VgTension applique sur la grille dun transistorV tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009- 8 - VOXChute de potentiel dans le dilectrique considrV VsTension applique sur la source dun transistorV Vth Tension de seuilV VthFTension de seuil en lecture directeV VthRTension de seuil en lecture inverseV tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009Introduction gnrale- 9 - INTRODUCTION GENERALE Contexte Depuis une vingtaine dannes, lindustrie de la microlectronique connat une volution considrable,en termesdaugmentation de la capacit dintgration et de diminution du prix derevient.Ceciapermisaugrandpublicdaccderauxproduitslectroniquestelsqueles tlphonesetordinateursportables,baladeursMP3,clsUSBouencoreappareilsphotos numriques, qui connaissent actuellement un norme succs. Cet essor considrable de lindustrie du semiconducteur a t possible notamment grce laugmentation perptuelle des performances du transistor MOS qui est la brique lmentaire descircuitsintgrs.LadiminutiondesdimensionsdutransistorMOSsuituneloi exponentielle, connue sous le nom de la loi de Moore, tablissant que la densit de transistors par microprocesseur double tous les deux ans.Un autre march, celui des mmoires non-volatiles et en particulier des mmoires Flash a galementfortementcontribulacroissancedelindustriedessemiconducteurs.Ces dispositifspermettantlestockagedelinformationsonteneffetprsentsdanstousles nouveaux produits succs cits prcdemment. Cependant,laminiaturisationdesmmoiresFlashstandardrisquederencontrerdes limitations au-del du nud technologique 45 nm, prvu vers 2010, principalement en ce qui concernelarductiondesdilectriquesdelammoire.Cestpourquoilesindustrielsetles laboratoiresrecherchentactuellementdenouvellesvoiesquipermettraientdeprolongerla dure de vie de ces dispositifs. Lide dune cellule mmoire qui utilise des sites de pigeage discretspourstockerlachargefaitaujourdhuilobjetdebeaucoupdattention,carcestun candidat potentiel pour des futurs dispositifs mmoires haute densit dintgration et faible consommationenpuissance.Plusieurstypesdemmoirespigesdiscretsonttreports danslalittrature.Danscesdispositifs,lematriaudestockagepeuttresoitunecouche continueavecdesdfautsnaturels(pigeslectriquementactifs)oubiendesnanocristaux raliss avec diffrentes technologies. Cest pourquoi dans cette thse nous nous sommes attachs tudier ces dispositifs et en particulier les mmoires Flash nanocristaux de silicium. tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009Introduction gnrale- 10 - Le travail de thse Cettethseportesurlintgration,lacaractrisationetlamodlisationdes mmoiresnon-volatilesnanocristauxdesilicium.Lobjectifpremierdecettethseest ltude exprimentale et thorique de ces mmoires. Les points majeurs de notre tude sont prsents selon quatre chapitres. Le chapitreI prsente le contexte et le march des mmoires Flash, ainsi que leur fonctionnement.Ensuite,leslimitationsdelarductiondesdimensionsdecesdispositifs sontexposes,ainsiquelessolutionsquisemblentlesplusprometteusespourrepousser ces limites. Les tudes ralises sur les cellules nanocristaux de silicium et en particulier les rsultats sur des matrices de plusieurs Mga bits (Mb) obtenus par des industriels sont prsents. LechapitreIItraitedelafabricationdesmmoiresnanocristauxdesilicium. Danslapremirepartie,lesdiffrentesmthodesdefabricationdesnanocristauxde siliciumsontprsentes.Ladeuximepartieduchapitreportesurlintgrationdes nanocristauxdesiliciumdansunproduitATMELFlashNOR32Mb,bassurune technologie130nm.LorganisationdunproduitmmoireFlashestdabordprsente. Ensuite,nousdtaillonsleprocddefabricationdelammoireFlashstandardgrille flottantecontinueetnousexpliquonslesdiffrentesfaonsdintgrerlesnanocristauxde siliciumpartirdeceprocd.Enfin,ladernirepartietraitedunombredemasques pouvanttreconomissavecunprocdnanocristauxdesiliciumparrapportun procd standard. Le chapitre III porte sur la caractrisation lectrique des mmoires nanocristaux desilicium.Lesrsultatslectriquesobtenussurdescellulesmmoiressimplessont dabordprsentstraversunetudeexhaustivedelinfluencedesmthodesde programmation ainsi que des paramtres technologiques sur les caractristiques dcriture parlectronschaudsetdeffacementparFowler-Nordheim.Dansunedeuximepartie, nousprsentonslescaractristiqueslectriquesdematricesmmoiresetenparticulier cellesdundmonstrateurATMELFlashNOR32Mb.Linfluenceduprocd dlaborationdesnanocristauxdesiliciumainsi quedesconditionsdeprogrammationest tudie. Enfin, nous proposons une tude de fiabilit sur les matrices mmoires. Dans le chapitre IV, nous nous intressons la modlisation des mmoires Flash nanocristauxdesilicium.Dansunepremirepartie,leffacementFowler-Nordheimetle gatedisturb sontsimulsgrceaumodleditdelaquasi-grilleflottante.Linfluence despaisseursdeloxydetunneletdecontrleainsiquecelledutauxdecouverturedes tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009Introduction gnrale- 11 - nanocristauxdesiliciumsurleffacementsonttudies.Concernantlegatedisturb, linfluencedelatensiondegrilledelectureetdelpaisseurduHTOsontmisesen vidence.La deuxime partie du chapitre porte sur lcriture par lectrons chauds et en particulier sur la localisation de la charge dans les nanocristaux. Nous prsentons une tude de linfluence desconditionsdcrituresurlalocalisationdelachargelaidedesimulationsTCADet dun modle analytique coupl des mesures exprimentales. Enfin,lemanuscritsetermineparuneconclusiongnralequirsumeles principauxrsultatsobtenusdanslecadredecettetudeetdesperspectivesdecetravail sont proposes. tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009 - 12 - tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009- 13 - Chapitre I : Introduction : Les mmoires non-volatiles base de silicium tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009Chapitre I : Introduction : Les mmoires non-volatiles base de silicium- 14 - tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009Chapitre I : Introduction : Les mmoires non-volatiles base de silicium- 15 - Chapitre I :Introduction :Lesmmoiresnon-volatilesbasede silicium......................................................................... 13 I.1Introduction.....................................................................................................17 I.2Contexte..........................................................................................................17 I.3Historique des mmoires non-volatiles........................................................20 I.4Fonctionnement et architectures des mmoires Flash...............................22 I.4.1Prsentation et fonctionnement de la cellule mmoire.................................22 I.4.2Architectures des mmoires Flash.................................................................26 I.5Limites des mmoires Flash..........................................................................28 I.6Les solutions ..................................................................................................31 I.6.1Les mmoires Flash sites de pigeage discrets.........................................32 I.6.1.1Les mmoires base de nitrure ...........................................................33 I.6.1.2Les mmoires nanocristaux de silicium..............................................36 I.6.1.2.ARsultats publis par Freescale .................................................................. 37 I.6.1.2.BRsultats publis par STMicroelectronics.................................................... 43 I.7Conclusion......................................................................................................46 ANNEXE :Lessolutionsalternativeslaminiaturisationdesmmoires Flash...................................................................................................47 Bibliographie...........................................................................................................54 tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009Chapitre I : Introduction : Les mmoires non-volatiles base de silicium- 16 - tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009Chapitre I : Introduction : Les mmoires non-volatiles base de silicium- 17 - I.1Introduction Lobjectif de ce premier chapitre est de prsenter les principes de base des mmoires non-volatiles. Nous verrons dans quel contexte sinscrivent les mmoires Flash et quel est leur fonctionnement.NousprsenteronsgalementleslimitesdesdispositifsFlashactuelset quellessontlessolutionsenvisagespourlesdpasser.Nousverronsenfinquunedes solutionsestlutilisationdesmmoiressitesdepigeagediscretsetenparticulier nanocristaux de silicium, qui sont le sujet principal de cette thse. I.2Contexte Depuis le milieu des annes 60, le march des circuits intgrs (CI) a connu un essor exceptionneletaveclui,celuidesmmoires.LesrevenusdumarchdesCIpourlanne 2006sontdenviron150000millionsdedollars(Fig.I-1),cequimontrelimportancede celui-cidanslconomiemondiale.Lemarchdesmmoires,dontlesrevenusreprsentent presque 30 % du march des CI, est un moteur essentiel de lindustrie des semi-conducteurs. En effet, tous les produits lectroniques qui connaissent actuellement un grand succs auprs du grand public (tlphones portables, ordinateurs, cls USB, lecteurs MP3, assistants personnels) contiennent des mmoires. Lasolutionidaleseraitunemmoirequiretiendraitlinformationsansalimentation lectrique extrieure, avec un accs en lecture et une programmation rapide et tout cela avec une haute densit dintgration et une basse consommation en nergie. Cependant, la mmoire idale,regroupanttouscesavantageslafoisnexistepas,mmesilesmmoiresFlashen prsententplusieursdentreeux(Fig.I-2).Ilexistedoncplusieurscatgoriesdemmoires selon les applications vises. Les mmoires semi-conducteur se divisent en deux catgories diffrentes : volatiles etnon-volatiles(Fig.I-3).Lesmmoiresvolatilesperdentleurinformationdsquellesne sont plus alimentes. Ces mmoires ont un accs en lecture et programmation trs rapide. Les mmoiresnon-volatiles,aucontraire,retiennentlinformationstockeindpendammentde lalimentationextrieure.Laprogrammationdecesdispositifsestpluslentequecelledes mmoires volatiles. tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009Chapitre I : Introduction : Les mmoires non-volatiles base de silicium- 18 - PourcentabeMillions de dollarsAnneMarch des mmoires MOS March des CI (hors mmoires)% des mmoires par rapportau march total des CI Fig.I-1:EvolutiondesrevenusdumarchdesCIetdumarchdesmmoirestechnologieMOS (F : prvisions). Source : WSTS, IC Insights. Haute densitNon-volatilitEnduranceFlashEEPROMDRAMROMEPROM Fig. I-2 : Classification des mmoires semi-conducteurs selon les critres de performance. VolatilesNon-volatilesMmoires semi-conducteursRAMs ROMsSRAM DRAM ROMEPROM EEPROM FLASHMmoires semi-conducteursRAMs ROMsSRAM DRAM ROMEPROM EEPROM FLASH Fig. I-3 : Tableau rcapitulatif des diffrentes classes de mmoires semi-conducteurs. tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009Chapitre I : Introduction : Les mmoires non-volatiles base de silicium- 19 - LesmmoiresaccsalatoireRAM(RandomAccessMemory)constituent lessentiel des mmoires volatiles. Ce nom se rfre au fait que lon peut accder nimporte quelendroitdelammoiretrsrapidementetdansnimportequelordre.Lesprincipales catgories de RAM sont les SRAM (Static RAM) et les DRAM (Dynamic RAM).La cellule SRAM utilise six transistors et retient linformation aussi longtemps quelle est alimente. La taille de chaque cellule est donc assez grande et cela limite lutilisation de la SRAMdesmmoiresbassedensitdintgration.Deplus,soncotestpluslevque celuidelaDRAM.Parcontre,laccsauxdonnesestplusrapideetlaconsommationplus faible. LepointmmoireDRAMestconstituduntransistoretdunecapacitservant stocker la charge. Les capacits ne retenant pas linformation indfiniment, il est ncessaire de rafrachir la cellule mmoire rgulirement, do le nom dynamique . Les DRAM, de part leurpetitetaille,peuventtreutilisesdanslesapplicationsavecunehautedensit dintgration. De plus leur cot de fabrication est faible. Cest pourquoi, le march desDRAM est largement suprieur celui des SRAM, comme le montre la Fig. I-4. Lapremiremmoirenon-volatileatlaROM(ReadOnlyMemory)danslaquelle les donnes sont crites de faon dfinitive au cours de la fabrication. Ce dispositif peut tre lumaisjamaisreprogramm.Parlasuite,lacapacitprogrammerlammoire lectriquement a successivement t ajoute. LEPROM(ElectricallyProgrammableROM)peuttrecritelectriquementmais elle doit tre efface par un passage sous rayons UV. Le point mmoire est constitu dun seul transistor. LEEPROM (Electrically Erasable and Programmable ROM) peut scrire et seffacer lectriquement, mais au prix dune complexit de cellule accrue. Le point mmoire utilise une surfacequivalentedeuxtransistors.Lepremierestuntransistordeslectionetlesecond estllmentdestockage.Linconvnientdecettemmoireestdonclasurfaceoccupequi est trs importante et le cot qui est plus lev. La mmoire Flash EEPROM (gnralement appele mmoire Flash) peut tout comme lEEPROMtrecriteeteffacelectriquement.Sonnomprovientdufaitquunsecteurou une page entire peuvent tre effacsen mme temps. De plus, la surfaceoccupe est faible car le point mmoire est constitu dun seul transistor. Pour toutes ces raisons, les mmoires Flash sont aujourdhui le type de mmoires non-volatiles le plus utilis. La Fig. I-4 montre la croissanceremarquabledumarchdesmmoiresFlash,quibienquinfrieurceluides DRAM, tend le rejoindre dici les prochaines annes. tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009Chapitre I : Introduction : Les mmoires non-volatiles base de silicium- 20 - Millions de dollars Fig.I-4 :EvolutiondesrevenusdumarchdesmmoirestechnologieMOS :lesDRAMdominentmaisles mmoires Flash gagnent du terrain (F : prvisions) : WSTS, IC Insights. I.3Historique des mmoires non-volatiles Depuis le milieu des annes 60, plusieurs solutions ont t proposes afin de rsoudre le problme de la volatilit des mmoires technologies MOS.Deux solutions furent proposes en 1967 : le concept de grille flottante par D. Kahng deslaboratoiresBell[Kahng67]etlammoireMNOS(Mtal-Nitrure-Oxyde-Semi-conducteur)parH.A.R.Wegener[Wegener67].Lapremiretaitunestructuredetype MIMIS(Metal-Insulator-Metal-Insulator-Semiconductor).Ledilectriquedubasdevaittre assezfin(>5nm)pourpermettreauxlectronsdepasserpareffettunneldusubstratversla grille flottante. Mais cette poque, il tait trs difficile de dposer une couche aussi fine sans introduirededfauts.Cestpourquoiuneautrestructureutilisantunautremcanisme dinjectionavecunoxydepluspaisfutdveloppeparIntelen1971[Frohman71].Son nomtaitlastructureFAMOS(Floating-gateAvanlanche-injectionMOS).Lecanaltaitde type P et la cellule navait pas de grille de contrle. Lcriture tait ralise en appliquant une fortetensionngative(-30V)surledrainafindemettrelajonctiondrain-substraten avalanche et crer des lectrons fortement nergtiques sous la grille flottante. Linconvnient decedispositif,outrelesfortestensionsappliques,taitlefaitqueleffacementdevaitse faireparultra-violets,labsencedegrilledecontrlenepermettantpasdelefaire lectriquement. Fig.I-5 : Schma du dispositif grille flottante FAMOS (Floating-gateAvalanche-injection MOS) propos par D. Frohman-Bentchkowsky en 1971 [Frohman71]. tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009Chapitre I : Introduction : Les mmoires non-volatiles base de silicium- 21 - LammoireMNOS,proposegalementen1967parWegener,commesonnom lindique, tait une structure de type MOS avec en plus une couche de nitrure entre le mtal et loxyde (Fig.I-6). La couche de nitrure agit comme une couche de pigeage des lectrons et destrous.Cettestructuretaiteffaablelectriquement,parlinjectiondetrousparcourant tunnel travers loxyde et programmable de manire symtrique par injection dlectrons. Par lasuite,afindamliorerlartentiondelacharge,denouvellesstructuresontt dveloppes :dabordlaSNOS(Silicium-Nitrure-Oxyde-Semiconducteur)puislaSONOS (Silicium-Oxyde-Nitrure-Oxyde-Semiconducteur)permettantdelimiterlinjectiondetrous depuis la grille de contrle.En1980,W.S.JohnsondIntelprsenteunenouvellestructurelectriquement effaablequiseralabasedelEEPROMtellequonlaconnataujourdhui[Johnson80]. CettemmoireappeleFLOTOX(FLOatinggateThinOXide)estinspirelafoisdela structureMNOSetdecellegrilleflottante.Aladiffrencedesautresstructures,celle-ci utiliselemcanismetunnelFowler-Nordheimpourlcritureetleffacementetelleest constitue de deux transistors (un transistor de slection et un transistor de stockage), comme le montre la Fig. I-7. La mmoire Flash EEPROM, quant elle a t prsente pour la premire fois dans un produiten1984paruningnieurdeToshiba,F.Masuoka[Masuoka84].Cettecellulese basesurleconceptdegrilleflottante.Lobjectiftaitdecombinerlahautedensit dintgrationdesEPROMavecleffacementlectriquedesEEPROM(Fig.I-8).Leterme Flash provient du fait quelle permet un effacement trs rapide de plusieurs blocs en simultan. LacommercialisationdunemmoireFlashdetypeNOR(voirI.4.2)atraliseen1988 parIntel[Kynett88],suivideprsparcelledunemmoiretypeNAND(voirI.4.2)par Toshiba en 1989. NitrureMtal MtalOxydeSiDrain Source NitrurePolysiliciumN+OxydeSiDrain SourceNitrurePolysiliciumN+OxydeSiDrain SourceOxyde MNOSSNOSSONOS Fig. I-6 : Schmas des structures mmoires base de nitrure comme couche de stockage. tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009Chapitre I : Introduction : Les mmoires non-volatiles base de silicium- 22 - Oxyde tunnelGrille de contrleGrille flottanteGrilleDrain

Fig. I-7 : Coupe schmatique dune cellule mmoire FLOTOX avec le transistor de slection. Grille de contrleGrille flottante Fig. I-8 : Coupe schmatique dune cellule mmoire Flash selon [Masuoka84]. I.4Fonctionnement et architectures des mmoires Flash I.4.1Prsentation et fonctionnement de la cellule mmoire LacellulemmoireFlashgrilleflottantepeuttredcriteselonlaFig.I-9.Cette structureestbasesurcelleduntransistorMOSavecenplusunegrilleflottanteen polysiliciumquisertdecouchedestockagedeslectrons.Lachargedanslagrilleflottante induit un dcalage de la tension de seuil du transistor MOS Vth qui peut tre exprim de la faon suivante : CGFGthCQV = quation I-1 AvecQFG :chargestockedanslagrilleflottanteetCCG :capacitgrillede contrle/grille flottante. Si la grille flottante est dcharge, on dit que la cellule est efface. Si la grille flottante est charge en lectrons et donc avec une tension de seuil plus leve, la cellule est dite crite (Fig.I-10(a)).Lalecturedelacellule,c'est--direladterminationdeltatdanslequelse trouvelacelluleseffectueenappliquantunetensiondegrilleVG-lecture,compriseentreles deuxtensionsdeseuilcorrespondantltateffacetcrit,quenousnommerons respectivement Vth1 et Vth2. Si la cellule mmoire est efface (i.e. Vth=Vth1VG-lecture) alors le transistor constitu par la cellule est bloqu. tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009Chapitre I : Introduction : Les mmoires non-volatiles base de silicium- 23 - Substrat Si (P)DrainN+SourceN+Oxyde de contrleGrille de contrleGrille flottanteOxyde tunnelW SiSTI STIOxyde de contrleOxyde tunnelGrilleflottantebrille de contrlebrille de contrleSTIOxyde de contrleGrille de contrleLSTI (a)(b) Oxyde de contrleGrille de contrleOxyde tunnelSiDrain SourceGrille flottanteL SiWSTI STIGrilleflottanteOxyde de contrleGrille de contrleOxyde tunnel (c)(d) Fig.I-9 :SchmasdunecellulemmoireFlash :(a)vuegnraledelacellulemmoire,(b)vueschmatique de deux cellules mmoires Flash dans un plan mmoire, (c) coupe longitudinale de la cellule, (d) coupe latrale de la cellule. Lamodlisationdupointmmoirehabituellementutiliseestbasesurlastructure capacitive de la Fig. I-10(b). Il sagit dun modle simple permettant de calculer la rpartition du champ lectrique dans chacun des dilectriques disolation [San92]. Ce modle permet daccder au potentiel de la grille flottante VFG : BV V V VCQVB D D S S CG GTFGFG + + + + =quation I-2 AvecTTUNBTSSTDDTCGGCC,CC,CC,CC= = = = CT =CCG+CTUN+CS+CD tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009Chapitre I : Introduction : Les mmoires non-volatiles base de silicium- 24 - CGFGthCQV = == = Vthtat effac tat critVth1Vth2VG-lectureCGFGthCQV = == = Vthtat effac tat critVth1Vth2VG-lectureVCGCCGAvec :VCGpotentiel de la grille de contrleVFG potentiel de la grille flottanteVDpotentiel de drainVSpotentiel de sourceVBpotentiel de substratQFGcharge dans la grille flottanteCTUNcapacit de loxyde tunnelCCGcapacit de loxyde de contrleCScapacit grille flottante/sourceCDcapacit grille flottante/drainCGpotentiel de la grille de contrleFG potentiel de la grille flottanteDpotentiel de drainSpotentiel de sourceBpotentiel de substratFGcharge dans la grille flottantecapacit de loxyde tunnelCGcapacit de loxyde de contrleScapacit grille flottante/sourceDcapacit grille flottante/drainVSVDCTUNVFG, QFGVB(a)(b) Fig.I-10 :(a) :CaractristiquesID-VG(IDcourantdedrain)dunecellulemmoireFlashdansltateffacet crit. (b) : Modlisation lectrique du point mmoire Flash. Deplus,silasourceetlesubstratsontlamasseetsilatensiondedrainestfaible,le potentiel de la grille flottante vaut approximativement :CG GTFGFGVCQV + =quation I-3 CettedernirequationmontrelimportanceducoefficientG.Plusilestlev,plusle potentiel de la grille flottante est proche de celui de la grille de contrle. Le couplage de grille indiqueenfaitlamaniredontlechamplectriquevaserpartirentrelisolantinterpolyet loxydetunnel.Cecoefficientdoitdonctreleplusgrandpossiblepourexploiteraumieux les tensions utilises. Typiquement, ce coefficient est de 0,7/0,8 dans une structure standard. LesmodesdcrituredelammoireFlashsontdtaillsdanslaFig.I-11.On distingueprincipalementdeuxmodesdcriture :lemodeFowler-Nordheimetlemode porteurs chauds (CHE : Channel Hot Electrons). La Fig. I-12 spcifie les modes deffacement, qui sont plus nombreux. Nous avons ajout le cas de la NROM (Nitride Read Only Memory) dontlacouchedestockageestunecouchedenitrureetdontlemodedeffacementest linjection de trous chauds (HHI : Hot Hole Injection). tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009Chapitre I : Introduction : Les mmoires non-volatiles base de silicium- 25 - Modes dcriture Fowler-NordheimCHE (porteurs chauds) ContrleGCp-SiDrain n+Source n+GFVCG~15-18V0V 0V -qVCGCanalFGCG ContrleGCp-SiGFVCG~8-10V0VVD~4-5VSource n+Drain n+ -qVCGCanalFGCG Fig. I-11 : Synthse des diffrents mcanismes dcriture pour les mmoires Flash. A droite de chaque cellule mmoiresetrouventdesschmasdebandeennergiedanslempilementdegrilledelacellule.(CHE : Channel Hot Electron). Modes deffacement Fowler-Nordheim canalHHI ContrleGCp-SiSource n+VCG~-15V0V 0VDrain n+ -qVCG CanalFGCG ContrleGCp-SiGFVCG~-10V0V VD~4/5V h+Source n+Drain n+CanalNitrureCG SourceMixte canal/source ContrleGCTunnelp-SiSource n+GFVCG=0VVs~15-18V FlottantDrain n+ -qVCGSourceFGCGContrleGCp-SiSource n+VCG~-10VVs~5V FlottantDrain n+-qVCGSourceFGCG Fig.I-12 :SynthsedesdiffrentsmcanismesdeffacementpourlesmmoiresFlash.Adroitedechaque cellule mmoire se trouvent des schmas de bande en nergie dans lempilement de grille de la cellule. Dans le cas de leffacement HHI (Hot Hole Injection), le diagramme de bande reprsente galement la bande de valence associeauxtrous.CemodedeffacementestuniquementutilisparlesmmoiresdetypeNROM [Larcher04]. tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009Chapitre I : Introduction : Les mmoires non-volatiles base de silicium- 26 - I.4.2Architectures des mmoires Flash LesmmoiresFlashsontorganisesenmatrices.Lesarchitectureslesplusutilises sont la NOR et la NAND [Cappelletti99].Dans le cas de larchitecture NOR, les cellules mmoires sont connectes en parallle (Fig. I-13(a)). La grille de contrle est commune une ligne de cellules appele ligne de mots ( wordline )etledrainestcommununelignedebits( bitline ).Cettearchitecture permetunaccsalatoirenimportequelleposition.Ledraindechaquecelluletant accessible,lcriturepeutseffectuerparporteurschauds.Lescellulessonteffacespar Fowler-Nordheim. Les temps dcriture et deffacement dun bloc de cellules sont longs, mais le temps daccs est trs court. La Flash NOR est essentiellement utilise pour le stockage de codes dinstruction (tlphones portables, assistants personnels, ). NOR SourceBit lineWord line GF GFGC GCSource DrainDrainContact drainLLContact drain (a) NAND SourceBit lineWord lineSlection de la sourceSlction du drain GF GFGC GCL L (b) Fig. I-13 : Architecture et coupe longitudinale dune matrice NOR (a) et NAND (b). Le dessin de masques dun point mmoire de la matrice est galement reprsent. tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009Chapitre I : Introduction : Les mmoires non-volatiles base de silicium- 27 - DanslarchitectureNAND,lescellulesmmoiressontconnectesensrie(Fig. I-13(b)). Comme la NOR, la grille de contrle est commune une word line , mais le drain descellulesnestpasadressable.Lescellulesnepeuventdonctrecriteseteffacesquen Fowler-Nordheim. Laccs en lecture une cellule de la bit line seffectue en polarisant la grilledesautrescellulesdefaoncequellessoientpassantes.Cestpourquoiletemps daccs est plus long que celui des NOR. Par contre, de part la connexion en srie des cellules, la programmation peut tre ralise par blocs, do des temps de programmation plus rapides quelaNOR.Enfin,commeonpeutlevoirsurlesdessinsdemasquesdelaFig.I-13, labsencedecontactsdrainpermetunediminutiondelatailledelaFlashNAND(environ 40% par rapport une Flash NOR). La densit des Flash NAND est donc plus leve pour un cotparbitplusfaible.Elleestdoncpluttutilisepourlestockagededonnes(clsUSB, cartes mmoires des appareils photos). Squentiel Alatoire Accs2 ms 1 s Temps deffacement200 s8 s/octet16 s/motTemps dcriture7 s (accs initial)50 ns (accs srie)90 ns (accs alatoire) Temps daccs16 Gb 1 Gb Densit maximaleNAND NORSquentiel Alatoire Accs2 ms 1 s Temps deffacement200 s8 s/octet16 s/motTemps dcriture7 s (accs initial)50 ns (accs srie)90 ns (accs alatoire) Temps daccs16 Gb 1 Gb Densit maximaleNAND NOR Fig. I-14 : Tableau rcapitulatif des performances des mmoires Flash de type NOR et NAND. LemarchdesFlashNORadominjusquen2004etparlasuite,lemarchdes NAND presque doubl en taille(Fig.I-15)grce notamment,au succs des lecteurs MP3, clsUSBetappareilsphotonumriques.LesflashNANDdevraientencoreaccrotreleur dominationsurlesNORdanslesprochainesannes :lemarchdesNORdevraitcrotrede 6% dici 2011 et celui des NAND de 18% (source : IC Insights). March March March MarchMillions de dollars et units2005 2004 2006 2007 Fig.I-15 : Evolution des revenus du march des mmoires Flash NOR et NAND : depuis quelques annes, les NAND dominent, source : WSTS, IC Insights. tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009Chapitre I : Introduction : Les mmoires non-volatiles base de silicium- 28 - I.5Limites des mmoires Flash Bienqueconnaissantunsuccscommercialimportant,lesdispositifsmmoires conventionnels grille flottante ont des difficults pousser davantage la miniaturisation. Larductiondesdimensionsetlamliorationdesperformancessontguidespar lITRS(InternationalRoadmapforSemiconductors)[ITRS06],quiestrenouveletousles deuxansetprvoitlesprincipalestendancesquiserontsuiviesparlindustriedansles15 annes suivantes. La dernire dition date de 2005 et une mise jour a t faite en 2006. On peut voir dans le Fig.I-16 que toutes les dimensions critiques des cellules vont tre rduites, maiscertainesdentreellessontreprsentescomme briquesrouges ,lasolutionntant toujours pas connue lheure actuelle. 10615-1710-136-74/257NAND210-201057-90,1313-158-90,6/0,79-1165NOR200715-17 15-17 15-17 15-179-10 9-10 10-13 10-136-7 6-7 6-7 6-74/1 4/1 4/1 4/220 28 40 51NAND NAND NAND NAND4 # bits/cellule max.20 Rtention (annes)107Endurance (# cycles)6-8 6-8 6-8 7-9 Tension dcriture max. (V)0,08 0,1 0,11 0,12NOR LG-empilement(physique-m)8-10 10-12 10-12 13-15 EOT de loxyde de contrle (nm)7-8 8 8 8-9 EOT de loxyde tunnel (nm)Coefficient de couplage10-13 10-12 9/12 9-12 Taille de la cellule ()22 32 45 57 Nud technologique (nm)NOR NOR NOR NOR2016 2013 2010 2008 Anne10615-1710-136-74/257NAND210-201057-90,1313-158-90,6/0,79-1165NOR200715-17 15-17 15-17 15-179-10 9-10 10-13 10-136-7 6-7 6-7 6-74/1 4/1 4/1 4/220 28 40 51NAND NAND NAND NAND4 # bits/cellule max.20 Rtention (annes)107Endurance (# cycles)6-8 6-8 6-8 7-9 Tension dcriture max. (V)0,08 0,1 0,11 0,12NOR LG-empilement(physique-m)8-10 10-12 10-12 13-15 EOT de loxyde de contrle (nm)7-8 8 8 8-9 EOT de loxyde tunnel (nm)Coefficient de couplage10-13 10-12 9/12 9-12 Taille de la cellule ()22 32 45 57 Nud technologique (nm)NOR NOR NOR NOR2016 2013 2010 2008 AnneDes solutions existent Solutions connues Solutions inconnues Fig.I-16 :RsumdesprvisionsdelITRS(misejour2006)danslacatgoriedesmmoiresFlash. Source [ITRS06]. Unedeslimitationsconcernelarductiondelpaisseurdeloxydedecontrle.En effet, il est ncessaire de maintenir un couplage suffisant entre la grille de contrle et la grille flottante, afin que les tensions de programmation ne soient pas trop leves. On peut voir dans leFig.I-16quelecoefficientdecouplagedoittremaintenu0,6/0,7.Ceciestralisen diminuantlpaisseurdeloxydedecontrle.Cependant,cetterductiondelpaisseurest critiquecarelleentranelaugmentationdescourantsdefuite.Onpeutdailleursvoir quaucunesolutiontechnologiquenestconnuepourrduirelEOT(EquivalentOxide Thickness)au-dessousde10nm.Lasolutionadoptedanslesmmoiresactuellesest dutilisercommedilectriqueunetriplecoucheoxyde/nitrure/oxyde(ONO)[Yim03] [Park04]. Mais aujourdhui, la diminution de lpaisseur de lONO atteint ses limites. Cest pourquoilintgrationdematriauxdilectriqueshautepermittivitou high-k (HfO2, Al2O3, HfAlO, HfSiO) est envisage pour remplacer linterpolyONOdes mmoires Flash standard. Ces matriaux permettent en effet dobtenir un coefficient de couplage G lev tout enmaintenantunebonnertentiondesdonnes.IlatdmontrquelintgrationdeHfO2 commedilectriquedecontrledansdesmmoiresstandardgrilleflottantecontinue permettaitunediminutiondestensionsdeprogrammationgrceunmeilleurcoefficientde tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009Chapitre I : Introduction : Les mmoires non-volatiles base de silicium- 29 - couplage[VanDuuren06].Deplus,dercentstravauxontmontrquelutilisationdune grilleflottantediscrteetduninterpolyhigh-kcouplecelledunegrilledecontrle mtalliquepermettaitderduirelephnomnedinjectiondeslectronsparlagrillede contrlependantleffacement[VanDuuren06][Lai06][Lee06].Parmilesdiffrents matriauxtudis,unintrtparticulierestdonnlaluminatedhafnium(HfAlO),qui combine la fois la constante dilectrique leve du HfO2 et la barrire nergtique leve et la bonne stabilit thermique de lAl2O3 [Molas07]. Uneautrelimitationdelaminiaturisation(etenparallledelaugmentationdela densit)estlaugmentationdesinterfrencesentrecellules.Lorsqueladensitdintgration augmente, les cellules se rapprochent et le couplage capacitif entre grilles flottantes augmente (Fig. I-17). Ainsi, la charge stocke dans une grille flottante peut modifier la tension de seuil delacellulevoisine.Pourpaliercela,lesindustrielsontremplaclenitruredesespaceurs parduSiO2etlutilisationdematriauxtrsbassepermittivitdits low-k entreles cellules [Kim07] est envisage. LalimitationprincipaledelaminiaturisationdesmmoiresFlashestlarductionde lpaisseur de loxyde tunnel. En effet, il est ncessaire de diminuer cette paisseur lorsque les dimensionsdelacellulediminuentsilonveutgarderunboncontrleducanal.Maisla diminutiondelpaisseurdudilectriquetunnelaffectelartentiondelacharge.Lalimite intrinsquedecettepaisseurpermettantderespecterlecritredertentiondedixansest denviron6nm[Lai98].Endessousdecettelimite,leslectronsstocksdanslagrille flottante fuient par courant tunnel direct.En plus de cette limite intrinsque, il existe une autre limite due au vieillissement prmatur deloxydetunnelcausedesnombreuxcyclesdcriture/effacementaucoursdesquels loxydeestsoumisdefortschampslectriques(~10MV/cm).Denombreusestudes [Maserjan82][Olivo88][Naruke88]ontmontruneaugmentationducourantdefuite faible champ travers loxyde aprs des cycles de programmation successifs. Ce phnomne dedgradation,appelSILC(StressInducedLeakageCurrent),estlidesdfautsdans loxydequidonnentlieuuncourantdefuiteimportant(conductiontunnelassistepar piges).EtantdonnqueleSILCaugmentelorsquelpaisseurdeloxydetunneldiminue, lpaisseur de loxyde tunnel est limite 8 nm (Fig. I-18). Grille flottanteIsolationSubstrat SiGrille de contrleOxyde tunnelONOLigne de mot Fig. I-17 : Couplage capacitif entre les grilles flottantes voisines dune matrice mmoire. tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009Chapitre I : Introduction : Les mmoires non-volatiles base de silicium- 30 - Fig.I-18 :CourantdeSILCpourdiffrentespaisseursdoxydeaprsunecontraintecumulecorrespondant plusieurs milliers dcritures daprs [Naruke88]. Outreleslimitestechnologiques,ilexisteunelimitephysiqueintrinsque.La rductiondesdimensionsdesdispositifsimpliquequelaquantitdlectronsutilisspour coder un bit (raliser la sparation entre les deux tats logiques de la mmoire) devient de plus enplusfaible(Fig.I-19(a)).Cetterduction,quipeutallerjusquunedizainedlectrons pourlesgnrationsdcananomtriquespeutinduiredesproblmesdefiabilit [Molas04][Molas06].Pourlesdimensionsultimes,lesphnomnesde chargement/dchargementnepeuventplustredcritscommecontinus.Ilfautconsidrerle chargement/dchargementlectronparlectron.Cesphnomnesstochastiquesquisont alatoiresinduisentunedispersionsurletempsdertentionetlafentredeprogrammation (Fig. I-19(b)). 10100101001000Nombre dlectrons par bit, NNud technologique Flash (nm)-Mmoire nanocristaux de silicium(NAND) Vth-max=3VProjection Flash NOR(ITRS 2003)Projection Flash NAND(ITRS 2003)Y.Song, IEDM01Y.H.Song, VLSI03C.Park, VLSI04Flash NORY.S.Yim, IEDM03Y.Sasago, IEDM03M.Ichige, VLSI03D.C.Kim, IEDM02J.D.ChoiI, IEDM01Flash NANDC.Servalli, IEDM05C.Park, IEDM04Densitde probabilitdu temps de rtention TR(s-1)Temps de rtention (annes)Nombre dlectrons par bit=250de charge perdue (a)(b) Fig.I-19 : (a) : Reprsentation du nombre dlectrons par cellule enfonction du nud technologique Flash. (b) Dispersion du temps de rtention en fonction du nombre dlectrons par bit : plus le nombre dlectrons diminue, plus la dispersion augmente [Molas04]. tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009Chapitre I : Introduction : Les mmoires non-volatiles base de silicium- 31 - Tension de seuil des cellules (V)Nombre de cellulesEcriteEffaceDonnes = Tension de seuil des cellules (V)Nombre de cellulesDonnes = (a)(b) Fig.I-20 :(a) :Distributionsdestensionsdeseuildunematricemmoiretechnologiesimpleniveau :unbit codparcellule,donc2tats0et1.(b) :Distributionsdestensionsdeseuildunematricemmoire technologie multi-niveaux : deux bits cods par cellule, donc 4 tats 00, 01, 10 et 11. Daprs [Atwood97]. Ilexisteunemanireartificielledersoudreleproblmedelaminiaturisationdes mmoiresquiestlutilisationdecellulesmulti-niveaux.Leprincipeestdestockerplusieurs bitsdansuneseulecellule.Ceciestralisenstockantplusieursniveauxdechargedansla grille flottante (2n niveaux avec n : nombre de bits), ce qui permet dobtenir autant de niveaux detensionsdeseuil(Fig.I-20).Cecipermetdaugmenterlacapacitdestockagesans diminuer les dimensions de la cellule et de diminuer les cots de fabrication. Le point critique de cette mthode est quil faut tre capable decontrler prcisment les niveaux de tensions deseuiletdonclachargeinjecteaucoursdelcritureainsiqueladriveaucoursde lendurance,afinquelesdiffrentstatssoientsuffisammentdiffrentiables.Cette technologieestenproductionchezIntelenNORdepuis1995souslenomdeStrataFlashTM [Atwood97] et chez Toshiba et Samsung en NAND. I.6Les solutions Pour les nuds technologiques sub-45 nm, la miniaturisation des dispositifs mmoires telsquenouslesconnaissonsaujourdhuisembleatteindreseslimites.Cestpourquoide nombreuxeffortsseportentsurledveloppementdenouvellestechnologiesdunepartetle dveloppementdestechnologiesactuellesgrcedenouveauxmatriauxoudenouvelles structures dautre part. Les principales voies de recherche sont listes dans la Fig. I-21. Parmi lesnouvellestechnologies,onpeutciterlesmmoiresFeRAM(FerroelectricRAM)qui utilisentlorientationdelapolarisationdesmatriauxferrolectriques,lesMRAM (Magnetoresistive RAM) qui exploitent la polarit magntique dun film ferromagntique, les PCM(PhaseChangedMemories)quisontbasessurlechangementdersistivitdun matriau changement de phase et plus long terme les mmoires molculaires bases sur les mcanismes doxydorduction de molcules lectriquement actives. Ces solutions alternatives sont dtailles en annexe. tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009Chapitre I : Introduction : Les mmoires non-volatiles base de silicium- 32 - Dans les sections suivantes, nous prsenterons une des alternatives la miniaturisation quisontlesmmoiressitesdepigeagediscretsetenparticulierlesmmoiresbasede nitrure et les mmoires nanocristaux de silicium. Mmoires Flash standard base de siliciumDveloppement de nouvelles technologies FeRAM MRAM PCM Mmoires molculaires Pousser les limites des technologies actuellesNouveaux matriaux Nanocristaux de silicium SONOS/NROM Matriaux high-k Nouvelles structures SOI ultra mince Dispositifs multi-grilles (FinFlash) Fig. I-21 : Organisation des activits de recherche sur les mmoires Flash avances. I.6.1Les mmoires Flash sites de pigeage discrets Lidedebaseestderemplacerlagrilleflottantecontinuestandardenpolysilicium pardessitesdestockagediscrets,quipeuventtresoitlespigesnaturelsdundilectrique appropri (comme par exemple une couche de nitrure), soit des nanocristaux (en silicium par exemple)[DeSalvo04].Cesmmoiresoffrentplusieursavantagespermettantderepousser les limites lies la miniaturisation dont le problme du SILC dans loxyde tunnel. En effet, leSILCtantduneconductionassisteparpiges,danslecasdunegrilleflottante continue, la prsence de dfauts dans loxyde tunnel peut provoquer la fuite de la totalit de la charge stocke dans la grille flottante. Au contraire, avec des sites de stockage discrets isols les uns des autres, le mme dfaut nentrane que la fuite des lectrons pigs dans le site situ au-dessusdudfaut(Fig.I-22).Ceconceptpermetlarductiondelpaisseurdeloxyde tunnel sans compromettre la rtention et lendurance de la cellule mmoire. SiDrainSourcePiges discretse- Drain Sourcee-e-Grille flottante continueSi (a)(b) Fig.I-22 :AmliorationdelimmunitauSILCdesmmoiressitesdepigeagediscrets(a)parrapportaux mmoires grille flottante continue (b). tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009Chapitre I : Introduction : Les mmoires non-volatiles base de silicium- 33 - Uneautreparticularitdesmmoiressitesdestockagediscretsprogrammespar porteurs chauds est la localisation de la charge. Ceci permet le stockage de deux bits dans la mme cellule. En effet, si la cellule est crite par lectrons chauds avec la source la masse, leslectronssontinjectsauniveaudelajonctioncanal/drain,lolechamplectrique latral est le plus lev. Labsence de conduction latrale entre les sites de stockage induit une localisationdeslectronsinjectsau-dessusdelajonctiondrain.Lesdeuxprincipales catgoriesdemmoiressitesdepigeagediscretssontlesmmoires couchedepigeage ennitrure(SONOSetNROM)etlesmmoiresnanocristauxdesilicium.Ellessont dtailles dans les paragraphes suivants. I.6.1.1 Les mmoires base de nitrure Lesdeuxprincipauxtypesdemmoirescouchedepigeageennitruresontla SONOS et la NROM. La couche de pigeage est du nitrure de silicium Si3N4.La SONOS est ltude depuis de nombreuses annes [Libsch87][Wann95] et son intrt sest accru ces dernires annes [Swift02]. Ses avantages par rapport aux mmoires grilleflottanteenpolysiliciumsontsonimmunitfaceauxdfautsdansloxydetunnelet donc une bonne tolrance face aux radiations etdes tensions de programmation rduites.De plus,ladensitdepigesestassezleveparrapportcelledesnanocristauxdesilicium (~1013cm-2)etenfin,leprocddefabricationestsimpleetcompatibleavecleprocd CMOS.OnpeutvoirunestructureSONOStypiquedanslaFig.I-23(a) :loxydetunnelesttrsfin (~2nm),loxydedecontrlegalement(~4nm)etlacouchedeSi3N4aunepaisseur denviron4nm.Loxydetunneltrsfinpermetlcritureetleffacementenmodetunnel direct. Des caractristiques typiques de programmation sont prsentes dans la Fig. I-23(b). Cependant,cettestructureaplusieursinconvnients.Undesproblmesmajeursconcerne leffacementaucoursduqueldeslectronssontinjectsdanslenitruredepuislagrillede contrle.Cecientranelasaturationdescaractristiquesdeffacementenfonctiondela tensionappliquesurlagrille(Fig.I-23(c)).Lesecondproblmeestlartentionen temprature. En effet, au-del de 85C, les 10 annes de rtention ne sont plus garanties (Fig. I-23(d)).LesecondtypedemmoirebasedenitrureestlaNROMquiatintroduitepar Saifunen1999[Eitan99].CommelaSONOS,lestockagedeschargesseffectuedansune couche de nitrure situe entre deux couches doxyde (Fig. I-24(a)-(b)). Lcriture est ralise par injection dlectrons chauds (CHE) et leffacement par linjection de trous chauds (HHI), cequipermetlutilisationdunoxydetunnelpluspais(~5nm)etdoncunemeilleure rtention. En intervertissant le rle de source et drain, il est possible de stocker physiquement 2bitsparcellule,grcelalocalisationdelachargeprsdesjonctions(Fig.I-24(a)).Ceci permetdaugmenterladensitdestockagetoutcommelefontlescellulesmulti-niveaux. Comme la SONOS, la NROM se caractrise par son immunit face aux dfauts dans loxyde tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009Chapitre I : Introduction : Les mmoires non-volatiles base de silicium- 34 - tunnel.Deplus,leproblmedesaturationdescaractristiquesdeffacementestsupprim puisque leffacement est ralis par trous chauds. La nouvelle gnration de NROM prsente en 2005 [Eitan05] propose le stockage de 4 bits par cellule en ajoutant une programmation multi-niveaux sur chacun des 2 bits physiques : on adoncdeuxbitsstocksdechaquectducanal(Fig.I-24(c)).Lobtentionde4bits suffisammentsparsestobtenuegrceunalgorithmedeprogrammationappropri(Fig. I-24(d)). Vth(V)10-510-410-310-210-11 10critureEffacementTemps de programmation (s)Vw=10VVg=-10V (a)(b) Temps (s)Oxyde tunnelNitrureOxyde de contrleVg (c)(d) Fig.I-23 :(a) :Evolutiondesmmoiresnon-volatilesbasedenitrure.(b) :Caractristiquesdcritureet deffacementdunemmoireSONOSavecunoxydetunnelde2nm,unecouchedenitrurede5nmetun oxyde de contrle de 3,5 nm daprs [White97]. (c) : Saturation des caractristiques deffacement en fonction de la tension applique sur la grille daprs [Steimle07]. (d) : Rtention dune mmoire SONOS 85C avant etaprsendurance :aprs107cyclesdcriture/effacementet10ans,lafentredeprogrammationnestplus que de 0,5V daprs [Bu02]. tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009Chapitre I : Introduction : Les mmoires non-volatiles base de silicium- 35 - empilement ONOSource DrainIsolation IsolationGrille de contrleCanal (a)(b) Source Drain Tension de seuil relative (V)Log(nombre de bits) (c)(d) Fig.I-24 : Schma (a) et coupe TEM (b) dune cellule NROM le long du canal. Reprsentation schmatique du stockagede4bitsparcellule(c)etdistributionsdelatensiondeseuilmesuressurunproduit4bits/cellule (nud technologique 130 nm) [Eitan05]. Nousavonsvulesdeuxprincipalesstructuresdebaseutilisantlenitrurecomme couchedestockage.Toutefois,uneautrestructuremmoirebasedenitruredveloppe rcemment pour des applications NAND haute densit mrite galement dtre cite : cest la celluleTANOS(TaN/AlO/Nitrure/Oxyde/Silicium)(Fig.I-25(a))[Kim07].Cettestructure estuneamliorationdelammoireSONOS,avecunegrillemtalliqueenTaNetun dilectriquedecontrle high-k enAlO.Labonnestabilitthermiquedecesdeux matriaux et le travail de sortie de la grille relativement lev (~4,8 V) permettent damliorer le temps deffacement par rapport une mmoire de type SONOS en rduisant le phnomne dinjection dlectrons depuis la grille de contrle. Samsung a prsent en 2006 une mmoire NAND TANOS (SiO2 4 nm, SiN LPCVD 7 nm, Al2O3 ALCVD 15 nm, TaN 17 nm) de 32 Gb multi-niveaux avec une technologie 40 nm [Park06]. Une fentre de programmation de 3 V estobtenueavecunecritureetuneffacement(enmodeFowler-Nordheim)de respectivement 100 s 17 V et 10 ms -19 V (Fig. I-25(b)). Les mmoires de type TANOS pourraient remplacer les mmoires grille flottante partir du noeud technologique 30 nm car leursdimensionssontplusfacilesrduire.Cependant,desrecherchessontncessairesafin damliorer les problmes de rtention et la difficult effacer qui subsistent encore. tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009Chapitre I : Introduction : Les mmoires non-volatiles base de silicium- 36 - NitrureTaNOxydeSiDrain SourceAl2O3 Temps (s)AlO avancAlOconventionnel

(a)(b) Fig.I-25 :(a)SchmasdelastructuremmoireTANOS.(b) :DynamiquesdeffacementdecellulesTANOS en fonction de loptimisation de la couche dAlO [Park06]. I.6.1.2 Les mmoires nanocristaux de silicium Lesecondtypedemmoiressitesdestockagediscretssontlesmmoires nanocristauxdesilicium(Si-NCs).Leprincipeestsimilaireceluidesmmoiresgrille flottante, la diffrence que ce sont des nanocristaux de silicium qui constituent la couche de pigeage.Silesnanocristauxsontsuffisammentespacs,ilnyapasdeconductionlatrale entreeux.Ilexiste plusieurs mthodes dlaboration qui sont dtailles au chapitreII.Lune dentreelles,ledptLPCVD(LowPressureVaporDeposition)endeuxtapespermetun bon contrle de la taille et de la densit des Si-NCs (Fig. I-32). Les cellules sont programmes soit par porteurs chauds, soit par Fowler-Nordheim, selon les applications vises. Les mmoires Si-NCs ont t prsentes pour la premire fois en 1995 par [Tiwari95] avec commeobjectifderpondreauxapplicationsdetypesDRAMvolatilesetlavantagede navoirquunseultransistorparcellule.Parlasuite,dautresgroupesontmisenvidence lintrtdutiliserlesnanocristauxpourlesmmoiresnon-volatiles.Desmatricesde4Mb basessurcettetechnologieonttdmontres[Muralidhar03].LasocitFreescalea annonc fin novembre 2005, quelle avait russi intgrer cette solution sous la forme dune matrice 24 Mb. Ces dispositifs apportent de nombreux avantages.Elles sont tout dabord plus robustes aux dfauts du dilectrique tunnel, ce qui permet derduireloxydetunneljusquenviron5nmdpaisseur(parrapportaux7-8nmdansle casdelagrilleflottantecontinue)toutengarantissant10annesdertention,cequirend possible une rduction des tensions de fonctionnement. Ensuite,cesdispositifsprsententunebonnertentionhautetemprature,tant donnquelapertedechargesstockesdanslabandedeconductiondesSi-NCsnestpas active thermiquement. Lefaitquelesnanocristauxsoientphysiquementisolslesunsdesautres,permetde stockerdeschargesdansdessitesspars(ctdrainetctsource),cequidonnelieuau tel-00408813, version 1 - 3 Aug 2009Chapitre I : Introduction : Les mmoires non-volatiles base de silicium- 37 - stockage de deux bits par cellule. De plus, comme lisolant entre nanocristaux est du SiO2, la migrationdechargesentresitesdepigeageestfortementrduiteparrapportaucasdune couche en nitrure. Le caractre discret de la couche de stockage et le diamtre des nanocristaux (