IV Chargement dans les îlots de Ge

N° d’ordre : 04-ISAL-0069
THESE
Présentée devant
L’INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON
Pour obtenir
LE GRADE DE DOCTEUR
FORMATION DOCTORALE : Matières condensées, Surfaces et Interfaces
ECOLE DOCTORALE : Matériaux de Lyon
Par
KANOUN Mehdi
CARACTERISATIONS ELECTRIQUES DES STRUCTURES
MOS A NANOCRISATUX DE GE POUR DES APPLICATIONS
MEMOIRES NON VOLATILES
Soutenue le 09/11/2004. devant la Commission d’examens
Jury :
AUTRAN Jean-Luc Professeur Rapporteur
MAAREF Hassen Professeur Rapporteur
BERBEZIER Isabelle Chargé de recherche CNRS Examinateur
BARON Thierry Chargé de recherche CNRS Examinateur
SOUIFI Abdelkader Professeur Directeur de thèse
GUILLOT Gérard Professeur Examinateur
Cette thèse a été préparée au Laboratoire de Physique de la Matière de l’INSA de LYON

Sommaire
1
Sommaire
I Propriétés électroniques des nanocristaux de germanium................................................ 9
I.1 Le germanium : du massif à la boîte quantique ......................................................... 10
I.1.1 Propriétés physiques du germanium massif.......................................................... 10
I.1.2 Propriétés électroniques du germanium massif..................................................... 10
I.1.3 Effet de confinement ............................................................................................ 11
I.1.4 Comparaison entre nanocristaux de Ge et Si ........................................................ 14
I.2 Propriétés et applications à la nanoélectronique ....................................................... 15
I.2.1 Composants à nanocristaux.................................................................................. 15
I.2.1.1 Le blocage de Coulomb : application au transistor à un électron (SET)....... 15
I.2.2 Concept de base du blocage de Coulomb............................................................. 15
I.2.3 Conditions d’application de blocage de Coulomb ................................................ 16
I.2.3.1 La boîte à un seul électron ............................................................................. 16
I.2.4 Conditions d’application du blocage de coulomb ................................................ 19
I.2.4.1 La résistance tunnel ....................................................................................... 19
I.2.4.2 Intervention de la taille des îlots ................................................................... 20
I.2.4.3 Dépendance en dispersion de taille ............................................................... 22
I.3 Technologie du SET .................................................................................................. 23
I.3.1 Les SET métalliques ............................................................................................. 23
I.3.1.1 Le pont suspendu ........................................................................................... 23
I.3.1.2 Réalisation par FIB ....................................................................................... 24
I.3.1.3 Fabrication par AFM/STM ............................................................................ 25
I.3.2 Les SET à nanocristaux semiconducteurs ............................................................ 26
I.3.2.1 La nano-manipulation par AFM.................................................................... 26
I.3.2.2 Le SET Si granulaire ..................................................................................... 27
I.4 Application à la nanoélectronique : La mémoire à un électron ................................ 29
I.4.1 Les mémoires conventionnelles ........................................................................... 29
I.4.1.1 Fonctionnement de la MNV .......................................................................... 29
I.4.1.2 La mémoire DRAM ...................................................................................... 30
I.4.1.3 La mémoire à un électron .............................................................................. 30
I.4.1.4 Intérêts et comparaisons ................................................................................ 31
I.4.2 Exemples de réalisation de mémoires à un électron ............................................. 32
I.4.2.1 La cellule mémoire de Hitachi ...................................................................... 32

Sommaire
2
I.4.2.2 La mémoire à nanogrille flottante granulaire ................................................ 33
I.4.2.3 La cellule mémoire à nano grille flottante auto alignée ................................ 34
I.4.2.4 Cellule mémoire à multi-jonctions tunnel ..................................................... 36
I.4.2.5 La cellule mémoire à quelques îlots de Si ..................................................... 36
I.4.2.6 Les mémoires à nanocristaux de Ge .............................................................. 37
I.5 Conclusions du chapitre I .......................................................................................... 39
II Réalisation de nanocristaux de Ge dans une matrice SiO
2
............................................ 44
II.1 Cas de l’oxydation du Ge sur Si................................................................................ 46
II.1.1 Procédé d’élaboration ........................................................................................... 46
II.1.2 Descriptif des échantillons étudiés....................................................................... 46
II.1.3 Résultats expérimentaux....................................................................................... 47
II.1.3.1 Etude physique de la structure ...................................................................... 47
II.1.3.2 Etudes électriques........................................................................................... 48
II.1.3.2.1 Mesures en courant................................................................................ 48
II.1.3.2.2 Mesures capacitives............................................................................... 49
II.1.3.2.3 Etude du dépiégeage.............................................................................. 51
II.2 Cas de l’Oxydation du Ge amorphe déposé sur SiO2 par jet moléculaire................. 53
II.2.1 Procédé d’élaboration............................................................................................ 53
II.2.2 Présentation des échantillons ................................................................................ 54
II.2.3 Résultats expérimentaux ....................................................................................... 54
II.2.3.1 Etudes physiques de la structure ................................................................... 54
II.2.3.2 Résultats électriques...................................................................................... 55
II.2.3.2.1 Etudes en courant.................................................................................. 55
II.2.3.2.2 Etudes capacitives ................................................................................. 55
II.3 Nucléation directe d’îlots de Ge................................................................................ 58
II.3.1 Procédé d’élaboration .......................................................................................... 58
Dépôt Chimique en Phase Vapeur (CVD) ....................................................................... 59
II.3.2 Résultats expérimentaux....................................................................................... 60
II.3.2.1 Mesures en courant ........................................................................................ 60
II.3.2.2 Mesures capacitives....................................................................................... 61
II.4 Conclusion du chapitre II .......................................................................................... 63
III ETUDE DU TRANSPORT A TRAVERS LES ILOTS DE GERMANIUM ............... 66
III.1 Mécanismes de conduction à travers les isolants ...................................................... 67
III.1.1 Conduction par injection Fowler-Nordheim ......................................................... 68

Sommaire
3
III.1.1.1 Définition ...................................................................................................... 68
III.1.1.2 Formulation Mathématique............................................................................ 69
III.1.1.3 Dépendance en Température.......................................................................... 70
III.1.2 Conduction tunnel direct ...................................................................................... 71
III.1.2.1 Définition ...................................................................................................... 71
III.1.2.2 Formulation mathématique ........................................................................... 71
III.1.2.3 Dépendance en température .......................................................................... 72
III.1.3 Conduction Poole-Frenkel .................................................................................... 72
III.1.3.1 Définition ...................................................................................................... 72
III.1.3.2 Formulation mathématique ........................................................................... 73
III.1.4 Conduction Hopping ............................................................................................ 73
III.1.4.1 Définition ...................................................................................................... 73
III.1.4.2 Formulation mathématique ........................................................................... 73
III.2 Conduction à travers un plan d’îlot de Ge ................................................................ 74
III.2.1 Structures étudiées................................................................................................ 74
III.2.2 Simulation ............................................................................................................ 75
III.2.2.1 Modélisation de la structure .......................................................................... 75
III.2.2.2 Expression des probabilités tunnel ................................................................ 76
III.2.2.3 Expression totale de la transparence tunnel .................................................. 77
III.2.2.4 Expression des champs électriques dans les oxydes 77
III.2.3 Validation du modèle ........................................................................................... 78
III.2.3.1 Détermination de l’épaisseur de l’oxyde ....................................................... 78
III.2.3.2 Courant dans les références sans îlots........................................................... 80
III.2.3.3 Courant pour les échantillons avec îlots ........................................................ 80
III.2.3.4 Effet de l’épaisseur de l’oxyde tunnel........................................................... 82
III.2.3.5 Effet de la densité des îlots............................................................................ 82
III.2.3.6 Effet de la taille des îlots............................................................................... 83
III.2.3.7 Effet de la dispersion de taille........................................................................ 84
III.2.3.8 Effet du chargement ...................................................................................... 85
III.3 Mise en évidence et étude du courant de chargement en accumulation .................... 87
III.3.1 Modélisation du transitoire de courant ................................................................. 87
III.3.2 Mise en équation du courant de chargement ........................................................ 88
III.3.2.1 Calcul du champ électrique ........................................................................... 88
III.3.3 Mise en évidence du modèle ................................................................................ 88

Sommaire
4
III.3.3.1 Effet du temps de mesure sur le pic de courant............................................. 88
III.3.3.2 Effet de la température .................................................................................. 91
III.4 Conclusion du chapitre III ......................................................................................... 93
IV Chargement dans les îlots de Ge .................................................................................... 96
IV.1 Le chargement........................................................................................................... 97
IV.1.1 Rappel sur les caractéristiques C-V (capacité tension) ........................................ 97
IV.1.1.1 Capacité idéale .............................................................................................. 97
IV.1.1.2 Influence des charges parasites dans l’oxyde .............................................. 100
IV.1.1.3 Détermination de la charge piégée dans les îlots ........................................ 101
IV.1.1.4 Méthode expérimentale de l’étude du chargement ..................................... 102
IV.1.1.5 Ecriture dans une mémoire .......................................................................... 103
IV.1.2 Premiers résultats de chargement....................................................................... 104
IV.1.2.1 Référence sans îlots..................................................................................... 104
IV.1.2.2 Effet de la densité........................................................................................ 105
IV.1.2.3 Effet de la taille des îlots............................................................................. 106
IV.1.2.4 Effet de l’épaisseur d’oxyde tunnel............................................................. 106
IV.1.2.5 Effet du champ électrique ........................................................................... 108
Interprétation des cinétiques de chargement ........................................................ 109
IV.1.3 Modélisation du chargement dans les îlots de Ge .............................................. 109
IV.1.3.1 Expression du champ électrique dans l’oxyde tunnel ................................. 110
IV.1.3.2 Expression du courant ................................................................................. 111
IV.1.3.3 Equation des cinétiques............................................................................... 112
IV.1.4 Résultats de simulations ..................................................................................... 113
IV La saturation du chargement ................................................................................... 115
IV.2.1 Résultats expérimentaux..................................................................................... 115
IV.2.1.1 Effet du champ électrique sur la saturation ................................................. 115
IV.2.1.2 Effet de l’épaisseur de l’oxyde tunnel......................................................... 116
IV.2.1.3 Effet de la taille sur la saturation................................................................. 116
IV.2.1.4 Saturation à champ électrique élevé............................................................ 117
IV.2.2 Différents mécanismes de saturation.................................................................. 118
IV.2.2.1 Saturation à fort champ ............................................................................... 118
IV.2.2.1.1 Fuite à travers l’oxyde de contrôle par Fowler-Nordheim................ 118
IV.2.2.1.2 Saturation par désalignement de bande............................................. 119
IV.2.2.2 Saturation à faible champ............................................................................ 120