« NANOCRYSTALS INSIDE »
OU COMMENT MEMORISER UNE INFORMATION DE FACON DURABLE AVEC
DES OBJETS NANOMETRIQUES (NANOCRISTAUX DE SILICIUM) ?
Régis DIAZ
1&2
, Jérémie GRISOLIA
1
, Gérard. BEN ASSAYAG
2
, Christiane DUPRAT
3
,
François GUERIN
3
, Christophe CAPELLO
3
, Cherif ROUABHI
3
, Frédéric GESSINN
3
,
Jean-Marie DORKEL
3
, Jean-Louis NOULLET
4
.
Affiliations:1- LPCNO/INSA, 2- CEMES/CNRS, 3- AIME pôle CNFM de TOULOUSE, 4- CHIPYARDS.
INTRODUCTION:
L’explosion du marché de l’appareillage multimédia, des systèmes portables, nomades
(téléphone, ordinateur, ...) et des technologies embarquées a eu pour conséquence de développer
considérablement le marché des dispositifs mémoires. Ce développement fut motivé par le besoin de
gérer et de stocker des quantités de données de plus en plus importantes, avec des vitesses de
traitement accélérées, sur des supports de plus en plus petits, et consommant de moins en moins
d’énergie. Cet essor est aujourd’hui un enjeu commercial important qui stimule l’industrie et la
recherche. En particulier, dans le domaine des mémoires non volatiles de type flash, la tendance à la
miniaturisation conduit à utiliser des tensions d’adressage de plus en plus basses, une épaisseur
d’oxyde réduite avec des temps de rétention toujours plus élevés. Malheureusement, ces objectifs
seront très difficiles à maintenir avec une technologie à grille flottante en polysilicium. Dans ce cadre,
l’utilisation de mémoires à nanocristaux de Si enfouis dans l’oxyde de grille, à la place de la grille
flottante, semble très prometteuse pour un fonctionnement à température ambiante. En effet, elle
permet de limiter et diminuer la perte de charge pour des épaisseurs d’oxyde de l’ordre du
nanomètre à la dizaine de nanomètres. En outre, s’ils fonctionnent avec un nombre réduit
d’électrons et donc de nanocristaux, ces composants peuvent mettre en évidence des effets
quantiques se manifestant à ces dimensions nanométriques. Le concept dit « NanoInside », permet
le développement d’une technologie hybride qui inclut des objets de taille nanométrique tout en
restant compatible avec la technologie CMOS. Ces objets permettront alors d’envisager des
applications « grand public », i.e. fonctionnant à température ambiante, du type mémoires flash de
nouvelle génération, dispositifs multi-bits, mémoires à un électron [Ref 1], interconnexions optiques
de circuits intégrés [Ref 2], dispositifs électroluminescents (DEL).
Plusieurs entreprises dans le monde travaillent sur l'intégration de nanocristaux de Silicium
dans l'électronique et la photonique (Atmel, Freescale, Intel, Samsung, ST Microelectronics,
Infineon…), mais aucun produit n’est actuellement sorti sur le marché. Comme nous croyons que
cette technologie a un très fort potentiel de développement, nous avons alors décidé de transférer le
fruit de 10 années de recherches au CEMES [Ref 3, Ref 4] et au LPCNO [Ref 5, Ref 6] pour créer une
formation à l’AIME destinée à initier les futurs ingénieurs aux développements les plus récents dans
les domaines de ces matériaux avancés et des nanotechnologies associées.
Le procédé « NANOCRYSTALS INSIDE » créé permet de synthétiser des nanocristaux de
silicium de taille inférieure à 5nm de diamètre par implantation ionique basse énergie (≤1keV)
dans un oxyde fin de SiO2 (<10nm). En partant d’un wafer de silicium, les étudiants effectuent toutes
les opérations de fabrication des composants (photolithographies, gravures chimiques et sèches,
oxydations thermiques, dépôts de couches minces de polysilicium et d’oxyde (<10nm), dopage,
synthèse des nanocristaux par implantation ionique très basse énergie (≤1keV) et recuit inerte et/ou
oxydant, métallisation). Ce procédé, basé sur 4 niveaux de masquage, permet de réaliser et
caractériser électriquement des composants mémoires à base de nanocristaux de silicium en une
semaine de formation seulement. In fine, le but est de montrer aux étudiants comment une
information peut être mémorisée avec des objets nanométriques de façon durable et conservée
même sans alimentation.