Etude des mécanismes de transport électrique dans des

N° d’ordre 2005-ISAL-00119
Année 2005
Thèse
Etude des mécanismes de transport
électrique dans des structures à base
de nanocristaux de silicium ordonnés
Présentée devant
L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon
Pour obtenir
Le grade de docteur
Formation doctorale
Dispositifs de l'Electronique Intégrée
Ecole doctorale
École doctorale Electronique, Electrotechnique, Automatique de Lyon
Par
Arnaud Beaumont
Soutenue publiquement le 12/12/2005 devant la commission d’examen :
Rapporteur J. Gautier Directeur de recherche (CEA-LETI)
Rapporteur P. Dollfus Chargé de recherche habilité (CNRS)
Examinateur T. Baron Chargé de recherche habilité (CNRS)
Examinateur P. Normand Directeur de recherche (NCSR, Grèce)
Examinateur C. Plossu Professeur (INSA de Lyon)
Examinateur A. Souifi Professeur (INSA de Lyon)
Invité V. Aimez Professeur agrégé
(Université de Sherbrooke, Canada)
Thèse préparée au Laboratoire de Physique de la Matière (LPM, CNRS-INSA Lyon)

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Titre
Etude des mécanismes de transport électrique dans des nanostructures à base de nanocristaux
de silicium ordonnés.
Résumé en français
Les nanocristaux de silicium sont des amas sphériques d’atomes de silicium, dont le diamètre
est typiquement de l'ordre de la dizaine de nanomètres. Si on les utilise comme zone active
dans un composant électronique, leurs très faibles dimensions font apparaître des phénomènes
qui pourraient les amener à jouer un rôle important dans la microélectronique, à court et à
long terme.
A court terme, ils pourront être utilisés comme nano-grilles flottantes dans les mémoires
FLASH, dont la miniaturisation pourra ainsi être poursuivie. A partir de mesures de courants
transitoires effectuées sur ce type de composant, nous avons montré qu’il était possible de
mettre en évidence le rôle prépondérant que jouent les îlots de silicium dans l’effet mémoire
observé. Cette méthode a été validée sur des dispositifs comportant des nanocristaux élaborés
par implantation ionique et par dépôt chimique en phase vapeur (CVD).
A plus long terme, les nanocristaux pourraient représenter la brique de base d'une
électronique mono-charge, en utilisant le phénomène de blocage de Coulomb. Nous avons
montré que ce dernier régissait en particulier le transport dans une chaîne de trois îlots de
silicium à température ambiante. Ce travail propose également une projection sur les
caractéristiques morphologiques que devront respecter ces composants pour jouer un rôle
dans la microélectronique.
Mots-clés
MOS, Mémoire FLASH, Nanocristaux, Courant transitoire, SET, Blocage de Coulomb,
Modélisation, Eléments finis.

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Title
Transport through ordered nanocrystals based nanostructures.
Abstract
Silicon nanocrystals are spherical clusters made of silicon atoms whose diameter is in the order
of ten nanometers. If they are used as active area in electronic components, their low
dimensions give rise to phenomenona which could bring them to play an important role in the
future of microelectronics, in the short and in the long run.
In the short run, they could be used as nano-floating gates in FLASH memories, what would
then enable their downscaling to go on. With transient current measurements made on this
kind of components show evidences of the prominent role of the nanocrystals in the charging
observed in our samples. This method was corroborated on components where nanocrystals
have been fabricated by ionic implantation and by chemical vapor deposition (CVD).
In the long term, nanocrystals could be the base brick for mono-electronics, thanks to the
Coulomb blockade phenomenon. We showed that it governs the transport through a three-
islands chain at room temperature. Furthermore, the structural characteristics required by
these devices to play a significant role in microelectronics are evaluated.
Keywords
MOS, Flash memory, Nanocrystals, Transient current, SET, Coulomb blockade, Modelling,
Finite elements.