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INSA de Lyon (14/10/2008), Abdelkader Souifi, Michel Gendry (Dir.)
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These_2008-ISAL-0072.pdf(13.4 MB)
Croissance et caractérisation électrique de nanocristaux d'InAs/SiO2 pour des applications de mémoires non volatiles sur silicium.
Moïra Hocevar1

Depuis 1995 et la première proposition de remplacer la grille flottante en polysilicium des mémoires non volatiles (MNV) par des nanocristaux de Si (nc-Si), la recherche est très active dans ce domaine. Cette étude se propose d'une part, d'améliorer les caractéristiques d'une MNV à nanocristaux en termes de temps de rétention et d'autre part, d'évaluer les possibilités d'un stockage multibits dans ces nanocristaux. De ce point de vue, le semiconducteur InAs présente des avantages par rapport au Si. En effet, l'InAs possède un offset de bande de conduction plus important que le Si avec l'oxyde SiO2, ce qui devrait conduire à un meilleur confinement des électrons et donc à un meilleur temps de rétention qu'avec le Si. Par ailleurs, la masse effective des porteurs dans l'InAs étant plus faible que celle dans le Si, les niveaux confinés sont mieux séparés, ce qui augmenterait les potentialités de stockage multibits avec des électrons. L'objectif de ma thèse a consisté à évaluer le potentiel d'une MNV à nanocristaux d'InAs (nc-InAs) par comparaison aux MNV à nc-Si. Dans un premier temps, il s'est agi de faire croître, dans un réacteur d'épitaxie par jets moléculaires, des nc-InAs sur un oxyde tunnel SiO2 formé sur un substrat Si. Les nanocristaux sont monocristallins et hémisphériques. Il s'est avéré que la température de croissance joue un rôle prépondérant dans le contrôle de la densité des nc-InAs alors que leur taille (de 2 à 10 nm de hauteur) dépend plutôt de la quantité de matière déposée. Leur densité peut atteindre 7 x 10^11 cm^(-2). Dans un deuxième temps, nous avons fabriqué des structures Métal-Oxyde-Semiconducteur (MOS) à nc-InAs destinées à intégrer des cellules mémoires. Nous avons montré qu'il était possible de charger et de décharger les structures à nc-InAs. Les temps d'écriture et effacement peuvent atteindre 1 us et 0,1 ms respectivement à 12 V et 11 V. Par ailleurs, les mesures des temps de rétention ont démontré que l'utilisation des nc-InAs permet d'augmenter le temps de rétention de 2 décades par rapport aux nc-Si pour une structure de dimensions identiques. Il s'avère que l'amélioration des caractéristiques de rétention des électrons dans les nc-InAs est due à l'offset de bande plus important de l'InAs avec le SiO2 que Si. En conclusion, la maîtrise de la croissance et de l'encapsulation des nc-InAs a permis leur intégration dans des dispositifs mémoires tests qui ont présenté des caractéristiques prometteuses pour les mémoires non volatiles.
1:  INL - Institut des nanotechnologies de Lyon - Site d'Ecully
croissance cristalline – nanocristaux d'InAs – épitaxie par jets moléculaires – AFM – TEM – boîtes quantiques – mémoires non volatiles – caractérisations C-V – structures MOS – temps de rétention – cinétiques 'écriture/effacement

Growth and electrical characterization of InAs/SiO2 nanocrystals for non volatile memory applications
Since the first proposal in 1995 of replacing the polysilicon floating gate of the non volatile memories (NVM) by Si nanocrystals (nc-Si), research in this field is very active. The objective of this study consists in the fabrication of an InAs nanocrystals (nc-InAs) NVM: thus, using InAs allows first the improvement of NVM characteristics thanks to a high electronic affinity, and second, the evaluation of multibits storage in a unique nanocrystal. The nc-InAs have been grown by molecular beam epitaxy (MBE) on a tunnel SiO2 layer on Si. The nc-InAs are monocrystalline and hemispherical. Their height depends on the number of deposited InAs monolayers (from 2 to 10 nm), whereas the density depends on the growth temperature. The maximal density has been evaluated to be 7x1011 cm-2 at a growth temperature of 350 oC. Using MBE, we fabricated MOS structure containing nc-InAs. The write and erase time is 1 us and 100 us, at 12 V and 11 V respectively. The retention time at 85 % for a structure with 3.5 nm tunnel oxide and containing 6 nm in diameter nc-InAs is 45 days. For the best of our knowledge, this is the best result in retention for nc-NVM with 3.5 nm tunnel oxides. By quantum calculations, we demonstrated that the retention time is 2 decades higher in nc-InAs than in nc-Si for MOS structures with identical dimensions. Finally, we showed that a 10 years retention time in NVM can be reached using a 4 nm tunnel oxide and 10 nm in diameter nc-InAs.
cristalline growth – InAs nanocrystals – molecular beam epitaxy – AFM – TEM – quantum dots – non volatile memories – C-V characterizations – MOS – retention time – writing/erasing kinetics

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