Soutenance mémoire
Les mémoires non-volatiles de type Flash
Contexte des mémoires non volatiles
Les dispositifs mémoires qui conservent l’information en l’absence d’alimentation sont appelés mémoires non volatiles. Depuis de nombreuses années, différentes solutions technologiques ont été développées et ont conduit à la commercialisation de mémoires non volatiles à stockage de charges pouvant être écrites et effacées électriquement :
– Les cellules EPROM (« Erasable Programmable Read Only Memories ») sont de petite taille et peuvent être écrites électriquement, mais elles doivent être soumises à un rayonnement UV pour l’effacement.
– Les cellules EEPROM (« Electrically Erasable Programmable ROMs ») sont effaçables électriquement, mais occupent des surfaces plus importantes que les EPROM. En effet, à la différence des cellules EPROM composées d’un seul transistor mémoire, les cellules EEPROM sont constituées d’un transistor mémoire associé à un transistor MOS de commande. Elles sont donc plus coûteuses à produire.
Ces deux solutions présentant des limites dans leur application, les fabricants se sont mis à la recherche d’une mémoire non volatile idéale, qui combinerait les caractéristiques suivantes : écriture et effacement électrique, haute densité et faible coût par bit, accès aléatoire, temps d’écriture et de lecture courts, bonne endurance, mais aussi faible consommation et faible tension d’alimentation.
Les cellules mémoires de type Flash constituent un compromis intéressant de dispositifs programmables lisibles et effaçables électriquement. Ce sont des dispositifs mémoires non volatiles qui, comme les EPROM et les EEPROM, fonctionnent sur le principe de la rétention de charges. Constituées d’un seul transistor mémoire par cellule, elles combinent à la fois la petite taille des EPROMs et l’effacement électrique par bloc des EEPROMs. Elles offrent des caractéristiques de rétention de charges supérieures à 10 ans et d’endurance d’au moins 10⁵ cycles d’écriture/effacement. Elles permettent la réalisation de dispositifs électroniques de grande capacité mémoire et ne comportant pas d’éléments mécaniques (par opposition aux disques durs), ce qui induit des économies d’énergie et leur confère une assez grande résistance aux chocs.
La durabilité et la consommation faible des mémoires Flash les rendent par conséquent utiles pour de nombreuses applications . On observe que celui-ci se développe très rapidement. Il correspond à la démocratisation des produits électroniques mobiles et multimédias tels que les appareils photos numériques, les téléphones cellulaires, les imprimantes, les assistants personnels, les ordinateurs portables, ou les dispositifs de lecture et d’enregistrement sonore comme les baladeurs MP3, clés USB… qui utilisent tous ce type de mémoires.
Nous allons présenter maintenant quelles sont les caractéristiques des cellules mémoires Flash et leurs limites technologiques avant d’introduire le principe des mémoires à nanocristaux comme solution potentielle pour la réalisation des mémoires Flash du futur.
Mémoires à grille flottante
Caractéristiques des mémoires à grille flottante conventionnelle
Une cellule mémoire de type Flash est constituée d’un transistor MOS à deux grilles en silicium polycristallin :
– la première grille dite flottante, car non connectée extérieurement, stocke les charges de façon non volatile (même lorsque le dispositif n’est plus sous tension électrique). Ces charges transitent du substrat vers la grille flottante par effet Fowlher-Nordheim à travers l’oxyde tunnel ou par génération de porteurs chauds.
– La seconde grille commande l’échange de charge entre le canal du MOS et la grille flottante, en créant un courant à travers l’oxyde fin de grille (SiO2 tunnel). C’est la grille de contrôle car elle permet la programmation et l’effacement de la mémoire.
Les caractéristiques électriques ID(VG) de ce dispositif : elles sont identiques à celles d’un transistor MOS ; le transistor est isolant en deçà d’une tension de grille appliquée (VG), appelée tension seuil (Vt), et conducteur lorsque la tension de grille est supérieure à Vt. La grille flottante joue le rôle suivant : schématiquement, selon son état de charge, elle écrante la tension de grille VG vue par les porteurs situés dans le canal. Plus simplement, deux états de charge différents de la grille flottante conduisent à deux tensions de seuil distinctes pour le transistor, définissant ainsi les deux états de la mémoire, soit 1 bit d’information. Pour la lecture, une tension appliquée VL sonde la conduction du transistor sans affecter l’état de charge de la grille flottante.
Architectures NOR et NAND
Il existe principalement deux types de mémoires Flash : les Flash NOR et les Flash NAND qui se différencient par l’architecture des matrices mémoires, c’est-à dire par la manière de connecter les cellules entre-elles. Ainsi, les Flash NOR sont connectées en parallèle alors que les Flash NAND sont connectées en série. Dans l’architecture NOR , la grille de contrôle est commune à une ligne de cellules, appelée ligne de mots ou « Word Line ». Le drain est commun à une colonne de cellules appelée ligne de bits ou « Bit Line ». La source quant à elle est commune à un bloc de cellules. L’accès à une cellule particulière se fait par la sélection d’une « Word Line » et d’une « Bit Line », ce qui fait des flashs NOR des mémoires dites à accès aléatoire.
Dans l’architecture NAND , il n’y a pas de contact de source ou de drain entre les cellules mais un branchement en série le long de la ligne de bit entre le drain d’une cellule et la source de la cellule suivante. Cela rend ces mémoires plus denses d’environ 40% que les Flashs NOR pour une même génération technologique. Elles sont donc moins coûteuses à produire pour une capacité de stockage équivalente. Toutefois, l’accès en lecture à une cellule particulière s’effectue en polarisant la grille de toutes les cellules de la ligne de bit concernée, de manière à ce qu’elles soient passantes (quel que soit leur état programmé ou effacé), pour pouvoir alors sonder la cellule désirée. Les mémoires de type Flash NAND sont donc des cellules à accès séquentiel.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I MEMOIRES NON VOLATILES, LES ENJEUX
I.1 Les mémoires non-volatiles de type Flash
I.1.1 Contexte des mémoires non volatiles
I.1.2 Mémoires à grille flottante
I.1.3 Etat de l’art sur les mémoires à nanocristaux de silicium
I.1.4 Conclusion sur les mémoires à nanocristaux de Silicium
I.2 Vers les mémoires à nanocristaux métalliques
I.2.1 Propriétés des nanocristaux métalliques
I.2.2 Etat de l’art des nanocristaux métalliques
I.3 Conclusion du Chapitre I
Bibliographie du chapitre I
CHAPITRE II OUTILS D’ELABORATION ET DE CARACTERISATION DES NANOCRISTAUX
II.1 Outils d’élaboration
II.1.1 Equipements monoplaques
II.1.2 Fours LPCVD
II.2 Méthodes de caractérisation
II.2.1 Imagerie MEB
II.2.2 TEM
II.2.3 Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR)
II.2.4 Ellipsométrie
II.2.5 Diffraction des rayons X
II.2.6 Spectroscopie des photoélectrons X appliquée aux nanocristaux de silicium [Briggs−03]
II.3 Conclusion du chapitre II
Bibliographie du chapitre II
CHAPITRE III INTEGRATION DES NANOCRISTAUX DE SILICIUM
III.1 Réalisation de puces mémoires flash
III.1.1 Enchainement des étapes de réalisation des mémoires flash
III.1.2 Choix de la voie d’intégration la plus favorable
III.1.3 Conclusion
III.2 Réalisation du module mémoire à nanocristaux
III.3 Influence de l’oxyde tunnel sur la densité des nanocristaux
III.3.1 Elaboration des oxydes thermiques tunnels
III.3.2 Influence des conditions d’élaboration de l’oxyde tunnel sur la nucléation des nanocristaux
III.3.3 Influence de contraintes technologiques : délais d’attente
III.4 Contrôle de la taille des nanocristaux
III.4.1 Effet de la taille des nanocristaux
III.4.2 Intérêt du procédé de dépôt en deux étapes
III.5 Encapsulation des nanocristaux de Silicium
III.5.1 Choix du diélectrique de contrôle
III.5.2 Densifications de l’oxyde de contrôle
III.6 Conclusion du chapitre III
Bibliographie du Chapitre III
CHAPITRE IV PASSIVATION DES NANOCRISTAUX DE SILICIUM
IV.1 Introduction à l’étude de la nitruration des nanocristaux
IV.1.1 Barrières de diffusion
IV.1.2 Choix des gaz
IV.2 Nitruration des interfaces Si/SiO2 sur pleine plaque
IV.2.1 Caractérisation de l’oxyde chimique de référence
IV.2.2 Etude de l’oxyde chimique nitruré sous NH3
IV.2.3 Etude de l’oxyde chimique nitruré sous NO
IV.2.4 Conclusion sur la nitruration des interfaces Si/SiO2 pleine plaque
IV.3 Etude de la nitruration des nanocristaux
IV.3.1 Mise en évidence de la nitruration des nanocristaux sous NH3
IV.4 Etude par SRXPS de la structure cœur/coquille des nanocristaux de Si nitrurés sous NH3
IV.4.1 Conditions d’analyse et échantillons
IV.4.2 Mise en évidence de l’évolution de la coquille d’oxyde lors de la nitruration
IV.4.3 Les environnements chimiques des atomes
IV.4.4 Hypothèses sur la structure chimique
IV.5 Quantification de la croissance de la coquille d’oxyde
IV.5.1 Mise en évidence par imagerie MEB
IV.5.2 Quantification de la croissance de la coquille d’oxyde par les mesures SRXPS
IV.5.3 Quantification de la croissance de la coquille par imagerie TEM
IV.5.4 Conclusion sur la structure cœur/coquille des nanocristaux nitrurés sous NH3
IV.5.5 Localisation de l’azote dans l’empilement nanocristaux sur SiO2
IV.5.6 Conclusions sur les procédés de nitruration
IV.6 Intégration des nanocristaux nitrurés dans les cellules flash
IV.6.1 Effet de la nitruration sur les performances des cellules mémoires à nanocristaux
IV.7 Résultats sur des aires mémoires avec des procédés optimisés
IV.8 Conclusion du Chapitre IV
Bibliographie du chapitre IV
CONCLUSION GENERALE
