Caractérisation électrique de la cellule mémoire à nanocristaux

Dans ce chapitre, nous évaluerons l’impact des principaux paramètres technologiques sur la fenêtre de programmation de la cellule mémoire à nanocristaux produite au sein de STMicroelectronics. Le but de cette analyse a été de définir la meilleure façon d’améliorer la fenêtre de programmation en utilisant toujours les pulses de programmation et d’effacement standards utilisées pour la cellule à mémoire Flash à grille flottante. Ensuite nous résumerons les conclusions principales obtenues par les études de caractérisations électriques de la cellule.

153 - Lorsque la taille des nanocristaux est augmentée, donc par conséquent la surface recouverte de la cellule, la fenêtre de programmation augmente et en particulier l’opération d’effacement par Fowler-Nordheim est améliorée. Nous avons constaté que l’utilisation de l’empilement mémoire standard nécessitait un recouvrement de 95% pour obtenir une fenêtre de programmation de 4V, pourcentage non cohérent avec le principe de fonctionnement de la cellule à nanocristaux de silicium. Afin d’améliorer la fenêtre de programmation et d’optimiser l’empilement de la cellule Si-nc nous avons considéré comme point clé l’augmentation du facteur de couplage comme expliqué dans la littérature pour les mémoires Flash à grille flottante. Deux différentes recettes ont été développées afin d’obtenir des nanocristaux de silicium avec une taille moyenne de 9 nm et 12nm qui permettent d’arriver respectivement à une surface recouverte de 46% et 76%. De plus, avec l’optimisation du facteur de couplage il a été possible de diminuer l’épaisseur de la couche d’ONO jusqu’à 10,5nm d’épaisseur équivalente, ceci a permis d’augmenter le champ électrique vertical pendant l’opération d’effacement. Cette valeur d’épaisseur a été choisie en accord avec les recettes disponibles dans la ligne de production de STMicroelectronics.

- La présence de la couche Si3N4 recouvrant les nanocristaux de silicium augmente la probabilité de piégeage de charge et la surface de canal recouverte. Le facteur de couplage est augmenté et donc la fenêtre de programmation augmente aussi. Dans les observations CDSEM nous avons noté que la couche Si3N4 pousse autour des nanocristaux de silicium. Dans ce cas il n’est possible de confirmer si les améliorations obtenues concernant la fenêtre de programmation dont dues à la présence de la couche Si3N4 ou à l’augmentation de la surface recouverte. Dans la figure 6.2 nous montrons les résultats concernant la fenêtre de programmation obtenus en utilisant des échantillons avec différentes dimensions de nanocristaux de silicium et avec la couche Si3N4. Dans ce cas nous pouvons considérer que l’amélioration obtenue dépend principalement de la surface recouverte et faiblement de l’augmentation de probabilité de piégeage de charge. Même si la présence de la couche Si3N4 est utile pour améliorer la fenêtre de programmation, nous avons décidé d’éviter cette étape process afin de minimiser les effets de piégeage de charges parasites.

154 Figure 6. 2. Fenêtre de programmation en fonction de la surface recouverte. Les cellules à nanocristaux de

silicium (Si-nc) et hybride (Si-nc+SiN) sont comparées.

- Nous avons montré qu’il est possible d’augmenter la fenêtre de programmation en augmentant la dose de dopage dans le canal, en considérant toujours le décalage des tensions de seuil. En augmentant la dose de dopage de canal jusqu’à 1014at/cm2, une augmentation de 20% de la fenêtre de programmation a été obtenue. Dans ce cas la régulation des tensions de programmation/effacement est nécessaire, donc afin de ce faire il est important de trouver le meilleur compromis lorsque d’autres paramètres sont modifiés: taille des nanocristaux et épaisseur de l’oxyde de tunnel. Après ces considérations nous avons décidé d’utiliser une dose de dopage de canal de 1014at/cm² pour l’optimisation de la cellule avec l’objectif d’améliorer la fenêtre de programmation.

- Enfin nous avons étudié l’impact de l’épaisseur de l’oxyde de tunnel sur les opérations de programmation et effacement. Nous avons démontré que pendant la programmation par injection d’électrons chauds l’épaisseur de l’oxyde de tunnel impacte faiblement la fenêtre de programmation de part la dépendance prédominante du champ électrique horizontal. A contrario, ce paramètre technologique impacte fortement les opérations par Fowler-Nordheim. En particulier nous avons montré l’effet sur l’opération d’effacement. Afin d’obtenir une fenêtre de programmation de 4V, un oxyde de tunnel épais de 4.2nm maximum est nécessaire.

L’empilement optimisé de la cellule à nanocristaux apparaît dans la figure 6.3. Un oxyde de tunnel (SiO2) d’épaisseur 4.2nm a été crû sur un substrat de silicium dopé type-p ayant en surface une dose de 1014at/cm2. Deux recettes distinctes ont été développées pour pouvoir faire croître des nanocristaux de silicium avec une dimension moyenne de 9nm et 12nm.

155 L’empilement de la cellule a été complété avec une couche ONO d’épaisseur équivalente de 10.5nm.

Figure 6. 3. Schéma de la cellule à nanocristaux de silicium optimisé; des nanocristaux avec deux tailles différentes sont mises en œuvre: a) Φ = 9 nm, b) Φ = 12nm.

Pour conclure cette partie nous avons comparé les résultats obtenus pour la cellule optimisée Si-nc avec la Flash standard à grille flottante. Dans la figure 6.4 nous montrons les caractéristiques de la cinétique de programmation des deux dispositifs. Pour la cellule optimisée Si-nc les performances sont les mêmes que la cellule à grille flottante; la fenêtre de programmation minimale de 4V est obtenue en utilisant une programmation par électrons chauds d’une durée de 3.5µs.

Figure 6. 4. Caractéristiques de la cinétique de programmation par porteurs chauds (Vg_ramp=1.5V/µs, Vg=[3V; 9V], Vd=4.2V).

Les caractéristiques de la cinétique d’effacement apparaissent quant à elles dans la figure 6.5. Les performances d’effacement ont été améliorées par rapport à la cellule mémoire à grille flottante grâce à un oxyde de tunnel d’épaisseur moindre ainsi qu’à un facteur de couplage plus important.

156 Figure 6. 5. Caractéristiques de la cinétique d’effacement par Fowler-Nordheim

(Vg_ramp=5kV/s; Vg=[-14V; -18V]).

Le temps d’effacement pour obtenir la fenêtre de programmation minimale de 4V est de 0.2ms pour la cellule optimisée Si-nc permettant un gain de 60% par rapport à la cellule Flash à grille flottante. Pour conclure, tous les essais réalisés en faisant varier les différents paramètres technologiques ont permis d’optimiser la fenêtre de programmation de la cellule Si-nc avec l’objectif de pouvoir substituer la cellule à grille flottante et donc de diminuer les coûts de production. Dans le prochain paragraphe seront comparés les résultats concernant la fiabilité de la mémoire à nanocristaux de silicium et à grille flottante.