Propriétés électriques des nanocristaux de platine

Dans cette partie, nous nous intéressons à l’effet mémoire des nanocristaux de platine dans des dispositifs simples, en l’occurrence des capacités MOS (Métal Oxyde Silicium).

V.3.1Elaboration de capacités MOS à nanocristaux de platine

Pour fabriquer nos dispositifs, des nanocristaux de platine ont été élaborés par pulvérisation RF recuit à 400°C. Ces nanocristaux, d’une densité d’environ 3 1012 cm-2 et un diamètre 2,2 nm, ont été déposés sur des oxydes thermiques de 4,5nm d’épaisseur (Figure V-20). Le substrat sous-jacent est en silicium monocristallin (100) de type N. Ensuite, les nanocristaux sont encapsulés par 15 nm d’oxyde déposé à 400°C par dépôt en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) et enfin, des électrodes carrées en aluminium de 300 µm de coté ont été élaborées par dépôt d’une couche d’aluminium suivie d’une lithographie. Un échantillon témoin sans nanocristaux a également été réalisé de la même manière.

Figure V-20 Etapes de réalisation de capacités MOS à nanocristaux de platine. (a) dépôt de métal sur SiO2 (b)

recuit de démouillage, formation des nanocristaux de platine (c) encapsulation dans l’oxyde TEOS et réalisation des contacts de grille en aluminium.

V.3.2 Résultats électriques

V.3.2.aMise en évidence du chargement des plots : mesures C(V)

Les propriétés de chargement des nanocristaux sont mises en évidence par la mesure de la capacité des dispositifs en fonction de la tension de grille. Les courbes C(V) sont mesurées à une fréquence de 100 KHz à l’aide d’un capacimètre HP 4284A. Afin de mettre en évidence le chargement des nanocristaux métalliques, des balayages C(V) aller et retour sont réalisés : d’abord du régime d’ inversion vers le régime d’ accumulation, c'est-à-dire, dans le cas de capacités de type N, d’une tension négative vers une tension positive appliquée sur l’électrode métallique et suivis ensuite d’un balayage dans l’autre sens pour retourner en régime d’inversion. De cette manière, un courant tunnel passe à travers l’empilement de grille lorsque la tension appliquée atteint une valeur suffisante. C’est ainsi qu’il est possible de charger les nanocristaux avec des électrons lorsque la tension appliquée sur les contacts en aluminium est positive et inversement de les décharger en appliquant des tensions négatives.

Par conséquent, en comparaison avec la courbe C(V) de référence obtenue pour des nanocristaux non chargés avec un balayage de -3V à 3V, des décalages apparaissent au niveau de la tension de bande plate (∆VFB) lorsque les tensions appliquées croissent (Figure V-21). Les décalages vers les tensions

positives correspondent au piégeage des électrons dans les nanocristaux ou encore à une opération d’écriture du dispositif mémoire et à l’inverse, les décalages négatifs sont dus à l’enlèvement des électrons, soit à une opération d’effacement voire de sur-effacement de la mémoire (Figure V-21).

Figure V-21 Courbes C(V) aller et retour mesurées sur une capacité MOS à nanocristaux de platine.

V.3.2.bFenêtre de programmation

Les valeurs de ∆VFB obtenues expérimentalement en fonction des valeurs absolues des maxima de

tension appliquées sont reportées sur la Figure V-22. Deux cas distincts ont été envisagés ici avec d’une part un échantillon comportant des nanocristaux de platine à haute densité et d’autre part une référence sans nanocristaux. La fenêtre de programmation, somme des ∆VFB positifs et négatifs, atteint 7,1V dans le cas d’un balayage en tension -16V=>16V=>-16V. Cette valeur est à comparer à la valeur

atteinte dans le cas des dispositifs sans nanocristaux où la fenêtre de programmation atteint seulement 0,5V. C’est ici une confirmation de la fonction mémoire des nanocristaux métalliques et de leur rôle dans la rétention des charges.

Figure V-22 Décalage de la tension de bande plate de capacités à nanocristaux de platine en fonction de

l’amplitude de balayage en tension de grille.

De plus, pour des tensions appliquées plus faibles, par exemple à 7,5V, le ∆VFB positif est de 0,95V

alors que le ∆VFB négatif reste négligeable. L’opération d’écriture, c'est-à-dire de chargement

d’électrons dans les nanocristaux, est plus aisée que l’opération d’effacement. Notons que dans le cas de l’effacement, plusieurs phénomènes sont envisagés. Il peut s’agir soit d’enlèvement d’électrons disponibles en grand nombre dans les nanocristaux métalliques ou bien d’une injection de trous depuis le substrat. Cette dernière hypothèse est cependant limitée par le fait que, dans notre cas de capacités utilisant un substrat de type N, il n’y a pas de source de porteurs minoritaires (ici les trous). Les

valeurs des fenêtres de programmation atteintes sont toutefois significatives dès les plus faibles tensions de programmation (7V) et donnent à ces dispositifs de très bonnes performances mémoires.

V.3.2.cCalcul du nombre de charges par nanocristal

En utilisant la formule (Equation V-1) qui relie le décalage de tension de bande plate (∆VFB) avec la

capacité de l’oxyde de contrôle (ici un oxyde TEOS) et la densité surfacique de charges, il est possible de déterminer le nombre de charges contenues dans chaque nanocristal.

∆VFB = - (n x q)/CIPD Equation V-1

Avec q : charge élémentaire,

n : densité surfacique de charges CIPD : capacité de l’oxyde de contrôle

La capacité de l’oxyde de contrôle s’exprime en fonction de sa constante diélectrique et de son épaisseur équivalente (Equation V-2).

CIPD=(

ε

EOTIPD : Epaisseur d’oxyde équivalente

Le nombre de charges contenues dans chaque nanocristal s’obtient donc en considérant que la charge totale est uniformément répartie entre les nanocristaux. Ainsi, pour la valeur maximale de ∆VFB = 5V

obtenue expérimentalement, le résultat du calcul est proche de 2 électrons par nanocristal (de diamètre moyen = 2,2 nm).

V.3.2.dMesures de rétention

En complément des mesures précédentes, le temps de rétention des charges à température ambiante a été évalué. Les résultats sont reportés sur la Figure V-23. Pour cela, deux dispositifs à nanocristaux de platine ont été testés durant environ 4 jours. Le chargement des nanocristaux est effectué au début de l’expérience en appliquant respectivement des tensions positives de +12V et négatives de -15V à ces deux dispositifs. Les tensions utilisées pour la lecture du décalage de la tension de bande plate en fonction du temps, c'est-à-dire pour suivre la perte des charge stockées, sont choisies de manière à ne pas réécrire les dispositifs à chaque lecture. Ainsi pour le dispositif programmé, le balayage de lecture est choisi de 0 à 6V et pour le dispositif qui est sur-effacé, de -3V à 0. A la fin de l’expérience, la tension de bande plate des dispositifs effacés a rattrapé sa valeur initiale alors que dans le cas du chargement des électrons, il reste une fenêtre de programmation de 4,2V environ.

Figure V-23 Evolution des tensions de bande plate de capacités MOS à nanocristaux de platine en fonction du

Cela montre des propriétés de rétention très prometteuses étant donné la qualité médiocre de l’oxyde employé comme diélectrique de contrôle. En effet celui-ci, déposé à basse température par PECVD, est de moins bonne qualité en terme d’isolation électrique qu’un oxyde de type HTO déposé à plus haute température. Cependant nous avons choisi cet oxyde PECVD car il a été élaboré à basse température et ne risque donc pas de dégrader les nanocristaux de platine.

Le rôle des nanocristaux métalliques dans la rétention de charge a donc été démontré lors de ces expérimentations, les résultats obtenus en terme de fenêtre de programmation et de temps de rétention sont très prometteurs mais nécessitent néanmoins des améliorations dans la qualité des matériaux employés pour obtenir des performances comparables aux dispositifs mémoires Flash conventionnels.