Charge storage properties of germanium nanocristals embedded in silica films by ion implantation

Propriétés de stockage de charges de nanocristaux de germanium incorporés dans des couches de silice par implantation ionique

S. Duguay (1)

1 InESS - Institut d'Electronique du Solide et des Systèmes

Une évolution possible des mémoires Flash actuelles passe par le remplacement de la grille flottante continue par une rangée de nanocristaux pour un stockage discret. Dans cette optique, des couches de SiO2 sur substrat Si contenant des nanocristaux de germanium ont été fabriquées par implantation ionique d’ions Ge+ suivi d’un recuit thermique haute température. La microscopie électronique à transmission (MET) associée à la spectrométrie par rétrodiffusion Rutherford a été utilisée pour étudier la redistribution du germanium dans les couches de SiO2 en fonction de la température de recuit et des paramètres d’implantation (dose, énergie). Une monocouche de nanocristaux de germanium, située le long de l’interface Si/SiO2 et clairement séparée de celle-ci a été réalisée après recuit de couches implantée à énergie moyenne (13-17 keV) et à une dose de 1x1016at/cm2. Des mesures en MET ont permis de mesurer des densités de nanocristaux importantes de l’ordre de 1x1012 /cm2 avec un diamètre moyen de 4,5nm et à une distance de l’interface de 4 nm. L’augmentation de la dose d’implantation peut également amener à la formation d’une deuxième couche de nanocristaux au centre du film de SiO2. Des capacités métal-oxyde-semiconducteur (MOS) contenant de telles couches de SiO2 implantées ont ensuite été réalisées pour étudier leurs propriétés électriques. Les résultats indiquent un chargement des nanocristaux situés proche de l’interface Si/SiO2. Les faibles tensions de chargement appliquées sont attribuées à la faible épaisseur tunnel les séparant de l’interface. Les propriétés de rétention et les temps de chargements sont cependant incompatibles avec les attentes des industriels.

One way to improve current Flash memories is to replace the actual continuous floating gate by an array of nanocrystals discrete charge storage. In this work, silicon dioxide (SiO2) on Si layers with embedded germanium nanocrystals (Ge-ncs) were fabricated using Ge+- implantation and subsequent annealing. Transmission Electron Microscopy (TEM) and Rutherford Backscattering Spectrometry have been used to study the Ge redistribution in the SiO2 films as a function of annealing temperature and implantation conditions (dose, energy). A monolayer of Ge-ncs near and clearly separated of the Si/SiO2 interface was formed under specific annealing and implantation conditions. This layer, with a nc density and mean-size measured to be respectively of the order of 1x1012 /cm2 and 4,5 nm, is located at approximately 4 nm from the Si/SiO2 interface. Increasing the implantation dose leads to the formation of a second monolayer situated in the middle of the SiO2 film. Capacitance-voltage measurements were performed on metal-oxide-semiconductor (MOS) structures containing such implanted SiO2 layers in order to study their electrical properties. The results indicate a strong memory effect at relatively low programming voltages (< 5V), due to the presence of Ge-ncs near the Si/SiO2 interface. Retention and charging times are however found to be incompatible with industrial requirements.

Mots clés: Microélectronique Matériaux nanostructurés Ordinateurs -- Mémoires Ions -- Implantation MOS (électronique) Microscopie électronique en transmission

Domaines: Micro et nanotechnologies/Microélectronique

S. Duguay. Propriétés de stockage de charges de nanocristaux de germanium incorporés dans des couches de silice par implantation ionique. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Unuiversité de Strasbourg I, 2006. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨hal-00211889⟩