Projet de recherche

Nom du projet : MEMOIRE
Descriptif : MEMOIRES À NANOCRISTAUX AUTO-ORGANISES (Auto-organized nanocrystals memories)
Cadre : Programme National en Nanosciences et Nanotechnologies (PNANO)
Adresse : Secrétariat du R3N • CEA • 17 rue des Martyrs • F-38054 Grenoble Cedex 9 (France)
Financement : Agence Nationale de la Recherche
Durée du projet : 36 mois (2006 - 2008)

Présentation :

Le but du projet MEMOIRE est de développer de nouvelles mémoires à grille flottante à nanocristaux en Si ou Ge visant à remplacer les mémoires flash actuelles. Cette nouvelle technologie, qui a acquis une grande maturité ces dernières années, se confronte aujourd’hui encore à des problèmes de reproductibilité, de compréhension des mécanismes de stockage des charges et de développement des composants, qui doivent être résolus avant son introduction dans l’industrie.

MEMOIRE est un projet interdisciplinaire alliant l’engineering des composants à la physique pure, dans lequel les principes physiques fondamentaux sont utilisés pour lever des verrous technologiques à la frontière des applications. Ce projet permet de créer une chaîne complète de compétences de la manipulation / élaboration des NC, à la modélisation, fabrication et caractérisation électrique des transistors et des mémoires.

Le principal challenge du projet est d’obtenir le contrôle parfait des structures élémentaires fabriquées afin de permettre la compréhension des mécanismes électriques locaux et la modélisation appropriée des composants. Le travail sera réparti en quatre tâches  : 1) fabrication de la grille flottante à NC et des composants; 2) modélisation de la nanostructuration du substrat et auto-assemblage des NC ; 3) modélisation des dispositifs ; 4) fabrication et caractérisation électrique des dispositifs élémentaires.

Grâce à la complémentarité des partenaires, le projet permettra des avancées majeures tant dans la compréhension des mécanismes de base que dans le développement de nouvelles architectures de composants. Le consortium s’attachera aussi particulièrement au transfert technologique des procédés mis en oeuvre en laboratoire vers le partenaire industriel.

The objective of the project is to develop novel Si and Ge nanocrystal (NC)  floating gate memory to find a replacement for conventional non-volatile flash memory. During the last years, this new technology has acquired a high level of  maturity. However, it still faces some major bottlenecks such as the lack of reproducibility, of understanding of carrier storage mechanism and of device development that should be removed before its introduction in industry.

MEMOIRE offers an interdisciplinary research program sweeping “device engineering” and “pure physics” in which fundamental physical principles are used to address issues of technological importance at the frontiers of microelectronics applications. This project creates a complete chain of knowledge from the manipulation / growth of nanostructures, modelling, fabrication and characterisation of transistors and devices.

The main challenge of the project is to perfectly control the nanostructures fabricated so that new insights into storage mechanisms and device modelling could be achieved. The work will be divided in four main tasks: 1) fabrication of NC floating gate and devices; 2) modelling of substrate nanostructuring and NC self-organisation; 3) electronic properties modelling; 4) devices characterization and modelling. 

The partners offer a broad generic bundle of competences beyond the possibilities of each partner through networking of specific, differentiated Know-How. Close co-operation with strong ties between the partners should provide major insights into understanding of fundamental mechanisms as well as development of new device architectures.

Partenaires :

Partenaire 1 - Coordinatrice et responsable scientifique du projet
Isabelle Berbezier, IM2NP Groupe Nanostructures
IM2NP UMR CNRS 6242 • Campus de Saint Jérôme • Case 142 • F-13397 Marseille Cedex 20 • France 
Mail : isabelle.berbezier@IM2NP.fr


Partenaire 2
Alberto Verga
IRPHE UMR CNRS 6594 • Technopôle de Château-Gombert • 49, rue Joliot Curie • B.P. 146 • F-13384 Marseille Cedex 13 • France 
Tel : 04 96 13 97 51 • Fax : 04 96 13 97 09
Mail : alberto.verga@irphe.univ-mrs.fr 


Partenaire 3
Pascal Masson, IM2NP groupe Mémoires (Marseille)
IM2NP UMR CNRS 6242 • Technopôle de Château Gombert • Département Micro-électronique et Télécommunications • F-13451 Marseille Cedex 20 • France  
Tel : 04 91 05 47 79 • Fax : 04 91 05 47 82
Mail : pascal.masson@IM2NP.fr 


Partenaire 4
Fabienne Michelini, IM2NP groupe Modèles Quantiques
IM2NP UMR CNRS 6242 • Bâtiment IRPHE • 49, rue Joliot Curie • B.P. 146 • F-13384 Marseille Cedex 13 • France 
Tel : 04 96 13 98 29 • Fax : 04 96 13 97 09 
Mail : fabienne.michelini@IM2NP.fr


Partenaire 5
Pascale Mazoyer, STMicroelectronics (Crolles)
STMicroelectronics • 850, rue Jean Monnet • F-38926 Crolles Cedex • France 
Tel : 04 76 92 64 12 • Fax : 04 76 08 96 52
Mail : pascale.mazoyer@st.com 

Description du programme de travail :

Le but du projet est de déterminer les possibilités d’intégration des mémoires à grille flottante de nanocristaux dans la technologie CMOS conventionnelle. Le programme de travail du projet est divisé en quatre tâches distinctes fortement interdépendantes. 

Tâche 1 : Fabrication de la grille flottante à NC et des composants 

Tâche 1.1. Etude de la nanostructuration du substrat 
Nanostructuration à l’échelle nanométrique en utilisant la lithographie par faisceau d’ions focalises (FIB) et nanostructuration à grande échelle utilisant la l’organisation spontanée du substrat sous l’effet des instabilités de croissance.Le but poursuivi est d’augmenter la densité de nanopits créés par FIB jusqu’à des densités de l’ordre de 5x1011/cm2.En ce qui concerne la nanostructuration par les instabilités de croissance, nous déterminerons les lois d’évolution de leur paramètres topographiques en fonction du temps, de la température et de la contrainte. Les lois seront déterminées lors de la croissance épitaxiales Si / Si et SiGe / Si sur des substrats (001) vicinaux ou nominaux.

Tâche 1.2. Etude de la formation des NC sur une couche d’oxyde tunnel 
Dans cette tâche nous proposons d’analyser pas à pas les différentes étapes du démouillage d’un film mince de Ge sur une couche de SiO2 tunnel. Nous analyserons quantitativement la dynamique de nucleation des NC. Une étude comparative sera entreprise entre le démouillage d’un film de Si et d’un film de Ge.De même les processus de germination seront comparés pour ces deux matériaux. Dans une deuxième étape, nous analyserons quantitativement les tailles et densités de NC formés en fonction des conditions expérimentales (épaisseur du film déposé, température et temps de recuit …) afin de déterminer les conditions optimales permettant d’obtenir des densités maximales (taille minimales).Finalement, la dernière partie de cette tâche sera consacrée à la fabrication / caractérisation de la couche d’oxyde tunnel afin de déterminer les sites de germination préférentiels à la surface (présence d’impuretés, défauts, liaisons pendantes …).

Tâche 1.3. Etude de l’auto-organisation des NC
L’objectif de cette tâche est de déterminer l’influence de la nanostructuration superficielle du substrat sur l’auto-organisation des NC de Si et de Ge. Les expériences seront réalisées soit sur un substrat Si cristallin soit sur une couche d’oxyde tunnel. 

Tâche 1.4. Fabrication des composants modèles
La technologie conventionnelle CMOS sera utilisée pour fabriquer des mémoires. La dimension du canal sera variée entre 0.6 et 2 µm. La technologie sera développée dans une première partie pour des NC de Si et dans une deuxième partie pour des NC de Ge afin comparer leurs caractéristiques. 
Tâche 2 :  Modélisation de l’auto-organisation et de la dynamique des nanostructures
L’objectif est de modéliser théoriquement et numériquement les expériences de croissance par épitaxie de semi-conducteurs Si et Si/Ge pour identifier les mécanismes physiques fondamentaux afin de déterminer les paramètres régulant la dynamique de la formation des nanocristaux. La connaissance de ces paramètres est nécessaire pour contrôler les caractéristiques physiques des nanostructures (taille et géométrie, distribution spatiale, rugosité des surfaces, composition et segrégation) qui vont avoir une incidence sur les propriétés électroniques des nanocristaux.

Tâche 2.1. Homoépitaxie du Si : Dynamique des marches
La croissance cristalline d’une surface vicinale de Si comporte diverses instabilités d’origine cinétique et élastique (méandrage et step bunching), dont la compréhension est indispensable pour aboutir à une description quantitative de la formation de macromarches (step bunches). 

Tâche 2.2. Hétéroépitaxie SiGe : Elasticité hors équilibre
L’ajout de Ge à des concentrations variables introduit de nouveaux effets dus au désaccord de maille. Ces effets créent des fortes contraintes élastiques dont les conséquences dans des situations hors équilibre sont déterminantes pour l’auto-organisation des nanostructures.

Tâche 2.3. Rugosité à l’échelle nanométrique : Transition rugueuse cinétique sur des surfaces vicinales
Les aspects aléatoires de la croissance induisent une rugosité à la surface du silicium qui influence les propriétés de transport électronique. Il est donc important d’identifier les paramètres contrôlant la transition rugueuse.Cette tâche qui s’appuie sur les résultats des expériences d’épitaxie par jets moléculaires de NC de Si et de Ge, élabore des modèles de la croissance des nanostructures. Ces modèles permettent d’affiner les expériences (tâche 1) et servent de référence à l’étude ultérieure des propriétés de transport (tâche 3). 

Tâche 3 : Modélisation des propriétés électroniques et de transport des nanostructures
Cette tâche a pour objectif la mise au point d’un modèle réaliste pour décrire la nanoélectronique d’une unité du super-réseau périodique. Le modèle s’appuie d’une part sur la détermination des états électroniques accessibles dans le nanocristal, et d’autre part sur la connaissance des chemins d’accès jusqu’à ces états quantiques : transport quantique. 

Tâche 3.1. Propriétés électroniques des nanocristaux
L’avènement d’un modèle k.p full band (sans perturbation du second ordre) permet de décrire complètement la première zone de Brillouin de cristaux semiconducteurs massifs sur une zone d’énergie de ±6 eV autour du gap. Une telle potentialité relance la pertinence de l’utilisation des méthodes k.p dans l’étude des nanocritaux. Tel est le cas des nanocristaux de Si/Ge élaborées. Nous proposons donc de déterminer des états électroniques multi-particules de nanocristaux de Si/Ge en méthode k.p 30 bandes. 

Tâche 3.2. Transport dans une structure silicium/isolant/nanocristal/isolant/métal
L’outil de modélisation du transport quantique qui repose sur les fonctions de Green s’adapte à tout type de nanostructures. Il permet en particulier d’identifier les différents mécanismes de base du transport conduisant au stockage des charges. En adaptant ce modèle au transport entre le canal et les nanocristaux nous pourrons également calculer les transparences.

Tâche 3.3. Propriétés électroniques des surfaces rugueuses
Cette partie est définie en étroite collaboration avec le groupe « Modélisation de l’auto-organisation et de la dynamique des nanostructures », en particulier dans son aspect « Rugosité à l’échelle nanométrique : Transition rugueuse cinétique sur des surfaces vicinales ».Dans ce cadre, il est important d’identifier les paramètres contrôlant la rugosité de la surface, mais aussi de contrôler leur influence sur les propriétés électroniques des structures obtenues, de manière à fournir des paramètres de croissance pertinents pour une application ultérieure à la conception de dispositifs.L’objectif ultime sera donc d’intégrer les résultats de la modélisation structurale dans les modèles de simulation des propriétés électroniques des surfaces rugueuses. 

Tâche 4 :  Caractérisation électrique et modélisation des composants modèles
Tâche 4.1. Simulation numérique des dispositifs à base de NC-Si et NC-Ge
L’objectif de cette tâche est de simuler le comportement électrique des dispositifs afin de quantifier le rôle joué par la densité et la taille des nanocristaux et leur répartition bidimensionnelle sur la zone active. Etablir des modèles analytiques permettant de rendre compte de ces grandeurs sur les principaux paramètres électriques de la mémoire.

Tâche 4.2. Caractérisation électrique des structures
Le but est de quantifier les caractéristiques électriques principales des nanocristaux de Si et Ge, aussi bien sur des structures de test standard que du point de vue individuel (mesures AFM capacitif). Etude comparative exhaustive des différentes technologies développées. Confrontation aux études de simulation et extraction de paramètres physiques permettant l’établissement de modèles analytiques.

Echéancier du projet

 

 

Tâches

Planification des tâches sur 36 mois

0                   6                      12                   18                   24                   30                36

Tâche I

 

 

 

 

 

 

Tâche  I-1

  

  

  

  

 

 

Tâche  I-2

  

  

  

 

 

 

Tâche  I-3

 

 

  

  

  

  

Tâche  I-4

 

  

  

  

  

  

 

 

 

 

 

 

 

Tâche II

 

 

 

 

 

 

Tâche  II-1

  

  

  

  

 

 

Tâche  II-2

  

  

  

  

  

  

Tâche II-3

   

   

   

   

   

   

 

 

 

 

 

 

 

Tâche III

 

 

 

 

 

 

Tâche III-1

   

   

   

   

   

   

Tâche  III-2

   

   

   

   

   

   

Tâche  III-3

   

   

   

   

   

   

 

 

 

 

 

 

 

Tâche IV

 

 

 

 

 

 

Task  IV-1

   

   

   

   

   

   

Task  IV-2

 

   

   

   

   

 

 

Réunion de début de projet (3 mars 2006) :

Le but de cette réunion est de présenter à chacun des partenaires, un état de l'art bibliographique relatif à leurs études, les travaux en cours ainsi que l'objectif auquel ils prétendent et le programme de travail des six prochains mois.

Les thèmes de ces différentes présentations sont :

·       Objectif général du contrat et description des tâches de chaque partenaire (T0-1.pdf).

·       Auto-organisation des boîtes dans de l'oxyde (T1-1.pdf).

·       Modélisation de la nanostructuration des substrats (T2-1.pdf).

·       Propriétés électroniques des boîtes quantiques de Si et Ge dans de l'oxyde (T3-1.pdf et T4-1.pdf).

·       Propriétés électriques des mémoires à nanocristaux (T5-1.pdf).

·       Cahier des charges des mémoires à nanocristaux dans l'industrie de la microélectronique

Rapports

 

Rapports semestriels du projet MEMOIRE

2006

2007

2008
Rapport S1-2006
(pdf à télécharger)

Rapport S2-2006
(pdf à télécharger)