N° d'ordre

N° d’ordre :

École Doctorale Mathématiques, Sciences de
l'Information et de l'Ingénieur
ULP – INSA – ENGEES


THÈSE


présentée pour obtenir le grade de


Docteur de l’Université Louis Pasteur – Strasbourg I
Discipline : Electronique, Electrotechnique et
Automatique
Spécialité : Micro-électronique

par

Sébastien DUGUAY


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

Soutenue publiquement le 29 novembre 2006


Membres du jury

Directeur de thèse : M. Jean-Jacques GROB, Directeur de recherche (InESS)
Co-Directeur de thèse : M. Abdelilah SLAOUI, Directeur de recherche (InESS)
Rapporteur interne : Mme Anne-Sophie CORDAN, Professeur (InESS) externe : Mme Isabelle BERBEZIER, Directrice de recherche (L2MP)
Rapporteur M. Alain Claverie, Directeur de recherche (CEMES)
Examinateur : M. Jacques Gautier, Ingénieur/docteur (CEA/LETI)
Membre invité : M. Abdelkader Souifi, Professeur (LPM)

Laboratoire InESS UMR 7163
















A Pilar et Lucia















Remerciements
Je remercie en tout premier lieu M. Daniel Mathiot, directeur de l’InESS, de m’avoir accueilli
au sein de son laboratoire.

J’exprime ma gratitude à Anne-Sophie Cordan, Isabelle Berbezier, et Alain Claverie d’avoir
accepté d’être les rapporteurs de ce travail. Je remercie également Jacques Gautier et
Abdelkader Souifi pour leur participation à la soutenance de thèse.

Bien entendu, je remercie chaleureusement mes directeurs de thèse, Jean-Jacques Grob et
Abdelilah Slaoui pour tout ce qu’ils m’ont apporté durant ces trois années, tant sur le point
de vue scientifique que personnel. Merci également pour le temps passé à corriger cette thèse.
Merci également aux personnes des laboratoires avec lesquelles nous avons pu collaborer
(Metz, Lyon, Croatie).

De manière générale, merci à toutes les personnes du laboratoire ou d’ailleurs ayant
participé de près ou de loin à ce travail et à leur aide précieuse. Elles ont bien entendu déjà
été personnellement remerciées.

Merci également à toutes les personnes que j’ai côtoyées durant ces trois années, que cela
soit dans le laboratoire, ou dans mes activités d’enseignement.

Merci également à mes parents, grands-parents et ma sœur pour leur soutien sans faille.

Merci également à Pila, avec qui nous formons une vraie famille depuis l’arrivée de Lucia à
la fin de ma deuxième année de thèse. Elle fait depuis notre bonheur et est notre fierté. Merci
également à elles d’avoir supporté le difficile passage de l’écriture de la thèse

Bref, merci à tous.
Table des matières
Table des matières

Introduction générale.................................................................................................................................- 1 -
Chapitre I Mémoires Flash et évolutions : mémoires à nanocristaux par implantation ionique ........- 6 -
I.1 Les mémoires Flash : vers des mémoires à nanocristaux ? ........................................................- 7 -
I.1.1 Principe de fonctionnement des mémoires Flash ...................................................................- 8 -
I.1.2 Limites des mémoires à grille flottante et perspectives d’évolutions .....................................- 9 -
I.1.2.1 Modes de conduction à travers une couche de SiO ...................................................- 10 - 2
I.1.2.2 Limites des mémoires Flash actuelles.........................................................................- 11 -
I.1.2.3 Evolution des mémoires Flash ....................................................................................- 11 -
I.1.3 Les mémoires à nanocristaux ...............................................................................................- 12 -
I.1.4 Nanocristaux semiconducteurs : particularités physiques ....................................................- 14 -
I.1.5 Méthode de fabrication des mémoires à nanocristaux..........................................................- 17 -
I.1.5.1 Formation de nanoparticules par dépôt.......................................................................- 17 -
I.1.5.2 Synthèse sous forme d’aérosol- 18 -
I.1.5.3 par démixtion d’une solution sursaturée......................................................- 19 -
I.2 La synthèse de nanocristaux par faisceau d’ions......................................................................- 20 -
I.2.1 Distribution des ions implantés dans la matrice hôte ...........................................................- 21 -
I.2.2 Formation de particules lors du recuit ..................................................................................- 23 -
I.2.3 La germination (nucleation) : ...............................................................................................- 25 -
I.2.4 La croissance (coarsening) : .................................................................................................- 27 -
I.2.5 Le mûrissement d’Ostwald (Ostwald ripening) :..................................................................- 28 -
I.3 Implantation du germanium dans le SiO : une bibliographie..................................................- 31 - 2
I.3.1 Influence du recuit sur le Ge implanté- 32 -
I.3.2 Implantation de germanium et endommagement de la matrice de SiO ...............................- 35 - 2
I.3.2.1 Structure de base du SiO ............................................................................................- 36 - 2
I.3.2.2 Défauts induits par l’implantation de Ge dans le SiO ................................................- 36 - 2
I.3.3 La synthèse par faisceau d’ion pour les composants mémoires............................................- 38 -
I.4 Conclusion ................................................................................................................................- 40 -
Références : ...........................................................................................................................................- 42 -



Table des matières
Chapitre II Techniques de préparation et d’analyse des couches implantées.....................................- 47 -
II.1 Préparation des échantillons ....................................................................................................- 47 -
II.1.1 La matrice hôte ................................................................................................................- 47 -
II.1.2 Implantation du germanium.............................................................................................- 48 -
II.1.2.1 Avantages et inconvénients de l’implantation ionique................................................- 48 -
II.1.2.2 Extraction du germanium............................................................................................- 48 -
II.1.2.3 Estimation des profils d’implantation. ........................................................................- 49 -
II.1.2.4 Implantation à moyenne et basse énergie....................................................................- 49 -
II.1.3 Systèmes de recuits..........................................................................................................- 50 -
II.1.4 Echantillons réalisés ........................................................................................................- 51 -
II.1.4.1 Influence de la température de recuit..........................................................................- 51 -
II.1.4.2 Influence de l’énergie d’implantation .........................................................................- 52 -
II.1.4.3 Influence de la dose d’im ............................................................................- 52 -
II.1.4.4 Influence de l’ambiance de recuit ...............................................................................- 52 -
II.2 Techniques d’analyses structurales...........................................................................................- 53 -
II.2.1 Microscopie électronique à transmission- 53 -
II.2.1.1 Description..................................................................................................................- 53 -
II.2.1.2 Techniques d'imagerie ................................................................................................- 54 -
II.2.1.3 Préparation des échantillons pour l’imagerie.........................................