Métallisation des mémoires Flash à base de NiSi et
d’éléments d’alliages
Applications des siliciures dans les CMOS et les mémoires Flash
L’industrie de la microélectronique connaît depuis maintenant plusieurs décennies une croissance exponentielle prévue dès 1965 par Gordon Moore1 . Cette avancée scientifique et technologique a été à la source d’une révolution décisive qui a porté une grande part de la croissance économique mondiale. D’abord utilisée pour des applications industrielles, la microélectronique a vite trouvé sa place dans des marchés grands publics à forte croissance tels que les ordinateurs personnels, la téléphonie mobile, internet, les lecteurs DVD…. Dans l’optique de maintenir la microélectronique au sommet, le SIA (Semiconductor Industry Association) publie chaque année l’ITRS2 (International Technology Roadmap for Semiconductors) qui rassemble l’ensemble des Chapitre I Les siliciures et leur application dans l’industrie 5 spécifications (dimensions, matériaux, performances, équipements, architecture…) indispensables au bon fonctionnement des futures générations de circuits intégrés. Pour les dix années à venir, l’évolution des performances des circuits intégrés réside encore dans la diminution en dimension de ses éléments constitutifs.
MOSFET et mémoires FLASH
Depuis son apparition en 1970 jusqu’à nos jours, la technologie CMOS (Complementary Metal Oxyde Semiconductor) n’a cessé de progresser grâce à une meilleure maîtrise des matériaux semi-conducteurs (et notamment du silicium), ainsi qu’au développement de nouveaux procédés de fabrication de circuits intégrés. L’évolution de la microélectronique depuis ces trente dernières années est intimement liée à la réduction en dimension du transistor de base de la technologie CMOS, le MOSFET (Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor), rendue possible par une meilleure maîtrise des procédés d’élaboration (microlithographie, gravure anisotrope, procédé Salicide…). La réduction d’échelle des dispositifs a eu plusieurs conséquences parallèles : une augmentation des vitesses de fonctionnement des dispositifs (inversement proportionnelles à la dimension du dispositif), permettant ainsi une plus grande rapidité de calcul des circuits intégrés. une intégration plus dense (augmentation du nombre de composants par puce). une réduction des coûts d’une fonction élémentaire. On comprend mieux la pénétration des circuits intégrés dans tous les domaines d’activité et l’explosion de la micro-informatique. Dans la suite, nous allons tout d’abord nous intéresser à l’élément de base, le MOSFET. Nous nous intéresserons ensuite aux mémoires dites Flash. Ces mémoires sont basées sur le transistor MOSFET, mais permettent, en plus, comme nous le verrons, de stocker l’information. Chapitre I Les siliciures et leur application dans l’industrie
Le transistor MOSFET
Le transistor MOSFET est, de loin, le dispositif le plus répandu dans la production actuelle de composants semi-conducteurs, car il est le composant de base de la technologie CMOS. L’avantage majeur du MOSFET est sa faible consommation en énergie électrique. Structure et principe de fonctionnement : Un transistor MOSFET est constitué d’une grille en silicium polycristallin, séparé du substrat en silicium monocristallin par une couche mince d’oxyde (le plus souvent SiO2), d’une Source et d’un Drain (figure 1). Les régions Source et Drain font partie intégrante du substrat, dont elles diffèrent par leur type de conduction : pour un substrat de type n (conduction par électrons), les zones Source et Drain sont de type p (conduction par trous). Suivant le type des porteurs assurant le passage du courant, on peut parler de transistors MOSFET à canal n et de transistors MOSFET à canal p : d’où le terme de CMOS pour « Complementary Metal Oxyde Semiconductor ». La figure 1 est la représentation schématique d’un transistor MOSFET de type n. Le principe de fonctionnement d’un transistor MOSFET repose sur l’effet « de champ », qui consiste à moduler de façon électrostatique une densité de charges mobiles dans un semi-conducteur, en appliquant une tension qui crée un champ électrique. En effet, l’empilement Métal/Oxyde/Semi-conducteur peut être comparé à un condensateur constitué de deux électrodes (le métal et le semi-conducteur) et d’un isolant (l’oxyde). Quand on applique une tension entre les deux électrodes, des charges de signe opposé s’accumulent de part et d’autre de l’oxyde de grille. Si maintenant, on applique une différence de potentiel entre les deux extrémités de l’électrode semi-conductrice, les charges ainsi créées dans le semi-conducteur vont être mises en mouvement. La figure 1(a) et (b) illustre l’effet de champ dans un transistor MOSFET schémati.Différents type de construction : Il existe deux façons de concevoir le canal de conduction. Soit le canal est dit « surfacique » (ou canal d’inversion), le passage du courant se fait alors en rendant le canal de même type que les zones actives Source et Drain. Ceci est possible en appliquant une tension Vg>Vseuil positive. On parle ici de MOSFET à SOURCE Vs = 0V DRAIN Vd > 0V GRILLE Vg = 0V Métal Oxyde Semiconducteur (dopé P) SOURCE Vs = 0V DRAIN Vd > 0V GRILLE Vg > 0V Métal Oxyde + + ++ – – – – – – – – – – – – Canal sans charges = courant Ids nul – – – Etat bloqué a) Canal chargé = courant Ids non nul Etat passant b) Ids ≠0 Semiconducteur (dopé P) Dopé N Dopé N Dopé N Dopé N Chapitre I Les siliciures et leur application dans l’industrie 8 enrichissement. Soit le canal est dit « enterré » (ou canal d’accumulation), celui ci est alors au départ dopé comme les zones actives. Une tension Vg négative va alors appauvrir le canal en porteurs de charges, bloquant ainsi la conduction. On parle de MOSFET à appauvrissement.
Principe de fonctionnement d’une mémoire FLASH
La mémoire flash (ATMEL) utilise comme cellule de base un transistor MOSFET mais possède une grille flottante enfouie au milieu de l’oxyde de grille, entre le canal et la grille. L’information est stockée grâce au piégeage d’électrons dans cette grille flottante. Deux mécanismes décrits un peu plus loin, sont utilisés pour faire traverser l’oxyde aux électrons : l’injection d’électrons chauds (ayant une forte énergie) pour charger la grille flottante; l’effet tunnel obtenu en appliquant une haute tension sur la « vraie » grille (appelée grille de contrôle), pour rejeter les électrons de la grille flottante dans le canal. La technologie flash se décline sous deux principales formes : flash NOR et NAND, d’après le type de porte logique utilisée pour chaque cellule de stockage. L’écriture et l’effacement des données dans une mémoire Flash (on parle de programmation) s’effectuent par l’application de différentes tensions aux points d’entrée de la cellule. Ces opérations soumettent la grille flottante à rude épreuve ; on estime qu’une mémoire Flash peut supporter jusqu’à 100 000 écritures et effacements, selon la qualité de l’oxyde utilisé pour la grille.
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