Les mémoires non-volatiles Flash sont aujourd'hui un élément clé du développement de l'électronique portable demandant de plus en plus de capacité de stockage à bas coût (netbook, téléphones mobiles, PDA, clé USB...). Afin d'assurer son maintien pour les années à venir, il est nécessaire de poursuivre l'amélioration de cette technologie. Ainsi, l'intégration de matériaux à forte permittivité électrique (appelés : High-k) et l'utilisation de mémoires à couche de piégeage discret sont de plus en plus envisagées. Le travail de cette thèse s'inscrit dans ce contexte. Il comprend tout d'abord une étude électrique (charge fixe, piégeage, courants de fuite...) de matériaux High-k (HfO2, HfAlO, Al2O3, HfSiON) en vue de leur intégration dans les mémoires non-volatiles. Les empilements les plus prometteurs ont ensuite été intégrés dans des mémoires à nanocristaux de silicium ou à couche de piégeage nitrure. Les performances électriques ont été reliées aux propriétés matériaux des couches utilisées. L'analyse des résultats électriques ainsi que la compréhension physique des mécanismes mis en jeux a été permise par une étude de modélisation. En particulier, un modèle complet de mémoire à couche de piégeage discret a été développé.

Avec l'augmentation accrue du nombre de fonctions embarquées directement au dessus du circuit intégrés, les capacités Métal Isolant Métal (MIM) sont devenues des composants essentiels en microélectronique. Pour permettre une augmentation de la densité d'intégration des composants, des matériaux à forte permittivité ou high κ sont utilisés comme diélectriques. Cet isolant doit satisfaire plusieurs critères: une forte valeur de capacité surfacique, de faibles courants de fuite ainsi qu'une très bonne stabilité de la capacité surfacique avec la tension appliquée (linéarité en tension). Cependant, aucun n'est parvenu à satisfaire tous les critères, ce qui nécessite d'autres approches comme l'utilisation d'oxyde en structures multicouches ou alliées. De plus, la linéarité en tension des capacités est mal maîtrisée et son origine mal comprise. Ainsi, nous avons tout d'abord étudié le rôle du matériau d'électrode (TiN, Pt, WSi2,3 et WSi2,7) et de son interface avec l'oxyde d'yttrium déposé par MOCVD avec ou sans assistance plasma sur les performances électriques. On observe une dépendance de la linéarité en tension selon le matériau d'électrode utilisée. Un modèle double couche a été proposé pour décrire la non linéarité des capacités MIM en tension. Puis, différentes structures bicouches, multicouches ou alliées ont été étudiées (LaAlO3/Y2O3, structures à base de HfO2 et Al2O3, SrTiO3/Y2O3). Les bicouches SrTiO3/Y2O3 ont permis l'obtention d'une valeur de capacité surfacique de 10 fF/µm² et de minimiser la non-linéarité (paramètre α de -750 ppm/V²).