Integration, characterization and modeling of silicon nanocrystal non volatile memories
Intégration, caractérisation et modélisation des mémoires non-volatiles à nanocristaux de silicium
Résumé
Over the last 20 years, the industry of microelectronics and particularly the non-volatile memory market has known a considerable growth, in terms of integration capacity increasing and cost reduction. Consumers have been able to access to electronic products (mobile phones, MP3 players, flash drives, digital cameras...) which are currently very successful. However, scaling of standard Flash memories will face in a near future several limitations. Consequently, new paths are investigated in order to push the scaling limits of these devices. Within this context, the main purpose of this PhD is the experimental and theoretical study of nonvolatile silicon nanocrystal memories. First, several options of silicon nanocrystal integration using a standard process have been shown. A 32Mb NOR silicon nanocrystal Flash memory demonstrator has been fabricated from an ATMEL product. Then, electrical characterization of memory cells and arrays has been performed. An exhaustive study of the influence of programming conditions and technological parameters has been carried out. The influence of some parameters has been understood through modeling of Fowler- Nordheim erasing and gate disturb. Finally, the localization of the trapped charges in silicon nanocrystal devices written by Hot Electron injection has been investigated through TCAD simulations and an exhaustive set of experimental data explained by an analytical model.
Depuis une vingtaine d'années, l'industrie de la microélectronique et en particulier le marché des mémoires non-volatiles connaît une évolution considérable, en termes d'augmentation de la capacité d'intégration et de diminution du prix de revient. Ceci a permis au grand public d'accéder aux produits électroniques (téléphones portables, baladeurs MP3, clés USB, appareils photos numériques...) qui connaissent actuellement un énorme succès. Cependant, la miniaturisation des mémoires Flash risque de rencontrer des limitations. C'est pourquoi les industriels et les laboratoires recherchent actuellement de nouvelles voies qui permettraient de prolonger la durée de vie de ces dispositifs. Dans ce contexte, l'objectif premier de cette thèse est l'étude expérimentale et théorique des mémoires non-volatiles à nanocristaux de silicium. Nous avons montré les différentes possibilités d'intégration des nanocristaux de silicium à partir d'un procédé de fabrication standard. Un démonstrateur Flash NOR 32 Mb à nanocristaux de silicium a été réalisé à partir d'un produit ATMEL. Nous nous sommes ensuite intéressés à la caractérisation électrique des cellules et matrices mémoires. Une étude exhaustive de l'influence des conditions de programmation ainsi que des paramètres technologiques sur les performances électriques a été menée. La modélisation de l'effacement Fowler-Nordheim et du « gate disturb » a permis de comprendre l'influence de certains de ces paramètres. Concernant l'écriture par porteurs chauds, nous avons étudié l'influence des conditions d'écriture sur la localisation de la charge à l'aide de simulations TCAD et d'un modèle analytique couplé à des mesures expérimentales.
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