Caractérisation et simulation du fonctionnement et de la fiabilité de cellules élémentaires de mémoires EEPROM à haute densité d'intégration

Characterization and simulation of functionality and reliability of elementary cells of high density EEPROM memories

• Auteur / Autrice : Sophie Renard
• Direction : Jean-Luc Autran
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, physique et modélisation. Systèmes complexes
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conception et construction

Fiabilité

Mémoires flash

Qualité

Oxydes

Résumé

Ce travail de thèse traite du fonctionnement et de la fiabilité des mémoires EEPROM à travers plusieurs axes d'étude. Le premier concerne les oxydes. Une étude particulière a été menée sur l'amélioration de l'uniformité de l'épaisseur dans les fours horizontaux en analysant l'influence des gaz et du positionnement des plaquettes. Afin de mieux contrôler la qualité des oxydes, nous avons développé un véhicule de test contenant un grand nombre de structures capacitives permettant d'étudier l'impact des étapes technologiques du procédé sur la qualité des oxydes. Au cours de ce travail, nous avons également mis en place une nouvelle technique de caractérisation électrique permettant d'étudier la perte de charges à travers un oxyde mince, dans une configuration flottante. Cette méthode de test a été industrialisée afin d'acquérir une information statistique sur la qualité d'oxyde en termes de tenue en rétention, à l'instar d'un test de charge au claquage, le plus fréquemment utilisé à l'heure actuelle, et qui apporte une indication sur la tenue en cyclage de l'oxyde. L'étude de l'influence des paramètres technologiques sur le comportement électrique des dispositifs passe par l'utilisation des outils de simulation TCAD. Nous avons donc créé un programme complet décrivant la simulation du procédé de fabrication de la cellule mémoire, associé au fonctionnement électrique. Enfin, des études relatives à la réduction des dimensions ont permis de mettre en évidence la sensibilité croissante des cellules de taille réduite aux problèmes d'alignement des masques, notamment avec l'apparition d'un courant de fuite dû à l'effet tunnel bande-à-bande. Plusieurs types de variations dimensionnelles ont été analysés, et une étude plus complète sur le fonctionnement et la rétention de cellules réduites de 15% et 20% a mis en évidence un mécanisme de perte de charges dépendant de la taille de la cellule et de la nature de la charge stockée.

This thesis work focuses on the functionality and reliability of EEPROM memories from several points of view. The first concerns oxides. A study was carried out concerning the improvement of thickness uniformity in horizontal ovens by analyzing the influence of the gas and the wafer position. In order to improve the oxide quality control we developed a test vehicle including a large number of capacitive test structures that were very useful for the study of the impact of process steps on oxide quality. During this work, we set up a new electrical characterization technique in order to study charge leakage through a thin oxide in a floating configuration. This method was industrialized in order to acquire statistical information on oxide quality in terms of charge retention. This kind of test is currently done using charge-to-breakdown measurements, which gives an indication of the oxide cycling capability. The influence of process parameters on the electrical behavior of components can be studied with TCAD simulation tools. Therefore we created a complete program describing the process simulation associated with the electrical functionality. Finally, some studies relative to the shrink of dimensions highlighted an increasing sensitivity of smaller cells to photolithography misalignment, shown by the measurement of leakage current due to band-to-band tunneling. Several dimensional variations were analyzed and a more complete study on the functionality and the data retention was performed on cells shrunk by a factor of 15% and 20%. It highlighted a charge leakage mechanism depending on the cell size and the nature of the stored charge.