Modelling and Characterization of MOS transistors applied to the study of the programming and the tunnel oxide deterioration of EEPROM non-volatile memory cells
Modélisation et caractérisation de transistors MOS appliquées à l'étude de la programmation et du vieillissement de l'oxyde tunnel des mémoires EEPROM
Résumé
Non volatile memories hold 30% of the global volume of semiconductor memory market nowadays. The general trend is the manufacturing of mobile products capable of storing and giving back large amount of information quickly and necessitating a low power supply. This is the general frame of this thesis. This work investigates the ability to increase the programming speed of an EEPROM cell and to decrease its programming biases. We also study the modeling of the programming window closure versus the number of write/erase cycles in extracting Fowler-Nordheim parameters α and β from equivalent capacitors undergoing dynamic stress. The simulations are carried out with an EEPROM cell physical compact model based on the calculation of the surface potential and the floating gate potential. This model takes into account the non-linearity of the tunnel area capacitance due to depletion within the polysilicon floating gate. We demonstrate that the programming time of an EEPROM cell can be decreased down to 10µs while keeping an endurance greater than 50000 write/erase cycles. Moreover, the programming biases of the cell can be divided by two in splitting them between the control gate and the drain. This implies the use of negative biases. Finally, the emulation of EEPROM cell tunnel oxide degradation on equivalent capacitors shows a sharper programming window closure than the one measured on an EEPROM cell. This sharper closure has been attributed to additional tunnel oxide degradation due to Fowler-Nordheim current measurements for the purpose of extracting Fowler-Nordheim parameters.
Les mémoires volatiles représentent aujourd'hui 30% du marché des mémoires à semi-conducteurs. La tendance générale actuelle consiste à mettre au point des produits nomades capables d'emmagasiner et de restituer une grande quantité d'informations en peu de temps et pouvant fonctionner avec une faible tension d'alimentation. Dans ce cadre, cette thèse s'intéresse à la possibilité d'augmenter les performances d'une mémoire non-volatile de type EEPROM en termes de vitesse de programmation et de baisse des tensions de programmation. Nous étudions aussi la modélisation de la fermeture de la fenêtre de programmation en fonction du nombre de cycles programmation/effacement en extrayant les paramètres Fowler-Nordheim α et β sur des capacités équivalentes soumises à une contrainte électrique dynamique égale à celle que subit l'oxyde tunnel d'une mémoire EEPROM lors d'un test en endurance. Les simulations sont effectuées à l'aide d'un modèle physique compact de cellule EEPROM basé sur le calcul du potentiel de surface et du potentiel de grille flottante. Ce modèle prend en compte la non-linéarité de la capacité de la zone tunnel due à la désertion de la grille flottante en polysilicium. Nous montrons que la durée de programmation d'une cellule EEPROM peut être réduite à 10µs tout en ayant une endurance supérieure à 50000 cycles programmation/effacement. De plus, les tensions de programmation de la cellule peuvent être divisées par deux en les répartissant entre la grille de contrôle et le drain. Ceci implique l'utilisation de tensions négatives. Enfin, l'émulation du vieillissement de l'oxyde tunnel sur des capacités équivalentes montre une fermeture de la fenêtre de programmation supérieure à celle mesurée sur une cellule EEPROM. Cette fermeture plus importante est attribuée à une dégradation additionnelle de l'oxyde tunnel due aux mesures de courant Fowler-Nordheim en vue d'extraire les paramètres Fowler-Nordheim.
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