Soutenance de thèse de Franck MATTEO

Du fait de la miniaturisation des composants électroniques au fil des générations, la nécessité d’améliorer la compréhension des mécanismes physiques régissant leur fiabilité ne cesse de croître. Centrés sur les mémoires non volatiles à grille flottante, les travaux de cette thèse s’inscrivent dans ce contexte. A l’aide de la simulation TCAD (Technology Computer Aided Design) appuyée par des caractérisations électriques, les mécanismes de dégradation de l’oxyde tunnel ont été étudiés. Les charges étant injectées dans la grille flottante en traversant cet oxyde, la description de son vieillissement est un enjeu clé de la fiabilité des mémoires non volatiles à grilles flottantes. La méthodologie suivie s’appuie sur une étude détaillée des défauts générés lors de l’application d’une contrainte électrique sur des capacités MOS. Ces travaux ont permis de déterminer les distributions énergétiques et spatiales des pièges générés ainsi que leurs influences respectives. En simulation, afin de prédire la dégradation des structures MOS, un modèle de rupture de liaisons générant des pièges a été couplé à des modèles de captures et d’émission. Les connaissances acquises sur les MOS ont été transposées aux mémoires non volatiles afin de décrire la fermeture de leur fenêtre de programmation. La mémoire EEPROM ayant ses phases de programmation et d’effacement réalisées exclusivement par le mécanisme de FowlerNordheim, la fermeture de fenêtre de programmation lors du cyclage est essentiellement due aux piégeages de charges négatives dans l’oxyde tunnel. A contrario, sur la mémoire flash, la programmation étant effectuée par injection de porteurs chauds, il est mis en évidence que ce procédé dépend à la fois des états d’interfaces mais également des défauts dans le volume d’oxyde. En définitive, ces travaux représentent une base de travail solide pour de futurs études portant sur la dégradation des dispositifs microélectroniques par la simulation TCAD.

Due to the miniaturization of electronic devices over the last generations, there is an increasing need to improve the understanding of physical mechanisms affecting their reliability. Within this context, this thesis work focusses on floating gate non-volatile memories (NVM). Using TCAD (Technology Computer Aided Design) simulation along with electrical characterization, the mechanisms of tunnel oxide degradation were studied. Since electric charge is injected into the floating gate through the oxide, the description of its aging is a key issue in floating gate non-volatile memories reliability. The methodology we have developed is based on a detailed study of generated defects after an electrical stress applied on MOS capacitors. In this work we determined both the energy and spatial distributions of the generated traps as well as their specific impact on the device performances. To predict MOS structure degradation through simulation, a bond-breaking model generating traps was coupled with electron capture and emission models. This knowledge acquired on MOS capacitor was applied to describe the closure of non-volatile memory programming window. Since in EEPROM cell Fowler-Nordheim is the main mechanism for both writing and erasing, programming window closure during cycling is essentially due to the trapping of negative charges within tunnel oxide. On the other hand, programming being carried out by hot electrons injection for Flash memory, it is shown that window closure on this device depends both on the interface states at Si/SiO2 and defects within oxide bulk. Ultimately, this work represents a solid basis for further studies on microelectronics device degradation using TCAD simulation.