Etude d`un dispositif non volatil a grille flottante du type "flotox" et de

Année 1983
N°
d'ordre: 83-08
THÈSE
présentée
DEVANT U ECOLE CENTRALE DE LYON
pour I' obtention du
INGENIEUR
Spécialité : Micro - électronique
TITRE DE DOCTEUR
Par
MICHEL
BÉTIRAC
Ingénieur école centrale de Lyon
GRILLE
ÉTUDE D'UN DISPOSITIF NON VOLATIL A
ET DE SON
"FLOTOX"
FLOTTANTE DU TYPE
VIVES NON VOLATILES.
UTILISATION DANS LES MEMOIRES
Examen
Soutenue le 23 Septembre- 1983 devant la Commission d'
MM.
J.J. URGELL
président
J. BOREL
J.M. BRICE
M. GARRIGUES
P. GENTIL
Examinateurs
P. VIICTOROVITCH
N°
d' ordre: 83 -08
Année 1983
THÈSE
présentée
DEVANT L ECOLE CENTRALE DE LYON
pour
1
obtention du
TITRE DE DOCTEUR INGENIEUR
Spécialité : Micro - électronique
Par
MICHEL BÉTIRAC
Ingénieur école centrale de Lyon
ÉTUDE DUN DISPOSITIF NON VOLATIL A GRILLE
FLOTTANTE DU TYPE
"FLOTOX"
ET DE SON
UTILISATION DANS LES MEMOIRES VIVES NON VOLATILES.
Soutenue le 23 Septembre. 1983 devant la Commission d Examen
MM.
J.J. URGELL
J. BOREL
J.M. BRICE
M. GARRIGUES
P. GENTIL
P. VIKTOROVITCH
Président
Examinateurs
I
1-,
ECOLE CENTRALE DE LYON
BIBLIOTHEQUE
OP 163 F. 69131 ECULLY CEDEX
ECOLE CENTRALE DE LYON
DIRECTEUR
A. MOIROUX
DIRECTEUR ADJOINT
R. RICHE
DEPARTEMENTS D'ENSEIGNEMENT ET DE RECHERCHE
MATHEMATIQUES-INFORMATIQIJE-SYSTEMES
C.M. BRAUNER
1F. MAITRE
PHYSICOCHIMIE DES MATERIAUX
P. CLECHET
J. CURRAN
METALLURGIE ET PHYSIQUE DES MATERIAUX
P. GUIRALDENQ
D. TREHEUX
ELECTRONIQUE
J.J. URGELL.
P. VTKTOROVITCH
S. KRAWCZYK
R. BLANCHET
ELECTROTECHNIQUE
Ph. AURIOL
A. FOGGIA
MECANIQUE DES SOLIDES
F. SIDOROFF
MECANIQUE DES SURFACES
1M. GEORGES
J. SABOT
MECANIQUE DES FLUIDES ET ACOUSTIQUE
3. MATHIEIJ
G. COMTE-BE1..LOT (Mlle)
D. JEANDEL
MACHINES THERMIQUES
X. LYS
M. BRUN
CONCEPTION ET DEVELOPPEMENT DE PRODUITS
INDUSTRIELS
R. RUSSIER
P. CLOZEL
Sont aussi habilitées ì diriger des Uses
I'E.C.L.
les personnes dont les noms suivent:
MM.
E. ALCARAZ
H. ARBEY
J. BATAILLE
J. BOREL (LETI)
CI. CAMBON
B. CAMBOU
J.P. CHANTE
CHARNAY
B. COOLJILLET
J. DIMNET
A. HAUPAIS
J. JOSEPH
Ph. KAPSA
CI. MARTELET
J.M. MARTIN
J.R. MARTIN
T. MATHTA
MONTES
R. MOREL
NGUYEN DU
R. OLlER
R. PHILIPPE
G. ROJAT
J.P. SCHON
M. SUNYACH
Cl. SURRY
A. TAILLAND
G. THOMAS
L. VINCENT
A Conne,
A
tou
nia
Çeninia
niín
AVANT-PROPOS
Le travail présenté dans ce mémoire a été effectué au sein
de la société Thomson-EFCIS (Société pour l'Etude et la Fabrication de
Circuits Intgrés Spéciaux) dans le service "Mémoires et circuits
logiques (MECL) de la Direction Technique.
Nous ne saurions en faire l'exposé sans remercier tous ceux
qui par leur confiance, leur enseignement, leur expérience ont
contribué è sa réalisation.
Tout d'abord, nous tenons è exprimer toute notre gratitude
à Monsieur J. BOREL, Directeur Technique de la Société Thomson-EFCIS
pour la confiance qu'il nous a accordée en nous accueillant, l'intérêt
qu'il porte à nos travaux et sa participation à notre Jury.
Nous remercions Monsieur le Professeur J.J. URGELL de l'Ecole
Centrale de Lyon pour ses enseignements antérieurs et l'honneur qu'il
nous fait en acceptant la présidence de notre Jury de thèse.
Nous exprimons nos sincères remerciements è Monsieur
M. GARRIGUES, Chargé de Recherche au CNRS, à Monsieur P. GENTIL
Professeur des Universités en poste è l'Institut Nationnal
Polytechnique de Grenoble, à Monsieur P. VIKTOROVITCH, Maitre de
Recherche au CNRS, qui ont bien voulu participer à notre Jury.
Que Monsieur J. M. BRICE, chef du service "Mémoires et
circuits logiques' de la Société Thomson-EFCIS trouve ici l'expression
de nos profonds remerciements pour la confiance qu'il nous a accordée
en nous accueillant dans son groupe et les conseils qu'il nous a
prodigués pour l'aboutissement de nos travaux.
Nous remercions également Monsieur V. LE GOASCOZ, chef du
service EEPROM de la Société Thomson-EFCIS, pour l'accueil qu'il nous a
fait dans son groupe en début de ce travail.
Nous tenons aussi à remercier tous ceux qui dans la
Direction Technique de la Société Thomson-EFCIS ont apporté leur aide
technique ou leur soutien et plus particulièrement
Mesdames J. AUDOUZE,
H. ULLMANN, Messieurs, N. BALLAY, B. GUILLAUMOT, M. LAURENS, G. MORIN,
S. RAVEL, B.
ULLNANN.
Enfin, nous ne saurions oublier dans nos remerciements
Mesdames F. BRILLET et A. LOYAU pour le soin qu'elles ont apporté à la
frappe et à la réalisation de ce mémoire.
LECTURE RAPIDE
Les paragraphes cités ci-dessous représentent une synthèse
du document. Leur lecture permettra d'apprécier rapidement les
objectifs des études entreprises et les principaa résultats.
Introduction de l'étude
Généralités sur les dispositifs non volatils
paragraphe I-1
paragraphe I-3
paragraphe I-4
Présentation générale du dispositif Flotox
paragraphe
I-1-1
paragraphe II-1-2
paragraphe II-1-2--1 C
paragraphe II-l-3
p
là
3
5è
6
p
p
13
p
41 è
43
p
45è
47
p
p
p
47
60è
66è
62
74
Caractéristiques électriques (résultats et modélisation) du Flot ox
paragraphe II-2-1 à II-2-3
75è 99
p
paragraphe II-2-5
p 106 è 127
Caractéristiques physiques (résultats et modélisation) du Flotox
paragraphe II-3-2-1
p 137 è 147
Problèmes liés è l'utilisation du Flotox en circuit
paragraphe II-7
p 190
Evolution du Flotox et comparaison avec les dispositifs "HUGHES" et
"FETMOS"
paragraphe IV-2 et IV-3
paragraphe IV-5
p 194 è 203
P 213
Généralités sur les mémoires non volatiles et leurs applications
paragraphe I-1
p 215 è 219
paragraphe I-4
p 241 à 244
Présentation générale du circuit "NOVEAM" et cho:ix des cellules
mémo ires
paragraphe II-2
paragraphe II-3-2-3
paragraphe II-6
p 248
p 255 à 258
p 268
Description du circuit
chapitre III
p 271 à 296
Conclusion de l'étude
p 298 è 299
LISTE DES SYNBOLES
s ymb oie
unité
A
signification
coefficient de couplage entre grille flottante et
grille de commande
B
coefficient de couplage entre grille flottante et
la zone diffusée située sous l'oxyde mince
"Flotox'
cl
F
capacité de l'oxyde mince
C2
F
capacité de l'oxyde entre grilles
CDI
F/rn2
capacité de déplétion, par unité de surface,
= 2F
C
ox
F/rn2
pour
+
capacité de l'oxyde de grille, par unité de
surface
CS3
F /m2
capacité des états d'interface, par unité de
surface
D
n,p
D33
m2
Is
constante de diffusion des électrons, des trous
m
densité d'états d'interface, par ev et par unité
ev
de surface
d1
m
épaisseur de l'oxyde mince
E
V Im
champ électrique
E
V /m
champ électrique critique longitudinal
E0
V /m
composante normale du champ électrique dans
l'oxyde de grille
Es
V Im
composante normale du champ électrique dans le
silicium
A/V
transconductance du transistor NOS
J .s
constante de PLANCK
J .s
I
D
DSS
J
J
n,p
k
A
courant de drain du transistor NOS
A
courant de drain lorsque VD = VDSS
A /m2
densité de courant
A Im2
densité de courant des électrons, des trous
J / °K
constante de BOLTZMANN
coefficient d'éffet de substrat
K1 K B
L
ni
longueur du canal
L dep
ni
distance du drain au point de pincement
m
Kg
masse de l'électron libre (9,108 1O31Kg)
rn,rn
Kg
ox
rnasse effective de l'électron dans le dioxyde de
s i lic i urn
NB
rn3
dopage en irnpureté du substrat
n
ca
concentration en électrons
ni
rn
concentration intrinsèque en porteurs
p
ca
concentration en trous
Qß
C/rn2
charge d'espace dans le
Q BI
C/rn2
charge d'espace dans le silicium par unité de
surface pour
+
Q
C/rn2
charge par unité de de surface dans la couche
C
ilicium par unité de surface
d 'inversion
Q
CF
C
charge de la grille flottante
Q
GFC
C ¡ca2
charge de la grille flottante par unité de
surface
Q0
Q
oxF
Qs
q
R
C
charge initiale sur la grille flottante
C/rn2
densité totale de charges fixes dans l'oxyde
et à
l'interface, dans les conditions de bande plate
C/rn2
charge, par unité de surface dans le silicium
C
valeur de la charge d'un électron (1,6 lO'9C)
résistances
s
T
m2
°K
surfaces
température absolue
tox
m
épaisseur d'oxyde de grille
tx
m
profondeur de pénétration des charges dans le nitrure
écart de potentiel normalisé entre les pseudo
UC
niveai
de FERNI
UF
potentiel de FERMI normalisé
U s
potentiel de surface normalisé
UT
V
potentiel thermodynamique
V
V
potentiel
V BS
V
différence de potentiel substrat-source
V DS
V
différence de potentiel drain-source
V DSS
V
tension de saturation drain-source
V FB
V
tension de bande plate
V FG
V
tension grille flottante
V GS
V
difference de potentiel grille-source
VP
V
pseudo potentiel de FERMI au point de pincement
VT
V
tension de seuil
xi
m
profondeur de jonction
z
m
largeur du canal
a
A/V2
constante de l'expression de la densité de courant
FOWLER-NORDHEIM
V /m
constante de l'expression de la densité de courant
FOWLER-NORDHEIM
C
s
F IM
permittivité absolue du l'oxyde
F ¡M
permittivité absolue du silicium
e.v
hauteur de barrière de potentiel
silicium oxyde
;
à l'interface
à l'interface grille flottante
oxyde sous grille flottante)
F
MS
V
difference des potentiels de FERMI
V
potentiel de FERMI
V
potentiel de surface
V
excès du potentiel de surface
V
difference des potentiels d'extraction métalsemiconducteur
A
ox, n
pn,p
e
m
constante de de BROGLIE pour l'oxyde, le nitrure
m2 ¡V. S
mobilité des électrons, des trous
V
tension de réduction de la mobilité due au champ
transerval
V
potentiel thermodynamique
F
somme des capacités de la structure "Flotox'
S
durée de l'injection
V
potentiel thermodynamique
C
T
SOMMAIRE
INTRODUCTION
PREMIERE
PARTiE
P.4 CHAPITRE I
:
Gn&uiLi-t4 w. Les dí...spo4í_tL4 vio vi voLwti2,
1.1 TNTROVUCTION
1.2 POINTS MEMOIRE NON VOLATILS INTEGRES
1.2. 1. Sg4.tme
1.2.2. StJ4-tmeA
bu.Ue
1.2.3. SyotJne4
chaìtge
tLqae
mag
ve,'tXe. 4enLcondact.e.uX
c..tk.LqLLeA
1,3 MEMOIRES NON VOLATILES A MATERIAUX SEM1CONVUCTEUR
1.3. 1. M
LES EEPROM
vL6meA pekmeJtrni-t L'nje.c.tLon deA cha/Lge.4 e.t Le.wr.
4-tOCJZttge.
I. 3. 1. 1. Ivije.ctLori pa.t ponte.w cha.acLs
A - McuxriLsme. gn&taL
B - Inje.c.téovi de. po'c-te.w cíiaud6 pair.. ctvaìance.
d'une. jonc.tLon
C - 1vije.ctLovt pair.. vio vi avaLanche.
1. 3. 1.2. Inje.c.-tLon pair.. c.ondac,ton de. pon.te.wt4
Le. di.oxyde. de.
.t&Ctveir.A
ÁLLc..Lwn
1.3. 1. 3. 1nje.c.tLori de. pote.uir. &. .t,'taveius une. cowthe.
d'L6oLavr..t ttet'
m.Lnc.e.
1.3. 1.4. 1njectLori palL conductLon de. pon_te.uxs à titave.o
Le. nLwLe. de. LLcLwn
i. 3. 1.5. Inje.c..tLon de. po/.te.wt4s pair.. photo-cowutvit
1.3,1.6. Conc2u.o-Lon
1.3.2. Pn1.se.nta-tLon e,t avlaLy4e. du
ovicLLonnejne.n,t de. qae2queA
dí po.oLt.L
1.3.2. 1. S-t,'utctwLe,.s ir.aLL
e.n te.c.hnoLogie. MOS
A - StJuLc,twLe. MIOS (Mta2 l4oLant Oxjde. S-LLcLum)
Lnje.ct.Lon pwt
B - S-t'uictwte. FAMOS CMOS
avaLanche. danA une. git-Ue Lo-ttante.)
C - EEPROM
íijec.tLon pc.t po'riewus c.híxaths
njectLori pair. ee,t -tw'ivteL
V - EEPROM
Fowee-'r. Woìr.dheíjn
E-S
1.3.2.2. Stk
uctwr.ei nvLx-tes et a..wt'r.eA
c..hnoLog.LeÁ
twr.e.6 bLpoLaJJr.e.6
1.4 COPtJCLUSIOWS
P.44
Le cWpo4í.tL
CHAPITRE II
FLotox
cØac/rtLqaeA e-t modLL6atLovi
Il. i VESCIZIPTIOW-PRIWCIPE VE FOWCTIONNEMEUT ET TECHNOLOGiE
11.1.1. VeAoJr.Lptíorl
11. 1.2. Pnínc.Lpe. de.
onwt.Lonnemen.t
11.1,2.1. Ee.t de
La aha./r.ge emmctgcoLne 4wr. La. girUe
Lottttn.te.
A - 1Za.ppe2 da
ovct4ovtnement d'an tk
.L&toìr. MOS
- Exp.'r.eA4Lon de La tenLon de 4eULL
C - 1n7Luenc.e de La c.haitge emmagane davs La
gìrLUe ÇLo.tta.vtte 4WL La -tevzLon de 4ew2
'11.1.2.2. Mc.avrL6me de c.kair.ge e-t de dahLvr.ge de La git-LUe.
gotta.nte
11.1.3. Tec.hncLog.Le wtLLe powr. i aLLseir. Le cUpo4.íJtJ
FLo.tox.
11.2 CARACTER1ST1ÇUES ELECT1Z1ÇUES ET MOVELISAT1ON
11.2. 1. Ca
ct&r..&tLqae.
Uect'ríqae.s
11.2.1.1. Psenta...tLon de
dípo4.L.tL74s
wt-ULss powr. Les
me-6 WLe4
11.2.1.2. RouLtats qucJ..Lta.tL4
11.2.2. V-teAmí.na.ti.on exp&thnen.taLe de La .'r.eLatLon qwL ex.íte.
ent'r.e La -tej.ve»Lon de La gir.LUe LotLante e-t Le-o ten&Lan.o
ext&z-Leuìr.eo
11.2.2.1. Pn...Lnc.Lpe de L'exp&rLence
11.2.2.2. V&nair.cite exp&r.ónert.taLe
11.2.2.3. RsuLtat expJthnentaux
11.2.3. Exp/Le-o4Lon thonJ.que deA vaLe.wr.o de. coupLage en.tìr.e La.
.ten&cíon gU2e ÇLotta.nte e-t Le-o -tervo-Lon4 exirÁ.eu/r.eA
appLLqaeA
11.2.3. 1. EpMA4.Lon de6 J
atLon4 en-t'Le. Le..6 d.L&Lente.4
11.2.3.2. VL75Lc.a2Lon e.xpJnte.nta2e.
11.2.3. 3. OJt_LgLne. de. La cov&n..te. exp&t.úne.n-to.Le
11.2.3.4. R4ULta.tA thon_LqaeA e,t eip&rJme.n-taLLx Lon2qae.
La.
owc.e. eAs.t .sLtaée. du. côté zone m.Lnc.e.
11.2.4. Exten.&Lon da sy4tnie de. me UJLe. da c.ou.pLage.
11.2.5. Expke..os.Lon de La .te.n4-Lon de.
e.uíJL et da e.ouctnt d'w..Ln
4oWic.e. du. FLo.to,c
11,2.5.1. Te.n4-L0YI de. 4e.uU
11.2.5.2. Ca
c.t&zL4tiLqae. -thoìt.Lqae. c.otm..ant te.rt-Lon
11.2.5.3. LocaLLatLovi e,t oJrígLne. de. La e.hw.ge ¿nLtaLe.
11.3 CARACTE1Z1ST1QL1ES PHYSIQUES ET MOVELISATION
11.3. 1. PJtLricLpe de. ba4e. e...t pkobLme.ì.s po44
11.3,2. ModLeA powt L'-Lnje.e.téLovL
11.3.2.1. ModILea.tLon
11.3.2.2. Remaqae6 e,t Jt4wí.tat6 4WL Le.s hawte.w
de. bcLJLe2
p. 156 CHAPITRE III
:
P'wbLrneA ¿L
L'u,tUóatLon du. FLo.tox en cL.c.uLt
111.1 IMTROVUCTION
111.2 CYCLES VE PROGRAMMATION
111.3 ENVUPSANCE VES VISPOSITIFS
111.3.1. RaL-tat6 exp&me.n-taax
111.3.2. ExptLcatLon thoìtqae de. La dg'tada.tLon
111.4 EFFETS VU TEMPS VE MONTEE VE LA TENSION VE PROGRAMMATION
111.5 RETENTION VE L'INFORMATION
111.5.1. Rie.n..tLovt "na..twteLe"
111.5.2. R,te.rvtLon ows poLaìiLoa..tLon
111.6 LiMITATION VE LA PROGRAMMATION LIEE AU TRANSISTOR SERIE
111.7 CONCLUSiON
P.191
CHAPITRE IV
CompaìuvLoon da cUpo4W Fotox ave.c. d'a.wtxeA 4-tkaetuxe,o
du. minie. .typ e,t voI_wt,í.oj'i de c.e dÁpoLtL
IV. i INTROVUCTION
IV.2 POINT MEMOIRE VU TYPE HUGHES
IV. 3 STRUCTURE MOTOROLA (FETMOS)
IV.4 PRESENTATION VU POINT MEMOIRE UTILISE VANS LES CIRCUITS NON VOLATILS
ET EVOLUTION POSSI&E VE CE TYPE VE POINT MEMOIRE
IV.5 CONCLUSION
VE WU EME
PARTIE
P.214 CHAPITRE I
GnMUt4. .6W.
£e4
c2LtC.uLt6 non vo&a.-tJ14
1. 1 INTROVUCTION
1.2 CIRCUITS VU TYPE EEPROM
1.2.1.
1.2.2.
Ve4c/tLp-tí..on du.
onUonnement
1.3 CIRCUITS VU TYPE MO VRAM
1.3.1. Gn&aLító
1.3.2. Ce
aeí3 mmoL'ieo
1.3.2. 1.
PLncLpe de bas e
1.3.2.2.
P)ien,ta,t,Lon de qae2qu.eA aeL&Lee.6 mmOíJieA
A -
CeL&t&e
S - Ce.Uu&e4
1.4 CONCLUSION
bírctnche
dqwU..LbieA
noead. d&quLtLbk
P. 245
CHAPITRE II
:
4ert-ta-t-LovL du. cxcwí,t NO VRAM : ehoLx de
P
ceLeuLeA
mmoíjtes e,t cthoLx de La tecJinoLogLe
11.1 INTROVUCT1ON
11.2 ORGANiSATION GENERALE VU CIRCUIT
11.3 CHOIX VES CELLULES MEMOIRES
11.3.1. Coricept de cWpo4LtL FLo.tox ¿oL
11.3.2. P'Ls en,ta.tLovi et de cLptLort de e. eL&i.Zes e.haLLes
11.3.2.1. Repo4LtLorrteJnen-t 4.ta.tLqLLe
11.3.2.2. Repo4LtLonnement dynam.Lqu.e
II.3..2,3, CeLeuLe
ahoL.&Le
11.4 CHOIX ET VESCRIPTION VE LA TECHNOLOGIE
11.4.1, ChoLx de La. tedinoLoge
11.4.2. Ve4cLptLort de La. teahnoLog.Le
11.5 PRiNCIPALES REGLES VE VESSIN
11.6 CONCLUSION
P. 270
CHAPITRE UI
VeAe/1LptLan du. e.L'tcuLt NO VRAM
111. 1 1NTROVUCTION
111.2 VESCRIPTION VES ELEMENTS CONSTITUTIFS VU CIRCUIT
111.2.1. Sytme d'EejLtwte - Lec-twe.
111.2.2. C&tcuLt d'En JeA/So'LLeo
111.2.3. Vcodewt L4igne.s
111.2.4. CeLLuìeo rn&no-uJLe4
111.3 IMPLANTATION VU CIRCUIT
111.4 CONCLUSION
P.297 C O N C L U S I O N
RE1-LRLNCES
ANND
:
nvL e en rnmo.ixe - 'Lepoí..tLonnemen.t
I NTRODUCT I ON
Le be,òoLn cxoíarvt de. .ótoc.Iaeì. deA £rto'una.tLovt4 de
manLAe non voLtvtJie, .towt en con.6ed'wan.L La. po44LbíJt de
mod..LLe/t ou.. d'ctc.tiicLL.6e/t aLment e.e,s Lno.&ma-tLon4 a. c.onduLt
da.n4 c.eA de LxeA ctnrleA au dve2oppeinervt de.6 mmoíAeA Ln40
c.níptLbLe.o e..t ectçabLes Uea..ttLqaeme.n..t (EEPROM).
Ce..6 m&nouJLeA p
ert.en.t quaiYre po44LbíJJt4
tockage d'une Lno'unatLovi (etw.e)
- c.oyioexvaJJ.on de c.e.tte £noìuna,tLon 4a.n4 aLt&uz-tLon dan4 Le .temp4
e,t &tn4 appo/Lt d' neg-Le ex.tkLeWt.e.
- modí4Lca.tLon ven.tueL?Le de c.e,tte £no.'unatiLon. (e.ac.ement pwL.6
ven-tu.e!2emen-t citLtw.e) w'vLquemen-t 4Wt an. od&e de L' wíAa.teW.
e..t 4Sa.n.4 n e44LteA d' qwLpementA 4pcíauX exJ1)t..LeW4 au 4y4..tJne
con,t'wíJtemen.t aux EPROM (rnmoíJLe4 moteA p'wg'iamia.bLeA Uee.t'uLquemen-t)
- 'teístLtutLon de L'Lyionjna-tLon towt en cort.6e.Iwavi-t Le c.a c.,tXe non
voLatíi de cette denL/Le.
Le ca1uzc..t)Le de non votati1Lt de L'Lno.'unatLon, da.n.ó Les
i,Lie pky'4Lqae palL u-n
Leo ndwi-tews, 4e. t'uzdwL.t de
mmoiJte4
.o
&toc.fzage de ckw.ge..6 iee...t&..Lque4 dans un .oLte -íoL de L' ex-t&rLeuX ;
L'cLtwte et L'eac.emen-t conLtant aJo a chLvLgelL ou. dchw.gelL
ce .óLte. La. MtLtwt.Lon de L'-Lno'unc.-tLon eo.t 'iLLe paA Le.6 ee-t4
d'-LnLaence de cette chaìge, no.tammen..t pc La. rnodí4Lcat-Lon de La
ten,6-Lon de .oewíi d'un tkan4-t6.to)L MO.S.
CeA pnop'i...Lt4 deA cUApo&LtL4 non vOLatíl4 on..t pu. it/Le.
at-íLLeA powt La. ir1aVa.tLon de rn&noiiteA vLveA 4.ttttLqLLe4 non
'JOLa.tLLQA 1NOVRAM).
-2L 'aznLLoìwtLovi deA techvioLog-LeA et de.o moge.n4 de
po44íbLe La 'taLLsa-t.ori de e.oucheAs in.Lnc.eA
d'oxyde (80 a. 200 A) ep/wdu.e.tLbLeA, a. peftJ7lL6 aux 4uC-tWLe.6 Vlan
voLa.tíie, de c.Ovina.WLe ¿ewt v&LtabLe. eA4ofl. a. patíi deA a.vtne.4 1980.
ctbnLcatLon,
e.vidan
Cet ctopect de. 'Lep/wducÍ.LbLfít deA oqf deA nvLnceA ct pe)unA
en pantÁcuLLex, Le. dve2oppement deA tuLe..-twe4 oil Le. 4.toeízage. de. La
c.hLvLge. Uect'i.Lqae eA.t ee.ca da.nA une Ue.ct'wde ¿oLe. ("g'i-2Le.
Lo.ttan.te"), tandLs que. pouiL de.4 4uc-twLeA oil Le. 4stockage de La.
c.ha/ige Ue.et'tLque. eA-t e ec-tu. a. L'Ln-tex7ace. de deux £oLa,n.t, teLLe.
La s&w.twie MUOS (mtaL-v_tw/ie.-oxyde-&íLLcLwn), on 4e. he.uìi-tee.nc.ote
m-Lnc.e (20 a. 30 A).
a. deA p/wbLmeA de. 1ctbnLcatLon de L'oxyde. t.xè
L e. .tjtavaLe p4 ent da.no ce mmoíAe 'Lde. dctn4 L' tade.
d' une. t'Lac-twLe. non voLc.tíie. a. gn.LUe Lottuvte. Le FLo.tox
.at_Lon dai'lA Le.4 CÍ)LCWi6
(FLoat.Lng ga..te. Tannei Ox2de.) ei de. .00n u
noii voLaií.L6, no.tamment LeAs mmoÁJi.eA v.veAs non voLztiLeo (WOVRAM).
Ce. .tjutvai.2 4e. 4abdLvL6 e en deux pa/ltLe.4.
VanAs une pìtenvLì'.e. pa1ztLe, nouA &tudíon4 LeA cc ctLs.tLqaeA phy.o.LqueA
eAt Uec-t'iiqueA de. La 4tkuctWLe. FLo.tox.
L' Laboiia.tLon d'an modUe gri&taL 'ie.poctn-t 4WL an 4y4tme.
ei
une. condac.-t,Lon tiinne2 Foweeir. 1'do'Ldhthn a.
.tkLtvet6 L' oxyde. de 4LUC.Lwfl a. peìtmí d' expLiquen. LeA /r14uLtatA
ex pJLíJne.ntaLLx co nce)tnan-t Le4 ccaeAt&aAtLqLLeA coWtant--ten4-Lo n, Le
de coupLage ca.pacLt
cycLeA de p/La gn.aniatLovt eAt LeA phnornvte4 de ittentLon.
LeA awt/teA aApec.tA ¿L4 a. L 'wtLLLòa-tLon du FLotox en cL'LcuLt
ei La compa..&a-íAon du FLotox avec, deux awtkeA 4t&uc-tWLe4 non voLa-tíleA
Lottan-te on,t auA4-L ei abon.d4 ei on-t a,L-t L'objei de modea. gníLLe
LíAatLonA patLcuLLxe4.
-3La de.ux.Lme. paxtíe. de. notM tLzvaÁ2 a e.Ofl4S-t
wt..LLeìt
fLactuXe. FLo-tox powt La aonce.p-tLon d'arie. mmoí.xe. v-Lue. rtOn. vo!a_tLLe.
La
Le. buA de. c.e.tte. e.oric.e.ptLon -tartt de. d&non.tte't La aLabLLLt d'ari
-te.L aL'.e.uLt ¿t L'aLde. de. 4'uwtwLe.s FLoto, nou4 n.ou4 4omme4 paA-tLe.aaux c.eLeuLe4 mmoíjz.e. e,t ¿t Le.wr. onc.tLarineme.ri.-t
LWie.me.ri.t
&Ltw.e., Le.c.tw.e. e..t po44LbLUt de. p'wg.'iammatLori e..t de. eA-tL.twtLorL
p/wpo4eir. an. rioave.au
ame.n&s
de. L'LriwtmatLori ; nows avori4 a..Ln4L
-type. de. aeliwee. mmo-L'e. non. voIatí1e.. Now avon. £mpLariìl c.eAs d-Lve.1t4e6
e.eJ2uLe.s 4Wi an mcqae. tet, que. now pl
Lrt de. c.e. rnmoLne..
e.ivton.6 bi..Lve.me.n,t ¿t La
PREMIERE
PARTIE
CHAP! TRE
I
GENERALITES SUR LES DISPOSITIFS NON VOLATILS
-51.1 INTRODUCTION
La nécessité de stocker des informations de manière immuable a conduit au développement et à l'utilisation des mémoires
ROM ("Read only memory" ou "mémoire morte"). Ces mémoires sont
destinées à enregistrer des programmes figés tels des tables de
conversion, de codage ou décodage, ou bien les programmes de com-
mande des systèmes gérés par microprocesseur. Cependant, bien que
ces mémoires soient de faible prix, leur réalisation nécessite une
période relativement longue entre le moment où la configuration à
inscrire est donnée par l'utilisateur et
la sortie des circuits,
c'est pourquoi il est utile de donner à l'utilisateur la possibilité de programmer lui même le contenu de la mémoire morte.
Ce
besoin a donné naissance aux mémoires mortes programmables (PROM);
Celles-ci se sont développées suivant deux axes :
- Les PROM programmées généralement par destruction de fusibles ou
court circuit de jonction,
- les EPROM programmables électriquement et effaçables par ultra
violet.
Toutefois ces types de mémoires programmables manquent
encore de soupLesse dans leurs utilisations. En effet pour être
programmés, ou effacés dans le cas des EPROM-U.V., ces dispositifs
nécessitent des équipements spéciaux extérieurs aux systèmes de
l'utilisateur. Pour cette raison un nouveau type de dispositif a
été déveLoppé :
les EEPROM (Electrically ErasabLe programmable read
only memory) ou mémoire morte inscriptible et effacable électriquement. Ces mémoires présentent l'avantage de pouïoir
être program-
mées dans le système.
L'introduction de la première mémoire non volatile commerciale date d'une dizaine d'années. Depuis les EPROM ont progressé rapidement et au même rythme que Les mémoires vives (RAM), tant
du point de vue coût que du point de vue performance et
complexité.
6
Les EEPRCM par contre n'ont évolué que lentement, mais actuellement
la tendance s'inverse
:
la place leur est cédée et Leur taux de
croissance prévisionnel est
le pLus élevé cki marché des mémoires.
us donnons dans le tableau ciaprès l'évolution en pourcentage de
la place prise par les EEPROM par rapport aux autres types de mémoires mortes [1].
ANNEE
1979
1981
1985
EVOLUTION
TYPE DE MEMOIRE
ROM
28 X
37 X
38 X
STABILITE
PROM
35%
29 X
24 Z
DECROISSANCE
EPROM
32 X
24 X
22 Z
DECROISSANCE
EEPRCM
4 X
10 X
16 Z
CROISSANCE
Les utilisations actuelles des EEPROM peuvent être classées suivant deux grands axes
:
- applications sauvegarde comportant généraLement peu de point
mémoires
:
compteur non volatil, circuit type
vram, micropro-
cesseur et EEPRI,
- application ROEl comportant beaucoup de points mémoire : EEPRCM
standards, microprocesseurs et EEPRCM.
Ces applications seront présentées plus en détail dans Le
premier chapitre de la deuxième partie.
-71.2 POINTS MEMOIRE NON VOLATILS INTEGRES
Les fonctions que doivent remplir un point mémoire non
volatil peuvent se résumer en trois points
:
Stokage d'une information,
Conservation de L'information sans altération durant une durée
indéterminée,
Possibilité de récupérer â tout moment l'information stockée.
Le principe de base pour stocker une information de ma
nière non volatile consiste à modifier de manière curable mais non
irréversible les propriétés physiques d'un matériau. Jusqu'à nos
jours trois principes ont été utilisés et développés :
Systèmes à bulles magnétiques,
Systèmes à verre semi-'conducteur,
Systèmes à charges électriques.
1.2.1 Systèmes à bulles magnétiques
Les systèmes à bulles magnétiques ont donné Lieu
au développement des mémoires à bulles magnétiques (MBM) dont
nous donnons succinctement le principe et Le fonctionnement.
Sur un substrat non magnétique (généralement un
grenat de gadolinium - gallium) est déposé une couche mince
magnétique. A la surface de ce dernier un réseau de conducteurs et de barreaux faits dans un alliage magnétorésistant
(par exemple le permalloy) est déposé, et permet les opérations d'écriture - lecture et d'effacement.
Ui aimant permanent de forme appropriée fournit un
champ magnétique continu perpendiculaire au plan de la mémoi-
re. Le passage d'un courant de l'ordre de lOOmA dans une
boucle conductrice à la surface de la couche magnétique crée
ponctuellement un champ opposé à celui qui polarise la couche
mince, et donne ainsi naissance à une zone cylindrique dont
le sens d'aimantation est inverse de celui de la couche min-
ce. Ces cylindres sont appelés "bulles magnétiques". Elles
ont un diamètre de 4 à 6 tm.
Lh champ tournant, créé par un bobinage extérieur,
ainsi que la présence des barreaux en alliage magnéto résistant permettent de déplacer les bulles. La disposition des
barreaux est telle qu'ils forment des registres à décalage
dans lesquels l'information binaire est donnée par la présence d'une bulle ("1") ou son absence ("O").
La magnétisation propre de la bulle se traduit par
une variation de résistance lors de son passage dans un matériau magnéto résistant et donc pour un courant donné par une
chute de tension. Ce principe est utilisé pour la lecture du
point mémoire. L'écriture consiste à créer une bulle, et
l'effacement à la faire disparaître, soit par augmentation
ponctuelle du champ de polarisation de la couche mince (ef f a-
cement par bit), soit par augmentation globale de ce même
champ (effacement global).
La figure 1-1 illustre la structure de base d'une
mémoire à bulles magnétiques. La non volatilité de
la mémoire
est assurée par la présence d'un champ magnétique permanent.
Ce type de mémoire présente l'avantage d'avoir une
technologiede fabrication simple et une bonne densité d'intégration 1O
bits/mm2 [21. Toutefois leur temps d'accès est
long : i à 4 ms et leur consommation moyenne élevée (supé-
rieure à 1W).
9
Sens de
aimantation
I
de I. bulle
J
Sens de
I aimantahon
facile
4 de la couche
J
mince
Couche
mince
mag ne t ique
non
Substrat
magnetique
Bulles
magnétiques
Principe d'une mémoire à bulle magnétique
FIGURE 1-1
M.ten.v amorphe
Electrode. (molTbdèn,)
.ctir
Substrat
Contact
Mitriel amorphe actif
verre
pour electrode euprIeure (aluminium)
Electre uperieure
(malybdine)
Cantici veis electrode
nierivur,
Dilect riq uy
a u min ejm
Electrode unferieure (molVbdine)
Diode
Aluminium
MolyWine
Commutateur Ovanique
Osyde
krrt special
t point-memoire)
FIGURE 1-2
:
Différents types de mémoires ovoniques
- lo -
1.2.2 Systèmes à verre semi-conducteur
Les systèmes à verre semi-conducteur se sont con-
crétisés par les mémoires ovoniques. Leur principe repose sur
le passage de l'état amorphe à un état ordonné de verres
spéciaux lors de l'application d'une impulsion électrique,
et cela se traduit par un changement de résistivité du matériau.
En absence d'impulsion électrique ou de variation
de température, les états amorphe et ordonné sont stables.
Il est ainsi aisé grace à ce procédé, de coder une information et de la conserver de manière non volatile.
La figure 1-2 donne la structure d'un commutateur
ovonique. L'opération d'écriture requiert une tension d'environ 25V et un courant de 5mA pendant 2 à 20 ms.
L'effacement
se fait avec une tension inférieure à 25v et le passage d'un
courant inférieur ou égal à 200mA pendant 10 sis.
La lecture
se fait par la détection de variation de tension ou de courant dOe à la variation de résistance du matériau.
Bien que ce procédé présente des aspects intéres-
sants, il semble que Les processus relatifs aux verres
n'aient pas encore fait l'objet d'études suffisantes pour
tirer des conclusions.
1.2.3 Systèmes à charges électriques
Les systèmes à charges électriques ont été et sont
essentiellement développés dans les circuits MOS et bipolaires. Lhe revue des différents principes et technologies
sera faite au paragraphe suivant. Q peut toutefois noter
L'existence d'un point mémoire mixte
:
circuit intégré MOS
(métal - oxyde - semi-conducteur) et tube à vide. Ces mémoi-
res constituent les BEA MOS (beam adressed MOS) c'est-à-dire
des MOS adressés par faisceau. Il est composé d'un tube à
vide à cathode et dont la cible est un réseau de circuits
M OS.
L'inscription se fait en injectant des charges
positives dans Le silicium en
Lots, quatre puces de MOS de
15mm2, chacune sont disposées côte à côte. Les couches de
silicium N et P forment une diode polarisée en inverse.
L'adressage est assuré par deux étages de déflexion et un
réseau de Lentilles électroniques.
(figure 1-3).
Pour écrire, une tension de 60V est appliquée entre
la métallisation d'aluminium et le silicium N. Le faisceau
d'électrons attaque une zone ponctuelle et crée des paires
électron-trou. Les électrons sont collectés par l'aluminium
alors que les charges positives restent piégées à l'interface
oxyde - silicium. Pour lire, une faible polarisation négative
est utilisée, le faisceau crée â nouveau des paires électrontrou, les charges positives sont repoussées par la charge
stockée
seiL y a lieu et se manifestent par un courant
de
sortie. L'effacement consiste à neutraliser toutes les charges
Bien que présentant une grande densité d'intégration (15.10
bits/mm2) [3], ce type de mémoire semble présen-
ter des défauts majeurs
:
- Lecture destructive au delà d'une vingtaine de cycles de
le ct u r e,
une durée de vie du système de 20 000 heures,
- et une non volatilité de l'information qui ne dépasse pas
plusieurs mois.
Les systèmes à charges électriques sont actuelLement Les plus développés et industrialisés à l'aide de matériaux semi-conducteur. Les mémoires non volatiles sont géné
ralement réalisées en technologie MOS, mais il en existe
aussi en technologie bipolaire.
- 12 -
AORESSAG(
Fdi$CCJU d 'é/ectro
PAGES
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Entrée
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II
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Ii
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AM PLI F.
Modulateur
eSorti e
Silicium P
V
S i l'ci um
pitaeial N
lecture
Plaque
mémoire NOS
cSortie
Matrice de
Ientille
Sélection de
lentjll
Sélection de page
lecture
FIGURE 1-3
:
Mémoire non volatile à faisceau d'électrons
SOURCE
(s)
GRILL E
(G)
DRAIN
(D)
'e
"t"
"w
N
_r
-"
I
SUBSTRAT
(B)
FIGURE 'l-4
Structure d'un transistor MOS canal N
/
- 13 -
1.3 MEMOIRES NON VOLATILS A MATERIAIJX SEMI-CONDUCTEL
: LES EEPRCt4
Jusqu'à présent Le procédé de stockage de l'information
dans Les points mémoires non volatils à semi-conducteur est effectué par stockage de charges. Celui-ci peut-être effectué :
Dans le volume d'un isolant,
A l'interface de deux matériaux isolants,
Dans un conducteur isolé entre deux couches d'isolants.
En fait seuls les deux derniers procédés ont été développés, ils correspondent à deux grandes familles de dispositifs
:
Les structures de type MIOS (métal - isolant - oxyde - semiconducteurs),
Les structures à grille flottante.
En technologie MOS, le principe général de fonctionnement
des points mémoires non voLatiLs repose sur la modification de
conduction d'un transistor MOS
:
l'état conducteur correspond à
l'état "O" et l'état bloqué correspond à l'état "1". (Pour un MOS
de type canal N) nous rappelons à la figure 1-4 la constitution
d'une structure MOS.
En technologie bipolaire, c'est aussi une modification de
conduction qui permet de déceler l'état di dispositif.
Différents phénomènes physiques sont utilisés pour programmer ou effacer les dispositifs.
1.3.1 Mécanismes permettant l'injection des charges et leur
stockage
1.3.1.1 Injection par porteurs chauds
A - Mécanisme général
La hauteur de la barrière d'énergie à
l'interface silicium - dioxyde de silicium est
de sensiblement, 3,1 e.v. pour les électrons, et
3,8 e.v. pour les trous. Pour franchir ces bar-
rières, en excluant toute possibilité d'effet
tunnel, il faut que les porteurs soient très
énergétiques.
On peut donc grâce à un champ électri
que élevé donner à ces porteurs une énergie telle
que leur température effective soit supérieure à
celle du réseau. C'est la raison pour laquelle on
les appelle "porteurs chauds" [4]. Leur injection
est favorisée par la présence d'un champ vertical
qui est constitué par le champ dans l'oxyde.
L'injection d'électrons a été modélisée
dans la littérature [31 par une probabilité
d'émission
P
Où :
A exp (-dix) (1-1)
- A est le libre parcours moyen de
collision phonon optique - électron.
(X = AO th (ER/2kT), avec ER = 0,063 e.v.
AO = 108A)
- 15 -
- A est une constante, A = 2,9 [51
- d est La distance entre l'interface et
Le point de La bande de conduction où
l'énergie est égale à l'énergie de
barrière 4.
Cette hauteur de barrière de potentiel
n'est pas constante, mais dépend cli champ dans
l'oxyde
:
= 3,1
8 Eox'/
EOxh/2 - a E0x2/3 en e.v.
8
est un terme correctif prenant en
compte l'abaissement de la barrière de potentiel par effet schottky.
= (q3/k ir Eox)h/2
;
(8 = 2,59 1O
e.v.
cm/2
pour le dioxyde de silicium).
a E0X2/3 prend en compte l'effet tunnel Fowler
Pbrdheim. Ce terme n'est applicable que pour
les énergies inférieures à l'énergie de barrière.
L'équation (1-1) indique que la proba-
bilité d'émission est d'autant plus forte que d
est faible. Il est donc préférable d'avoir et
cela est confirmé par l'expérience [51, une
variation de potentiel rapide au voisinage de
l'interface.
La dépendance du potentieL dans le
substrat en fonction du profil d'impuretés étant
donnée par
:
d2v
dx2
= q NA(x)
cSi
(1-2)
- 16 -
Il faut donc ajuster ce profil de ma-
nière à obtenir un fort gradient de potentiel
près de l'interface.
Lors du parcours des porteurs chauds
dans l'oxyde, on constate le piègeage d'une par-
tie d'entreeux dans l'oxyde. Ce phénomène entraine la diminution di champ électrique vertical
à l'interface SiSio2, qui a pour conséquence une
chute de l'efficacité d'injection qui s'auto
limite.
Les trous chauds dont le transport dans
l'oxyde est surtout assuré par une conduction ck.i
type PooleFrenkel (abaissement par champ électrique de la barrière de potentiel des centres
coulombiens dont les porteurs piègés peuvent
s'échapper par excitation thermique) ont une
efficacité d'injection moindre que celle des
électrons , et une tendance au piègeage plus
élevée. C'est pourquoi il semble plus intéressant
d'utiLiser une injection par électrons chauds.
B - Injection de porteurs chauds par avalanche d'une
jonction :
[61 [71 [81.
La mise en avalanche d'une jonction
génère des porteurs chauds dans la zone de déser-
tion surfacique. Ceuxci, sous l'action d'un
champ vertical (champ dans l'oxyde) dû à la polarisation d'une grille de contrôle placée au dessus de la jonction peuvent être injectés dans
l'oxyde durant l'avalanche. (figure 1-5).
- 17 -
Les porteurs chauds majoritaires sont
injectés lorsque la polarisation de grille produit une accumuLation déplaçant La zone de transition surfacique vers la région la plus dopée
(figure 1-5(a) et 1-5(c)).
Les porteurs chauds minoritaires sont
injectés lorsque la polarisation de grille produit une désertion de La zone la moins dopée
(figure 1-5(b) et 1-5(d)). Dans ce cas, contrai-
rement au précédent, La gradient du champ électrique longitudinal surfacique est plus faible.
Aussi â efficacité d'injection identique, La
polarisation de grille doit être plus importante.
Pour cette raison, ce sont souvent des injections
de porteurs majoritaires que L'on met en oeuvre
en pratique
C
Injection par non avalanche
:
IL est possible d'injecter dans de
l'oxyde de silicium des porteurs chauds sans
faire appel à l'avalanche d'une jonction.
L'ap-
port d'énergie correspondant provient alors d'un
champ électrique surfacique important.
Cela peut se faire de deux manières
:
A partir du courant de canal d'un transistor
MOS. Lorsqu'un transistor MOS est polarisé en
saturation, les porteurs circulant de La source
vers le drain acquièrent une forte énergie
cinétique dans La région de cham intense existant à l'extrémité
canaL. Pour de fortes
tensions de drain ou des tensions modérées si
Le canal est court, l'énergie des porteurs
peut-être suffisante pour permettre leur injection dans l'oxyde [91 [io].
L,
VRo
VCo
VR
VG L O
.-
p
N
J.»
VRO
-,,
lone depietee
VG ¿O
N+
p-s-
p
-t
N
-LI
3
d
FIGURE 1-5
Injection de porteurs chauds par mise en avalanche
de jonction P+N (a et d)
VG)Vth
N+P (b et c)
VO eievee
w, 'w
D
"9
/
/
/
P
r-
3a4jm
FIGURE 1-6
:
Injection de porteurs chauds par un courant drain élevé
- 19 -
La figure 1-6 illustre cette injection.
Les résuLtats expérimentaux et la modé-
lisation montrent que les porteurs chauds injec-
tés sont issus d'une zone de faibles dimensions
localisée près du drain.
A partir du courant d'une jonction volumique
polarisée en direct [11] [12].. Q, crée une
zone de désertion surfacique à l'aide d'une
tension grille convenable, la jonction volumique est alors polarisée en direct. Si
l'épais-
seur de la zone substrat est comparable à
la
longueur de diffusion des électrons injectés,
ceuxci sont susceptibles d'atteindre la zone
de désertion induite par champ où ils sont
accélérés.
Certains acquièrent alors suffisa-
ment d'énergie pour franchir la barrière à
l'interface SiSio2. (figure 1-7)..
1.3.1.2 Injection par conduction des porteurs à travers le
dioxyde de silicium
Ce mécanisme sera étudié en détail au
chapitre II, toutefois nous résumons les points
essentiels
:
Nous avons dit précédemment que la hauteur
de barrière d'énergie à l'interface SiSio2 était
plus faible pour les électrons que pour les trous.
D'autre part la mobilité et la durée de vie des trous
sont telles vis à vis de celles des éLectrons [81,
que la conduction à travers l'oxyde est dOe essentiellement aux électrons.
- 20 Lenz linger et Snow [131 ont montré que la
conduction dans le dioxyde de silicium est du type
Fowler Pbrdheim. La loi de courant étant de la
forme
:
J = a E2
exp
a et 8 sont deux constantes dépendant de
différents paramètres physiques, notamment de la
hauteur de barrière de t'interface métal - S1o2 ou
Si-Sio2, Cette conduction tunnel assistée par champ
nécessite des valeurs de champ électrique élevées
:
de 7 à 10 MV/cm0
peut noter toutefois dès à présent que
cette conduction est fortement dépendante de la hauteur de barrière. Lorsque l'oxyde de silicium croft
sur du silicium polycristallin, la hauteur de bar-
rière est beaucoup plus faible que dans le cas d'une
croissance sur silicium monocristallin. (de l'ordre
de 1V au lieu de 3,1V [141).
Cette forte différence donne Lieu à deux
types de dispositifs
:
- dispositifs à injection à partir de silicium
monocristallin,
- dispositifs à injection à partir de silicium
polycristallin.
- 21 -
1.3.1.3
Injection de porteurs à travers une couche d'isolant
ultra mince
Ce type d'injection se rencontre essentiellement dans les structures du type MNOS où sur le
substrat de silicium repose une couche ultra mince
(20 à 30
A) de dioxyde de silicium, ellemême surmon-
tée d'une couche de nitrure de siLicium d'une épaisseur variant actuellement entre 200 et 500 A.
Sous l'effet d'un champ électrique dans
l'isolant, des porteurs peuvent transiter par effet
tunnel à travers la couche d'oxyde, dans des pièges
situés à l'interface (et légèrement au delà) dioxyde
de silicium - nitrure de silicium.
Les modèles récents [15] [16] décrivant le
phénomène de conduction à travers l'oxyde proposent
une conduction modifiée de type Fouler Nordheim dans
un premier temps, puis Lorsque la quantité de charges
piégées s'accroît, une conduction du type tunnel
bande à bande : c'estàdire que les électrons issus
de La bande de conduction du silicium passent direc-
tement dans celle du nitrure.
L'effet modifié tunnel Fouler 1brdheim
considère que les charges passent deux barrières de
potentiel : celle de l'oxyde et partieLlement une du
nitrure. La probabilité de passage est exprimée
par
:
P = Po exp (tox/Àox) exp (-8 tx/Xox)
(1-3)
- 22 -
Po est une constante, tox est l'épaisseur
de l'oxyde, tx est La profondeur de pénétration des
charges dans le nitrure, Aox et An sont Les
constantes de de BrogUe pour L'oxyde et Le nitrure
(Aox =
h
,
h est la constante de PLanck,
4r /2mox* ox
mox* est la masse effective de la charge dans
l'oxyde, ox est la hauteur de barrière de potentiel
de l'oxyde).
8=
n
mn*
1/2
ox mox*
1.3.1.4 Injection par conduction dans le nitrure
La conduction de porteurs est du type
PooleFrenkel c'estàdire que La conduction des
porteurs se fait de piège à piège et par excitation
thermique, le champ électrique ayant pour effet
d'abaisser La barrière de potentiel des centres
coulombiens. t.he expression de la densité de courant
est donnée par [171
:
Jn = C En exp ((qe) ) exp (.aj8 En)h/2
KT
KT
I
(1-4)
où En est le champ électrique dans Le nitrure,
est
la hauteur de barrière de potentiel du centre coulom-
bien, C et 8 sont des constantes qui dépendent du
niveau de piège et de La constante diéLectrique.
- 23 -
+VG
-
VSUB
TJONCTION
FIGURE l-7
:
Injection de porteurs chauds
à partir du courant
d'une jonction volumique (N+P) polarisée en direct
ooA 513N4
i
ALUMINUM GATE
F lELO
OXIDE
1/
GATE OXIDE
FIGURE l-8
//
IN T ERFACE
\\\N.
15?O& SlO?
Structure MNOS à grille métallique
- 24 -
1.3.1.5 Injection de porteurs par photocourants
Ce procédé très répandu est utilisé pour
décharger un dispositif préalablement chargé. Il
utilise un rayonnement électromagnétique, généralement une lumière ultra violette (mais on peut aussi
utiliser un rayonnement X, ce qui donc ne nécessite
pas de fenêtre en quartz dans le boitier des circuits
du type EPROM). Ce rayonnement active les porteurs et
un photocourant est ainsi créé à travers l'oxyde.
1.3.1.6 Conclusion
Les mécanismes décrits précédemment constituent les mécanismes principaux de charge et de dé-
charge à travers des oxydes. Toutefois cette revue
n'est pas exhaustive dans la mesure où toutes les
combinaisons possibles des mécanismes précédents
peuvent être utilisées, ainsi que l'utilisation de
nouveaux diélectriques : oxynitrure - S1o2 riche en
silicium... La tendance actuelle est d'ailleurs
d'utiliser de nouveaux diélectriques.
1.3.2 Présentation et analyse du fonctionnement de quelques
dispositifs
1.3.2.1 Structures réalisées en technologie MOS
A - Structure MIOS (métal - isolant - oxyde -
silicium) :
C'est de tous les points mémoire non
volatils à écriture et effacement électrique Le
plus ancien.
- 25 -
Etudiées depuis une quinzaine d'années,
tout au moins pour le MNOS [18], ces structures
semblent à L'heure actuelle un peu délaissées
bien que certains constructeurs tels HITACHI [191
[20], NCR [21] continuent leur recherche et
fabriquent des produits.
Récemment d'autres structures du même
type mais utilisant de L'alumine (Al203) ou un
sandwich nitrure-alumine à La place du nitrure
ont été développées. Il s'agit des structures
MAOS (métal - alumine - oxyde - silicium) et
MANOS (métal - alumine - nitrure - oxyde siLicium) [22].
La figure 1-8 décrit une structure
classique actuelle de MNOS avec grille métaLlique.
La forme particulière de La grille
permet d'isoler le transistor MNOS proprement
dit, grke aux transistors qui
lui sont adjacents
et qui sont du type enrichi.
La figure 1-9 décrit une autre structure actuelle de MNOS avec une grille en Si
Po ly.
- W procédé type de fabrication de
cette structure est le suivant [201
:
Substrat de départ de type N (100) et de résistivité 8 à 12 Q cm.
Des caissons de type P sont réalisés pour isoler le MNOS des MOS des circuits périphériques
et cii plan mémoire.
- 26 -
La région canal des dispositifs MNOS est cou-
verte avec du nitrure de silicium.
Les régions de type n sont formées sélectivement en utilisant le nitrure comme masque.
Le nitrure joue aussi
le r6le de masque pour
l'oxydation.
-
Après avoir enlevé le nitrure, les couches
d'oxyde ultra minces de nitrure et de silicium
polycristallin sont formées et déposées simultanément.
Enfin les zones N+ sont réalisées, le silicium
polycristallin servant de masque.
Les avantages du MNOS sont présentés
par le fait qu'ils possèdent une bonne endurance
C
> 10 000 cycles), ils sont peu sensibles aux
problèmes liés aux polarisations en mode lecture
du point mémoire. D'autre part, la conduction si
elle a lieu le long de l'interface oxyde ultra
fin - Si3 N6 étant très lente, cela signifie
qu'un défaut dans l'oxyde ultra fin affectera
seulement un centre de piège local et ne déchargera pas le système entier. Ces dispositifs sont
aussi peu sensibles aux perturbations extérieures
(rayonnement a par exemple).
GRILLE DE CONTROLE Sn SI POLYCRI3TAUIN
FIGURE 1-9
Exemple de structure MNOS actuelle
:
s
AL
AL
GRILLE FLOTTANTE
FIGURE 1-10
:
\. ZONE DE DESERTION
SLBTRAT SI N
Dispositif FAMOS sous polarisation
- 28 -
Par contre les rétentions des dispositifs MNOS sont peu élevées C i an), les MNOS
nécessitent de polariser le caisson à une haute
tension, ainsi que la griLLe de commande ou bien
d'avoir une double polarité en haute tension pour
la grille de commande.
A ces inconvénients s'ajoutent les
difficultés du particularisme du procédé
en
:
effet La méthode de dép6t du nitrure est critique, et l'épaisseur d'oxyde agit directement sur
la rétention, la tension d'écriture et sa
durée..
B - Structure FAMOS (MOS à injection par avalanche
dans une grille flottante) :
Cette structure qui a maintenant une
dizaine d'années [23] et développée par INTEL,
est à l'origine de toutes les structures programmables par génération de porteur chauds.
En fait
la structure FAMOS n'est pas entièrement programmab Le électriquement puisqu'elle est effaçab Le
par ultra violet. La structure de base de ce
dispositif est donnée par la figure (1-10).
Cette structure est la structure d'origine du
FAMOS [241, elle est réalisée en technologie
canal P, et ne comporte qu'une grille flottante
en silicium polycristallin isolée entre 1000
de
dioxyde de silicium du c6té substrat et
10 000
de Sio2 à
la partie supérieure. La mise
en avalanche de la jonction zone p+ substrat a
pour conséquence l'injection d'électrons chauds
vers la grille flottante. (he fois la charge
stockée, en l'absence de polarisation, le canal
est inversé et ce MOS devient donc passant.
- 29 -
L'effacement est réalisé par l'insoLa-
tion d'un rayonnement ultra vioLet qui provoque
un courant photoélectrique véhiculant les électrons piègés de La grille vers Le substrat.
A l'heure actueLle La technologie est
généraLement du type canal N et une grille est
souvent pLacée au-dessus de la grille flottante.
Cette dernière favorise les opérations d'écriture
et d'effacement.
D'autre part l'injection est générale-
ment réalisée par conduction de courant dans Le
canaL. Ce type de dispositif présente une bonne
rétention, il ne présente pas de perturbation en
lecture, toutefois sa durée de vie est limitée à
queLques centaines de cycles à cause di fort
piégeage d'électrons dans L'oxyde lors de l'écriture. D'autre part une exposition prolongée de
cette structure à un rayonnement de type a ou à
la lumière solaire peut provoquer un effacement
partiel.
C - EEPROM à injection par porteurs chauds
:
Nous présenterons tout d'abord le
DIFMOS (dual injector fLoating gate MOS : MOS à
grilLe flottante et deux types de porteurs pour
l'injection).
- 30 -
Ce dispositif bien qu'utilisant un
mécanisme de programmation par porteurs chauds,
diffère fondamentalement
i FAMOS par le fait
qu'il s'agit là d'un véritable composant EEPRCM,
c'estàdire inscriptible et effaçable électriquement. Ce but est atteint en utilisant dans une
même structure deux types de porteurs chauds
:
les électrons et les trous.
Ce dispositif [25] a été développé par
TEXAS INSTRLPIENT et l'application a été réalisée
en canal P. La structure de ce dispositif [26]
est présentée à
la figure. (1-11)
Ce dispositif est entièrement recouvert
d'une grille flottante et peut se décomposer en
quatre parties élémentaires
:
un transistor MOS commandé par La grille flottante,
un injecteur d'électrons destiné à charger
négativement la grille flottante et constitué
par une jonction P+ N+,
un injecteur de trous permettant d'annuler La
charge négative stockée sur
la grille
flottante, il est constitué par une jonction
P+ N++.
une capacité bootstrap entre silicium P++ et
griLle f Lottante, elle permet d'avoir un
champ électrique plus important et favorable
à l'injection des trous.
- 31 -
L'écriture de ce dispositif est réali-
sée en polarisant à une tension de l'ordre de 30V la zone P++ de la jonction P++ Nf. Cette
jonction est alors mise en avalanche et la capa-
cité bootstrap renforce l'efficacité d'injection
de trous chauds vers la grille flottante. La
lecture s'effectue directement grâce au MOS commandé par la grille flottante.
itre les dimensions importantes de ce
système (4 éléments) on peut aussi reprocher à ce
dispositif le fait que le piègeage très important
des trous dans l'oxyde limite sérieusement l'injection
U, autre dispositif [2711 bien que du
même type que le FAMOS, se distingue de ce dernier par l'utilisation de jonctions Nf P+ dont
les zones Nf sont réalisées par les zones sources
et drain du 110SF et les zones P+ par des dif f u-
sions latérales le long du canal. Ainsi
les jonc-
tions sont réalisées aux coins du canal et cela
justifie l'appellation
:
FCAT (floating silicium
gate channel corner avalanche transition), c'està-dire transistor à injection par avalanche à
effet de coins du canal dans la grille
f lottante.
D'autres structures utilisant une
injection par porteurs chauds ont été étudiées ou
développées., Certaines utilisent pour l'injection
la mise en avalanche des jonctions drain-substrat
et source substrat [281 ou encore la mise en
avalanche d'une jonction en volume [291.
ir
s.a
i
:
N
Cf,IIC flottante
G
o
y
\"\\\'\\\\\
N
p'
L
Capact, bootstrap.
FIGURE 1-11
:
Structure DIFMOS
ELECTRODE 0 EFFACEMENT C3''POLY)
SAILLE FLO1TANTE t 21"OLY)
\
i.
N O*aj,4
N+ J
TRAIX8TDA
DE
LECThE
r
'r
ì'
J/
t
ELECTRODE OECAITURE
C i" POLY
asTRAT 8! P
T
FIGURE 1-12
r
Représentation schématique de la structure à
3 niveaux de poly de chez XICOR
- 33 -
Q peut noter aussi L'existence de la
structure SIMOS (stacked gate injection MOS : MOS
à injection et griLles empilées) de chez SIEMENS
[30]. Ce dispositif utilise deux grilles dont
L'une est flottante et l'autre sert à favoriser
Les mécanismes d'injection par porteurs chauds.
L'injection se fait par Le canaL et est accrue
par l'utilisation d'un canal court de forme traL'effacement se fait par l'injection
pézoidale.
de trous chauds issus de l'avalanche de la jonction source substrat.
tbus citerons enfin la structure pro-
posée par FUJITSU [31] qui présente La particularité de s'effacer par la mise en avalanche d'une
jonction P+ N située dans la grille flottante
elle-même : une troisième grilLe située au-dessus
de la zone P+ de cette jonction permet d'activer
La jonction par couplage capacitif, les électrons
chauds sont alors émis vers la griLle de commande. L'écriture se fait d'une manière classique :
des électrons chauds sont émis à partir cki
canal.
D - EEPROM à injection par effet tunnel Fouler-
Nordheim
:
Les structures â injection par effet
tunnel Fouler Nordheim reposent toutes sur
le
principe de La structure Flotox [32] développée
par INTEL. Toutefois La structure Flotox faisant
l'objet de l'étude qui suit et où nous parlerons
aussi des structures Itighes et Motorola, nous
parlerons seulement ici d'une structure à trois
niveaux de Si poly [33] développée par XICOR
[341, et dont
donnée à
une représentation schématique est
La figure 1-12.
- 34 -
L'écriture est réalisée par l'émission d'élec-
trons par effet FowlerNordheim de la première
grille vers la grille flottante. L'effacement est
réalisé
de la même façon mais les éLectrons sont
émis de la grille flottante vers une troisième
grille. Pour réaliser ces mécanismes d'injection,
les grilles sont convenablement polarisées, cela
se fait pour la grille flottante par Le biais de
couplages capacitifs.
tons enfin que l'utilisa-
tion de surface de silicium polycristallin sur
lequeL croft (ou est déposé) de l'oxyde de sili-
cium, permet d'accroitre le champ injectant grâce
à
la nature rugueuse de la surface du Si poLy
[35].
Ce type de dispositif présente de bonnes caractéristiques d'ensemble
:
bonne rétention
de l'information (lo ans), une endurance de
10 000 cycles (malgré la génération de pièges
dans l'oxyde dOe aux champs électriques élevés).
D'autre part et contrairement aux structures à
porteurs chauds, il ne nécessite pas de courant
dans le canal.
E - Structures mixtes et autres technologies
Beaucoup de structures utilisent un
compromis entre l'injection par électrons chauds
(pour écrire un dispositif par exemple) et
L'effet tunneL Fowler Nordheim (pour effacer).
ØRILLE 0E c0NTME
p
Structure à écriture par injection de porteurs chauds
FIGURE 1-13
et effacement par la partie supérieure
rugueuse
de
la grille flottante
813)14
700 Z
GRILLE 0E CONTROLE
GRILLE FLOTTANTE
SL8TAAT SI N
FIGURE 1-14
:
Structure à écriture par injection de porteurs chauds
et effacement par conduction dans le nitrure
- 36 -
l'bus en citerons quelques unes à titre
indicatif :
- Structure constituée d'une grille flottante
chargée à partir ó.j substrat par injection par
avalanche, et déchargée par effet tunnel par
transit des électrons de la grille flottante
vers une grille "d'effacement". Le procédé
d'effacement étant facilité par l'état de rugosité de la surface de la grille flottante [361.
Ce type de structure (mais en utilisant pour
l'injection de porteurs chauds, le champ élec-
trique élevé régnant dans la zone de pincement
d'un transistor MOS à canal court) a été déve-
loppé par TEXAS IPTRUlENT. G, donne à la f igure 1-13 la représentation de ce dispositif.
Lk
autre dispositif analogue mais dans
lequel la grille d'effacement est située sous
la
grille flottante a été développé par TOSHIBA
[38]. l'btons encore une structure analogue à
celle de chez TEXAS mais réalisée avec un MOS
canal P et en technologie CMOS [391 et qui présente l'avantage d'utiliser très peu de puissance.
- Stuctures à effacement par conduction dans le
nitrure telles les structures développées par
NEC [40] ou par GENERAL ELECTRIC [41]. Le schéma de ce dernier dispositif est donné à la
figure 1-14. L'écriture est réalisée par la
mise en avalanche de la jonction source subs-
trat et l'effacement par conduction PooleFrenkel dans le nitrure par le biais d'une
tension appliquée à la grille supérieure.
- 37 -
- Structure à injection
de porteurs chauds à
travers une couche de nitrure telle La structure NAMIS (nitride barrier avaLanche injection
metal insulator semiconductor) [42]. Cette
structure utilise un procédé original de nitruration thermique du silicium, pour former la
couche isolante entre le canal et la grille
flottante. Cet isolant présente l'avantage
d'avoir une faibLe concentration en centre de
piègeages et une faible conductivité intéressante dans le cas de l'injection par porteurs
chauds. De plus les hauteurs de barrière à
l'interface siliciumnitrure sont modérées
(1,05 e.v. pour les électrons et 1,85 e.v. pour
les trous). L'écriture se fait par injection
d'électrons chauds, l'effacement par injection
de trous chauds.
D'autres structures utilisent une conduct ion, à travers des isolants d'un type nou-
veaux. Q notera parmi ces derniers
:
l'oxynitrure [43] [44] et le dioxyde de
silicium riche en silicium [45].
i pourra aussi noter que La majorité
des structures sont réalisées sur silicium mas-
sif, toutefois certains dispositifs sont réalisés
en technologie sur saphire en technologie mono
canaL [46] ou en technologie CMOS [47].
- 38 -
ILLE PLØ17MflE
CA
Nl
N
!ALANT
aJeemAT
FIGURE 1-15
Structure "Lubistor"
G2(AI)
G1 (potySi
S ¡02 (C.v.D.)
B's
Sj02
!& AA
ir
Polyojiede
ff///4
N4
D
N
P SubsIfat
FIGURE 1-16
:
Structure "BIPEAROM"
w
SiO
- 39 1.3.2.2
Structures bipolaires
Bien qu'il existe des mémoires EPROEI utili-
sant des structures bipolaires [481, les structures
de types EEPR'1 sont à notre connaissance très peu
développées. bus citerons deux structures
:
Le "LWISTOR" (lateral, unidirectional, bipolartype insulated-gate transistor) ou transistor bipolaire à conduction unidirectionnelle et à grille
isolée latérale, et dont Le fonctionnement s'appa-
rente à celui d'une diode [49]. La représentation
schématique de cette structure est donnée à la
figure 1-15.
La structure "BIPEARCM" [50] dont le schéma est
donné à la figure 1-16. ElLe est constituée d'un
transistor bipolaire et d'une grille flottante
permettant de contrôler la base du transistor. La
variation de l'état de la base : accumulée, déplétée ou inversée permet de moduler la valeur du
courant de base. C'est la variation de La valeur du
gain qui permet la lecture de ce dispositif.
L'effacement (qui correspond à une dégradation du
gain) s'effectue en chargeant positivement la gril-
le flottante par un effet tunnel Fowler-brdheim
entre la grille de commande et la grille flottante.
L'écriture (c'est-à-dire le retour au gain normal)
s'effectue par injection d'électrons chauds issus
de l'avalanche de la jonction émetteur-base sans
polarisation de La grille de commande.
- 40 -
Ce type de structure bipolaire a pour
avantage de conduire à des EEPR1 de faibles temps
d'accès (< lOOns). Leur rétention est équivaLente aux
structures en technologie MOS, par contre ces EEPRCM
présentent deux inconvénients majeurs
:
la nécessité d'utiliser une tension de
programmation pulsée très élevée C> 40V),
un seuil d'endurance limité à une dizaine de
cyc les.
- 41 -
1.4 CONCLUSION
Parmi tous les systèmes de mise en mémoire non volatile
précités, nous ne retiendrons que les systèmes à semiconducteurs
car ils présentent le triple avantage d'avoir de faibles dimen-
sions, d'être d'une utilisation aisée et d'être réalisés dans des
technologies déjà au point ou très avancées. Ce type de mémoire non
volatile (EEPROM) suit une forte croissance et sera amené à suppléer les mémoires ROM.
Si
l'on considère donc les mémoires inscriptibLes et
effaçables électriquement, on constate que chaque dispositif non
volatil est caractérisé de manière prédominante par l'un des points
suivants
:
technologie MOS
:
structures type MNOS
Structures à grille fLottante ) mécanisme
d'injection
par effet
tunne L
mécanisme
d'injection
par émission
de porteurs
chauds
technologie bipolaire
Les structures bipolaires sont aujourd'hui très peu
développées et leurs caractéristiques actuelles sont
rédhibitoires vis â vis des composants réalisés en technologie
MOS.
- 42 -
Le MNOS comparé aux dispositifs à grille flottante présente des caractéristiques moins bonnes ou équivalentes. Les incon-
vénients majeurs sont liés d'une part à la difficulté de fabriquer
de très faibles épaisseurs d'oxyde de silicium reproductibles,
d'autre part ils résident dans l'existence de sites de stockage
"sauvages" dont la localisation est mal déterminée et qui a pour
conséquence une redistribution et une perte de charges au cours des
lectures et des programmations répétées. Sa supériorité par rapport
aux autres dispositifs réside essentiellement dans une moins grande
sensibilité aux perturbations extérieures telles par exemple le
rayonnement de particules a (structures "durcies").
préférera donc les structures à grille flottante. Pour
ces structures, il est difficile de se prononcer de manière absolue
en faveur du mécanisme d'injection par effet tunnel plutdt que par
porteurs chauds , car d'une part, globalement les avantages des
uns semblent compenser celui des autres, d'autre part des structures utilisant de nouveaux oxydes diminuent les inconvénients liés
au mécanisme tunnel, et enfin des structures utilisant les deux
mécanismes liés aux deux principes d'injection en atténuent les
défauts.
Les inconvénients majeurs de l'injection par porteurs
chauds semblent etre le bon contr6le de l'injection et la consommation élevée de courant liée à cette injection. Pour l'effet tunnel l'inconvénient majeur semble être une dégradation possible de
l'information à la lecture. Cet inconvénient peut-être masqué par
des améliorations technologiques ou l'utilisation d'une conf igura-
tion particulière en circuit (par exemple :
nulle).
lecture sous tension
- 43 -
Le choix d'un point mémoire à injection du type tunnel
permet, relativement aux points mémoires à injection par porteurs
chauds, une diminution de la consommation. Cette réduction de con-
sommation peutêtre assurée aussi par le développement de la technologie CMOS appliquée à La réalisation de mémoire non volatile.
Les performances actuelles moyennes des points mémoires à
grille flottante sont les suivants
temps de programmation
:
:
i à lOms
- tension de programmation
: 15 à 20V
- seuil d'endurance
: 10 000 cycles écritures/effacements
- rétention de l'information
i0 ans
Enfin nous noterons que si
La taille actuelle des EEPROM
est de 1,5 à 3 fois celle des mémoires vives et les rendements
comparativement élevés [511, l'amélioration des technologies doit
permettre de pallier ces désavantages.
CHAP! TRE
LE DISPOSITIF FLOTOX
:
II
CARACTERISTIQUES ET MODELISATION
11.1 DESCRIPTION - PRINCIPE DE FONCTIONNENENT ET TECHNOLOGIE
11.1.1 Description
La structure Flotox représentée schématiquement à
la figure 2-1 est une structure à grilles empilées.
L'une des deux grilles est entièrement située
entre deux couches d'isolants et n'est reliée à aucune
connexion extérieure. Le potentiel de cette grille est donc
flottant et c'est pour cette raison qu'elle est appelée
"grille flottante".
Si l'on fait abstraction de cette grille
flottante, le reste de la structure s'apparente à un
transistor MUS classique. Elle est en effet composée d'un
substrat de silicium de type N ou P de résistivité élevée
dans lequel sont réaliséedeux zones fortement dopées
(diffusions) et d'un type de conductivité opposé à celui du
substrat. L'espace entre les diffusions est recouvert d'une
couche isolante elle-même surmontée d'une électrode de
grille commandée par un potentiel extérieur.
Dans la structure considérée dans sa totalité
s'insère la grille flottante dont la forme est telle
qu'elle présente une zone amincie d'isolant au dessus de
l'une des diffusions ; c'est cette particularité qui
distingue le dispositif Flotox des autres dispositifs à
grille flottante.
Les couches Isolantes sont généralement réalisées
en dioxyde de silicium (Si02). Toutefois d'autres types
d'isolants peuvent etre utilisés, notamment entre les deux
grilles constitutives de la structure, et tel, par exemple,
que le nitrure de silicium (SI3N).
- 46 -
ISOLANT 2
GRILLE 0E CONTROLE
ISOLANT i
GRILLE FLOTTANTE
ZONE
AMINCIE
r
ZONES DIFFUSEES
SUBSTRAT
1'
FIGURE 2-1 : Structurschêmatque dUdìsposìtif Flotox
SOURCE
GRILLE
(s)
1(G)
(y
SUBSTRAT
(B)
FIGURE 2-2
:
Structure du transistor MOS
DRAIN
(D)
Les grilles sont généralement réalisées en
silicium polycristallin.
L'épaisseur de la premiare couche d'oxyde située
entre le substrat et la grille flottante correspond
l'épaisseur d'oxyde de grille classique d'un transistor NOS
pour une technologie donnée. L'épaisseur de la zone amincie
dans l'état actuel varie entre loo et 200
, mais sa valeur
exacte ainsi que la valeur de l'épaisseur de l'oxyde entre
grilles sont déterminées comme nous le verrons, en tenant
compte des possibilités technologiques et de l'optimisation
du fonctionnement du composant.
II0L.2 Principe de fonctionnement
Le fonctionnement du dispositif Flotox repose sur
deux principes
- la possibilité d'emmagasiner une charge sur la grille
flottante,
- l'utilisation de la conduction contrôlée par effet de
champ à travers la zone amincie pour véhiculer les
charges que l'on veut emmagasiner dans la grille
flottante, ou au contraire, enlever de celle-ci.
VFR< V0 <VT
p
muon
enuch. 49
(n)
4. trou.
a .Trqn.I.t.r bIo1ui.
Ion
b7raa.i.t.r o. (albi.
los.
t
VG >Vr
C-1ranai.tor on
tort. L
d_?rin.tat.r en
ion
tort. I
Canal non piaci.
Io
D
vD= de
bioqud
(albi. J piaci
.pralon1
I
ID(VG)
FIGURE 2-3
:
ion.
Canal piaci
.
non
pl na'
non I
pineif
ptned%,f0_dt.e
i
ID(vD)
Prtnclpe dé fonctionnément du transìstórMOS
- 49 -
11.1.2.1 Effet de la charge emmagasinée sur la grille
flottante
A
Rappel du fonctionnement d'un transistor MUS
Dans ce qui suit, nous ferons
référence à la structure classique d'un
transistor MOS, telle celle qui est
représentée de maniàre schématique à la figure
2-2
Si l'on suppose que la source et le
substrat du transistor
S sont à la masse et
qu'une tension VD positive est appliquée au
drain, une tension appliquée sur la grille se
traduit à l'interface Si-6i02, par un champ
électrique dont les effets
[521 sont
représentés à la figure 2-3.
accumulation de trous
- VG <VFB
à l'interface, le
transistor est bloqué.
- VFB < VG < VT
:
extension de la
charge d'espace sous
la grille, puis faible inversion ;
courant drain est
très faible.
le
- VG> VT
:
forte inversion. Le
courant drain devient
notable et, suivant
les valeurs relatives
de VG et VD, le
canal d'inversion est
pincé ou non.
D' VG
T'
FB
représentent respectivement
les tensions
drain, grille, tension de seuil et tension
de bande plate.
B - Expression de la tension de seuil
Les expressions des lois de
courants, qui caractérisent le transistor 1DS
ainsi que l'expression des différents
potentiels peuvent être obtenues à partir des
équations suivantes
densité de courant d'électrons
Jn = qi.tn nE + q Dn Vn
(2-4)
densité de courant de trous
+
Jp = qi'p pE - qDpVP
(22)
équation de Poisson
V2V +i_ = O
(2-3)
- 51 -
- A l'interface Si-BiO2
loi de Gauss à l'interface
cox Eox -
E
= Qox
(2-4)
- Dans l9oxyde de grille
équation de Poisson
(2-5)
v2v = O
où :
q est la charge de l'électron
tn,
ip
la mobilité des électrons,
des trous
Dn, Dp
la constante de diffusion
des électrons, des trous
n, p
la concentration des élec-
trons, des trous
E
le champ électrique
Eox, Es la composante normale du
champ électrique dans
l'oxyde, dans le silicium
V
eox,
le potentiel
la permittivité absolue de
l'oxyde, du silicium
FIGURE 2-4
REpARTITIoi OU POTENTIEL ET DES CHARGES
DANS LE TRANSISTOR MOS
- 53 -
p la charge, par unité de volume,
dans le silicium, Qox la densité de charges
fixes dans l'oxyde, par unité de surface
ramenée à l'interface Si-BiO2.
La résolution de ces équations dans
le cas de l'approximation graduelle de
Shockley)(c'est-à-dire lorsque
Vl»32V
9y2
Ic2
et valable en régime de non pincement du
canal) permet d'obtenir des expressions
analytiques des courants.
Lorsque l'on applique une tension
positive entre la grille et le substrat, il
apparatt une zone de charge d'espace dans le
silicium et des porteurs libres (électrons) à
l'interface Si-BiO2. On peut considérer que
les porteurs sont dans un état de pseudo-équilibre thermodynamique, donc que leurs densités
sont définies par des pseudo-niveaux de Fermi.
Comme il n'existe pas de composante de courant
normale à l'interface Si-BiO2, les pseudoniveaux de Fermi sont constants dans la zone de
charge d'espace. La différence de potentiel
(x) qui s'établit entre la couche d'inversion
et le substrat neutre, se traduit par une
courbure des bandes d'énergie sur une distance
xd (figure 2-4).
Lors de l'emploi des transistors
MOS, les courants utilisés de manière pratique
correspondent à ceux de la forte inversion.
On définit la tension de seuil,
c'est.L4jre la tension qu'il faut appliquer
sur la grille pour obtenir une conduction
aisément détectable dans le canal, comme
l'extrapolation
1D = O, de la
caractéristique 'D (VGS) en forte
inversion pour V
revient
tras faible. Cela
définir la tension grille source
pour laquelle la densité de charges Qc, dans
la couche d'inversion est nulle en régime de
forte inversion.
La résolution de l'équation (2-3)
permet d'obtenir la densité totale de charges
(par unité de surface) Q5 dans le silicium.
En régime de forte inversion
Rs = - K Cox vTI/2
-
[
(2q
K-
i+
exp(L-2UF-UC)
(2-6)
NB)'"2
C
(2-7) est le coefficient
ox
d'effet de substrat
N
UF = log () =
est le potentiel
de Fermi normalisé
UC
est l'écart de potentiel normalisé
entre les pseudoniveaux de Fermi
ni est la concentration intrinsèque
en porteurs du silicium et NB le dopage du
silicium.
- 55 -
s
est le potentiel
de surface normalisé
est la tension
thermodynamique
k est la constante de Boltzmann et T
la température absolue.
Cox est la capacité d'oxyde de
grille par unité de surface.
L'écriture de la loi de Gauss (2-4)
permet de déterminer le potentiel de surface.
La densité de charge Qox ramenée à
l'interface est la somme de 2 termes
Qox = QoxF - kT Ds
avec QoxF
:
-
(
)
(2-8)
densité totale de charges fixes
dans l'oxyde et à l'interface,
dans les conditions de bandes
plates
=
(1.
= O)
Dss : densité d'états de surface par
unité de surface et par e.v.,
supposée constante dans la bande
interdite
L'équation (2-4) donne
VG
VFB =
s +
-
ox
(2-9)
ox
- 56 -
avec
VFB
QF
ox
=
MS
C
ox
la tension de bande plates et
la
différence des potentiels d'extraction métal
semiconducteur.
= qD
la capacité par unité de surface associée
ac
états de surface.
La combinaison des équations (2-6)
et (2-9) conduit
l'équation donnant le
potentiel de surface en régime de forte
inversion
(V- y.)2
+
=
+
C
V
log
K2
'T
+ 1] (2-10)
VT
CsS
avec
VGE = VG - VFB +
1=1+
(2-11)
CS5
C
(2-12)
ox
- 57 -
avec
OXF
VFB=MS
ox
la
la tension de bandes plates et
différence des potentiels d'extraction métal
semiconducteur.
= qL
la capacité par
unité
de surface associée aux
états de surface.
La combinaison des équations (2-6)
et (2-9) conduit à l'équation donnant le
potentiel de surface en régime de forte
inversion
2
(VGE
=
2tE
avec
+ v
log
VGE = V G
K2
-v FR +
Css
"Y'
=
+
ox
+ 1 (2-10)
"T
"T
(2-11)
Cox
C
(2-12)
- 58 -
Le potentiel de surface est peu
dépendant de VG [53] et l'équation (2-10)
se réduit
S2F
où
(2-13)
est "l'excès" du potentiel de surface en
forte inversion.
L'expression (2-13) étant peu
dépendante de VG, on peut alors écrire
QS
Q
+ Qß et la relation
de neutralité (2-9) s'écrit
+
VG VFB=
ss
B
)-
La charge Q
_- e- (2-14)
dans la couche
d'inversion est obtenue à partir de cette
relation
Qc=C ox
(VG -VGI )
(2-15)
avec
V
GI
=VFB
+
C
+ n
A
I
n' =
- -BI + 2
Cox
c55
F
(1 +
Cox )
(2 16)
COXFCDI+ CSS
Cox
(2-17)
- 59 -
(2-18)
N
C
DI
=[
I
2(2$F+ CVT)
et
= - [2q
:
(2-19)
+ CDI M'
BI =
/2 (2-20)
- VT)1
NB
La définition de la tension de seuil
= 0, conduit d'après (2-15) et (2-16)
par Q
â:
1/ 2
V
= V
T
FB
+ 2
+ K (V +2
B
F
soit
:
F _VT)
VT = VTC
+ A1+ 2F
(2-21)
--
+V]
1/2
où
VFB + 2
VTC
:
F
+ K (VB +
(2-22)
2
qui est l'expression approchée classique
(et où on néglige VT devant VB + 2F)
CSs
= M n1 + 2
VT
(2-23)
,
-;----
ox
qui est la déviation de la tension
de seuil due â M' et â ASS.
L'écart M' du potentiel de surface
en fonction de la tension grille est obtenue
par la relation
'ft
1/2
[2
F +
+ A
- VT
+ '
T
exp
- [2
+
+A- VTI
i
=
K
(VG - VGI)
(2-24)
- 60 -
C - Influence sur la tension de seuil de la charge
emmagasinée sur la grille flottante
Lorsque l'on emmagasine une charge
sur la grille flottante par un mécanisme différent de ceux qui interviennent dans l'utilisation du Flotox en tant que transistor ltS
(par exemple mécanisme d'injection par champs
électriques élevés), on peut considérer que
la charge de la grille flottante se comporte
comme une charge fixe lors d'une utilisation
du Flotox en tant que transistor MOSO
Cette charge "fixe" de l'oxyde modifie les équations décrites précédemment par un
terme
supplémentaire
qui intervient dans l'ex-
pression de la tension de bandes plates.
En effet cette expression devient
VFB
Où
=
(QOXF
Cox
+
QGFC
Cox
(2-25)
QGFC est la densité de charges situées
dans la grille flottante au dessus de
la zone canal.
- 61 -
L'expression générale de la tension
de seuil du transistor Flotox peut alors
s'écrire, si l'on conserve les notations
classiques du transistor MOS
V
T
=V FB _QGFC+
2F
Cox
+
+ K (VB + 2F - VT)
(QFG)n1 + 2
2!!
F Cox
Lorsque VG = VT, cela signifie
que Qc = O et donc VG - VGl = O
d'après (2-15)
A partir de 2-24, on en déduit que
t. ne dépend pas de VFB ; l'expression
de la tension de seuil se réduit alors à
VT =V FB
QGFC+
Cox
1/2
2F
+ K (VB
2F
VT)
+ 1F
n
+2'
I
F Cox
- 62 -
Il est toutefois important de
remarquer que cette expression de tension de
seuil correspond à la tension qu'il faudrait
appliquer sur la grille flottante pour avoir
un début de conduction dans le canal. Or, la
grille flottante n'étant pas accessible direc-
tement à la mesure, cette expression de la
tension de seuil ne correspond pas comme nous
le verrons à une réalité expérimentale.
Cependant elle met bien en évidence
la relation linéaire qui existe entre la charge emmagasinée et le début de conduction.
On
peut ainsi, suivant la charge stockée avoir un
transistor "bloqué" lorsque l'on applique à la
grille de contr6le des valeurs de tension
utilisées classiquement en circuit intégré, ou
au contraire un transistor "passant".
Un tel système permet donc le codage
binaire d'une information.
11.1.2.2 Mécanisme de charge et de décharge de la grille
f lo t t ante
Nous venons de voir que les dispositifs
à grilles flottantes sont des composants à seuil
ajustable.
La particularité du Flotox est que cet
ajustement se fait électriquement par une conduction de porteurs à travers une couche mince d'oxy-
de située au dessus d'une diffusion.
- 63 -
- Si cette couche est suffisamment min-
ce, et s'il existe un champ suffisant entre la
grille flottante et la zone diffusée, des élecsuivant le
trons ou des trous peuvent transiter,
la zone
sens du champ et le type de porteurs, de
diffusée vers la grille flottante ou de la gril-
le flottante vers la zone diffusée. Ce transit
de porteurs peut être réalisé par effet tunnel
direct si l'isolant a une épaisseur inférieure à
50 A ou par conduction tunnel assitée par champs
électriques de type Fowler Nordheim pour des
isolants tel le dioxyde de silicium et pour des
épaisseurs supérieures à 50
Si on utilise un isolant tel le nitrure
de silicium, l'émission de porteurs est essentiellement du type Frenkel-PoOl, c'est-àdire
qu'elle est due à l'excitation thermique augmentée par effet de champs des électrons piégés
dans la bande de conduction. [5411
115511.
Il est toutefois intéressant d'utiliser
conduction qui
un isolant présentant un type de
dépend faiblement de la température, afin d'évidispositer des changements de comportement du
tif lors d'éventuelles variations de tempéra-
ture. Cet avantage est présenté par le dioxyde
de silicium, qui de plus est très facilement
réalisable d'un point de vue technologique.
C'est pourquoi on utilisera le dioxyde de silicium comme isolant mince dans les structures
Flotox. (Dans ce qui suit nous parlerons désormais de l'oxyde mince).
- 64 -
- Le champ électrique nécessaire à la
conduction est réalisé grê.ce à l'application d'une
tension externe ; cependant durant le stockage des
charges sur la grille flottante,
cette accumula-
tion de charges créera un champ interne qui vien-
dra s'opposer au champ externe appliqué
;
on peut
donc d'ores et déjà penser que pour un champ électrique externe donné, le stockage de charges sur
la grille flottante s'auto limitera.
- Si les diffusions et le volume du
semiconducteur sont à un même potentiel de référence 0V et si l'on applique une tension positive
à la grille de contrôle, on augmente par couplage
le potentiel de la grille flottante, Si ce dernier
est suffisant, le champ dans l'oxyde mince orienté
de la grille flottante vers la zone diffusée per-
mettra par effet tunnel Fowler Nordheim le passage
des électrons de la zone diffusée vers la grille
flottante et par conséquent, l'accumulation
d'électrons dans la grille flottante dans la
mesure où le transport d'électrons dans l'isolant
entre la grille flottante et la grille de contrôle
est inexistant ou tras faible. Cette dernière
condition peut être atteinte en utilisant l'une ou
plusieurs des propriétés suivantes de l'isolant
inter grilles
utilisation d'un isolant inter grilles dont la
permittivité diélectrique
est grande devant la
permittivié diélectrique de l'oxyde mince.
utilisation d'un isolant inter grilles dont la
hauteur de barrière est plus élevée que celle de
l'oxyde mince.
- 65 -
réalisation d'un isolant inter grilles dont
l'épaisseur est grande en regard de l'épaisseur
de lt oxyde mince de façon à minimiser le champ
dans l'isolant inter grilles.
Il faut de plus, afin de minimiser les
courants de fuite dans i' isolant inter grilles que
l'épaisseur de la grille flottante soit suffisamment grande pour que les électrons émis soient
revenus au niveau de Fermi de la grille flottante
avant d'atteindre l'isolant inter grilles.
Pour décharger la grille flottante,
voire même y stocker des charges positives, il est
nécessaire d'appliquer un champ aux bornes de
l'oxyde mince de sens opposé au précédent. Pour
cela on connecte la grille de contrôle à 0v, la
zone diffusée sous oxyde mince est polarisée à une
tension positive, l'autre zone diffusée peut être
suivant les iides d'utilisation à 0V, en "l'air",
ou au même potentiel que la zone diffusée située
sous oxyde mince
;
quel que soit le node de
polarisation de cette zone diffusée, on ne change
pas le principe de fonctionnement du dispositif.
Le volume, lui, est laissé à 0v.
Dans ce cas le champ dans l'oxyde mince
est orienté de la zone diffusée vers la grille
flottante, ce qui provoque le départ des électrons
de la grille flottante et éventuellement l'apport
de trous dans cette dernière. Dans ce dernier cas
la charge stockée sur la grille flottante est
positive.
- 66 -
11.1.3 Technologie utilisée pour réaliser le dispositif Flotox
Les dispositifs d'étude Flotox ont été réalisés
en technologie canal N.
Le matériau de départ (substrat) utilisé est du
silicium de type P d'orientation cristallographique <1,0,0>
et de résistivité 14-22
cm (c'est-à-dire correspondant à
à I 10
cm3).
un dopage de 8 10
La résine de masquage utilisée est une résine
positive.
Les différentes étapes de réalisation sont les
suivantes
- nettoyage initial du matériau de départ
o
- croissance oxyde thermique 700 A
o
- dép6t nitrure 1000 A
+ 1er masque
:
définition zone active
- implantation de champ bore
- gravure nitrure
- oxydation Locos
+ 2ème masque
:
ajustement tension de seuil des
transistors Flotox
- implantation bore
- élimination oxyde/nitrure/oxyde
- 67 -
- croissance de l'oxyde de grille (850
+ 3ème masque
définition de la zone préimplantée avant
:
le dépôt de silicium polycristallin
- implantation N+
ouverture zone mince sur diffusion
+ 4ème masque
- croissance oxyde mince (80
à 200
- dépôt de la première couche de silicium
polycristallin (silicium polycristallin
gravure silicium polycristallin
+ 5ème masque
1
implantation (source-drain)
- oxydation silicium polycristallin i
o
(de 500 à 1000 A)
- dépôt de la deuxième couche de silicium
polycristallin (silicium polycristallin
+ 6ème masque
:
gravure silicium polycristallin 2
- oxyde thermique + oxyde épais
ouverture contact
+ 7ème masque
- dépôt aluminium
+ 8ème masque
:
gravure aluminium
- dépôt verre de passivation
*
OUVEU
PCXIrLANTATION
P.Y I
¡
i
H
I
L
L_
J
PY 2
Jj
j
zone active (1er masque)
préimplantation (3ème masque)
ouverture zone mince (4ème masque)
gravure silicium polycristallin 1 (5ème masque)
gravure sili:cium polycristallin 2 (6ème masque)
FIGURE 2-5
:
Réalisation technologique du dispositif Flotox (vue de dessus)
- 69 -
+ 9ème masque
:
ouverture plots de thermocompression
- opérations finales
Le schéma, comportant les 5 niveaux de masque les
plus significatifs de la réalisation du dispositif Flotox
est donné en vue de dessus à la figure 2-5.
Les étapes technologiques énoncées précédemment
sont décrites à l'aide des schémas constituant la figure
2-6
- 70 FIGURE 2-6
:
Etapes technologiques de fabrication du dispositif Flotox
9102
Oxydation 700
SUBSTRAT SI (P)
o
Nitrure 1000 A
SUBSTRAT SI (P)
Dépôt résine
RES I NE
9X3 N4
9X02
SUBSTRAT SI (P)
1er masque
4
RESINE
- Insolation avec le
91g N4
1er masque
9102
SUBSTRAT St (P)
- 71 -
RESINE
SI 3N 4
SIQ2
- Attaque du nitrure
SUBSTRAT SI
(;)
LL
s
(
(P)
(1:,
RESINE
S13N4
- Implantation ionique
d'isolement Bore
SUBSTRAT SI
2.1013 at/cm2
(P)
35 keV
S13N4
Elimination résine
SUBSTRAT SI
- Nettoyage implantation
ionique
- Recuit d'isolement bore
(diffusion des ions positifs
p+)
zone
FIGURE 2-6
(P)
- 72 -
- Oxydation Locos
- Dépôt nitrure
2e masque
:
définition
des zones à ajuster
- Insolation
- Implantation ionique bore
5.1012 at/cm2
;
70 keV
- Elimination résine
- Attaque nitrure
- Attaque oxyde
FIGURE 2-6
- 73 -
- Oxydation grille
S132
2'
- Dépôt résine
3ème masque
- implantation ionique phosphore
4.1015 at/cm2
loo keV
- dépôt résine
4ème masque
ouverture zone mince Flotox
+ insolation
+ attaque Si02 grille
+ élimination résine
+ nettoyage
- Oxydation fine Flotox
-Dépôt du silicium polycristallin
- Dépôt résine
FIGURE 2-6
P
- 74 -
5ème masque
- Gravure silicium polycristallin
+ insolation
+ gravure du Si poly
+ élimination résine
+ nettoyage
- Implantation ionique N++ drains
sources
phosphore
ee
1..
J.
J'
J'
:
- Nettoyage
- Oxydation entre poly i et
poly 2
- Dépôt résine
6ème masque
gravure du silIcium
polycristallin 2
:
-
$1 POLY 2
Gravure du poly
Elimination résine
Nettoyage
Oxydation thermique
Dépôt de l'oxyde épais
- Dépôt résine
7ème masque
- Insolation
- Attaque des contacts
- Elimination résine
- Implantation ionique phosphore
5.1014 at/cm2
;
CYU
AI$
35 keV
- Recuit 9000 d'implantation
- Dépôt de l'aluminium
- Dépôt résine
N.
8ème masque
- Insolation
- Attaque aluminium
- Recuit aluminium
- Elimination résine
- Dépôt verre de passivation
- Gravure oxyde de passivation
9ème masque
- Ouverture des plots thermocompressi on
- Opérations finales
AUJNINflaI
11.2 CABACTERISTIQUES ELECTRIQUES ET MODELISATION
11.2.1 CaractéristiqueS électriques
En faisant référence â la figure 2-1 on constate
qu'il existe deux possibilités d'utilisation du Flotox
lorsque l'on veut mesurer le courant drain-source
Soit la zone diffusée située sous la zone d'isolant
amincie est connectée à la masse ; et on dira alors que
la source est située du côté zone mince.
Soit cette diffusion est connectée â un potentiel positif
tandis que l'autre diffusion est mise à la masse ; on
dira alors que le drain est situé du côté zone mince.
11.2.1.1 Présentation des dispositifs utilisés pour les
mesures
Les dispositifs utilisés pour la mesure
sont de deux types
Un dispositif Flotox tel qu'il a été décrit dans
le paragraphe 11.1, et auquel est adjoint un
transistor série. Ce dernier transistor permet
de se placer dans une configuration telle que
celle qui est couramment utilisée dans une
mémoire EEPROM.
Un dispositif Flotox identique au précédent mais
dont la grille flottante est connectée à un
plot extérieur. A ce dispositif est aussi
adjoint un transistor série.
-
Nocif NI
typa ¿s dispositif
76 -
graa4s na,.rc.
FONCTZOI4
ITFE
0E
D [SPOSIrIF
CARACtERISTIQUES
Tsdaoire : Z/L S/S
t accès Z/V_ S/S
T.énaireZIL 6/S
T accès ¿IL 6/S
La grilLe 62 ast
Co_Un, avac le
point .4.o&re
prEcedent
F1'GURE 2-7 : Motif Comportant 3
types de transistors Flotox
ICTZF A
t-
I
ZU.i p.crTmT
&
Tzs
-
OU TWNL$TOU
tI
FIGURE 2-8
:
Figure détaillée du motif précédent
I(I
prlL.pLaur*tion
drait
En fait ces dispositifs, regroupés sur
un même motif sont voisins et ont la grille du
transistor série commune. Le motif comporte en
outre un ensemble transistor Flotox-transiStor
série dont les règles de dessin sont plus serrées
que celles des autres dispositifs.
Ce motif est représenté à la figure 2-7.
Une figure détaillée où le silicium polycristallin
2 n'a pas été représenté est donnée à la figure
2-8.
La photographie de ce motif et celle du
dispositif Flotox avec son lIDS série sont données
à la figure 2-9.
Ce même type de motif à été réalisé avec
une surface d'ouverture mince plus faible (3x3 I.Lm)
et pour deux valeurs de surface en regard silicium
polycristallin 2 et 1.
Ces différents motifs ont été réalisés
avec la technologie décrite précédemment et
implantés
sur le masque "BED".
11.2.1.2 Résultats qualitatifs
Nous avons réalisé les mesures
classiques des courants drain-source en fonction
de la tension drain lorsque la grille de contrôle
est polarisée à une valeur constante, dans les
deux configurations possibles d'utilisation du
dispositif Flotox.
FIGURE 2-10
FIGURE 2-11
- 80 -
Lors de ces mesures, il est nécessaire
d'appliquer sur la grille du transistor série une
tension suffisamment élevée pour ne pas limiter
par la tension de seuil la tension appliquée
réellement à la diffusion sous oxyde mince (ce
mécanisme sera étudié ultérieurement).
Suivant le type de configuration
utilisée, les caractéristiques ont des aspects
très différents
Lorsque la source est située côté "zone mince"
la caractéristique est tout à fait semblable de
manière qualitative à la caractéristique d'un
transistor ??VS classique (figure 2-10).
Par contre lorsque le drain est situé du côté
'°zone mince" la caractéristique présente un
domaine de fonctionnement particulier (figure
2-11).
Dans la zone ohmique la caractéristique est
semblable à celle d'un transistor ìDS classique.
Dans la zone qui correspond à la zone de
saturation d'un transistor ÌOS classique, la
caractéristique est courbe et s'apparente à une
caractéristique
:
courant drain-source en
fonction de la tension grille de contrôle pour
une tension drain constante d'un transistor ÌDS
classique.
11.2.2 Détermination expérimentale de la relation qui existe entre
la tension de la grille flottante et les tensions extérieures appliquées
11.2.2.1 Principe de l'expérience
Le principe de base de l'expérience
réalisée repose sur le fait que lorsque deux TMOS
sont absolument identiques, ils donnent des
valeursde courants identiques pour une même
valeur de tension grille.
En supposant alors que les disparités
d'ordre technologique entre deux dispositifs
voisins sont suffisamment faibles pour être
négligés (pour le motif décrit précédemment la
distance entre les deux canaux de deux dispositifs
voisin est de 75 um).
On pourra utiliser deux dispositifs pour
faire une nsure différentielle.
Ainsi l'utilisation du dispositif Flotox
grille flottante sortie permettra, en utilisant
sa grille flottante comme grille de commande de
déterminer par comparaison des caractéristiques
courant - tension avec celles du dispositif Flotox
voisin, la tension "vue" sur la grille flottante
d'un dispositif Flotox lorsque diverses tensions
extérieures sont appliquées.
La tension "vue" sur la grille flottante
correspond à la tension qu'il faudrait appliquer
réellement à la grille flottante pour obtenir les
mêmes caractéristiques qu'avec la grille flottante
sortie.
11.2.2.2 Démarche expérimentale
Pour réaliser cette expérience on
utilise le motif du masque BED (grande ouverture)
en plaçant les Flotox dans la configuration
drain c6té zone mince. La source et le substrat
sont reliés
la masse (0V qui servira de
référence pour les tension). Le relevé des
caractéristiqUeS est effectué à l'aide d'un
traceur de courbes Tektronic 576.
Un premier relevé des caractéristiques
courant drain en fonction de la tension drain est
effectué sur le dispositif à grille flottante
sortie
;
cette grille joue alors le même rôle
qu'une grille de commande pour un transistor MOS
classique.
Le tracé est effectué pour différentes
valeurs de la tension de la grille flottante.
On effectue ensuite sur le dispositif
voisin du précédent (transistor du type Flotox),
le relevé de la caractéristique courant drain en
fonction de la tension drain pour différentes
valeurs de la tension de la grille de commande.
En se rapportant alors à la première
caractéristique cette valeur du courant et la
tension drain correspondante, permettent de
trouver la tension grille flottante nécessaire
pour obtenir ce courant.
- 83 -
Cette valeur de la tension grille
flottante peut être
soit lue directement, si le point est situé sur
l'une des caractéristiques.
soit évaluée par interpolation linéaire si le
point est situé entre deux caractéristiques.
Cette méthode permet de tracer la
caractéristique de la tension grille flottante
en
fonction de la tension drain.
On utilise la même démarche afin de
tracer la caractéristique de la tension de la
grille flottante en fonction de la tension de la
grille de commande, en se plaçant à tension drain
constante sur la caractéristique 1D de VD du
transistor Flotox, puis en procédant comme
précédemment afin de trouver la valeur de la
tension grille flottante pour une valeur de la
tension grille donnée.
Résultats expérimentaux
Un exemple des résultats obtenus à partir de la démarche expérimentale précédente est
donné à la figure 2-12. Cette figure représente
les variations de la tension de la grille flottante en fonction de la tension drain pour une tension grille de commande donnée, et les variations
de la tension de la grille flottante en fonction
de la tension de la grille de commande pour une
tension drain donnée.
__ li - ROI(
- ..4t IS
LI
VOS-1. 3V
Y
iI'
___ I
¡I
MOTIF IS
VOS -LI V
S
FIGURE 2-12
:
fonctìon
Variations de la tensìon de la grille flottante en
des tensions drain et grflle de commande
- 85 -
A partir de ces résultats expérimentaux,
on constate qu'il existe une relation linéaire
entre la tension de la grille flottante et la
tension drain. Il en est de même entre la tension
de la grille flottante et la tension de la grille
de commande.
Dans le cas où les mesures se font
tension grille de commande constante, la relation
entre la tension de la grille flottante et la
tension drain peut s'écrire
VFG
BVD + B'
(2-27)
où VFG est la tension de la grille
flottante, VD est la tension drain (ces tensions
étant référencées par rapport
la source), B et
B' sont des constantes et l'on peut écrire
B' = AVG + K'
(2-28)
où VG représente la tension de la grille de
commande pour laquelle sont effectuées les
mesures.
(VG est référencée par rapport au potentiel
source). A et K' sont des constantes.
Dans le cas où la mesure est effectuée à
tension drain constante, on peut écrire
VFG
AVG + A'
(2-29)
où A' peut encore s'écrire
A'
BVD + K''
(2-30)
- 86 -
A, A', B, K"
sont des constantes.
Expérimentalement on trouve
K'
(2-31)
K" = K
L'ensemble de ces relations permet
d'affirmer que la tension de la grille flottante
la tension grille et â la tension
sera reliée
drain par la relation
VFG=AVG+BVD+K
(2-32)
où A, B, et K sont des constantes.
On peut noter dès à présent que la
valeur expérimentale de K est différente de zéro
bien que les mesures aient été effectuées sur des
dispositifs vierges.
- 87 -
11.2.3 Expression théorique des valeurs de couplage entre la
tension grille flottante et les tensions extérieures
appliquées
Hypothèse de base
On suppose que tous les couplages sont effectués
par l'intermédiaire de capacités planes
les armatures
étant formées par les éléments conducteurs de la structure
et les diélectriques par les divers oxydes.
:
11.2.3.1 Expression des relations entre les différentes
tensions
On définit les capacités suivantes
(relativement à la figure 2-13)
- la capacité C2 est formée par l'oxyde situé
entre les deux couches de silicium
polycristaflin (oxyde "interpoly") et ses
armatures sont constituées par le silicium
polycristallin 1 et le silicium polycristaflin
2.
On définit la surface S2 comme étant
celle du silicium polycrjstafljn 1 moins la
surface de l'ouverture pratiquée dans celui-ci
pour permettre l'implantation de la zone drain.
- la capacité Cl est formée par l'oxyde mince et
ses armatures sont le silicium polycristallin 1
situé au dessus de la "zone mince" et la zone
implantée correspondante.
On définit la surface Si comme étant
celle de la "zone mince".
COUPE AU MILIEU OU CANAL DANS LE SENS OES "L"
GRILLE POLY. Z
GRILLE NOS
O ACCES
CZ
C3
C1
I
SOURC
DRAIN
L
SUDSTRAT
cotRE Mi MILIU
i
LOCOS
-
CANAL
z
/.
SU9STRAT
reliées à.
FIGURE 2-13 : Représentation des différentes capacités
Ta grille flóttante
- 89 -
- la capacité C3 est formée par l'oxyde sous le
silicium polycristalljn i et ses armatures sont
le silicium polycristallin i et la
zone diffusée
côté zone mince.
On définit la surface S3 comme étant
celle du silicium polycristallin i situé au
dessus de la zone diffusée côté zone mince moins
les surfaces de la zone mince et de l'ouverture
pour implantation.
la capacité C4 est formée par l'oxyde sous le
silicium pølycristallin i et sur la zone canal
ses armatures sont le silicium polycristallin i
et la zone canal. Le potentiel de surface
n'étant pas uniforme dans le canal, C4
est en
fait une capacité équivalente
des capacités
réparties Ci4.
On définit la surface S4 comme étant
celle de la zone canal.
- la capacité C5 est formée par l'oxyde de champ
entre le silicium polycristallin i et le
substrat ; ses armatures sont le silicium
polycrjstallin i et le substrat.
On définit la surface S5 comme étant
celle du silicium polycristallin i moins les
surfaces des zone drain et zone canal (surface
de silicium polycristallin débordant
sur l'oxyde
de champ).
Pour chaque surface Si, S2, S3, S4, S5
on définit une densité surfacique de charge al,
a2,
,
a5, positive
par convention.
;
- 90 -
En formulant l'hypothèse que les
métaux parfaits,
armatures se comportent comme des
c'est-à-dire qu'à l'équilibre
nulle
- la charge globale en volume est
dans toute
- le potentiel est uniforme
i 'armature.
On peut écrire les relations entre les
différences de potentiel et les charges des
armatures
Pour cela on supposera, sans perte de
généralité, que VG> VD> O (dans les autres
signe des
cas de figures, les variations de
différences de potentiel et des charges sont
telles que le résultat demeurera identique).
On écrira donc
a2
VG - VGF
S
(2-33)
C2
1
S1
(2-34)
- VD =
Cl
cY3
S3
(2-35)
Vpc cs
S5
(2-36)
VFG - VB C5
S.
iL,
C.
i',
(2-37)
- 91 -
On considère dans la relation 2-37 que
la capacité sur la zone canal est
une capacité
répartie équivalente à l'association de
capacités
en parallèle de coefficient ci, de surface Si
et
dont le potentiel appliqué à leurs
armatures est
VGF - Vi où Vi est le potentiel de surface
défini en un point du canal (Vi = f (VD)).
La comparaison
des valeurs de Ci, C3
et EC14
C4 montre que même si l'on Considère
que
le potentiel, de surface dans tout le
Canal est au
même potentiel que le drain, la
contribution de C4
au couplage n'est que de 20 Z vis
vis de C1 et
C3.
Nous ferons alors l'approximation
suivante : entre source et drain,
les deux
premiers tiers du canal sont au potentiel de
la
source, le dernier tiers au potentiel du drain,
ainsi 2-37 devient
04 S4
(1/3)
VFG - VD
(2-38)
C4
(1/3)
c4 s4 (1/3)
(2-3 9)
s
C4
(1/3)
D'autre part, bien que légèrement
implanté en Bore, on supposera que l'oxyde
de
champ se comporte comme l'oxyde sous
silicium
polycristallin 1. (même constante diélectrique).
La charge nulle ou non sur la grille
flottante est exprimée par
- 92 -
- VD) + C3 (VFG - VD) + C4 (1/3PFG - VD)
soit
+ C42/3) (Vrc - Vs) + C5 (V
- VB) - C2 (VG - VFG) = Q
(2-4 1)
Le substrat en technologie canal N étant
au potentiel le plus bas, nous l'utiliserons comme
potentiel de référence
VFG (C1 + C3 + C4(1/3) + C4(2/3) + C5 + C2)
= C2 VG + (C1 + C3 + C4(1/3)) VD + Q
en posant
(2-42)
C1 + C2 + C3 + C4(1/3) + C4(2/3) + C5 = EC
on obtient
Q
C2VG + (C1 + C3 + C4(l/3)VD + C4(2/3)V5 +
(2-43)
VFG
EC
en posant
C2
(2-44)
A
EC
et
+ C3 + C4(1/3)
C
B-
(2-45)
1
EC
C4(2/3)
B'-
EC
l'expression de VFG devient
VFG = AVG + BVD + B'v5 +
(2-46)
VG - 4 V
VC-I V
VG - 2 V
VG - 2 V
VG - i V
VG - i V
u fl1
cU2U DPfZLp
5
(a)
FIGURE 2-14
Tension de la grille flottante en fonction de la tension drain (a) et de la tension
de la grille de commande (b)
- 94 -
Où Q est la charge sur la grille
flottante, et les potentiels sont référencés par
rapport au substrat. Dens ce qui suit, dans la
majorité des cas nous aurons V
O, c'est
pourquoi on ne prendra pas en compte le
coefficient B'.
11.2.3.2 Vérification expérimentale
Les coefficients A et B de la relation
2-46 sont déterminés en calculant les capacités
définies plus haut. Les surfaces sont mesurées à
l'aide d'un microscope optique et d'un vidéomtre
sur le transistor même où sont réalisées les
mesures
;
les épaisseurs sont déterminées par
mesure capacitive sur des capacités témoins de la
tranche utilisée pour les expériences.
En supposant que sur un dispositif
vierge il n'existe pas de charge sur la grille
flottante, à l'aide des valeurs de A et B
calculées et de la relation 2-46, on peut tracer
la caractéristique
:
tension grille flottante en
fonction de la tension de la grille de commande
pour une tension drain fixée
tracer la caractéristique
De même, on peut
tension grille
flottante en fonction de la tension drain pour une
tension grille de commande donnée.
Le tracé de ces caractéristiques
théoriques et des caractéristiques expérimentales
correspondantes (tracé effectué suivant la méthode
expérimentale décrite précédemment) est représenté
à la figure 2-14.
L'accord entre théorie et expérience est
très bon en ce qui concerne les pentes
;
l'erreur
maximale entre théorie et expérience est
inférieure I 10 Z.
Toutefois, en ce qui concerne la valeur
de la constante on note une forte divergence entre
théorie et expérience. Celle-ci semble remettre en
cause l'hypothèse effectuée pour le tracé
théorique consistant I dire qu'il n'existe pas de
charge 'sur" la grille flottante pour un
dispositif vierge.
11.2.3.3 Origine de la constante expérimentale
Avant d'affirmer que la constante, qui
apparatt lors de l'expérience, correspond
une
charge "vue" sur la grille flottante, il est
nécessaire de Intrer que cette constante n'est
pas dûe à la mesure ou n'apparatt pas pendant la
mesure.
Lors d'une série de mesures des
couplages et de la constante d'un dispositif
Flotox que nous avons placé sous divers
éclairements, nous avons constaté que la valeur de
la constante était invariable quels que soient ces
éclairements.
On en conclut que la présence de cette
constante n'est pas liée à un phénomène photo
électrique lors de la mesure.
- 96 -
Nous avons aussi supposé que le
dispositif aurait pu se charger et se stabiliser
très rapidement lorsque au moment de la mesure, on
applique une tension sur le drain, ou sur la
grille de commande.
Cette hypothèse a été infirmée par
l'expérience suivante
:
sur un dispositif Flotox
vierge on effectue une mesure de tension de seuil,
on polarise ensuite graduellement le dispositif
jusqu'à atteindre les tensions utilisées dans la
méthode expérimentale de détermination des
coefficients de couplages. Après chaque
polarisation on effectue une mesure de la tension
de seuil, celleci reste invariante durant toute
l'expérience. On en conclut que les polarisations
utilisées ne peuvent pas modifier la tension de
seuil du dispositif et par conséquent, la charge
située au dessus de la zone canal n'est pas
modifiée.
La dernière hypothèse, liée à la mesure,
pour expliquer l'origine de cette "constante"
serait exprimée par une erreur systématique de
mesure dûe à l'appareillage utilisé. Cela
impliquerait que les tensions ou les courants
lus soient décalés par rapport aux valeurs
réelles. Cette hypothèse a été infirmée par
l'utilisation d'un autre type d'appareillage
(voltmètre digital Schlumberger Solartron 7075,
Picoampèremètre Hewlett -Packard 4140B)
parfaitement étalonné qui a mis en évidence une
différence de i % par rapport aux mesures
précédemment effectuées avec le traceur de courbe
Tektronix 576 ; cette différence est beaucoup trop
faible pour expliquer la présence de cette
constante.
- 97 -
On conclut de ce qui précède, que cette
"constante" expérimentale correspond à une charge
"vue" sur la grille flottante, existant déjà sur
un dispositif vierge. On peut donc supposer que
cette charge provient des étapes technologiques.
Dans ce qui suit nous appellerons cette
charge
"charge initiale". Elle correspond à la
charge "vue" sur la grille flottante, c'est-à-dire
:
que quelle que soit sa localisation, ses effets
sont ramenés à la présence d'une charge sur la
grille flottante.
11.2.3.4 Résultats théoriques et expérimentaux lorsque la
source est située du c6té zone mince
Dans le cas où la source du Flotox est
situéedu c6té zone mince, l'expression 2-40
conduit à
C1(VFG - V) + C3(VFG
+ C4(1/3)(V
+ C4(2/3)(VFG -
- VD) + C5(VFG
- C2(VG - VFG) = Q
(2-47)
VB = VS = O d'où
C2VG+C4(I/3)VD
Q
VFG
(2-48)
EC
VFG = AVG + B'VD
EC
+--Zc
(2-49)
-
L
98 -
iV
azro.n
4.75
e
VZ
Is
I
V
I
L
-
D!wei ir
Y
4.-
vos
la
Y
L-
t.
-
t.
-
$
FIGURE 2-15
vos
.1
4
-' y
J
Relations entre la tension de la grille flottante et les
tensions drain et grille de contrôle pour diverses injections
de charges sur la grille flottante
Cette expression est semblable à
l'expression 2-46, seul le coefficient B' a une
valeur différente et correspond dans ce dernier
cas au couplage entre la grille flottante et la
partie du canal dont le potentiel est au potentiel
du drain.
Le rapport théorique A/B' peut varier
entre loo et 500 (suivant les paramètres
géométriques utilisés). Le couplage de la grille
flottante avec le drain peut donc être négligé vis
à vis du couplage avec la grille de commande.
Cela est confirmé expérimentalement par
le tracé de la tension grille flottante en
fonction de la tension drain pour une tension
grille donnée
;
on obtient pratiquement dans ce
cas, une droitehorizontale.
11.2.4 Extension du système de mesure du couplage
- La méthode décrite précédemment a pu être
utilisée pour déterminer la charge "vue
sur la grille
flottante après avoir mis en jeu le mécanisme d'injection de
charges à travers la zone mince. Une tension de 20V est
appliquée sur la grille de contrôle tandis que le drain et
la source sont maintenus à 0V
;
la variation de la durée
d'impulsion a permis de faire varier la charge.
Le résultat expérimental (figure 2-15) permet de
constater que les pentes (correspondant au couplage) sont
identiques quelle que soit la durée de l'impulsion, niais que
les courbes sont décalées les unes par rapport aux autres
cette translation correspond à la variation de charge sur la
grille flottante.
loo
DEBUT
Initialisation des tableaux et paramètres
'L,
Programation par les paramètres généraux des différents appareils de mesure
L.
ommande de mesure de tension de seuil du dispositif
Mesure sur dispositif & grille flottante sortie ?
oui
non
Tensions min et max & appliquer sur la G.0
-
i -«W
Valeur min +
LSous programe
Ecriture
JComande mesure tension de
------
Tension max de la grille flottante +
nax
jous program. Inesu&
t
-J
Tension drain
seulif
mesure courant ID
ID + tableau (W,D)
2 x partie entière de VG
W + 4 -* W max
ri Sous programe Mesure ----'
U+1-,.0
U = valeur max
W = W max ?
oui
etour prog. d'appel
-
Valeur min -
[Sous prog. Evaluation (valeur tension G.0 en fonction de
D+1-"D
no
D = 11
'-31oui
?
IJ
ous prog. Régression (détermination des valeurs des
no
=
1-" U
valeur max ?
oui
r------------ - -' -----------------iSous prog, Histograniiie (évaluation de la dispersion des résultats)
-
-- -------4
-
jImpression des résultats
oui
non
oui
'vo
L-
-
-------- J
Sous programme Histogramme
r- - Sous programe "valeur de la constante et histogramme"
---
Impression des résultats
INTh
FIGURE 2-16
__J
- 101 -
- Il faut toutefois noter que cette méthode
destinée à déterminer les valeurs de couplage et la charge
sur la grille flottante est tràs longue, en particulier
en
ce qui concerne l'exploitation des résultats. Il est en
effet nécessaire de comparer point par point une caracté-
ristique du Flotox avec le réseau de caractéristiquesdu
transistor Flotox à grille flottante sortie.
Pour cette raison de gain de temps, nous avons mis
au point une méthode automatique de mesure.
Celle-ci s'appuie sur l'utilisation d'appareils de
mesure programmables commandés par un calculateur HP.9825 et
d'un programme de mesure implanté sur ce calculateur et dont
l'organigramme est donné à la figure 2-16.
La mesure effectuée et son exploitation est
systématique, c'est-à--dire que des réseaux de
caractéristiques complets sont mesurés
;
ils sont utilisés
courbe par courbe pour déterminer les valeurs ponctuelles
qui par régression linéaire permettent de déterminer les
droites du couplage.
Les résultats de toutes les régressions linéaires
sont comparés et permettent d'obtenir les valeurs moyennes
et les écarts type des valeurs de couplage et de la charge
initiale.
On donne à titre d'exemple un extrait du listing
donnant les résultats concernant le couplage de la grille
flottante avec la grille de commande
- 102 -----
A
EFUI LIUE CU LI
Çt3E
__Q.EQ0._ _jûL
_e_ ..e.e__c_._e_e_.-_e_.e
1..G-.oeo---e -41==
Q.--
e_..,_'_2____..'_ ___-- _._e_.____.'_
..&
000t 00oo 0001
HTRTflflRAMMF
CLJWLÖOE:
VL.UR MUT WJ*W
-------L4
Fr.(RT TYPF
-
33..3_ENTRE._T..=Q------
Í !I
-
I
11..1X
ENTRE
Iò
S
0.920 ETÇO
NOMBRE L'E VA' EURS<LIMITE BASSE -
Les appareils nécessaires à cette mesure sont
regroupés dans un système informatique d'acquisition de
mesure (SIAM) qui comporte notamment
- une machine à pointes Electroglass
- une carte
pointe
correspondant au motif
utilisé
un ensemble de connexions entre les différentes
pointes et les appareils de mesure par l'intermé-
diaire de cartes relais
- un système de commande programmable des relais
"Keithley 703"
- un picoampèremètre "Hewlett Packard 4140B"
- un système de mesure de la tension de seuil
- 103 -
- un voltmètre digital "Schlumberger Solartron
7075"
- un calculateur Hewlett Packard 9825
- un ampli de tension "H.P. 6826 A"
- un générateur d'impulsions programmable
"H.P. 8160 A"
Le système de mesure de tension de seuil permet de
vérifier l'invariance de cette dernière durant la mesure.
Ce système de mesure est rapide et permet de tenir
compte de la dispersion des résultats expérimentaux.
Cette méthode donne une bonne précision
;
l'erreur
relative dûe à la méthode et à la mesure est inférieure à
5 Z. Nous avons employé la démarche suivante pour chiffrer
cette erreur
- les valeurs des coefficients de couplage et de la charge
étant issues de la comparaison de la caractéristique
courant drain-tension drain du dispositif Flotox et de la
caractéristique courant drain-tension drain du dispositif
grille flottante sortie, nous avons utilisé ces valeurs
pour déterminer la caractéristique du dispositif Flotox à
partir de la caractéristique courant drain-tension drain
du dispositif à grille flottante sortie ; on réalise ainsi
un bouclage en revenant au point de départ de la démarche
expérimentale. Cette double utilisation de la méthode
expérimentale pour revenir au résultat réel d'origine nous
permet de chiffrer deux fois l'erreur dûe à la méthode.
Les deux caractéristiques
:
celle obtenue par ce
procédé, et la caractéristique expérimentale réelle sont
présentées I la figure 2-17.
L'erreur maximale entre ces deux courbes pour les
valeurs des tensions correspondantes à celles utilisées pour
la mesure est inférieure à 10 %.
- 104 -
On en déduit que pour les valeurs de tensions
communément utilisées dans cette méthode l'erreur est
5 Z.
inférieure
D'autre part, par cette méthode, la comparaison
des valeurs de couplage théorique et expérimentale présente
seulement une différence moyenne de 5 Z.
- Un autre type de mesure (dénommé "mesure par les
mobilités") du couplage de la grille flottante avec la
grille de contr6le peut-être réalisé par une mesure des
courants drain en fonction des tensions grilles pour une
même et faible valeur de la tension drain.
En zone ohmlque la transconductance est
1D)
=iC ox
VG
L
VD
VD = Cte
Elle correspond à la pente de la caractéristique
de VG et permet de déterminer la mobilité du
dispositif.
Cette mobilité ne correspond à une réalité
physique que lorsque la mesure est effectuée à partir de la
grille flottante sortie.
Le rapport des pentes dans le cas des deux tracés
Flotox (pente
:
P) et grille flottante sortie (pente : PGF)
peut s'écrire
P
GF
AVGF
AI D
A
VGF
AVG
- 105 -
Or d'après
(2-46)
VGF = AVG + BYD +
et donc
LVGF = A i
(puisque VD et Q sont constants)
VG
P
d'où
-A
(2-50)
GF
La mesure des pentes permet donc de déterminer le
coefficient de couplage entre grille de commande et grille
flottante.
Cette méthode, bien que rapide, présente
l'inconvénient de ne mesurer que le couplage grille de
commande - grille flottante et de ne reposer que sur une
seule mesure. Avec cette méthode la précision entre
résultats expérimentaux et théoriques peut varier entre 1 et
15 Z.
Une mesure directe du couplage sur le dispositif
grille flottante sortie n'est pas possible, en effet le plot
de sortie de la grille flottante a une surface de 10 000ptm2,
et l'oxyde qui sépare ce plot du substrat a une épaisseur de
9000 ¡ ; on introduit ainsi une capacité double de la
capacité totale du dispositif intrinsèque. D'autre part, les
appareils de mesure présentent soit des capacités d'entrée
trop importantes vis à vis de la capacité totale du
dispositif Flotox, soit des résistances d'entrée trop
faibles pour avoir des constantes de temps suffisantes pour
effectuer la mesure.
On en déduit qu'actuellement seule une mesure
indirecte est possible.
11.2.5 Expression de la tension de seuil et du courant drain-source
du Flotox
Nous avons déjà donné une expression de la tension
de seuil du Flotox (formule 2-26) au paragraphe 11.1.2.1 - C;
nous avions toutefois noté que cette expression
correspondait à la tension qu'il faudrait réellement
appliquer à la grille flottante pour que le dispositif
Flotox conduise
La grille flottante n'étant pas accessible nous
pouvons seulement, lors d'une mesure de tension de seuil,
appliquer une tension sur la grille de commande du Flotox
La tension de seuil du dispositif vue de la grille
de commande correspond à celle vue de la grille flottante au
couplage près, nous aurons donc
VT =
(2-51)
(VTGF)
où VT est la tension de seuil du dispositif vue de la
grille de commande
VTGF est la tension de seuil du dispositif vue de la
grille flottante
A est le couplage entre grille de commande et grille
flottante
d'après 2-26 VTGF peut s'écrire
GPC
VTGF - VTOGF +
C
ox
- 107 -
où VTOGF représente la tension de seuil vue de la
grille flottante du NOS dont la grille de commande serait
confondue avec la grille flottante.
on en déduit
EC
VT=-
GFC
(VTOGF+
c
)
ox
VT
i QGFC
VTO + A C
(2-52)
ox
VTO représente la tension de seuil que l'on peut
mesurer
sur
un dispositif Flotox sans charge sur la grille
flottante.
En supposant que la densité de charges au dessus du
canal est proportionellement liée par les rapports
capacitifs à la charge totale
sur
la grille flottante, nous
aurons
GFC =
et donc
ox -;j::
+
:
GF
(2-53)
VT = VT
C2
1/2
VT=[VFB+2F+K(VB+2F_vT)
CsS
+ 2
(2-54)
ox
-
-
108 -
¿OS SA Ut
LSO_
OS
ZM.E LOTOS
WJZTI PM
uTIUSAY ¿ai ai ROlOS A SO!Uf
VS- 5.0V
.OTTMIT(
TIC
VS- 4.0V
Vt- 4.0V
Vt- 3.0V
VS- 1.0V
VS- 3.5V
Vt- 3.0V
VO SA V
FIGURE 2-17
Comparaison des courbes expérimentales Flotox avec celles
:
obtenues par utilisation du Flotox à grille flottante sortie
as-os
-
O*rOSITIF VI
0IrZTtF
IT
1-17V
VIo SA V
Figure 2-18
:
Variation de la tension de seuil du Flotox lors de l'écriture
du dispositif
- 109 -
Ces expressions ont été comparées aux résultats
expérimentaux obtenus par les mesures de tension de seuil
sur dispositif Flotox après avoir fait varier la charge sur
la grille flottante. La variation de charge graduelle sur la
grille flottante a été obtenue en polarisant la grille de
commande à des valeurs croissantes de tension tout en
gardant le drain et la source à 0V.
La tension de seuil a été mesurée à chaque pas et
la charge sur la grille flottante a été mesurée à l'aide de
la méthode décrite au paragraphe 11.2.3.
La figure 2-18 met en évidence la variation de
tension de seuil lors de l'écriture du Flotox.
Les courbes théorique et expérimentale de la
tension de seuil en fonction de la charge sont représentées
à la figure 2-19e
Le bon accord entre les résultats théoriques et
expérimentaux valide l'expression de la tension de seuil
2-54.
Il confirme aussi le fait que la charge se
répartit effectivement suivant le udàle capacitif proposé.
11.2.5.2 Caractéristique théorique courant -tension
Pour un transistor MOS classique de
dimensions relativement élevées
- en régime de forte inversion et en régime non
saturé une expression du courant est donnée
par [56]:
VDS2
'D =
+ 2
[(vG5_VTO)vDs.
- (VB +
2
2
-
KB [
(VDS + VB
(2-55)
oat.' C1.-tSIUi2
.31414
FIGURE 2-19
..J
vi
.
d
-
1414 -t vi
Courbes théorique et expérìmentale de la tenston de seuil
dû Flotóx en fonctiOn de la charge sur la grille flottante
- en régime saturé une expression du courant drain
est donnée par [571
1DSS
L
(2-56)
dep
L
avec:
0
1DSS =
ox
V
1+
+ 2
o {(v
VSB
V
O +
VG
- 2
LEc
\'
VP +
- (VSB + 2
2
+
F'
o
Argth
\I
2
VSB
N( VTG
+ (V
F112
F
+
)1] }
ou
Ldep représente la distance du drain au point du
pincement
Vp
est le pseudo potentiel de Fermi au point de
pincement
VG' = VG
+Qss
MS
la tension grille
ox
effective
Ec le
Q
la
champ critique longitudinal
tension de réduction de la mobilité dûe au
champ transversal
le potentiel lié aux effets de substrat
2q NA,D
C2
E:
Si
C
F
V
OLog
- VSB)
+
[(Vr + 2
[Argth
O +
C
L
o
ox
le potentiel de Fermi du substrat
;
F
+ O)
VSB
Si l'on considère que pour un dispositif
Flotox la tension de la grille flottante est fixée,
il en découle que tout ce qui est en dessus de la
grille flottante n'intervient pas dans la
conduction du canal.
Du point de vue de la conduction, le
Flotox se comporte alors comme un ??1S classique
dont la tension grille est égale
la tension
réelle grille flottante.
Cette tension est déterminée par
l'expression 2-46
GF
VFG = AVG + BVD +
EC
En négligeant l'effet de substrat et en
utilisant les équations simplifiées classiques du
M
.
en canal N
:
[581
zone i
{(VGS - VT) VDS -
1DS =
pour
VI
(2-57)
VDS < VGS - VT
et zone 2
1DS =
pour
-
(VGS - VT)
(2-58)
- 113 -
Dans le cas du Flotox ces expressions
s'écriront
.
zone 1
ox
1DS = 'GF
[(AVGs+Bs+ -
GF
CF
pour VDS < AVG5 + BVDS + .
1
- VTGF)VDS - . VDS
2
(2-59)
VTGF
et zone 2
1DS =
GFCox
pour VDS
tz'
(Av
= BVDS +
AVGS + B5 + ._GF
GF
EC
VT)2
VTGF
Dans ces expressions VTGF
représente la tension de seuil vue de la grille
flottante, elle est liée à la tension de seuil vue
de la grille de commande par la relation 2-51
VT =
(VTGF)
iGF représente la mobilité réelle du
dispositif, c'est-à--dire lorsque sa mesure est
effectuée à partir de la grille flottante.
Si la mesure de mobilité est effectuée à
partir de la grille de commande, on ne mesure pas
véritablement la mobilité du dispositif, mais une
constante que nous appellerons "pseudo mobilité",
significative de la pente de la caractéristique
courant drain-tension grille lorsque la tension
grille est la tension de la grille de commande.
Car la tension entre la grille de commande et
l'interface silicium-oxyde de silicium ne
correspond pas à la tension réelle appliquée aux
bornes de l'oxyde de grille.
(2-60)
La relation entre cette "pseudo-mobilité"
i
et la mobilité réelle est donnée par la formule
2-50
-A
GF
Si donc la tension de seuil et la
"pseudo-mobilité" sont mesurées à partir de la
grille de commande du dispositif Flotox, les
expressions 2-59 et 2-60 deviennent
.zonel:
2
Z
1DS =
.iC
IVDS
GF
[(VG + A VDS + AEC - VT)VDS - - r
B
(2-61)
pour
GF
VDS <A (VG +
- VT)
VDS +
et zone 2
GF
1DS = pC
(A VG + BVDS
- AVT)2
(2-62)
lorsque
GF
VDS
A (VG +
VDS +
- VT)
Les expressions 2-61 et 2-62 bien que pouvant
correspondre à une réalité expérimentale, ne
correspondent pas à une réalité physique. C'est
pourquoi nous préférons utiliser les équations du
type 2-59 et 2-60 où tous les paramètres peuvent
être déterminés par le dispositif Flotox à grille
flottante sortie, et par des transistors témoins de
même technologie et caractéristiques que la partie
MOS du dispositif Flotox.
FLOTOX
-EHR-H
INDEX
PARAtI
2
3
TEIIP
liOX
(1*
4
DL
I
5
DU
6
7
8
CICO
9
IO
Il
$2
13
VTO
XBI
VI
XB2
V2
Vc
VF
14
15
16
n2
b
j
VALEUR
-.894
0.000
0.000
0.000
.200
- .224
ALPH3
BETAI
2
2?
9ETA2
28
GA1IA$
CAMA2
29
30
3$
32
33
34
BETA3
CAIIA3
GAIIA4
LANDI
LAMD2
Epa
-.054
I
Iot'
1.0
1.0
1.0
-.132
1.0
.0
1.0
1.0
LO
.057
1.010
- .737
0.000
0.000
.228
PARANETRES
-I
Unités
R
Cm'/v.s
(dimensions dessinées - dimensions électriques)
Coefficient d'effet de substrat relatif A la région surdopée
Potentiel de Fermi du substrat
Coefficient d'effet de substrat en volume du substrat
Terme de décalage de la polarisation du substrat dû aux implantations ioniques
Tension de raccord entre région implantée et substrat
Tension de bandes plates
um
Vc,4
'4
V
V
V
V
Coefficients de linéarisation de l'effet de substrat
-.199
-. 092
.363
.754
.799
Ecart des cotes
-
.370
.132
.624
ALPHI
ALPH2
TETA.0
PRINCIPAUX
- Tension de seuil A polarisations nulles d'un transistor NOS de grandes dimensions
1.131
.574
.190
.020
11.912
DES
- Mobilité A champ nul
-
0.000
1.580
DEL2
TETA.G
Ec
2$
DEFINITION
- Température
- Epaisseur d'oxyde
2,t25
DELI
22
23
24
25
r
2.602
IO
19
I
EXPOS
29$
800
612
I?
20
-4
OED-R1-l2o
I
.O
- Coefficient de réduction de la mobilité due au champ transversal
- Champ critique longitudinal
-
Coefficients tenant compte des effets des canaux courts ou/et étroits
-
Facteur de conductance de sortie
1/v
V/Mm
1.0
1.0
FIGURE 2-20
Mm
- 116 -
Ces dernières équations et ces paramètres
ont été utilisés pour vérifier le bon accord entre
théorie et expérience
;
le ndèle utilisé est le
modèle de transistor MOS réalisé en technologie
liMOS EFCIS
[591.
Ce modèle tient compte
de la non uniformité du substrat
- des effets géométriques (L,Z) sur la tension de
de seuil
des effets géométriques (L,Z) sur le coefficient
de substrat linéarisé
- de la saturation de la vitesse des porteurs
de la modulation de la longueur électrique du
canal dfle aux effets de canaux étroits
Le dispositif Flotox et les motifs
témoins nécessaires à l'acquisition des paramètres
et des résultats expérimentaux ont été réalisés
dans la technologie précédemment décrite.
Les transistors MOS témoins qui ont
permis de réaliser l'acquisition des paramètres
technologiques avaient pour dimensions dessinées
Z/L :
10/3 ;
10/5 ;
10/7
;
10/10 ; 100/100
La valeur des paramètres et leur
signification sont donnés à la figure 2-20. Les
dispositifs Flotox et Flotox è grille flottante
sortie avaient pour dimensions Z/L
5/5.
Les valeurs de couplage et charge
initiale déterminées expérimentalement étaient
A = 0,87 ; B = 0,09 et
= -0,75V
XC
- 117 -
FLOTOXO-N
HII2Ø-(ç0)
vas u
10
4.5
La
- ZN (K)
S.S CMI.,..)
S.S (Mie...)
u
u
VTS
1.411 (V)
(VI
S.
bi
- 1.417 (V.1.1)
WICH - S.m CVI
KU
0.417 CVl.S
WIU7
s.m CV)
.4
as
3.3
00
N 1.1K-N (R#V*I)
itTLI
SMI Clvp
1ZTLI - -em (11V)
ZQ.TLI
-1.111 (11V)
1.741
SQ.TLZ
-1.415
T(TR.N
C
0.551
4e2.5
u
-
2
FIGURE 2-21
:
u
u.?., IS *
tU.(
ft*tT*Ilf(
?t(
-
2
C(UIe.T*LC
.auc ?.ia
VDa
J-
4
o
a
u
tvi
Courbes théori ues et expérimentales de la caractéristique
courant-tension drain du Flotox à grille flottante sortie
R
MI ta i
:111-111
V- 1.0!
HOTF 1Q C CENTRE )
VC- 4.0!
FIGURE 2-22
:
COURBES THEORIQUES ET EXPERIMENTALES DE LA CARACTERISTIQUE
COURANT TENSION DRAIN DU FLOTOX
- 118 -
Ces valeurs ont été déterminées alors que
le drain du dispositif Flotox était situé c6té zone
mince. C'est cette même configuration qui est
utilisée pour le tracé des cractéristiques.
Le tracé expérimental et
caractéristique 1D de
théorique de la
sur le dispositif
à grille flottante sortie (figure 2-21) met en
évidence un bon accord entre le modèle utilisé et
l'expérience. L'écart entre les valeurs théoriques
et expérimentales est inférieur à 5 L
La figure 2-22 présente la comparaison
des tracés théoriques et expérimentaux du
dispositif Flotox ; l'écart maximal entre les
valeurs théoriques et expérimentales est inférieur
à 10 %, ce qui constitue un bon accord théorie-expérience, compte tenu du modèle du
S utilisé et
des erreurs sur la détermination des coefficients
de couplage.
On en conclut que le dispositif Flotox du
point de vue de la conduction se comporte comme un
transistor MOS classique mais dont la tension
grille dépend de la tension drain ainsi que de la
charge emmagasinée sur la grille flottante et de la
tension de la grille de commande.
- 119 -
En ce qui concerne la conduction, la
comparaison du transistor MUS classique et du
transistor Flotox conduit aux conclusions suivantes
- La zone 2 (saturée) pour le transistor MUS classique a une caractéristique courant-tension indépendante de VDS (formule 2-58) ou dépendant
faiblement et linéairement de V
alors que,
cette caractéristique varie fortement en fonction
de la tension drain pour le dispositif Flotox
(formule 2-60). On ne peut donc pas atteindre la
saturation avec le dispositif Flotox.
- La transconductance dans la zone 2 est donnée
partir de (2-60) par
1DS
=
GF
3VGS
ox L
A (A VGS + B VDS +
VDS = Cte
(2-63)
VTGF)
i;-
Alors que pour le MUS classique la transconductance est relativement indépendante de
V
en zone saturée, pour le Flotox elle
dépend directement de la tension drain.
- La limite entre les zones i et 2 est décalée dans
le cas du Flotox par rapport au transistor MUS
classique
pour le MUS classique idéal
VDS = VGS - VT
pour le Flotox
(2-64)
AVGS + -re
VTGF 1
VDS - 1-B
(cette expression est obtenue â partir de 2-60)
'
- La conduction du transistor I1S correspond à
l'inversion de la zone canal et cette condition
s'exprime par
VGS
VT
dans le cas du Flotox cette relation devient
A VGS + B VDS +
B
ou
VGS +
GF
_>,VTGFO
(2-65)
1GF
VDS + ¡ -
. VTO
si l'on ramène la tension de seuil à la grille de
commande.
VTGFO et VTO représentent les
tensions de seuil du dispositif vierge, c'est-àdire sans charge sur la grille flottante,
"vues"
soit de la grille flottante, soit de la grille de
commande.
Dans ces expressions on constate que le terme
contribue
au seuil de conduction :
V
ainsi même si
VGS< VT, le couplage entre le drain et la
grille flottante peut permettre la conduction.
- 121 -
11.2.5.3 Localisation et origine de la charge initiale
La mise en évidence de la charge initiale
réalisée par la comparaisonde deux dispositifs Flotox
similaires mais dont l'un a une grille flottante sortie,
prouve que cette charge ne peut pas être située dans l'oxyde
de grille (entre grille flottante et zone canal) puisque la
tension de seuil du dispositif de référence (dispositif è
grille flottante sortie) prend en compte cette charge
;
par
contre on peut formuler les hypothèses suivantes
- il existe une charge fixe située dans l'oxyde
mince entre zone diffusée et grille flottante. La charge
réelle de la grille flottante, nulle ou non, peut alors se
répartir inégalement le long de la grille flottante si cette
charge dans l'oxyde mince est assez importante
;
une charge
apparaitrait alors au dessus de l'oxyde de grille.
(figure 2-23-a).
- une deuxième hypothèse est exprimée par la
présence d'une charge réelle sur la grille flottante d'un
dispositif vierge (une représentation schématique est donnée
è la figure 2-23-b).
- une dernière hypothèse est exprimée par la
localisation de la charge initiale dans l'oxyde entre grilles
ou è l'interface grille flottante - oxyde entre grilles
(figure 2-23-c).
-
122 -
VG
va
t..
t
I
e
_J
N.
p
p
(b)
(a)
va
p
(c)
FIGURE 2-23
Diverses configurations de répartition de la "charge initiale"
:
POL.Y 2
POL.Y i
1K.
P
FIGURE 2-24
:
Schéma du dispositif à grille flottante utilisé lors de la
détermination de l'origine d
la "charge initiale"
- 123 -
Afin de préciser la localisation de la charge
initiale nous avons réalisé les expériences suivantes
La mesure de la charge initiale effectuée sur un dispositif
à grille flottante dont la configuration de base est donnée
par la figure 2-24, qui ne comporte pas de zone amincie,
qui a ses zones diffusées auto-alignées par rapport à la
grille flottante et dont les épaisseurs d'oxyde de grille et
entre grille sont semblables à celles du Flotox, montre
qu'il existe aussi sur un tel dispositif une charge
intiale. (Notons que cette charge est toutefois inférieure à
celle décelée sur le dispositif Flotox situé sur la même
puce).
L'hypothèse de la localisation de la charge initiale dans
l'oxyde mince est donc infirmée, ou si cette charge existe,
elle est suffisamment faible pour ne pas être sensible à la
mesure. Ce dernier point a été confirmé par une injection
prolongée de charges par effet Fowler Nordheim
;
nous avons
supposé alors que durant ce temps qui correspond à la limite
de dégradation de l'oxyde sous l'effet du champ appliqué, la
quantité maximale de charges que puisse accepter l'oxyde
mince avait été piégée ; la tension de seuil avant et après
cette opération étant restée constante, nous en avons déduit
qu'une éventuelle charge dans l'oxyde mince n'a aucun effet
latéral ni aucun autre effet sur la tension de seuil.
- 124 -
La mesure des charges initiales réalisée
sur deux types de
dispositifs de technologies différentes apportent les
résultats suivants
+ sur les dispositifs Flotox dont l'oyxde de grille est
un oxyde thermique, le silicium polycristallin est déposé et
l'oxyde entre grilles est thermique, on constate qu'il
existe toujours une charge initiale dont l'effet sur la
tension de seuil "vue" de la grille de commande correspond
généralement
un décalage de
0,4 â
I V de cette tension de
seuil (toutefois on peut atteindre des décalages allant
jusqu'à 2,5 V). Cette charge initiale donne lieu à de
grandes disparités qui paraissent aléatoires sur une mime
tranche, cette disparité étant de plus ou moins 50% par
rapport à la valeur nyenne de la charge sur une tranche.
Des résultats analogues sont obtenus
avec des dispositifs
Flotox dont l'oxyde interpoly est déposé.
+ les mesures effectuées sur des dispositifs Flotox
dont l'isolant entre grilles est réalisé entiârement en
nitrure de silicium montre qu'aucune charge initiale n'est
décelée. II en est de name pour des dispositifs Flotox dont
l'isolant entre grilles est réalisé par un sandwich Si02nitrure (le Si02 étant côté grille flottante).
La technologie pour fabriquer ces dispositifs est absolument
identique à celle de la fabrication des Flotox utilisant le
Si02 comme oxyde inter-poly.
- 125 -
La dernière étape du procédé technologique étant un recuit à
450°C en atmosphère azote-hydrogène, nous avons fait subir à
nouveau ce recuit à quelques tranches pour lesquelles les
opérations suivantes avaient été effectuées au préalable.
+ mesure des tensions de seuil sur dispositif Flotox
vierge et sur dispositif vierge à grille flottante sortie
+ écriture de quelques dispsotifs Flotox et mesure de
tension de seuil
+ effacement de quelques dispositifs Flotox et mesure
de tension de seuil
Après recuit, les mesures des tensions de seuil ont été à
nouveau réalisées.
Le tableau ci-après résume les résultats obtenus en
indiquant les valeurs moyennes des tensions de seuil
obtenues pour les tranches SI 627 et SI 629 (BED 25)
et
pour deux types de motif 19 et 18 présentant deux surfaces
d'ouverture différentes
:
16i.tm2 et 9im2
- VS représente la tension de seuil d'un dispositif
vierge
- VSGFS représente la tension de seuil d'un dispositif
Flotox à grille flottante sortie et vue de la grille
flottante
- V
haut représente la tension de seuil d'un
dispositif Flotox auquel on a fait subir une écriture
- V
bas représente la tension de seuil d'un
dispositif Flotox auquel on a fait subir un effacement.
haut
haut
Ç bas Ç
bas
Ç
iñotif 19 motif 18 motif 19 motif 18 ty.motl9 type nxaif 19
SI 629
7,88
7,75
- 5,37
- 5,11
2,58
1,82
3,23
2,86
- 2,60
- 2,47
2,52
1,80
7,51
7,37
- 5,67
- 5,14
2,64
1,74
3,79
3,19
- 4,44
- 1,74
2,60
1,75
av. recuit
SI 629
ap. recuit
SI 627
av. recuit
SI 627
ap. recuit
L'expérience du recuit permet de montrer que s'il existe
une charge initiale dans la grille flottante lors des étapes
technologiques, le recuit final ne permet pas d'éliminer
cette charge. En effet, lorsqu'une charge a été injectée, la
variation de tension de seuil lors du recuit n'est pas
suffisante pour retrouver la tension de seuil du dispositif
vierge. D'autre part, cette différence entre la tension de
seuil du dispositif après recuit et la tension de seuil du
dispositif vierge est toujours supérieure à la tenson
équivalente de la charge initiale.
La mesure de la charge initiale sur des Flotox de surfaces
en regard grille flottante - grille de commande différentes
montre que la charge est d'autant plus faible que cette
surface est petite.
L'ensemble des résultats précédents permet de tirer
les conclusions suivantes
- la "charge initiale" n'est localisée ni dans l'oxyde mince
ni dans l'oxyde de grille
- plus la surface en regard des deux couches de silicium
polycristallin est importante, plus la charge initiale est
importante
- l'expérience réalisée en utilisant le nitrure comme
isolant entre silicium polycristallin permet de formuler
l'hypothèse que l'origine de la charge initiale est liée è
la fabrication de la grille de commande en silicium polycristallin et aux opérations qui suivent (en particulier
le recuit d'implantation à 950°C). T.W. HICKNOTT [60] a
montré sur des capacités Si-6i02 - Si-poly que les recuits
après dép6t de silicium polycristallin sur du dioxyde de
silicium créent des charges et des états de surfaces,
soit
è l'interface Si-6102 soit dans le Sb2 (aux endroits où
il manque des atomes d'oxygène).
La conduction de porteurs è travers le nitrure de silicium
est beaucoup
plus difficile qu'à travers le dioxyde de silicium
si donc des charges, lors de la fabrication du silicium
polycristallin diffusent vers la grille flottante, elles seront
beaucoup plus freinées ou arrêtées par le nitrure que par
le dioxyde [1121.
11.3 CARACTERISTIQUES PHYSIQUES ET MODELISATION
11.3.1
Principes de base et problèmes posés
Nous avons vu qu'il était nécessaire, pour que le
dispositif Flotox ait une fonction non volatile, de pouvoir
véhiculer, lorsque cela est souhaité, des charges
travers
l'isolant mince. Ce transport de chargespouvant se faire
soit de la grille flottante vers la diffusion, soit de la
diffusion vers la grille flottante.
Dans le cas des oxydes minces, la conduction est
réalisée par effet tunnel. Cette injection par effet tunnel
peut être de deux types
tunnel bande-bande où les électrons dans la bande
de conduction du substrat pénètrent dans la bande
de conduction de l'oxyde. Puis ils sont accélérés
dans cette bande par le champ électrique appliqué
- tunnel bande-piège-bande où les électrons sont
d'abord piégés dans l'oxyde avant de passer dans
la bande de conduction de l'oxyde où ils peuvent
alors être accélérés par le champ électrique
appliqué.
Dans la majorité des dispositifs réalisés,
l'isolant mince est du dioxyde de silicium (généralement
thermique). Dans ce type d'oxyde, tous les résultats
trouvés dans la littérature sont en accord pour dire que
la mobilité des électrons et leur durée de vie {61]1621
sont telles que leur produit est plus grand de plusieurs
ordres de grandeurs vis-à--vis de celui obtenu è partir de
la nobilité et la durée de vie des trous {811{6311.
-
129 -
il
SILICIUM
VpelyV.t ) O
EF
SILICIUM POLYCRISTM.LIN
Ia
EF
Vpoly.-V.a
SILICIUM
FIGURE 2-25
O
SILICIUM POLYCRISTAU..IN
Injection par effet tunnel "FOWLER NORDHEIM" dans les deux
cas de polarisation de l'oxyde
Ce résultat semble suffisant pour que l'on
considère que la conduction à travers l'oxyde soit due
essentiellement aux électrons.
Lenzlinger et Snow [131 ont montré que dans
l'oxyde de silicium thermique la conduction est du type
"tunnel Fowler Nordheim".
Le modèle
Fowler Nordheim" repose sur le modèle
de Sommerfeld d'un utal dans lequel des électrons sont
supposés former un gaz de Fermi tri-dimensionnel
d'électrons libres et où l'oxyde est caractérisé par une
masse effective et un potentiel effectif de la bande de
conduction. On suppose dans ce modèle que la barrière
d'énergie est rendue triangulaire sous l'effet du champ
appliqué et que la probabilité de passage des électrons à
travers la barrière suit l'approximation W.K.B.
La figure 2-25 illustre la conduction des électrons à
travers l'oxyde dans les deux sens du champ appliqué.
Ce modèle, bien que présentant en regard des
résultats expérimentaux quelques contradictions physiques
(notamment en ce qui concerne la dépendance du courant avec
la température), peut permettre de bien rendre compte
quantitativement des résultats expérimentaux lorsque l'on
ajuste convenablement certains paramètres.
Malgré l'existence de modèles qui prennent en compte
davantage de phénomènes physiques [641165] nous utiliserons
le modèle Fowler Nordheim en raison d'une part de sa
simplicité, d'autre part en raison du gain en précision
relativement faible qui serait obtenu en utilisant un modèle
plus complexe
;
en outre, quelque soit le modèle il est
nécessaire d'ajuster un paramètre sans grande signification
physique.
- 131 -
Une expression du courant en fonction du champ
appliqué est donné par [13]
J = (q3E2m/8 îrh
ift
exp {- [4(2m )
[1/t2(y)] [rrckT/sin(TrckT]
3fr
/3 -Ir qE]
et C - 2 (2 m))
y
mt)
t(y)/tT
(1/)(q3E/4w cr
v(y)}
q E
(2-66)
(2-67)
co)
(2-68)
h
où h
est la constante de Planck ;
ir =
q
est la charge de l'électron
E
est le champ électrique aux bornes de l'oxyde
est la hauteur de barrière
m
est la masse de l'électron libre
mt est la masse effective de l'électron dans le dioxyde
de silicium
cr est la constante diélectrique relative de l'isolant
k
est la constante de Boltzmann
T
est la température
t(y) et v(y) représentent deux facteurs de correction qui
tiennent compte de l'effet de la force image sur la hauteur
de barrière.
t(y)
![4S(y) - v(y)
1
(2-69) [661
v(y) et s(y) sont des expressions qui dépendent d'intégrales
elliptiques du 1er et 2ème ordre f 67] les principales
valeurs de ces expressions en fonction de y sont données
dans le tableau ci-après.
y
v(y)
s(y)
t(y)
o
i
i
i
005
0,9948
0,9817
0,9622
0,9370
0,9068
0,8718
0,8323
0,7888
0,7413
0,6900
0,6351
0,5768
0,5152
0,4504
0,3825
0,3117
0,2379
0,1613
0,0820
0,9995
0,9981
0,9958
0,9926
0,9885
0,9835
0,9777
0,9711
0,9637
0,9554
0,9464
0,9366
0,9261
0,9149
0,9030
0,8903
0,8770
0,8630
0,8483
0,8330
1,0011
1,0036
1,0070
1,0111
1,0157
1,0207
1,0262
1,0319
1,0378
1,0439
1,0502
1,0565
1,0631
1,0697
1,0765
1,0832
1,0900
1,0969
1,1037
1,1107
o1
0,15
0,2
0 25
03
0,35
04
0,45
0,5
0,55
0,6
0,65
0,7
0,75
0,8
0,85
09
0 95
i
0
- 133 -
Dans l'expression 2-66, le seul paramètre
ajustable est la masse effective m
qui dépend de la nature
de l'isolant, d'autre part, la hauteur de barrière
constitue un paramètre dont il est difficile de connaître la
valeur d'une manière générale. En effet la dispersion des
résultats trouvés dans la littérature tendent à prouver que
sa valeur dépend des paramètres technologiques d'élaboration
[13][68][69}. Pour ces raisons, nous utiliserons dans ce qui
suit, une valeur donnée de la masse effective
couraninent
utilisée dans la littérature [64}[70]
m
= 0,5
et nous chercherons à déterminer la valeur de la hauteur de
barrière pour l'oxyde utilisé.
Lors d'une injection du type Fowler Nordheim, pour
un système à grille flottante, la valeur des champs utilisés
et l'ordre de grandeur des hauteurs de barrière sont tels
que y est inférieur à 0,20
;
on peut donc dans ce cas,
négliger t(y). D'autre part, Krieger et Swanson {65] ont mis
en évidence que l'utilisation du ndèle sans effet de force
image est aussi précis que celui qui tient compte de cette
force image
;
seuls les paramètres ajustables sont
différents.
Nous négligerons aussi le terme correctif en
température lorsque nous étudierons les phénomènes à la
température ambiante.
- 134 -
Cette simplification se justifie par le fait que,
pour les valeurs de champ qui nous intéresse, cela revient à
négliger un coefficient multiplicatif inférieur è 1,4 dans
le terme préexponentiel de l'expression du courant Fowler
Nordheim ; une très faible variation du paramètre
ajustable
que constitue la hauteur de barrière permet de
corriger la faible erreur due è cette simplification.
Lorsque l'on réalise des mesures de courant-tension
sur des capacités dont le diélectrique est du Sb2, on
constate que la mesure n'est pas reproductible [701
;
elle
ne devient reproductible qu'après un nombre suffisant de
mesures réalisées.
La décroissance en fonction du temps que l'on observe
lorsque l'on nsure le courant pour une tension appliquée
donnée et maintenue durant tout le temps de la mesure
semble être due au piégeage de chargesdans l'oxyde [7111721
et la non reproductibilité des caractéristiques couranttension en est la conséquence. Après un certain nombre de
cycles de mesure les pièges sont tous remplis et la mesure
devient reproductible. Toutefois, dans un tracé du type
Fowler Nordheim, les caractéristiques courant-tension sont
représentées par des doites et le piégeage de charges
correspond à une translation de ces droites
;
tandis que
leur pente est très peu modifiée. On peut ainsi iisurer la
hauteur de barrière en ajustant les résultats expérimentaux
avec la loi de conduction théorique Fowler Nordheim.
XOXYDE _. A
5?
CAPACITE 14QJ4 - F03ß
EPAISSEUR s 100 A
LOG C I/E2)
CAPACITE MJ4 - F830
...50 4.
EPAISSEUR s
iøa A
+
-5g
t
-10
11
10.-9
62
T - 15$
0
63
T - 25
5$
64
VOXY.y
2
4
6
0
IO
12
FIGURE 2-26 : Mesure de courant
14
1/Ec
- I
16
I
10
2O1O°
n fonction de la température sur des capacités d'épaisseur 100 A
Nous avons réalisé des
sures après avoir obtenu
la reproductibilité sur des capacités de 40 000 im2 de
surface et constituées par
:
un substrat de silicium N,
d'orientation <1,0,0> et de résistivité 2-3 e-cm, un oxyde
thermique d'épaisseur 100 A et une couche de silicium
polycristallin constituant l'armature supérieure de la
capacité.
La figure 2-26 présente les résultats de la mesure
pour différentes températures, l'injection d'électrons étant
effectuée du substrat vers le silicium polycristallin. La
figure 2-26-a représente le tracé direct tandis que la
figure 2-26-b représente les mêmes courbes dans un système
d'axe "Fowler Nordheim".
Les valeurs expérimentales des hauteurs de
barrières obtenues par ce tracé sont en bon accord avec
celles de la littérature. Les valeurs obtenues à
25°C
:
15dC :
3,03 eV diffèrent peu de celles obtenues à
2,95 eV, par contre, le facteur préexponentiel de la
loi Fowler
Nordheim varie notablement (on peut supposer que
cette variation est due à la contribution d'une composante
de courant du type conduction thermique non négligeable
lorsque l'on élève la température).
Nous noterons enfin que le dopage du substrat a un
effet négligeable sur le courant tunnel dans l'oxyde mais
que par contre, l'orientation cristalline du silicium est
très importante
:
pour un silicium orienté <1,1,1>, le
courant est très petit vis-à-vis de celui obtenu pour le
silicium orienté <1,0,0> [73]
- 137 -
11.3.2. Modèles pour l'injection
11.3.2.1 Modélisation
Le modèle que nous proposons repose sur la loi de
conduction du type Fowler Nordheim dans laquelle on peut
négliger, comme nous l'avons vu, l'effet de force image et â
température ambiante l'effet de température. Il repose aussi
sur les hypothèses suivantes
- il n'existe pas de conduction dans l'oxyde entre
grilles
- il n'existe pas de charges fixes dans l'oxyde
mince
- il n'y a pas de piégeage de charges dans l'oxyde
mince durant la conduction
La première hypothèse se justifie tant que le champ
entre la grille de commande et la grille flottante reste
faible. Toutefois, nous verrons que cette hypothèse de non
conduction n'est plus vérifiée lorsque la charge
sur la
grille flottante est telle que, si l'oxyde entre grillesest
du dioxyde de silicium, le champ est suffisant pour
autoriser une conduction du type Fowler Nordheim. La
deuxième hypothèse se justifie par les résultats
trouvés
dans la littérature à propos des oxydes. Il existe
généralement une charge positive à l'interface Si-6i02
[74] [75], et quelquefois des structures présentent des
charges négatives à l'interface ntal-S 102 [761. Toutefois,
pour un oxyde dans lequel on n'a fait passer aucun courant,
les charges sont toujours situées à l'interface et n'ont
donc pas d'influence sur le courant Fowler Nordheim.
La troisième hypothèse repose sur le fait que les
constantes de temps de remplissage des pièges dans l'oxyde
[771 sont plus petites, de plusieurs ordres de grandeur, que
les temps utilisés pour écrire ou effacer les dispositifs.
On supposera, en outre, que le champ existant dans l'oxyde
mince à l'instant "t" est uniforme. La loi de conduction
Nordheim s'écrit, d'après la formule 2-66
FoWl er
avec
J = a E2 exp (-
(2-70)
a = (q3m/81rhm*)
(2-7 1)
= [4 (2m)'I
et
/2
/
(2-72)
d'autre part, le courant injecté à travers une surface S1
peut s'écrire
dQ
dt
Js1 =
(2-73)
- a S1 E2 exp (-
E représente le champ qui existe entre la grille flottante
et la zone diffusée sous oxyde mince (généralement le drain)
V
E =
FG
-V D
I
où d1 représente l'épaisseur de
l'oxyde mince
et d'après (2-46)
A VG + (B - I) VD
Q
(2-74)
d1
d1 EC
2-73 et 2-74 constituent une équation différentielle non
linéaire du 1er ordre. Sa résolution est donnée en Annexe
ainsi que les valeurs de a et
.
1
-
139 -
Lorsque E> O l'injection d'électrons se fait de la zone
diffusée sous oxyde mince vers la grille flottante et après
injection, la charge stockée sur la grille flottante
s'écrira
d1
EC
QEC
T+
Log [
exp (
)]
d1 EC
-
EC (AVG + (B-I)v
+
EC (A VG + (B-I) VD
Q
o
(2-75)
Lorsque E <O, il y aura départ d'électrons de la grille
flottante vers la zone diffusée et la charge stockée
sur la
grille flottante s'écrira
EC
Q
c S1
d1
d1 EC
d
EC
T + exp (
Log[
EC (AVG + (B_1)v&+
EC (A VG + (B-1) VD)
Q0
(2-76)
représente l'épaisseur de la zone mince, S1 la surface
du
silicium polycristallin situé au-dessus de la zone mince,
t
le temps d'injection et Qo la charge qui existait sur la
grille flottante dans l'état précédent l'écriture ou
i 'effacement.
A partir de ces deux formules, on constate que pour
une valeur de champ tras petite devant 8dc, aucune
injection n'est possible
alors en
:
Q
= Qo.
;
les formules se simplifient
- 140 -
L'intégration permettant de déterminer la charge
n'est possible que pour les valeurs de
Q_Zc(AVG+(B -i) VD)
Pour cette valeur de la charge, le champs dans l'oxyde mince
est nul et aucune injection n'est possible. Cette valeur
constitue la charge maximale pouvant être stockée sur la
grille flottante
Qmax
- Ec (A VG + (B - 1) VD)
(2-77)
c'est donc la valeur de saturation lorsque l'on injecte des
charges durant un temps infini.
A partir de la formule 2-53 on peut écrire
(Q
VT = VT
2Qo)
(2-78)
VT est la tension de seuil du dispositif Flotox
mesurée
partir de la grille de commande et correspondant à
une charge Q stockée sur la grille flottante.
VTO est la tension de seuil du dispositif Flotox
mesurée à partir de la grille de commande avant injection
mais prenant en compte une charge initiale Qo.
L'ensemble des formules 2-75, 2-76, 2-78 permettent
de déterminer les variations théoriques de la tension de
seuil du dispositif Flotox suivant les valeurs des tensions
grille-drain et du temps utilisé pour écrire ou effacer le
dispositif.
- 141 -
Afin de valider ce imdèle, nous avons réalisé
l'expérience suivante : sur un dispositif Flotox vierge, on
fait l'acquisition des différentes épaisseurs d'oxyde, de la
tension de seuil initiale et de la charge initiale.
La connaissance des surfaces dessinées et des
modifications des dimensions dues au procédé technologique
permettent d'obtenir des valeurs de surfaces plus proches de
la réalité. Ces dernières et les épaisseurs permettent de
connattre les capacités du système et les coefficients de
couplage. Tous ces paramètres seront utilisés pour réaliser
des tracés théoriques.
D'un point de vue expérimental, partant de la
valeur de tension de seuil initiale VT, on nEdifie la
charge sur la grille flottante par successivement l'une des
deux nthodes suivantes
- pour un temps d'injection donné, on fait varier
la tension de grille (drain)
- pour une tension donnée sur la grille (le drain)
on fait varier le temps d'injection.
Lorsque l'on applique une tension positive sur le drain,
afin de réaliser une injection de charges de la grille
flottante vers le drain, on laisse la source du Flotox
flottante afin d'éviter une conduction indésirable dans le
canal. Après l'injection on mesure la tension de seuil
ramène ensuite le dispositif
; on
sa tension de seuil initiale
par un système de convergence piloté par un calculateur
"HP 9825" et l'on recommence les opérations d'injection en
modifiant les valeurs des tensions appliquées ou les temps
d'injection.
- 142
10.
y. env
-PUCE No 4
BED 25-8! 828 1 Motif 20
HAUTEUR 0E AXERE
a
2.83 eV
VS- 21.00V
VS- 20.00V
a
VG- 19.00V
VS- 18.00V
ç
VS- 17.00V
Va- 18.00V
COURBE EXPERIMENTALE
COURBE THEORIQUE
TEMPS OECRITUME en NS
O
-+--+-4--s-++H----
+
f
f
i-i
i fi'
100
i-
f
il ii-f-4-1
1000
10000
i
-
-2 i
FIGURE 2-27
Ecriture du dispositif Flotox en fonction du temps d'écriture
:
T- i00.00*4S
10
T- 10.00445
VeenV
SEO 25-SI 828 1 Natif 20 )-PUCE No 4
HAUTEUR 0E AIERE
T- 1.00MS
2.83 ev
i..... COURBE EXPERIMENTALE
COURBE THEORIQUE
TENSION OECRITURE en V
-
.-
FIGURE 2-28
lv
:
..i
-
-
-
g..
-
-
o
N
.'
('1
Al
N
N
N
N
Ecriture du dispositif Fiotox en fonction de la tension
d 'écriture
- 143 -
Y. en V
-f---4-f -f-f-e I-4---
t -t
100
lEleS OEFFACgJ
--f- -4-I--t -I-H4000
en NS
4- --10000
VG- 45V
-4
VG- 47V
Vi- lev
- 01
MOTIF a
+
IWITU
0E 0*M1
S
i
,
2.07 M
Vi- 10V
Vi- 20v
' 00tE T*l1j
FIGURE 2-29
Effacement dU Flotox en fonction du temps d'effacement
TENSION OEFFACENENT en V
-
N
¿
O
N
.N
N
N
N
N
E)
N
MOTIF a
t- INS
HAUTEL
0E BZ
- .t
2.07 .V
tE C4PERIi
11EaI*
T- IONS
T- iOOg
-10
FIGURE 2-30
:
Effacement du Flotox en fonction de la tensìon d'effacement
Les tensions appliquées à la grill-e ou au drain sont
toujours positives (vis-à-vis du substrat)
;
on se place
ainsi dans des conditions identiques à celles de
l'utilisation du dispositif en circuit.
Un ensemble de résultats théoriques et
expérimentaux est présenté par les figures 2-27, 2-28, 2-29
et 2-30. Sur ces figures, "l'écriture" correspond à un
transit d'électrons du drain vers la grille flottante et se
concrétise par une tension positive appliquée sur la grille
de commande tandis que le drain est maintenu à O V
;
à
l'inverse "l'effacement" correspond au transit des électrons
de la grille flottante vers le drain et est concrétisé par
l'application d'une tension positive sur le drain tandis que
la grille est maintenue à O V.
Ce type de caractéristiques appelées "cycles non
cummulatif s" a été réalisé pour un très grand nombre de
dispositifs et pour un très grand nombre de tranches.
L'accord théorie-expérience est généralement très
bon. On constate toutefois sur certaines courbes, telles
celles que nous avons présentées, un écart entre la courbe
théorique et la courbe expérimentale pour des valeurs
importantes de la tension de seuil après injection.
Cette divergence qui n'est pas généralisée à tous
les dispositifs apparatt lorsque le champ
dans l'oxyde
entre grilles devient important. Elle remet donc en cause
l'hypothèse d'une non conduction dans l'oxyde entre grilles.
-
io
VSsnV
145 -
BED 25-SI 02e C MotIf 20 )-PUCE NO 4
HAUTEUR Of BARRIERS :
2.03 eV
VC- 21.00V
VC- 20.00V
VC- 10.00V
VC- 15.00V
VC- *7.00V
V5- jS.00V
COURSE EXPERD4ENTALE
- COURSE THEORIQIJE
C SI*LATII IRSIERZOEJE)
io
FIGURE 2-31
ie.s OECRZTURE en MS
$ ti
e.
1000
too
10000
SIMULATION NUMERIQUE DE L'ECRITURE EN FONCTION DU TEMPS
:
T- 100.00)45
IO
T- 10.00MS
ySsnV
T- I.00NS
SEO 25-II 52S C MotIf 20 )-PUCE No I
HAUTEUR Of BARRIERE
3.03 sV
COURSE EXPERINENTALE
COURSE THEORIOUE
C SIMLATIOf PUI)
IENSION OECRITURE
-
FIGURE 2-32
-
N
:
-
A
Ii-
-
-
P.
-
O
N
*N
N
N
A
N
N
n
V
SI
N
Simulation numérique de l'écriture en fonction de la tension
- 146 2_ WI Sfl V
7EHPS OEFFACEI4ENT en MS
o
f4-I..1000
-i
-.-I--.'---$
I
I
I I
II
10000
-2
VS- 18V
-3
vo- 17v
vo- isv
- SI
___
MOTIF a
vo- isv
- VS- 20v
-s
-'---m a
PIlTM.E
flIJ
C SIW.LATII 11lIJE)
-io J.
FIGURE 2-33
Simulation nunérique de l'effacement en fonction du temps
:
T- INS
T- IONS
T- lOOMS
FIGURE 2-34
:
Simulation numérique de l'effacement en fonction de la tension
- 147 -
Pour simuler le fonctionnement de tels dispositifs
qui
présentent une saturation, nous avons utilisé un modèle
numérique ; en effet, l'équation différentielle qui rend
compte des différentes conductions (voir Annexe 2) n'est
pas
intégrable analytiquement. La méthode choisie, pour résoudre
cette équation différentielle non linéaire du premier degré
à valeur initiale connue, est la méthode de Runge-Kutta f78]
à 4 approximations. L'application de cette méthode au
problème posé est présentée en Annexe 2.
La corrélation entre théorie et expérience est très
bonne comme le nntre les figures 2-31, 2-32, 2-33 et 2-34.
11.3.2.2 Remarques et résultats sur les hauteurs de barrières
Dans les tracés précédents, analytiques ou numériques
les hauteurs de barrières sont ajustées de façon à rendre
compte de la réalité expérimentale.
Les hauteurs de barrières représentatjvde l'interface silicium monocristallin-oxyde sont généralement
légèrement plus faibles que celles obtenues par les mesures
effectuées sur capacités, on retrouve cette différence avec
les valeurs de la littérature t70][64][79][80]
,
toutefois
l'ordre de grandeur de ces valeurs reste très bon.
6
\qO
" -
-
-
o
o
AA - - i:--- A-A
A
n-po[y
F
o
o
50
I
I
100
150
RESISTIVITE Du SI POLYCRISTALLIN
FIGURE 2-35
200
250
rs En/o]
Variation de la hauteur de barrière à i 'interface Si poiy/Si02
sous poly en fonction du dopage du silicìum polycristallin
- 149 -
Nous résumons dans le tableau ci-joint quelques
valeurs de hauteurs de barrières de différents lots et
tranches ; on indique aussi les différences technologiques
de réalisation des différentes tranches.
est la hauteur de barrière correspondant è l'interface
silicium monocristallin-oxyde et
la hauteur de barrière
correspondant è l'interface silicium polycristallin oxyde.
D'une manière générale, on observe une inhomogénéité
des résultats qui semble liée, en ce qui concerne la hauteur
de barrière représentative de l'interface silicium
monocristallin-oxyde, au procédé de fabrication [131{68][69]
Les hauteurs de barrières représentatives de
l'interface silicium polycristallin-oxyde présentent, elles,
des inhomogénéités assez marquées et qui semblent liées à la
difficulté de déterminer la position exacte du niveau de
Fermi. dans le silicium polycristallin [81]. Cette position
du niveau de Fermi semble dépendre de la nature du procédé
de fabrication du silicium polycristallin et du dopage
;
notons toutefois que pour du silicium polycristallin de
type N et pour des concentrations comprises entre 3 x 1O'
et 4 x 1020 cm-3, la position du niveau de Fermi ne dépend
pas du dopage [81]. Gerber et Fellrath [82] ont mesuré la
variation de hauteur de barrière en fonction de la
résistivité du silicium polycristallin et de la nature du
dopant. Pour du silicium polycristallin N+ la hauteur de
barrière ne dépend pas de la résistivité, alors qu'elle en
dépend fortement pour du Si poly P+. La courbe donnant le
résultat de ces mesures est donné è la figure 2-35 [82]
La hauteur de barrière entre silicium polycristallin et oxyde peut quelquefois être particulièrement faible
comme c'est le cas pour le lot de tranches BED 10. Ce genre
de résultats a été constaté par Lin et Leamy [831 lors de
l'observation au microscope électronique d'une capacité
substrat-6i02-siliciuifl polycristallin. D'après leurs
observations, une explication serait de dire que les sites
de défauts empilés peuvent contenir en plus des atomes
d'impureté (Fe, Cu, Ni ...) des ions positifs nxbiles qui
transiteraient vers l'interface silicium polycristallinoxyde et ainsi réduirait la hauteur de barrière.
Lorsque l'on rend compte d'une conduction dans de
l'oxyde entre grilles, on utilise une hauteur de barrière
représentative de l'interface grille flottante "oxyde entre
grilles", et cette hauteur de barrière est beaucoup plus
faible que pour les autres interfaces. Cela se traduit par
une conduction plus élevée dans
"l'oxyde entre grilles"
lorsque l'injection d'électrons se fait de la grille
flottante vers la grille de commande.
Kerr [841 a montré que l'augmentation de la conduction se vérifiait aussi bien pour de l'oxyde thermique
que pour de l'oxyde déposé. Il a montré aussi que ce
résultat était indépendant du matériau sur lequel était
déposé le silicium polycristallin (Si02, Si3N, Si
monocristallin) et lorsque le silicium polycristallin repose
sur du silicium monocristallin, le dopage de ce dernier est
sans effet sur la conductivitéde l'oxyde entre siliciums
polycristallins.
L'ensemble de ces résultats suggère que la con-
duction n'est pas caractéristique de l'oxyde lui-même mais
dépend de la nature de l'électrode en silicium
polycristallin utilisée. Di Maria et Kerr [85] ont suggéré
que des aspérités sur la surface du silicium polycristallin
donnent lieu
des accroissements locaux du champs
électrique et ainsi favorise la conduction dans l'oxyde.
Il a été remarqué aussi que la conductivité de
"l'oxyde entre grilles" diminue lorsque la température
d'oxydation est augmentée [86]. Ce dernier résultat lié à
l'observation par microscopie électronique de la taille des
grains de la surface du silicium polycristallin a mis en
évidence que la conductivité de l'oxyde est effectivement
fortement liée à la présence d'aspérités à la surface du
silicium polycrlstaflin [87]
;
ce résultat est confirmé par
l'observation contraire qu'ont fait Lee et Marin [881
lorsque les électrodes injectantes sont lisses, les
proprié-
tés électriques de l'oxyde entre grilles sont semblables à
celles d'un oxyde sur silicium monocristallin.
Une démarche expérimentale systématique a permis
de montrer que la conduction à travers "l'oxyde entre
grilles" était du type Fowler Nordheim augmentée par la
présence des grains et diminuée par la présence d'électrons
piégés à l'interface silicium polycristallin-"oxyde entre
grilles" [89] (des modales plus complexes tiennent
comptent
de la courbure de la couche de silicium polycristallin [90]).
Les hauteurs de barrière nsurées par photoémission
ne montrent pas de manière évidente une diminution par
rapport aux valeurs des hauteurs de barrière de l'interface
silicium monocristallin-oxyde [85] alors que les hauteurs de
barrière utilisées pour justifier la conduction FowlerNordheim sont plus faibles. On ne doit donc pas considérer
ces dernières comme les valeurs réelles représentant les
niveaux d'énergie à l'interface silicium polycristallin"oxyde entre grilles" mais comme des paramètres pratiques
permettant de modéliser la conduction.
On notera enfin que le mécanisme de conduction
Fowler Nordheim ne se vérifie plus totalement, dans le cas
de "l'oxyde entre grilles", lorsque le temps d'injection est
très élevé. En effet, lorsque l'on applique une tension
constante aux bornes de "l'oxyde entre grilles", le courant
décroit dans le temps et ne semble pas vouloir se stabiliser
à une valeur fixe de courant de fuite. Ce résultat, qui se
différencie par l'ampleur de la décroissance et la non
saturation du courant de celui obtenu pour de l'oxyde sur
silicium monocristallin, s'explique par la génération de
pièges à électrons à champ électrique élevé dans "l'oxyde
entre grilles" [91]
TABLEAU RECAPITULATIF SUR LES HAtTI'E URS DE BARRIERE
La valeur indiquée
est la valeur moyenne avec entre parenthèse l'écart type.
Lot et
-séquences des 1ères étapes de fabrication
tranche en eV
en eV
.remarques concernant la technologie utilisée
e
o
BED 10
SI 267
-oxyde de grille thermique (850 A)
2,85
2,10
(0,01) (0,05)
SI 270
2,89
2,05
-implant. ionique phosphore 130 keV-4.10'5cm-3
gravure ouverture oxyde mince
oxyde mince thermique (150
(0,00) (0,05)
A:
SI 267)
(200 X : SI 270)
.poly 1 dopé pendant le dépôt
.oxyde interpoly : Si02 thermique (900
BED 13
Rl 32
2,56
2,75
-oxyde de grille thermique (850 X)
(0,01) (0,06) -implant. ionique phosphore 100 keV-4.l0'5cm3
-gravure ouverture oxyde mince
o
-oxyde mince thermique (150 A : RI 32)
.poly 1 dopé après dépôt
.oxyde interpoly : S102 thermique (500
BED 14
RI 80
-oxyde de grille thermique (850 A)
2,74
3,07
-implant. ionique phosphore 100 keV-4.10'5cm3
(0,05) (0,06) -gravure ouverture oxyde mince
-oxyde mince thermique (150
RI 80)
.poly 1 dopé après dépôt
.oxyde interpoly
:
Si02 déposé (500 A)
-oxyde de grille thermique (850 A)
BED 15
RI 102
2,75
2,98
(0,01) (0,02)
RI
96
2,87
3,02
-implant. ionique phosphore loo keV-4.lO'5cm3
gravure ouverture oxyde mince
oxyde mince thermique (150 A : RI 96-RI 102)
(0,00) (0,02) .poly 1 dopé pendant le dépôt
0oxyde interpoly : + 100 A Si02 thermique sur
plus 700 X Si3N
+ 800
Si3N4 (RI 96)
-oxyde grille thermique (150 X)
BED 16A.
RI 121
2,86
-implant.ionique phos. lOOkEv-4.1015cm3
2,78
(0,01) (0,01) A
-gravure ouverture oxyde mince (même étapes
-oxyde mince thermique (180
2,37
3,00
B
(que BED 14)
-oxyde mince thermique (180 X)
-implant.ionlque phos. 100kEV-4.10'5cm3
(0,01) (0,01)
-gravure ouverture oxyde mince
BED 16C
RI 135
1)
-gravure ouverture oxyde mince
BED 16B
RI 130
(RI 102)
2,86
3,04
(0,01) (0,01)
C
-implant.ionique phos. 100kEV-4.10'5cm3
-oxyde mince thermique (180 X)
.poly 1 dopé après dépôt
.oxyde interpoly : Si02 500 X déposé
BED 17
RI 160
2,87
2,87
RI 160
(0,00) (0,02)
RI 161
2,87
3,11
mêmes étapes et remarques que pour
le BED 14
RI 161
(oxyde fin
:
loo A)
(0,00) (0,10)
RI 155
2,95
3,15
RI 155
(0,01) (0,03)
même que précédemment mais oxyde
interpoly
:
500
Si02 thermique
BED 26
SI 646
2,84
2,90
(0,06) (0,06)
SI 634
3,02
2,80
(0,00) (0,05
mêmes étapes et remarques pour le BED 14
mais l'oxyde interpoly est du Si02 thermique
(500
) (oxyde fin 120
)
CHAP I TRE
III
PROBLEMES LIES A L'UTILISATION DU FLOTOX EN CIRCUIT
111.1 INTRODIETION
L'utilisation du dispositif Flotox en circuit conduit à
étudier certains points afin d'assurer un bon fonctionnement et une
bonne fiabilité du circuit.
Nous étudierons ces différents points dans ce chapitre.
On regardera d'abord les "fenêtres mémoires" qui sont à la
base du fonctionnement non volatil. On s'occupera ensuite des problàmes
d'endurance et de rétention qui confàrent (Ou non) une bonne fiabilité
au circuit. L'étude intermédiaire des "temps de montée de la tension de
programmation" permettra d'expliquer certains résultats constatés sur
i 'endurance.
Enfin nous étudierons la limitation de la programmation et
donc de la fenêtre mémoire liée à la présence d'un transistor série.
- 158 -
yS.nV
io
7f
of
BED 10 - 92 207
4f
COURBE EXPERZMEJ4TALE
COURBE THEORZOUE
3f
2
o
C
9
9
9
2
C
TENSION OECRITURE en V
Co
-
-N
N
N
N
N
N
-2
Cycle "non cumulatif" d'écriture
FIGURE 3-1
2
1.J
o
-
Ye Sn y
-9
-2
SEO io
9
2
N
IENOION OEFFACENENT en V
2
;
sx 257
COURBE EXPERIMENTALE
_-_ COURBE THEORIQUE
i:
,
FIGURE 3-2
:
Cycle "non cumulatif" d'effacement
T- IONS
111.2 CYCLES DE PROGRAMMAhTION
Lors de la programmation d'un dispositif Flotox, on est
amené, soit à écrire le dispositif, soit à l'effacer ; on modifie ainsi
la tension de seuil du dispositif vers une tension de seuil "haute"
(écriture) ou une tension de seuil "basse" (effacement)..
Pour une valeur de tension de programmation et un temps de
programmation donnés, l'ensemble des valeurs tension de "seuil haute"
et tension de "seuil basse" constituent ce que l'on convient d'appeler
la fenêtre mémoire.
Pour rendre compte expérimentalement de cette fenêtre on
peut réaliser des "cycles non cumulatifs", tels ceux présentés par
les figures 3-1, 3-2 et décrits au chapitre précédent, ou bien encore
réaliser des "cycles cumulatif s"
Ces cycles cumulatifs présentent l'avantage d'être faciles
à mettre en oeuvre et consistent à mesurer la tension de seuil du
dispositif pour des valeurs progressives de la tension de programmation
du dispositif sans revenir à chaque mesure à la tension de seuil
initiale.
Ce type de cycle permet de bien rendre compte des
différentes fenêtres pour les différentes tensions de programmation
utilisées. L'aspect "cumulatif" ne fausse pas les résultats, en effet,
on vérifie aisément qu'une petite série d'écriture (ou d'effacement)
n'altère que légèrement la valeur réelle de la tension de seuil.
L'erreur de mesure sur la fenêtre due à cette méthode est inférieure à
5% pour les derniers points du cycle et inférieure à 1% pour les
premiers points.
- 160 -
io
CYCLE EXPERIMENTAL
BED No:
17
SI 143 eotlf 20
FIGURE 3-3
:
Cycle "cumulatif" expérimental
ei
CYcLE IHEDRIQUE
7
YS initial -
4.15 V
5
SURFACES (en U Carre): S [t] - 7; S I2
206
Q initiale - -2.480e-13 C
S[31- 3i:S[41- 5
Ecriture en
10.00 RS
3
Effacement en
S[5]-
18: S[63- 153
10.00 MS
EPAISSEtJRS (en Angstrot): T [11- 68: T [2] - 488
i
J -f--- +------
2
FIGURE 3-4
:
1
r [3]-T(4]-T [5]- 825T[6]- 9802
f-'
9
Cycle "cumulatif" théorique
1
2
4
La figure 3-3 présente un cycle expérimental,
tandis que
la figure 3-4 présente le cycle théorique correspondant, obtenu à
l'aide du modèle présenté au chapitre précédent.
Les expressions théoriques analytiques de la charge injectée et de la variation de tension de seuil correspondante (formules 275, 2-76, 2-78) permettant d'expliquer l'allure de ce cycle.
Dans le cas d'un cycle cumulatif la formule 2-78 s'écrit
Q - Ql
VT1 -
VT2
(3-l)
)
où VT2 représente la nouvelle tension de seuil obtenue à partir
de la tension de seuil VT1 et par l'injection d'une quantité de
charge Q - Q1, où Q dépend de la tension et du temps de programmation
utilisés et où Q1 représente la quantité de charge stockée sur la
grille flottante au départ de l'injection.
Dans l'expression (3-l) on remarque que VT2 est
directement proportionnel à Q
Ql
Q
VT2 =
-
ç
+
(V,
(3-2)
+
Si l'on considère la partie du cycle située à droite de l'axe des
ordonnées et au-dessus de l'axe des x, correspondant à 'l'écriture", à
partir d'un dispositif vierge, on explique la forme de la courbe de la
manière suivante à l'aide de la formule 3-2 et de l'expression de la
charge injectée Q (formule 2-75).
EC
d
i
C (AVG + (B-1) VD)
Q
ci.
d
S1
EC
T + exp (
Log[
d1EC
EC (AVG + (B - 1)VD) + Q1
en écriture, on a normalement : VD = O et VG
programmation
tension de
(3-3)
programmation est faible
+ tant que la tension de
(VG
faible) et
sur un dispositif vierge la charge initiale Q0 étant faible, le terme
exponentiel dans le dénominateur du premier membre de l'expression 3-3
est prédominant et on voit ainsi que Q tend vers la charge initiale Q0
et l'expression 3-2 s'écrit
VT2
=-(
Q+c
Q
)
+
(VT
+
VTO
ce qui explique le palier du cycle.
lorsque la tension VG augmente, le terme exponentiel n'est plus
prédominant et on amorce le changement de courbure dans le cycle
proportionnel à Q.
+ lorsque le terme exponentiel devient négligeable
du dénominateur l'expression 3-3 peut s'écrire
soit encore
Q
constante
-
Xc (A VG)
Q =
constante
-
C2 V
devant l'autre terme
et l'expression 3-2 devient
Ql
VT2 =
soit
VT2
VG +
VG +
Tl
+ ç) + constante
constante
et ainsi, la tension de seuil est directement proportionnelle
tension d'écriture avec
une pente
de 1.
la
+ Si VG atteint des valeurs trop importantes, une conduction
travers "l'oxyde entre grilles" peut opérer et on assiste au phénomène
de saturation explicité au chapitre II.
Cette description peut être étendue au cycle tout entier. On notera,
en particulier sur les cycles présentés, qu'a l'effacement la pente est
de - i puisque pour des raisons de commodité de tracé on a utilisé une
tension négative de grille avec une tension drain nulle pour
l'effacement.
e
Toutefois, dans le cas où l'effacement est effectué en
appliquant des tensions croissantes sur le drain, avec une tension
nulle sur la grille, la description précédente reste valable mais la
pente n'est plus de i mais de
(B - 1)
EC
-
C2
A
on ne retrouve une pente de L que dans le cas où les capacités
parasites (C3, C, C5
;
cf chapitre II) sont totalement négligeables.
-
164 -
DEGRADATION: BED no:
io
Vs HAUT
25
PLAQUE: SI 622
MOTIF nO- 20
S
S
I.
7
I+
I,
I+
I+
+
+
e
I
6
4
3
2
.t
o
N
o
o
o
.+---.-.-..__.....+«
o
-4.-..-.-
-i
o
o
-
.-*.-..n.-. -p---4-.-. ...---
-.-.--.--.-.-....
-.
-.
-2
-3
-4
-6
I
-e
+
,
e
e
e
e
.
.
+
+
u
I
4.
+
I
4-
I
t
I
e
ECRITURE: 20v INS
EFFACEMENT: 20V INS
FIGURE 3-5
:
Endurance du dispositif Flötox
DEGRAOATIQ
lo
GED na: 25
Ye HAUT
PLAQUE: SI 618
MOTIF nO- 20
R
s
I
£
i
7
¡
¡
¡
4.
s
¡
e
s
5
4
e
5V
o
w
e
e
s
-e
I
-s
-7
I
5
I
4.
I
-s
I+
4.
ECRITURE: 20v. tOMS
-s
-to
I
EFFACEMENT: 20v. ioxs
Ya RAS
TEMPS MONTEE:
5.OUS
I
FIGURE 3-6
:
Endurance du dissositif Flotox et c1a.uge de l'o.x de associé
à un bref temps de montée
- 165 -
111.3 ENDURANCE DES DISPOSITIFS
111.3.1 Résultats expérimentaux
La répétition de cycles de progrannnation sur un même dis-
positif a pour conséquence une dégradation de la fenêtre
mémoire.
Les figures 3-5 et 3-6 représentent ces effets de
dégradation en fonction du nombre de cycles de programmation.
Ce type de relevé a été effectué sur 190 dispositifs et
réalisé suivant trois modes opératoires différents concernant
les modes de programmation
- une première série a été réalisée
tension et temps de
programmation constants mais avec un temps de montée
variable de la tension d'écriture et d'effacement (pour une
durée d'impulsion de 10 ms, on a fait varier les temps de
montée de 0,5its à 1 ms).
Les résultats obtenus montrent que le seuil de dégradation
(c'est-à-dire le nombre de cycles à partir duquel la fenêtre
mémoire diminue) se situe d'une manière générale aux
environs de 10
cycles et diminue légèrement lorsque les
temps de montée sont inférieurs à 10 i.ts (toutefois ce
dernier résultat n'est pas systématique pour tous les
dispositifs).
- 166 -
D'autre part, on observe des claquages de l'oxyde pour les
brefs temps de montée, plus le temps de montée est court,
plus le claquage opère tôt. Généralement, le claquage est
situé au-delà du seuil de dégradation (lOs) mais dans
certains cas et pour des temps de montée inférieurs, ou
égaux à 1 us, ce claquage peut avoir lieu avant.
En conclusion, pour assurer un seuil de dégradation de lO
cycles, il semble nécessaire d'avoir un temps de montée
supérieur à lo
s.
- Une deuxième série de courbes a été réalisée en utilisant
un temps de montée constant (100 us), une durée de
programmation constante (lo ms) et des tensions de
programmation variables (de 14 A 20 V).
Nous avons constaté que la valeur de la tension de
programmation était sans effet sur le seuil de dégradation
(
lOs) mais avait un effet sur la courbure du tracé réalisé
lorsque l'on dépasse le seuil de dégradation
:
cette
courbure est d'autant plus forte que la tension de programmation est élevée.
- 167 -
- Une troisième série de courbes a été réalisée à temps de
montée (loo
s) et tension de programmation (20 V)
constants pour différentes valeurs du temps de programmation
(de i I 100 ms).
Nous avons constaté que quelle que soit la durée de
programmation, le seuil de dégradation est constant
(
lO
cycles). On en déduit que la valeur du seuil de dégradation
ne dépend pas du temps durant lequel le champ est appliqué
mais de l'alternance des écritures et effacements. Ce
dernier point est confirmé par l'expérience consistant à
faire une série d'écriture (jusqu'à 106) consécutives et où
on n'observe aucune dégradation de la tension de seuil.
D'une manière générale, pour des temps de montée supérieurs
à 10 is on peut s'attendre à des seuils de dégradation de lO
cycles, toutefois, l'utilisation en circuit de tels dispositifs
peut être poussée beaucoup plus loin car même au-dell du
seuil de dégradation, la valeur de la fenêtre mémoire peut
conserver une valeur suffisante (par exemple à la figure 3-6
la fenêtre est encore de 9 V pour 106 cycles).
- 168 -
111.3.2 Explications théoriques de la dégradation
Dans son état d'origine, un oxyde comporte des pièges à
électrons, leur présence étant liée à la fabrication de l'oxyde,
De même, la présence de silicium polycristallin au-dessus de
l'oxyde peut créer lors de l'implantation phosphore du silicium
polycristallin des pièges à trous [921.
Mais, outre la présence de ces pièges, l'application d'un
champ électrique élevé aux bornes d'un oxyde mince (30 à 300 A)
génère une forte densité de pièges à électrons [931. Ainsi, la
présence ou la création de ces pièges implique qu'une partie
des charges, lors d'une émission de charges par effet tunnel
Forvler Nordheim, soit piégée dans l'oxyde [941.
Les effets et les mécanismes de ce piégeage ont été étudiés
par de nombreux auteurs [95][96}[97][98] ; il s'agit essentiel-
lement d'un piégeage d'électrons. L'expérience suivante met en
évidence ce dernier résultat ainsi que l'augmentation de la
charge piégée en fonction du temps d'injection.
Sur des capacités réalisées sur un silicium P d'orientation
(1,0,0) l4-22Ç2.cm, et composées d'un oxyde de 150
et d'une
armature supérieure en silicium polycristallin, on fait des
mesures quasi statiques de capacité en fonction de la tension
après avoir fait passer un courant constant pendant une durée
déterminée à travers la capacité.
- 169 -
Le courant que l'on fait passer è travers la capacité est
fixé à l'aide d'un générateur de courant
;
la variation du
temps d'injection permet de faire varier la quantité de charge
injectée. Le décalage que l'on constate dans le tracé des
courbes C(V) permet de rendre compte de la quantité de charges
piégées. Le résultat de cette expérience est donné à la
figure 3-7.
En ce qui concerne les dispositifs à grille flottante, les
divers résultats concernant le piégeage permettent d'expliquer
les courbes de dégradation de la manière suivante
Au-delà du seuil de dégradation, la quantité d'électrons
piégés dans l'oxyde est telle que ces électrons créent un
champ qui s'oppose au champ injectant0 Le courant
d'électrons pouvant transiter par effet tunnel Forvier
Nordheim est alors réduit et on assiste à une diminution de
la fenêtre.
Par ailleurs, dans certaines courbes (figure 3-6) on observe
initialement un élargissement de la fenêtre. Cela est dû à
l'accumulation de charges positives aux interfaces
injectantes qui accroissent ainsi le courant d'émission
99
Ce phénomène se poursuit jusqu'à la fin de cette accumulation
de charges positives, ensuite la fenêtre mémoire demeure
relativement constante jusqu'au seuil de dégradation.
111.4. EFFETS DU TEMPS DE MONTEE DE IA TENSION DE PROGRAMMATION
Pour programmer un dispositif, on applique une "haute
tension" durant un certain temps. Pour parvenir à cette tension, la
ligne de programmation du dispositif (ou du circuit) passe de O
(ou 5 V) à la "haute tension" en un certain temps ; nous appellerons ce
temps
:
"temps de montée".
Si le temps de montée est supérieur ou égal
lo ma (pour
une programmation de 100 ma par exemple), l'injection de charges opère
pendant le temps de montée. En contre partie, plus le temps de montée
est bref, plus le champ aux bornes de l'oxyde mince atteint des valeurs
élevées comme l'illustre la figure 3-8. Cela est d6 au fait que
l'injection ne peut avoir lieu durant le temps de montée
pour la
valeur du champ donné, le temps pendant lequel ce champ est maintenu
est trop bref pour permettre une injection de charges
; ainsi aucune
modification du champ interne ne peut venir diminuer la valeur du champ
initial.
Ainsi, plus le temps de montée est bref, plus la valeur du
champ aux bornes de l'oxyde mince tend vers la valeur maximum du champ
que l'on peut avoir aux bornes de l'oxyde, c'est-à-dire le champ
externe dû à la tension de programmation plus le champ interne
correspondant à l'état précédent la programmation.
- 171 -
6J*MYIIC F0POTI0MIEl.L( A LA OUAGE PIEGU t 1*111 GINDSION I
0.70
0.68
0.66
0.64
0,62
0.60
0.58
0.56
0.54
0.52
0.50
0.46
0.46
0.44
0.42
0.40
0.38
zS cae. 4.4.lCrer,2
OECALAGES OES C0U8ES C (V) EN FONCTION 0E 0-leT INJECTE
ft
I-le-8a..0
o
: l-le-lame
.: I-te-SaNO
s
e,
r
o
0 .36
O
0.34
0.32
0. 30
0.28
0.25
0.2'
+
0.22
0.20
0.18
0.16
0.14
0.12
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0 00
FIGURE 3-7
A
's
OuL INJCCTU ce C
te-7
1.-6
le-4
le-5
Charges piégées en fonction de la quantité de charges
:
injectées dans l'oxyde mince
20.. Vs-VO Cn V)
la
is
il
4
3
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16
14
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12
u
I
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s
LOO US
L
U
MS
i
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6
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4
I
*
VALSU
lJ
MANIMUM D
LA TSP4SXDP4
LA SX
1MS SI, MS
t
o
FIGURE 3-8
:
Effet du temps de montée sur la différence de potentiel aux
bornes de l'oxyde mince et pour une faible valeur de la charge
initiale sur la grille flottante
- 172 -
La figure 3-8 correspond à l'écriture d'un dispositif
(c'est-à-dire l'injection d'électrons vers la grille flottante) à
partir d'un état initial oil la tension de seuil vue de la grille de
commande est de 0V. Cette figure correspond à des tracés théoriques
réalisés de manière numérique à partir des modèles présentés au
chapitre II, et dans lesquels on suppose que l'injection des charges
est instantanée : en effet, la mobilité des électrons [621 est telle
que pour les champs appliqués le temps de transit des électrons reste
très bref devant les temps de montée les plus courts.
On réalise de manière expérimentale des écritures pour
différents temps de montée à partir d'un dispositif dont la tension de
seuil est positive ou nulle, on constate que la valeur de la charge
injectée ne varie pratiquement pas (elle est très légèrement
supérieure
pour les temps de montée très brefs c'est-à-dire pour des temps de
montée inférieurs à 10 ps).
Lorsque l'on réalise l'écriture d'un dispositif à partir de
son état effacé, les résultats précédents sont modifiés.
Ainsi, expérimentalement, on constate que pour un dispositif
effacé (par exemple un dispositif dont la tension de seuil vue de la
grille de commande est de - 5,8 V), la charge injectée augmente de 3Z
entre un temps de montée de 100 ps et un temps de montée de 10
is. 1is
surtout, coie nous l'avons constaté au paragraphe précédent, le
claquage de l'oxyde lors d'une dégradation opère d'autant plus t6t que
le temps de montée est bref.
La Figure 3-9, correspondant au tracé théorique de la valeur
de la tension aux bornes de l'oxyde fin en fonction du temps de montée,
permet d'expliquer ces résultats.
173
24
23
22
(VS 10) -.' V
i
21
2
20
3
4
is
il
le
16
14
:1.
i
2n
3n
4n
13
12
ii
lo
i
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i
1*M5 0* MOPITUS
i
to u.
i
so us
i
LOO U*
VAL*U* MAXIMUM 0* LA TUMSIOM 0* LA ILL* TLOYTAP4TT
T*M* spi Us
o
FIGURE 3-9
o
*
:
O
O
u
o
o
o
u
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p.
o
s
*
O
O
o
--
O
O
*
04
'
O
O
-
O
o
Effet du temps de montée sur la différence de potentiel aux
et lorsque l'état
bornes de l'oxyde mince lors d'une écriture
initial du dispositif est un état "effacé"
200
CLAQUAGES
Nb d. Puco.
Moys
182
Eo typ.
160
MV/cu
RN RNRNRRRNN
NNNR.aU NU
NRNURUNRRU
NNRNNNR. URN..
WRNRNRURNVR N
NNRNNRNNNNN
RRNNNNNRNN RUN
RN NNRNURNNNNN
RN.NNNNUN URN
NUNRUNNUN
ÏRKRNRNN. RU N
UNU
NNRUUR
NNR NU RUN NNNRN r N
RRNNRNN NUN N
NNNNNUNNNNNRNNN
8.93 MV/oi
12
120
101:!
120
eIN
Tu
6
U
1.64 MV/orn
143
Hoy .ur
80
60
4
40
2
20
V/au
0
.-i
FIGURE 3-10 : Cartographie et histogramme du claquage de l'oxyde fin en
fonction du champ à ses brnes
212pu000
- 174 -
Pour un temps de montée très bref (lo ps), le champ
électrique est tel qu'il présente une pointe de champ dont la surface
est supérieure à celle du pic de champ correspondant à un temps
de montée plus long (100 us par exemple) justifiant ainsi la légère
augmentation d'injection pour de brefs temps de montée.
D'autre part, on constate que plus le temps de montée est
bref plus le pic de champ atteint de très hautes valeurs
:
14 mV 1cm
pour 10 us de temps de montée. Bien que pour de telles valeurs de
champs appliquées en permanence, les oxydes devraient claquer,
comme le
montre les mesures faites sur des capacités témoins â la figure 3-lO,
le temps d'application de ce champ est trop bref pour que l'on assiste
à un claquage. Toutefois, l'application répétée de ce champ conduit par
un effet cumulatif à une destruction de l'oxyde [100]
C'est ce qui se
passe lors des dégradations. Nous avons pu vérifier ce phénomène par
des mesures sur des capacités
:
Si poly-oxyde (80 X)
-
substrat lors de
l'application, durant des temps très brefs (5 à 10 us), de champs
électriques très élevés (12 â 18 mV/cm).
- 175 -
111.5. RETENTION DE L'INFORMATION
111.5.1
Rétention "naturelle
On appellera rétention "naturelle", la propriété
qu'a un dispositif de pouvoir conserver une information
lorsqu'il n'est soumis
aucune polarisation extérieure.
Les courbes expérimentales de rétention à température ambiante, c'est-à-dire la mesure I intervalle de
temps croissant en progression géométrique de la tension de
seuil d'un dispositif préalablement écrit ou effacé,
montrent une invariance de cette tension de seuil sur
plusieurs jours.
Si l'on suppose que la perte d'information est due
à la conduction entre la grille flottante et le drain ou
entre la grille flottante et la grille de commande due au
champ interne, la valeur théorique du temps au bout duquel
apparait une perte de l'information est de 10 ans. Il faut
aussi noter que cette perte d'information n'est pas
suffisante pour empêcher le dispositif de fonctionner.
On peut donc dire que les dispositifs Flotox réa-
usés ont une rétention supérieure à 10 ans.
-
y.
176 -
y
f
+
+
f
+
f
+
f
PEO *5 - MOTIF le
EPAI8SELJ OXYDE MINCE : 150 A
TE1ERATE 0E LETUVE
200C
4
I
4
IE)S Sn
I 40+4-
4
4
I
4-4--4-4-Il
10
f
+
FIGURE 3-11
:
100
f
f
f
I--i
HEURE
l-4--I-4-$-H
1000
f
f
f
"Rétention't de la charge surla grille flottante pour une
température de 200°C
-, V
*W.TZON * LE SIIL HAUT
.F LI
TDISII 0E LT%
0E SV
24-SI a-ICTIF IP
f
et
eee
*45*
i EOLE CEI)4TALi
e
1D1 0E LT*
l-fi$*---4-$-4-I-v
-
Is
e
FIGURE 3-12
:
e
i
-+-444I4II -4 + 1*11041
s
r
se
s
S
I- 4-H4lNI----I--4, 1111*----I--$--4 I 141*----4--I-H11111-.
e
-s
se
s
s
i
I
i
i
Effet d'une tension drain de lecturesur une charge négative
stockée dans la grille flottante
Lorsque l'on élève la température et que l'on
effectue des mesures de rétention, on constate que la perte
d'information n'est que peu accélérée dans le temps
jusqu'à une centaine d'heures et pour une température de
200°C, la tension de seuil des dispositifs ne varie
pratiquement pas quelle que soit la tension de seuil de ces
dispositifs. Au-delà d'une centaine d'heures, les
dispositifs dont les tensions de seuil "haute" ou "basse"
sont importantes laissent apparattre un léger fléchissement
de la quantité de charges stockées. Toutefois, comme le
montre la figure 3-11, un dispositif écrit à 7 V a encore
une tension de seuil de 63 V au bout de 42 jours à 200°C,
tandis que pour une tension de seuil basse de - 2 V, on ne
constate aucun changement.
Ce faible effet de la température sur la rétention
est dû à la très faible part que celle-ci prend dans la
conduction du type Fowler-Nordheim (cf chapitre II).
111.5.2
Rétention sous polarisation
Lors de l'utilisation des dispositifs Flotox en
circuit, et en dehors des phases de programmation, les zones
diffusées ou la grille de commande du transistor Flotox
peuvent atre soumises à la tension d'alimentation du circuit
(5 V) soit en permanence, soit de façon répétée. La présence
de cette tension peut conduire à une perte d'informations
dans deux cas
- 178 -
- le dispositif Flotox est "effacé" (charge positive sur la
grille flottante) et une tension de 5 V est appliquée sur la
grille tandis que la zone diffusée sous oxyde mince est à O V.
le dispositif Flotox est "écrit" (charge négative
sur la
grille flottante) et une tension de 5 V est appliquée sur la
zone diffusée sous oxyde mince tandis que la grille est à O V.
Dans ces deux cas, la somme du champ interne et du
champ externe est suffisante pour permettre une conduction à
travers l'oxyde. Des tracés expérimentaux et théoriques
(tracés à partir du modale Fowler Nordheim du chapitre II)
tels ceux des figures 3-12 et 3-13 montrent un bon accord
qui permet d'une part d'affirmer que ce phénotiêne est
essentiellement dG à une conduction du type Fowler Nordheim
à travers l'oxyde mince.
D'autre part, la courbe théorique permet de prédire
la fenêtre disponible au bout d'un temps déterminé pour un
dispositif Flotox. Dans le cas des exemples des
figures 3-12 et 3-13 cette fenêtre est de 7 V au bout d'une
trentaine d'années.
- 179 -
1.4
1.3
1.4
1.3
1.2
1.1
1.7
1.4
1.4
4ISSM -i-si,isU
Toes ot LTt
s
144*
'e
e
e
..
e
24-4!
... s
-$CT1F 13
C1(TM
s
-11
-12
J!L W.3
A3ATI4
-1m
P tD
-14
-15
A VO-6V
-Y
FIGURE 3-43
Effet d'une tension grille de lecture sur une charge positive
:
stockée dans la grille flottante
C-ill, J. cossu-cl.
C.iU. S..-s.
J
Oroin
(
J
Z
ox
N
C. FI.tt.e.
J
eIm g
J
Sos.we.
NII
C&cIcuRArION OU POCHI KEMOCRE FLOTOX
FIGURE 3-14
Vt. Vt
Vt.
C
C
n
VI
VI
S1..-.
-n
Snb.tr.t
1)7
FIGURE 3-15
:
Référence des tensions
prise dans le substrat
FIGURE 3-16: Référence des tensions
prise à la source
- 180 -
111.6. LIMITATION DE LA PROGRAMM&TION LIEE AU
TRANSISTOR SERIE
Dans la plupart des circuits du type EEPROM, il est nécessaire d'utiliser un transistor 1DS en série avec le transistor mémoire
afin d'isoler ce dernier et de permettre un adressage convenable.
Nous étudierons en- particulier le cas correspondant à la
figure 3-14. Les résultats présentés dans ce cas sont généralisables à
d'autres configurations possibles d'utilisation de l'ensemble
transistor mémoire - transistor série.
Dans ce cas précis, nous nous intéresserons â l'effacement
du point mémoire, c'est-à-dire le cas où les électrons sont injectés de
la grille flottante vers la
ne diffusée. Pour cela, on applique O V â
la grille de contr6le et une tension positive sur la grille série et le
drain du transistor série
;
la source du transistor Flotox est
généralement laissée flottante de façon à éviter un supplément de
consommation de courant lorsque durant l'effacement, le canal Flotox
devient conducteur.
Ce qui nous intéresse est de connaitre la tension transmise
par le transistor série à la
ne diffusée située sous l'oxyde mince
lorsque l'on applique sur le drain du transistor série une tension
V. Cette tension sera intégralement transmise si l'on a inversion dans
le canal. Nous simplifierons dans un premier temps en nous plaçant dans
le cas de la forte inversion
il faut donc que
;
VGS >V T
- 181 -
où VGS est la tension entre grille et source et VT la
tension de seuil du dispositif.
En prenant comme référence des tensions, la tension
en volume du substrat, on peut écrire
/
(3-4)
VG> VS +VT
ou
VG> V1 + VT
si l'on veut que la tension
V1 soit intégralement transmise.
Ce résultat est illustré
la figure 3-15.
En utilisant une expression classique de la tension de seuil
pour un Ì4DS canal N de grande dimension
VT = VFB +
+ K(VSB + 2
(3-5)
où VSB est la tension entre source et volume du substrat
est le potentiel de Fermi
K
est le coefficient représentatif du substrat
VFB est la tension de bande plate
la relation (3-4) devient
VG
VS + VFB +
+ K(Vs + 2
(3-6)
-
182 -
.MTAT DC OCPART.
!LC OC DOPAGC SIIVAC
1W
-I
1.14
MPI.ANTAT1ON Ofa 7(...
C.3
5...../C2
.. 71*A d...yd. . lIllA do n.
S'
AP*Cl TRAI?EMO4TI THClJ
suae?M?
OXYD'
e
FIGURE 3-17
:
Profil de dopage du substrat obtenu par "SUPREM"
.../..I
1.17
PRIL 0E OOPAGE APPROCI
1.15
1.14
d
-
FIGURE 3-18
la
V
VI
Appröxìnitton
S
VI
-
.
du profil dedópage
x en 11m
N
.
VI
.
VI
..
.
VI
.:
dans le substrat
F.
.
- 183 -
Afin de déterminer expérimentalement la relation existant
entre le coefficient d'effet de substrat K et la tension source-
substrat, nous avons utilisé un transistor 1S unitaire identique d'un
point de vue technologie au MOS série du point mémoire.
Pour la mesure, nous avons polarisé le substrat et relié la
source à la masse ; la source servant de référence de tension (figure
3-16)
La relation 3-5 s'écrit dans ce cas
1/2
VT =V FB
+
(3-7)
+ K(- VB + 2
2
Le tracé de la tension de seuil en fonction de
permet, par la mesure de la pente de la
(VB + 2
courbe, de déterminer K en fonction de VB et ainsi de tracer la
courbe expérimentale donnant le coefficient d'effet de substrat en
fonction de la tension de substrat0
Nous avons par ailleurs réalisé un tracé théorique de cette
courbe en utilisant le profil de dopage de ce transistor déterminé par
le programme de simulation "SUPREM
(figure 3-17). Nous avons approché
ce prof il de dopage suivant la figure 3-18.
Connaissant le profil de dopage, la résolution de l'équation
de Poisson permet de déterminer la densité de charges en volume du
substrat
cette charge est reliée au coefficient d'effet de
B
substrat K par la relation
= - K (VB + 2
(3-8)
ox
oi C0
est la capacité par unité de surface de l'oxyde du
transistor MOS.
- 184 -
LI______
LI i
2.0
e......
2.7
2.1
2.5
2.4
COtC TOZL
com
EXPERIMU«ALE
2.)
2.2
2.1
2.1
L.O
1.1
1.7
I.e
1.5
1. 4
L)
1.2
1. 1
1.1
LO
LI
.7
LI
LS
1.4
LI
1.2
Li
LI
e
FIGURE 3-19
s
:
y.
y
Valeur de l'effet de coefficient de substrat en fonction
de la tension substrat-source
MOC OC OD4TZON$ REOUITES
.1-1.7 U.
L - 4.5 U.
!LMITE
C... - 1.7.-I F/C..2
siph. - 1.4
FIGURE 3-20: Tension de seuil du MOSsérieen fonction de la tension
Xj - 1.8 U
- 185 -
Le détail du calcul est donné en Pinnexe 3.
Les résultats théoriques et expérimentaux sont présentés à
la figure 3-19 où l'on constate un tras bon accord théorie-expérience.
Le NOS série utilisé est de faibles dimensions: Z/L4/5,
l'utilisation d'une expression de la tension de seuil pour les 1VS de
faibles dimensions
[101] et la détermination expérimentale des
paramàtres d'ajustement sur des MDS 7/5
[102]
ont permis de connattre
la courbe donnant la tension de seuil du NOS série en fonction de la
tension substrat (figure 3--20).
Cette courbe ainsi que la relation donnant la tension que
l'on peut avoir sur la zone diffusée située sous l'oxyde mince (nous
appellerons cette tensions VD (Flotox))
VD (Flotox)
VG (MUS série) - VT
(MOS série) (3-9)
permet de tracer la courbe théorique de la saturation de la tension de
la zone diffusée sous oxyde mince en fonction de la tension grille du
transistor série.
La courbe expérimentale est réalisée à partir du principe
suivant
si la tension de la zone diffusée située sous l'oxyde mince
atteint une valeur limite due à la tension de grille du transistor
série, une augmentation de la tension drain de ce transistor doit
rester sans effet sur l'effacement du dispositif Flotox.
Ce résultat est observé expérimentalement sur des cycles
d'effacement non cumulatifs (figure 3-21) où l'on constate une
saturation. Le début de cette saturation permet de connaître la
relation entre la tension VD (Flotox) et la tension de grille du
MUS série.
-
186 -
JENSION 0E SEUIL BAS EN FONCIIQN 0E LA ÎENSION DRAIN
V
PLAOUE.SI 201
NaTIF... 10
VG NOS ..t.- 21v
VO
FIGURE 3-21
:
Effet de saturation sur l'effacement du Flotox dO au MOS série
SAT.RATION 0E LA TENSION DRAIN i FLOTOX EN FCT!ON DELA TENSION GRILLE
J NOS SERIE
C.. - L 0.-S F/C.2
XJ - S.S U.
a1
- 1.4
Z - L 7 U.
L - 4.5 L$
COURSE THEORIQUE
COURSE EXPERINENTALE
VG.. V
FIGURE 3-22
:
Valeurs de saturation de la tension drain du Flotox en
fónctìon de la tension grille du MOS série
- 187 -
Ce type de mesure, réalisé pour différentes tensions de
la grille du transistor série, permet d'obtenir la courbe expérimentale
VD (Flotox) en fonction de VG (MOS série).
Toutefois, la comparaison des courbes théoriques et
expérimentales montre un écart entre les deux tracés. Cet écart est dû
a la simplification apportée par l'hypothèse initiale, où nous avons
supposé que la "transmission" de la tension dans le canal opérait à
partir de la forte inversion. En fait, celle-ci débute avant, notamment
pour un lIDS de faibles dimensiOns. La mesure du seuil de "transmission"
de la tension effectuée à l'aide d'un électromètre (présentant donc une
très forte impédance) sur un lIDS unitaire de dimensions voisines de
celles du MOS série et réalisé sur la même puce a permis de chiffrer ce
décalage ; la relation 3-9 devenant
VD (Flotox)
VG (MOS série) - VT (MOS série) + 0,75
(3-10)
La corrélation théorie expérience est alors très bonne (figure 3-22).
Les résultats précédents montrent l'influence du transistor série sur la tension réelle de programmation du transistor Flotox.
On remarque que la programmation d'un dispositif Flotox est
fortement dépendante de la tension de seuil du MOS série et du profil
de dopage. Il apparatt souhaitable d'avoir un MOS série ayant une
tension de seuil aussi faible que possible et la moins dépendante
possible de la tension substrat. Il faut donc un profil dopage tel que
la concentration en surface permette d'avoir une tension de seuil
positive et que le dopage en volume décroisse rapidement.
-
OPTIMISAT!Q
188 -
OU PROFIL 0E O0PAC
SIMULATION SUR SUPREME
(J
u
(n
oC
Implaratat.ion
u
o
GORE
7GKev
8G11 atlu/CM2
-a
oX X
'a
u
z
o
(-a
an
OUO
a
FIGURE 3-23
:
Optimisation
IA1tRATI4 O
o
a
du profil de döpage
LA TENSI4 CRAIN
- L S.- F/C.
.J Ft.OTX
DI FCTICN OC LA TD13I CRILL.E OU NCR
XC CPTIMZSE
OUE T)CR
R
FIGURE 3-24
i
,V
:
Courbe de la
tension de saturation
du drain "optimisée"
Toutefois, un profil de dopage idéal peut poser des
une haute tension.
problèmes de perçage pour des MOS série soumis
Pour des petits circuits, il semble préférable d'ajuster
d'abord le profil de dopage et de déterminer ensuite les dimensions
minimales des transistors série.
Ainsi, avec le profil de dopage proposé
la figure 3-23, la
perte en tension due au transistor série est minimisée (figure 3-24)
mais le transistor doit avoir une longueur supérieure ou égale à 6 im
pour éviter le perçage.
Pour des circuits complexes il est important d'assurer le
fonctionnement du circuit avec de faibles fenêtres umoire de façon à
avoir des transistors de dimensions minimales
série étant dans ce cas moins critique
;
l'effet du transistor
;
- 190 -
111.7. CONCLtSION
On peut dégager certains impératifs parmi les différents
aspects de l'utilisation du dispositif Flotox en circuit
- Il est nécessaire d'avoir une fenêtre mémoire convenable qui ne se
dégrade pas au cours des différentes programmations. Le seuil
expérimental de dégradation des dispositifs Flotox est de l'ordre de
10
cycles d'écriture/effacement pour des fenêtres mémoires de plus
de 10 V.
Toutefois, l'utilisation du Flotox en circuit montre que de
telles fenêtres mémoires (10 V) ne sont pas nécessaires : une fenêtre
mémoire de l'ordre de 3 V peut souvent suffire.
Les résultats théoriques et expérimentaux montrent que
cette fenêtre peut encore être largement atteinte pour plus de 106
cycles de programmation et une rétention de plus de 30 ans.
- Il est nécessaire aussi, afin d'éviter des claquages prématurés de
l'oxyde fin, d'avoir des temps de montée à la tension de programmation
supérieurs à 10 is.
- Une bonne conservation de l'information se traduit par une bonne
rétention c'est-à-dire, une non dégradation de la tension de seuil
programmée. Celle-ci est estimée à plus de dix ans pour les dispositifs
réalisés.
- Enfin, il est avantageux de transmettre la majeure partie de la
tension de programmation au dispositif non volatil. Cela implique
d'optimiser les caractéristiques de fabrication du transistor série
afin de minimiser les effets de volume tout en tenant compte des effets
de perçage.
CHAP I TRE
COMPARAISON DU DISPOSITIF
IV
FLOTOX AVEC D'AUTRES STRUCTURES DU MEME TYPE
ET EVOLUTION DE CE DISPOSITIF
IV 1. INTRODUCTION
Le dispositif Flotox n'est pas l'unique structure
flottante utilisant un système d'injection de charg
grille
par effet tunnel
Fowler Nordheim. En effet, il existe actuellement deux autres
structures "Hughes" et "FETMOS" (Motorola))
grille flottante et de
même type d'injection que le Flotox
Nous présentons, dans ce chapitre, ces deux structures et
nous effectuerons une comparaison avec le dispositif Flotox.
Nous montrerons aussi qu'une évolution des dimensions du
Flotox est limitée si l'on utilise toujours du dioxyde de silicium en
tant qu'oxyde mince.
- 193 -
GRILLE FIOTTAIITE
FIGURE 4-1
:
Point mémoire du type HHugheshl
HUCHES
CYU..E
sr i
MJ(f
i
n
M
1
1
FIGURE 4-2
:
M2
Cycle expérimental d'écriture/effacement du dispósitif uHugheslt
- 194 -
IV.2. POINT MEI4OIRE DU TYPE HUGHES
Ce point mémoire, proposé par Harari [103]
,
s'apparente au
dispositif Flotox. La différence essentielle entre le dispositif Flotox
et le dispositif Hughes est la position de la
ne amincie : elle est
située au-dessus d'une ane diffusée pour le Flotox, tandis que pour le
transistor Hughes, elle est située au-dessus du substrat.
La figure 4-1 donne la représentation en coupe d'une structure Hughes. Cette structure nécessite de polariser le substrat afin
de pouvoir réaliser un 'effacement" (injection d'électrons de la grille
flottante vers le substrat). Par conséquent, il est impératif
d'utiliser une technologie à caisson d'isolement.
Si l'on omet la présence de ce caisson d'isolement, le
dispositif Hughes peut avoir des dimensions légèrement plus réduites
que le Flotox si la
ne amincie est située au-dessus de la zone canal
du transistor. Toutefois la présence du caisson confère au dispositif
Hughes des dimensions plus importantes que le Flotox.
A l'aide du masque 'BED" et des motifs présentés au chapitre
II, il a été possible de réaliser des structures du type HUGHES en
supprimant le niveau de préimplantation. II est à noter, toutefois, que
la présence d'une fenêtre dans le silicium polycristallin 1, créée un
flot de zone diffusée au milieu du canal.
Sur ce type de dispositifs nous avons réalisé quelques
cycles d'écriture et effacement dont on présente un résultat à la
figure 4-2.
wr* C1 U C.,.)i 1W. liIZ. 7JI
t. *$t43- a
uTSL
142
C1 I)Z.( FLOT
Ar.-s.)iTW. IThT.
vs sn y
UI
7-tC4.
¡4
u.
a,
vs
J-$11 Iji It I
vs
It
-s
Yl t.isti.I
¿U Y
a &iu.1. I. U C
Casp.l.rL11.. IU
IlUws
4
4
h siegst.
UY
g.sei4.- L.Uc
P
r'11' LU 4
p.- 1. é.s.' IL U $6
FIGURE 4-3
et
4-4 ; Comparaison théorique des cycles
de programmatjon des dispsitjfs Hughes et Fibtox pour
des djmensjons géométriques identiques
L'élaboration d'uit modèle pour ce type de dispositif pré-
senté en Annexe 4 a permis de simuler le cycle expérimental (figure 4-3).
Etant donné le bon accord théorie expérience nous avons réutilisé les
paramètres nécessaires à la simulation du cycle de type HUGHES pour
réaliser un cycle équivalent théorique Flotox (figure 4-4).
Les cycles HUGHES et Flotox, bien que très voisins, font
apparaître une légère supériorité du point de vue de la programmation,
du dispositif Flotox.
Cette différence est due à l'influence du potentiel de surface sur la capacité d'injection du dispositif HUGHES. Les figures 4-5
et 4-6 donnent les valeurs du potentiel de surface en fonction de la
tension appliquée et de la charge injectée sur la grille flottante
correspondante.
D'une manière générale, le dispositif HUGHES apparaît comme
moins intéresant que le dispositif Flotox
;
en effet ce dernier est
moins encombrant et plus facile à réaliser que le dispositif HUGHES
puisqu'il ne nécessite pas de caisson 'd'isolement.
D'autre part, le Flotox présente des fenêtres mémoires sensiblement meilleures que celles du dispositif HUGHES, les autres
caractéristiques demeurant équivalentes.
197
1.6
1.4
1.3
1.2
1.1
1.0
0.I
o..
0.7
o..
0.6
0.4
0.3
0.2
V.
0.1
-o.
2
o
-
-o -
-
N
-o a
-e.
-e
FIGURE 4-5
:
Potentiel de surface du dispositif Hughes en fonction de la
tension de programmatìon
I ONP'I /u,tt. d. urf..s
(.r* C.'mE)
CYCLE MDA
/
CY.f INITIAI.
-.tt .
VI
£
FIGURE 4-6
:
--
I
o
*
I I
-
*
I
I
e
4Ç-44
4
a
7*NEXON
2
-4
II I-+..
g
XOUEE
ari V)
g
Charge injectée sur la grille flottante du dispositif Hughes
en foritìon de la tension de programmation
IV.3. STRLETURE MOTOROLA (FEThOS)
La structure FETMOS ("floating-gate électron tunneling M
ou "NOS à injection par effet tunnel sur une grille flottante")
proposée par MOTOROLA [1041 est une structure à grille flottante et à
mécanisme d'injection de charges par effet tunnel Fowler Nordheim. La
figure 4-7 donne le schéma en coupe longitudinale de ce dispositif.
Tout coe le dispositif HUGHES, le FETNOS s'apparente
beaucoup au Flotox. La différence entre le FETMOS et le Flotox réside
dans la position de l'oxyde mince : ce dernier est situé entiàrement
sur le canal pour le FETMOS.
Le principe de fonctionnement en programmation du FETNOS
est le suivant : pour injecter des électrons sur la grille flottante
("écriture"), une haute tension (20 V) est appliquée à la grille de
contrôle, tandis que les drain et source du FETMOS sont à la masse (de
même que le substrat qui est relié à la masse en permanence). Sous
l'effet de cette tension (transmise par couplage capacitif à la grille
flottante) des électrons peuvent transiter par effet tunnel Fowler
Nordheim à travers l'oxyde mince du substrat vers la grille flottante.
Dans le cas inverse, afin de créer une charge positive sur
la grille flottante ("effacement") on applique une haute tension (20 V)
au drain, tandis que la grille de contrôle est à la masse et la source
polarisée à + 5 V.
RXLLE FLOTTANTE
ARILLE DE CONTROLE
ZOE AIIINCIE
AU
DEATh
J9 Du CANAL
TRAX8TOR SERZE
L
Jf
9IBTRAT p
-s
FIGURE 4-7
:
Point mérnoij'e 11FE111OS
CUL 1)
RDTC
.
Y
CU.E TIEIa ...........
s
çY
s
,
,
s
s
s
s
FIGURE 4-8 : Comparaison théorique ds cycles de
prògramatìon des dispositifs
Flotox et FEThIOS pour des gêdmétries comparables
Le champ électrique créé dans la partie de l'oxyde fin situé
entre la grille flottante et l'extension latérale de la diffusion de
drain provoque le départ des électrons de la grille flottante vera le
drain par effet tunnel Fowler Nordheim. La polarisation de la source
+ 5 V durant cette opération permet au composant FETMOS d'être
une tension de seuil d'environ - 5 V. Si la source n'était
programmé
pas polarisée, lorsque la tension de la grille flottante atteindrait la
valeur d'origine du dispositif vierge, un courant pourrait circuler
dans le canal ; la tension drain serait alors réduite, ayant pour
conséquence-une limitation de l'injection de charges.
Lors de l'écriture (injection d'électrons vers la grille
flottante), la surface injectante du FETMCS est la surface canal plus
les surfaces des extensions latérales des diffusions.
Si l'on se place dans le cas d'un dispositif Flotox
ayant une même valeur de surface injectante, une même valeur
d'épaisseur d'oxyde mince et une même valeur de capacité d'oxyde entre
grilles, on pourra considérer que les dispositifs FETMOS et FLOTOX sont
identiques en ce qui. concerne l'injection d'électrons vers la grille
flottante. En effet, ils ont une même surface injectante et une même
valeur "A" de couplage entre la grille de contr6le et la grille
flottante.
Par contre, ces deux dispositifs sont différents lors de
l'injection d'électrons de la grille flottante vers le drain
Le champ à travers l'oxyde mince est proportionnel à (1-B),
où B est le coefficient de couplage entre le drain et la grille
flottante. tns le cas du Flotox, nous avons vu que (l-B) était peu
différent de A, or, entre les opérations d'écriture et d'effacement, la
surface injectante reste la même, il y a donc sensiblement symétrie
entre écriture et effacement. Dans le cas du FET14OS, lors de
l'effacement, on diminue d'une part la surface injectante et d'autre
part, le coefficient de couplage entre drain et grille flottante B'. El
en découle que (1-B') >A et donc que le champ électrique dans l'oxyde
mince est plus élevé pour l'effacement que pour l'écriture. Par contre,
surface injectante est plus faible.
Le résultat de simulations effectuées à partir du modèle
présenté au chapitre II et modifié pour tenir compte des couplages
convenables (différents à l'écriture et à l'effacement) montre que pour
des dispositifs réalisables pratiquement, l'effet de modification du
couplage prédomine sur l'effet de modification de surface. Ainsi, si
l'on suppose que l'on n'est pas limité par une éventuelle conduction
dans le canal des dispositifs (source polarisée), on trouve une très
bonne efficacité d'injection à l'effacement pour le FETMOS.
Nous présentons à la figure 4-8, le résultat comparatif des
simulations d'un dispositif Flotox et d'un dispositif FETNOS. Le
dispositif Flotox utilisé pour cette simulation correspond
approximativement au point mémoire de l'EEPROM 2816 d'INTEL ; le FETNOS
utilisé pour cette simulation est le dispositif correspondant à ce
Flotox du point de vue surface injectante à l'écriture et du point de
vue couplage entre grille flottante et grille de contrôle
;
ce dernier
dispositif se rapproche beaucoup de celui utilisé dans le point mémoire
de 1'EEPROM 2832 de MOTOROlA [1051. L'épaisseur d'oxyde mince a été
prise arbitrairement égale à 100 A.
La comparaison de ces deux cycles montre une parfaite
similitude à l'écriture. A l'effacement, la modification de couplage
pour le FETMOS, malgré la diminution de la surface injectante permet
d'avoir un début d'injection avant celui du Flotox, ainsi qu'une pente
plus importante du cycle correspondant à l'effacement.
Bien entendu, en pratique, l'effacement est limité pour ces
dispositifs, par la tension appliquée sur la source.
Nous présentons à la figure 4-9 une comparaison de
l'encombrement de la cellule Flotox 2816 d'Intel et d
FETMOS 2832 de Motorola
[107
la cellule
.
La cellule 2816 d'Intel a une largeur de silicium polycristallin
estimée à 2,5 i.tm et une longueur de diffusion de 3 im donnant une
surface injectante de 7,5 tm2.
La cellule 2832 de Motorola a une largeur de silicium polycristallin de 3,2 im et une largeur de canal de 2,8 ihm, ce qui donne
une surface injectante d'écriture de 8,96 tm2.
La surface totale du point mémoire est de l'ordre de 630 tm2
pour le Flotox et 270
m2 pour le FETMOS, ainsi pour des caractéristiques
similaires le FETMOS permet, grke à sa zone d'oxyde mince située au
dessus du canal, un gain de place supérieur à 2 vis-à-vis du Flotox.
En contre partie, la position de l'oxyde mince au-dessus du
canal présente l'inconvénient d'une chute de tension de seuil du
transistor ; celle-ci étant due au piégeage de chargdans l'oxyde
mince lors des cycles de programmation. Toutefois, cette chute de
tension est estimée à 10 mv après lo oøo cycles d'écriture/effacement,
ce qui est donc négligeable devant les 10 V de fenêtre mémoire [106].
Outre cet important avantage en gain de place, le FETNOS
possède encore un autre avantage sur le Flotox
du FETNOS, toutes les étapes technologiques
:
lors de la fabrication
sont semblables
celles
du Flotox mis à part la préimplantation, qui n'est plus nécessaire dans
le cas du FETNOS.
TSI8T0R
0E LECTURE
r-
(a)
FIGURE 4-9
ComparaisOn pour une même échelle des dimensions du
Flotox (b) présentant sensiblement lamêm
k
FEThtOS (aLj
surface injectante
i6um
TRANSISTOR 0E
LECTI0N
ZONE ANINCIE
OUVERTURE POUR IMPLANTATION
FIGURE 4-10: Vue de dessus du dispósìtif Flotox devant être utìlisé pour
le circuit "NOVRAM"
IV.4. PRESENT&TION DU PONT NEMOIRE FLOTOX UTILISE DAINS LES CIRCUITS
NON VOLATILS ET EVOLUTION POSSIBLE DE CE TYPE DE POINT MEMOIRE
Le point mémoire utilisé dans le circuit NOVRAÌ4 est présenté à la figure 4-10. Ii présente une surface de 730 11m2 et est
fabriqué à l'aide du procédé décrit au chapitre II. Sa rétention est
estimée à plus de 10 ans et son seuil d'endurance supérieur à 1O
cycles de programmation.
On donne à la figure 4-11, le cycle théorique de ce
dispositif qui possède une fenêtre mémoire de 15 V pour une tension de
programmation de 20 V et de 6 V pour une tension de programmation de
15 V.
Les limites d'utilisation de ce point sont données à la
figure 4-12 où nous avons tracé la valeur de la fenêtre mémoire en
fonction de la tension et du temps de programmation. Le trait plein
indique le lieu correspondant à une fenêtre mémoire de valeur constante
de 5,5 V.
Le développement de la technologie et l'utilisation de
matériel plus perfectionné (notamment l'utilisation d'un photorépéteur
qui doit surtout permettre de gagner en tolérance d'alignement) doit
permettre de diminuer les dimensions de ce point mémoire en réduisant
les règles de dessin essentielles pour ce dispositif : ainsi, en
utilisant des règles de dessin du type FINOS 2 (largeur de silicium
polycristallin 2,5 11m) mais adaptées à la haute tension (pour éviter
les perçages et assurer une bonne tenue des diodes en tension) le point
peut être ramené à une surface de 348 11m2.
- 206 *
(.i U C..). 1(11- $- 24$
$ 4S$
$- ¡7.$- ¡II
øI14$C... 1.,... _hTEZi- ¡*T- -
t1
4-T-TX-IS
II!
IL
4
4
.4
¡%a.ttt.1- LY
4
4
StL*.1.- I.UC
-?
FIGURE 4-11
£.itiur.p.1.yLfl..s 1LN
..
4
Eff.s...nbp.rl.éWisl 1L
Cycle théorique du point mémoire Flotox devant être utilisé
:
pour le circuit 'tNOVRAM"
-t. at
*o
-
ei
ea
-
-
*
-r
-s
-s
o
N
TO4SION X PROGRAI4$ATION sii V
FIGURE 4-12
:
Fenêtre mémoire du dispositif Flotox devant être utilisé pour
le circuit NOVRAM en fonction des temps et tensìons de
programmation
- 207 -
fr'
e
I
Figure 4-13
:
4
Evólution possible des dimensìons du dispositif Flotox EFCIS
TENSION
FIGURE 4-14
:
ZONE ACTIVE
0E PROGRMI4ATII Sn V
Fenêtre mémoire du point précédent en fonction dü temps et
de la teflsìòn deprogranination
Cela correspond I un gain de 2 sur la surface du point
mémoire (ce gain correspond approximativement è celui d'Intel lors du
passage, pour leurs points mémoires Flotox, des règles du type HMOS
i
è des règles du type HNOS 2).
La figure 4-13 donne une représentation de ce point mémoire.
La simulation montre que pour une épaisseur d'oxyde mince de 80
et
une hauteur de barrière standard aux interfaces de 3 ev, on obtient une
fenêtre mémoire de 4,5 V pour une tension de programmation de 15 V ;
cette fenêtre mémoire n'étant pas dégradée au bout de 30 ans et les
résultats expérimentaux du chapitre III permettant de s'attendre I un
seuil d'endurance supérieur à 10 000 cycles d'écriture/effacement.
La figure 4-14 donne les limites d'utilisation de ce point
en fonction du temps de programmation et de la tension de
programmation ; le trait plein indique le lieu des temps et tensions de
programmation pour lesquels on a une valeur constante de 4 V de la
fenêtre mémoire.
L'amélioration des points mémoire à injection du type tunnel
Fowler Nordheim passe par une diminution des surfaces, un abaissement
des tensions de programmation et une amélioration du seuil d'endurance.
Lors de la diminution des surfaces, on estamené, afin de
conserver au dispositif ses facultés d'injection de charges, à diminuer
les épaisseurs d'oxyde notamment l'épaisseur d'oxyde mince. L'épaisseur
limite semble être 60 A car en-dessous de cette valeur, outre les
difficultés de reproductibilité de fabrication, l'injection de porteurs
par effet tunnel direct pourra avoir lieu, rendant le controle de la
charge et la décharge de la grille flottante très difficile.
- 209 -
De même, on pourrait obtenir un abaissement des tensions
de programmation par une diminution de l'épaisseur d'oxyde mince niais
la même limite s'impose.
C'est pourquoi, il semble prépondérant de s'intéresser à de
nouveaux diélectriques pour remplacer l'oxyde mince (Si02).
On peut
agir ainsi d'une part sur les hauteurs de barriàre et d'autre part sur
les densités de défaut de pièges ce qui permet d'améliorer le seuil
d'endurance.
On citera à ce propos, l'oxynitrure. L'oxynitrure est obtenu
par recuit d'oxyde thermique avec de l'ammoniaque, il permet d'obtenir
des densités de courant de programmation importantes grâce à
l'abaissement de hauteur de barriàre tant à l'interface substrat/óxyde
que grille flottante/oxyde ; cela permet de diminuer les tensions et
les temps de programmation (par rapport aux oxydes thermiques ce gain
est globalement supérieur à 25% [4411). D'autre part, l'oxynitrure
comparé au Si02 thermique présente une haute endurance, une forte tenue
diélectrique, une faible vitesse de piégeage et une bonne résistance
aux radiations [108].
T.h autre type de diélectrique à base de
nitrure permet
d'améliorer la hauteur de barrière à l'interface substrat/oxyde. Il
s'agit d'un isolant à bande interdite graduelle obtenue à partir de
nitrure de silicium, auquel on fait subir une oxydation en surface [1091
[110].
On peut aussi citer, en tant que diélectriques présentant
de faibles hauteurs de barrière, les diélectriques à base de silicium
riche en S1O2 [uil!
10
S
2.0 0
L! 2.1
2.1
1.4
LS
2.2
2.7
2.2
2.5
.-- a
LO
o
!
TOIIXON 0E
FIGURE 4-15
g
AII(ATII.n Y
Evolutiön de la fenêtre mémòire du Flotox de la Figure 4-13 en
:
fonction de la valeUr d
hauteur de barrière et pOur un temps
de progranniatlön de 1 MS
FBEIW )0
SII V
i,
LI
Li
2.2
2.1
'.4
2.5
LU
2.7
2.2
LU
LO
o-
-
g
'q
TDUXDI X
FIGURE 4-16
:
lNJIATI0N SII V
Evolution dela fenêtre mémoire du Flotox de la figure 4-13
en fonctiOn de la valeur de hauteur de barrière et pour un
temps de prograrnmtìon de lo MS
20
FENETRE 1404018E en V
15
10
1.0 0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
LB
Li
LB
1.9
2.0
-
_4_
o
Cu
C')
,
,r
ID
4,
r'.
TENSION DE PROGRAMMATION
FIGURE 4-17
en V
Fenêtre mémoire d'un dspösitif à injection par effet túnnel FowlerNordheim dont les caractéristiques
géométriqUes correspondent au Flotòx de la figUre 4-13 mais dont lóxydé mince cörrespond à un oxyde
mince sur silicium polycristallin
Nous montrons aux figures 4-15 et 4-16 l'influence que peut
avoir la hauteur de barrière sur la fenêtre mémoire pour deux valeurs
du temps de programmation
:
1 ms (figure 4-15) et lo ms (figure 4-16)
et pour le dispositif Flotox correspondant à la figure 4-13.
Enfin, on notera que l'utilisation d'oxyde thermique obtenu
par oxydation de silicium polycristallin permet d'obtenir des valeurs
de hauteur de barrière très faibles
2 e.v.
;
:
elles peuvent varier entre 0,6 et
toutefois, il semble très difficile d'obtenir une bonne
reproductibilité de la valeur de la hauteur de barrière pour ce type
d'oxyde (cela étant dû à la difficulté d'obtention d'une bonne reproductibilité de la croissance des grainsà l'interface Si poly/oxyde).
La figure 4-17 présente les fenêtres mémoires que l'on pourrait obtenir avec un tel diélectrique dans le cas du dispositif de la
figure 4-13 pour un temps de programmation de 10 ma et des valeurs de
tension de programmation inférieures à 10 V.
IV.5. CONCLtEION
La comparaison des structures HUGHES et FETN (dispositifs
à grilles flottantes et à injection par effet tunnel Fowler Nordheim)
avec la structure Flotox montre que le dispositif FETNOS est le plus
intéressant.
Il présente, en effet, pour un grand gain de place des
caractéristiques générales équivalentes à celle du Flotox.
La structure HUGHES, quant à elle, semble être la moins
intéressante, tant du point de vue encombrement, qu'en ce qui concerne
les caractéristiques de programmation.
La structure Flotox que nous avons utilisée pour la
conception du circuit du type "RAN non volatile" a une surface de
730
m2. Toutefois, cette surface peut être diminuée de plus d'un
facteur 2 par le passage à des règles de fabrication du type HNOS 2.
Au-delà de cette nouvelle surface, une diminution ultérieure semble
devoir passer nécessairement par l'utilisation de nouveaux
diélectriques, associée à une réduction des règles de dessins standards
et tolérances d'alignement
;
ces diélectriques présentant de faibles
valeurs de hauteur de barrière aux interfaces silicium-isolant et
grille flottante-isolant.
DEUXIEME
PARTIE
CHAPITRE
I
GENERALITES SUR LES CIRCUITS NON VOLATILS
- 215 -
1.1 INTRODUCTION
Les mémoires non volati 1es actuellement les plus
uti tisées sont des mémoires EPROtI ("electrically programmable ROM"
ou "mémoire morte programmable électriquement"). Ces mémoires sont
par
inscriptibles électriquement et généralement effaçabl
rayonnement ultra violet.
L'apparition des mémoires inscriptibles et effaçables
électriquement doit conduire au remplacement progressif des EPROII.
En
effet l'effacement électrique peut se faire dans le système et
de manière beaucoup plus rapide qu'avec un effacement par ultra
violet.
Les applications de ces mémoires inscriptibles et
effaçables électriquement sont nombreuses
, distinguera les
applications où une faible densité de points mémoire est
nécessaire, et celles où une forte densité de points mémoire est
nécessaire. Pour ces premières applications on citera
:
- Les microprocesseurs avec EEPROM,
-
Le remplacement des mémoires vives CMOS secourues par batterie
(circuits de sauvegarde),
- Les compteurs non volatils.
donne à titre d'exemple un système de tableau de bord
d'automobile (voir figure 1.1) pour lequel lors de la mise sous
tension, il y a lecture des données inscrites dans la mémoire non
volatile (ancien kilométrage, valeurs des constantes d'étalonnage
des appareils de mesure, initialisation...). En fonctionnement
normal, c'estàdire lorsque te véhicule est en route, la mémoire
non volatile n'intervient pas,par contre à la coupure du contact,
les données relatives au kilométrage sont stockées dans
I'EEPROM.
- 216 -
s. 'tei lace
commande
conwnande
da( f scheut
mémoire
kilométrage
FIGURE I-1
:
affichage
(tai vs.*r.
)
Système de tableau de bord d'autaobile
BLOC
I
AFFIcHABE FREBL1ENE
NENOIRE NON VOLATILE
LAVXER
0E 0SWEE
u.
asas
Figure I-2
Synthétiseur de fréquence
M $41
«Mu
T-411CV
Niai
F
MIMI
N14WtMI
FIGURE I-3
Schéma bloc d'un microprocesseur avec EEPROM
- 217 -
Ui autre exemple concerne les synthétiseurs de fréquence.
donne à la figure 1.2 le schéma de principe d'un tel système.
Les fréquences d'accord souhaitées par l'utilisateur sont stockées
dans une mémoire non volati le de manière numérique. Lors du
fonctionnement du système, la fréquence choisie par
l'utilisateur
et préalablement stockée de manière numérique sera traduite en
grandeur analogique par un convertisseur digital analogique. Ce
signal analogique permet alors l'accord du récepteur sur la
fréquence choisie. L'ensemble de ces opérations est piloté par un
microprocesseur.
Ce dernier exemple met bien en évidence la supériorité de
EPROM
ce type de mémoire sur les
: il est en effet très facile et
très rapide si des fréquences d'émissions sont supprimées et
d'autres créées, de stocker les nouvelles fréquences à la place des
anciennes.
La densification des mémoires inscriptibles et effaçables
électriquement permettra l'utilisation de ces mémoires dans des
systèmes où une grande densité de points mémoire est nécessaire. i
citera comme applications
cesseurs avec
:
les EEPRCM standards et des micropro-
EEPRI. Cette dernière application a déjà donné lieu
à une réalisation. Il s'agit du microprocesseur proposé par SEEQ
[*1 1 dont le schéma bloc est donné à
la figure I-3. La présence
d'une EEPRCM dans un tel système peut permettre des mises à jour
essentielles du logiciel, la réalisation d'un programme de sécurité
empêchant un utilisateur non autorisé de recopier le programme d'un
autre uti lisateur,' et lorsque un tel système est appliqué à la
robotique, au contrôle de procédé ou à l'automatique, la présence
de
I'EEPRI
permet une automodification des programmes et paramè-
tres lors du changement des conditions opératoires ou lors d'une
usure de la machine.
Dans le tableau ciaprès nous résumons les différents
domaines d'applications pour lesquels des produits ont été réalisés
ou envisagés [*2
1.
- 218 -
DOMAINES D'UTILISATION
GRAND PWLIC :
EXEMPLES D'UTILISATION
- télévision
- automobile
- compteurs de consommation
d'eau, électricité...
- régulation de chauffage
SERVICES
:
- TELECOMMUNICATIONS
- satellites (possibilité de
reprogrammation à distance)
annuaires électroniques
pour téléphone
- SERVICES D'INFORMATIONS
- stockage et reprogrammatior,
des informations vidéotex
- JOURNAUX
- mise à jour quotidienne des
informations
- MAGASINS
- terminal de point de vente
- stockage et reprogrammation
des informations publicitai res
INDUSTRIE
:
- contrôle et mises à jour
essentielles des logiciels
du système informatique
- 219 -
Quelque soit le type d'utiLisation, Les circuits non
voLatiLs peuvent se regrouper suivant deux types
:
- Circuits type EEPROM ("Electrically erasabLe programmable read
only memory" ou "mémoire morte inscriptible et effaçable
é Lectriquement").
- Circuits type NOVRAM ("non volatiL random access memory" ou
"mémoire vive non volatile").
_J_SELECTIDN D4 X
TRANSISTOR NENOIRE
I
vcc
8ECTI0N D Y ET LECTURE
FIGURE I-4
:
Cellule mémoire d'une EEPROM
LOSISUE 0E COMNANSE
- 9ELECTXON
DE
DO*lEES OENTREE/SORTI
JcE
- AUTORIIATION LECTURE
MQLIFXCATEUR
0E
- L0XJE DEcRXTL
-
OENTREES/SORTXES
EFFA
TENI0N DA.IMEJ4TATICN
(vccj
TSI0W DE PROGRAIØ4ATIØN: VPP
-
DC00B
UL0E -
- SELECTEUR DE COLONNES -
DE00EUR LIANE
FIGURE I-5
:
Schéma fonctionnel d'une EEPROM
AN NEMOIHE -
- i6aa axle -
-
221 -
1.2 CIRCUITS DU TYPE EEPROM
1.2.1 GénéraLités
Le principe de fonctionnement de L'EEPRCM et son
utilisation s'apparentent à celui
d'une ROEl. La différence
essentielle entre L'EEPROM et la ROM réside dans le fait que
l'on peut si on le désire, modifier l'information stockée.
C'est donc aussi cette particularité qui différencie l'utili
sation de L'EEPROM de celle de la ROM. Cette différence est
caractérisée par L'ajout de deux fonctions dans L.'EEPRCM vis
à vis de la ROM
:
l'écriture et l'effacement électrique.
Ces fonctions d'écriture et d'effacement consis-
HtBflt simplement à modifier la tension de seuil cli transistor
par l'un des mécanismes présentés dans la première partie.
La cellule de base de I'EEPROM correspond généralement à
la cellule mémoire de type PROM : l'élément contenant
l'information est accessible par l'intermédiaire d'un tran-
sistor série. La figure 1.4 illustre la configuration de
cette cellule mémoire. La grille de commande et le choix du
transistor série permettent la sélection cli point mémoire
lorsque les cellules sont matricées pour constituer un plan
mémoire.
1.2.2
Description du fonctionnement
Nous décrirons Le fonctionnement des EEPRCM à
travers l'exemple d'une mémoire commercialisée
2816, 16K d'INTEL, {*3
:
1' EEPROM
[*4 1.
Le schéma fonctionnel de cette mémoire est donné à
la figure I-5.
- 222 -
Le plan mémoire contient 128 lignes et 128 colonnes
soit 16 384 cellules mémoire. Le décodeur lignes
permet la
sélection d'une ligne parmi les 128.
Le décodeur colonnes permet la sélection de 8
colonnes en même temps, plus une (Ligne de programmation)
par
l'intermédiaire du circuit sélecteurs cotonnes. Les 8
cetlules ainsi sélectionnées sont reliées aux 8 amplificateurs
d'entrée - sortie - 3 états, pour les opérations de
:
"lecture", "effacement par byte", "écriture d'un byte",
"effacement global".
La logique de commande assure le contrôle de tous
les circuits principaux.
Enfin, des amplificateurs d'adresses lignes et
cotonnes fournissent des signaux adéquats aux décodeurs.
Le plan mémoire est réaLisé de la manière présentée
à la figure 1.6 : la cellule de base de la
mémoire est constituée d'un transistor mémoire du type Flotox et d'un
transistor de sélection, ces cellules sont matricées
pour constituer le plan mémoire.
La lecture est effectuée en sélectionnant le point
mémoire, en appliquant une tension positive (5V)
sur la ligne
de sélection et sur la grille de commande du
transistor
mémoire. L'information est récupérée sur la colonne
correspondant au point mémoire choisi. Lorsque la charge
sur la
grille flottante est négative, le transistor
mémoire est
bloqué, dans le cas contraire il est
passant.
L'effacement peut être réalisé par byte ou globalement. Il consiste à injecter des électrons sur la grille
flottante.
- 223 -
COLOMME 2
COLOII4E i
LIGNE 0E
TRANSISTOR 0E SELECTION
SELECTION A
LIGNE DE
TRANSISTOR MEI4OIRE
PROGRAMMATION A
LIGNE 0E
LIGNE 0E
PROGRMI4ATI0N
Configuration du piaR mémoire d'une EEPROM
FIGURE I-6
20 V
0V
20V
0V
0V
COLONNE 2
COLOMME i
OCLOIGIE 2
COLONNE i
20 V
IRNSISTOR DE SELECTI
I
TRGSIBTOR MEM0IRE
avH
201V
a
EORITURE D'UN 'i"
(CHARGE DE L.A GRILLE FLOTTANTE)
ECRITURE D'uN 'i"
ECRITURE D'UN "O"
OECHARGE DE LA GRILLE
NTE
C
CONSERVATION 0E
LA CHARGE 0E LAGE)
FIGURE I-7
:
Mécanismes d'écriture de niveaux logiques "1" et "O"
dans les points mémoire
- 224 -
L'effacement global consiste à appliquer la tension
de programmation (20V) sur toutes les lignes de
programmation
et de sélection, les colonnes étant maintenues à 0v.
L'effacement par byte consiste à ne polariser à la
tension de programmation que la ligne de programmation et de
sélection du byte choisi, toutes les autres lignes étant
maintenues à 0v ainsi que toutes les colonnes.
L'effacement sélectif par point mémoire ne pouvant
pas être réalisé, il est impératif de réaliser une écriture
par byte après avoir fait un effacement au préalable.
Le principe de l'écriture est le suivant
:
Q, polarise la ligne de sélection à la tension de programmation et la ligne de programmation à 0V.
Q, polarise la source des points
mémoires à VCC afin
d'éviter une consommation de courant inutile et une perte
d'efficacité d'injection de charges,
lors du passage de la
tension de la grille flottante à une valeur supérieure à
la tension de seuil du dispositif vierge.
Pour les points mémoires dont on veut décharger la
grille flottante (écriture d'un "0") on polarise la colonne
correspondante au point mémoire à la tension de programmation. Pour Les autres points mémoires pour lesquels on désire
conserver l'état de l'effacement, c'est-à-dire la grille
chargée (écriture d'un "1"), on applique 0V sur les colonnes
correspondantes.
Ces différents mécanismes sont résumés à La figure
I 7.
-
225 -
1.3 CIRCUITS DU TYPE NOVRAM
1.3.1 Généralités
La NOVRAM ou mémoire vive non voLatiLe peutêtre
présentée sous L'aspect d'une double mémoire
- une mémoire
RAM
:
cLassique,
La
- une mémoire EEPRI permettant de stocker Le contenu de
mémoire RAM, lorsque cela est souhaité et bien entendu de
récupérer cette information dans la
RAM
soit à la remise
sous tension de la mémoire, soit à tout moment au gré de
l'utilisateur.
La figure 1.8 donne le schéma fonctionnel d'un
circuit du type NOVRAM.
reconnait l'architecture classique
d'une mémoire RAM, la seule particularité réside dans Le plan
mémoire qui doit réaliser à la fois la fonction RAM et la
fonction
EEPRI, cela se traduit par des configurations
particuLières de cellules mémoires.
Ces cellules mémoires se distinguent des cellules
mémoires
RAM
classiques par l'adjonction d'éléments non
volatils. L'introduction de ces éléments non volatils a deux
implications
:
- d'une part il est nécessaire, actuellement, Lors d'un fonctionnement non volatiL, d'avoir des tensions supérieures à
celles communément utilisées en circuit intégré (ces ten-
sions seront appelées "hautes tensions").
- d'autre part l'insertion des éléments non volatils ne doit
pas perturber le fonctionnement
RAM
classique.
- 226 -
Transfert R4M-EEPROM
Mmo,r, EEPROM
lic
i bat
Rappel
Sortie
donnes
32
Entre
colonnesL.00u.t®
donneei
Adressage colonnes
S&lection
de circuit
Ecritvre
autorise,
EC4LL
STORE
FIGURE I-8
:
Schéma fonctionnel d'une NOVRAM
*voo
vss
*
1-qn. d. mot
FIGURE I-9 : Bstable en technologie
monocanal
FIGURE I-10
:
Bistable en technologie
-
227 -
Le point essentiel d'une NOVRAM est donc La
cellule mémoire, et iL est nécessaire, afin de réaLiser une
mémoire vive non volatile, de choisir en premier lieu une
cellule mémoire convenable, ainsi q'une technologie
appropriée qui autorise l'uti Lisation de "hautes tensions".
1.3.2
Cellules mémoires
1.3.2.1
Principe de base
L'éLément de base de la ceLlule sera
constitué par la cellule couramment utilisée dans les
mémoires vives, c'estàdire parun bistable teL
celui représenté à La figure I-9 en technologie canal
N ou à la figure I-10 en technologie CMOS.
Afin de figer de manière non volatile Le
contenu de la RAM statique, on utilise le
déséquilibre des noeuds du bistable (que l'on peut
accroltre en augmentant par exempLe La tension
d'alimentation) pour écrire ou effacer le ou Les
éléments non volatils.
Le repositionnement de La cellule mémoire
(c'estàdire le basculement du bistabLe dans L'état
correspondant aux informations inscrites dans Le ou
les éléments non volatils) est réalisé en créant le
déséquiLibre convenable des noeuds du bistable.
Ce déséquilibre peutêtre réalisé soit
directement sur les noeuds du bistable, soit sur les
branches du bistable qui mènent à ces noeuds.
- 228 -
LXNE 0E arr
FIGURE I- ii
:
LIGNE DE arr
Cellule mémoire non volatile, montage du type "parallèle"
LlENE 0E arr
LlENE 0E BIT
vcc
LIGNE DE MOI
FIGURE I-12
:
Cellule mérncuìre non volatile, montage du type "série
- 229 -
1.3.2.2
Présentation de quelques cellules mémoires
A - CeLLules à branches déséquilibrées
:
Deux types de montages sont possibles
:
- montage de type "parallèle"
- montage de type "série"
Les figures I-11 et X-12 présentent ce
type de montage pour une technologie canal N.
L'aspect non volatil est obtenu grâce à
deux éléments non volatils (par exemple ii type
Flotox) D1 et D2 que l'on assimilera afin de
simplifier la description à des interrupteurs
commandés.
Le montage parallèle est constitué
d'une cellule classique à 6 transistors (T1 à T,
T
et T6) à laquelle viennent s'ajouter les deux
interrupteurs commandés D1 et D2 et
tors
les transis-
T5 et T.
En fonctionnement normal, la commande
C bloque T
et T, D1 et D2 n'interviennent donc
pas.
Avant la coupure de VDD, les interrup-
teurs D1 et D2 vont "mémoriser" l'état de la
bascule :
- Si Q = "O" et Q = "1", D1 prend l'état ouvert,
tandis que D2 prend l'état fermé.
- Si Q = "1" et Q = "O" ,
états comp lémentai res.
D
et D2 prennent les
- 230 -
La tension d'alimentation VDD peut
alors âtre supprimée. D1 et D2 gardant leur état
pendant le temps de la coupure.
A la remise sous tension, la commande C
rend conducteurs les MOS T et T5, mettant en
service D1 et D2.
Le côté du bistable correspondant
à
l'interrupteur fermé reste au niveau bas, tandis
que l'autre côté suit la montée de la tension
VDD.
De ce fait, quand VDD atteint sa valeur
maximale, le bistable est positionné dans L'état
précédent la coupure de VDD. La commande C met
alors T5 et T
hors service et Le fonctionnement
normal reprend.
Le montage "série" fonctionne de manière analogue. Les interrupteurs D1 et D2 sont
connectés en série dans Les branches du bistable.
Lors de La mémorisation, l'interrupteurs situé du c8té où le bistable est à "O"
prend l'état ouvert, tandis que l'autre prend
L'état fermé.
A La remise sous tension, le côté qui
comprend l'interrupteur fermé suit VDD, tandis
que l'autre, isolé de VDD par l'interrupteur
ouvert, reste au niveau bas.
Le bistable se reposjtionne donc dans
l'état voulu, et Les transistors T5 et T6 courtcircuitent D1 et D2 en fonctionnement normal.
- 231 -
A partir de ces deux types de montages
de nombreuses variantes sont possibles. Il faut
aussi noter que ces principes restent vaLables en
technologie CMOS.
-
Exemple de cellule réalisée en technologie
Canal N
Le schéma de principe d'un premier
type de cellule est donné à la figure I-13.
[*5:1.
Cette cellule est composd'un
bistable dont les branches sont légèrement
déséquiLibrées. 1h dispositif à grille
flottante électriquement programmabLe T5 est
placé en parallèle avec un transistor de charge
16
sur l'une des branches du bistable. Le
transistor T5 est bloqué lorsque sa grille
flottante est chargée négativement. De ce fait,
le transistor 16 n'est pas shunté et
l'impédance présentée par T, T6 est environ
10 Z plus élevée que l'impédance du transistor
T3. Lorsque le transistor T
est passant,
c'estâdire lorsque sa gri Ile flottante est
déchargée ou chargée positivement, le
transistor T
shunte le transistor 16 et
l'impédance présentée par le transistor T
environ 10 Z pLus faible que celle de
est
T3
Le fonctionnement de la cellule est
le suivant
:
- en fonctionnement mémoire vive classique, le
déséquilibre de + 10 Z d'une branche cii
bistable par rapport à l'autre ne perturbe
pas le système.
-
232 -
- lors de la mise en mémoire non volatile, la
tension d'alimentation VDD normalement à 5V
passe à une haute valeur de tension (de
l'ordre de 20V). Si
l'on suppose le noeud
NB dans l'état haut et NA dans l'état bas
(0V), NB va passer à une haute tension.
Ainsi
la grille de contr6le de 15 sera à 0V,
tandis que ses source et drain seront à une
haute tension. De cette manière on chargera
positivement la grille flottante. (15 passant). Dans le cas inverse
(NA dans l'état
haut et NB dans l'état bas),
les source et
drain de 15 seront à 0V tandis que sa grille
de contr6le sera à la "haute tension", ainsi
on chargera négativement la grille flottante
(T5 bloqué).
Lors du repositionnement, si
est passant, 16 est shunté et la résistance
présentée par T est inférieure â celle
présentée par T3
et donc la tension au noeud
NB montera plus rapidement que NA, provoquant la conduction de T
; ainsi
les cellules
retrouveront l'état qui avait été stocké.
Si
15
est bloqué, la résistance présentée par T, T
est supérieure à celle présentée par T3 et donc
la tension sur le noeud NA montera plus rapidement que NB provoquant la conduction de
T2
De nombreuses autres cellules réa li-
sées en technologie canal N, ont été proposées
et reposent sur le principe du déséquilibre des
branches cii bistable. [*61 [*71
LIGNE DE BIT
LIGNE DE BIT
13
F-
14
15
I
T6
TB
LIGNE DE MOT
FIGURE I-13
:
Cellule mémoire non volatile réalisée en technologie canal N
vo0
1ET5 -I
j
T7
is
4
N
I
Yss
FIGURE I-14
Cellule mémoire non volatile réalisée en technologie CMOS et
détail du point mémoire
- 234 -
Exemple de cellule réalisée en technologie CMOS
Le schéma de principe d'une cellule
réalisée dans cette technologie est présentée à
la figure 1-14. [*8].
L'élément non voLatiL. T, T
de cette
cellule est constitué par deux transistors
montés en série et de type canal N et canal P.
Ces transistors possèdent une grille flottante
commune avec une zone amincie située du côté
canal N ainsi qu'une grille de commande
commune.
A cet élément non volatil on connecte
en série deux transistors 1
et T6
de façon à
ajuster les résistances équivalentes des différents éléments du circuit
est en parallèle avec T
:
l'ensemble 15, 13
; et T, 16 est en
parallèle avec T.
Lors de la lecture le fonctionnement
se résume au fonctionnement normal d'un bistable CMOS, et Le déséquilibre introduit par La
branche non volatile est réduit par la présence
des transistors T5 et 16.
Lors de la mise en mémoire non vola-
tile, le passage de
la tension VDD à une haute
tension se répercute sur l'un des noeuds, ainsi
l'élément non volati I est polarisé entre grille
de contrôle et drain à la haute tension, ce qui
permet la charge ou la décharge de La grille
flottante.
- 235 -
Le repositionnement utilise le
déséquilibre des branches créé par La
présence de L'élément non volatil. Toutefois
le système est tel que l'on retrouve
l'état
complémentaire à l'état stocké sur les noeuds
du bistable.
De même qu'en technologie canal N, de
nombreuses ceLlules ont été déveLoppées en
technologies CMOS [*9] [*10].
B - Cellules à noeuds déséqui librés
:
Nous présentons à la figure I-15 une
cellule de ce type réalisée en technologie
canal N [*111.
L'opération de mise en mémoire
s'effectue de la manière suivante : durant la
première moitié du cycle de mise en mémoire,
l'élément non volatil (dans ce cas un Flotox) est
effacé (grille déchargée) en maintenant les
lignes CLK et PRO à 0v, et en polarisant la
ligne
CLR à la tension de programmation VPP. Durant
La
deuxième moitié du cycle, CLR est ramené à 0V,
CLK est à VCC (tension d'alimentation du
circuit : 5v), et PRO est amené à la tension de
programmation VPP. Le transistor T9 étant bloqué,
la haute tension demeure sur le noeud D tant que
le transistor T7 ne peut pas conduire. Si
le
noeud B est à 0V, le transistor T7 est passant et
la tension du noeud D chute à 0v, ainsi T5 peut
s'écrire (stockage d'électrons sur la grille
flottante).
LSN(
FIGURE I-15
:
Cellule mémoire non volatile à noeuds déséquilibrés, réalisée
en technologie canal N
A
j VdcI
LB
Ic
T5
P
TI
LB
M
nf
34
p
Vss
LM
FIGURE I-16
:
Cellule mémoire non volatfle innovative réalisée en
technologie CMOS et détail du point mémoire
- 237 -
Lors du repositionnement les lignes
CLK, PRO et CLR sont polarisées positivement et
l'alimentation de La cellule RAM statique passe
de 0V à VCC. La cellule mémoire RAM statique est
telle qu'elle présente un léger déséquilibre de
façon à repositionner plus facilement le noeud A
à VCC, et c'est ce qui se passe lorsque
le
transistor Flotox Te est écrit. Par contre si
est effacé, il existe par les polarisations CLK,
PRO et CLR une liaison directe entre le noeud B
et
La tension CLR ; ce système permet de
repositionner le noeud B à VCC.
s
retrouve ainsi
la configuration originellement stockée.
Bien entendu il existe d'autres
cellules mémoires de ce type [*12] et certaines
ont été utilisées dans des circuits
commercialisés telle la mémoire 1K bit de XICOR
(X2201) [*13] [*14].
En technologie CMOS, nous avons proposé
une cellule qui présente l'avantage d'être
entièrement symétrique [*15].
Cette cellule est présentée à la figure
I-16. En mode écriture, l'état de La cellule est
imposé par la présence d'une tension O ou 5V sur
la ligne de bit LB et le complément de cette
tension sur la ligne de bit complémentaire 1.9*
transmise aux noeuds du bistable par la mise en
conduction des transistors T, et T, commandés par
la ligne de mot LM.
- 238 -
Lh état donné étant mis en mémoire, il
peut être lu également par mise en conduction des
transistors T7 et T, à partir de la ligne de mot
UI, les lignes de bit LB et LB* transmettant
alors les niveaux des sorties Q et R donc l'état
de la bascule.
Pour effectuer une sauvegarde de L'état
de la bascule, on fait passer temporairement
(pendant lOms) la tension VDD à une valeur élevée
VH, de l'ordre de 20V.
Ce passage de VDD à 20v peutêtre
effectué soit automatiquement Lors de La
détection d'une coupure de courant, soit
systématiquement à chaque changement d'état
de
la
bascule (pour un compteur par exemple), soit sous
l'eff et d'un ordre de sauvegarde émis
volontairement.
Si
la sortie Q était au niveau bas, et
la sortie R au niveau haut, on voit qu'il
apparaft 20V sur la grille de commande GC et GV
sur la source cki transistor T6 Ce dernier est
rendu conducteur tandis que le transistor T
(à
canal P) est bloqué. the injection d'électrons a
Lieu dans la grille flottante à travers la zone
isolante amincie 34. La grille se charge
négativement et modifie la tension de seuil
apparente (vue de La grille de commande) des
transistors T et T6 : La tension de seuil du
premier diminue de quelques volts, celle du
second augmente de quelques volts.
Pour une même
tension appliquée par la suite sur la grille de
commande, le transistor T
présentera une
résistance interne plus faible que le transistor
16.
- 239 -
Dans ces conditions, lorsqu'on voudra
repositionner la bascule pour retrouver
l'information sauvegardée, par exemple lors du
rétablissement de l'alimentation, on s'arrangera
pour que VDD passe de O à 5v, les transistors T
et T
étant bloqués pour isoler la bascule des
lignes de bit. Cette variation de tension est
transmise par la capacité C au point M. Entre Le
point M et la borne d'alimentation B, on trouve
l'équivalent de deux ponts diviseurs, l'un
constitué par les transistors 15 et T, l'autre
par Les transistors T
et T
et 13
Les transistors 13
sont identiques et au départ présentent des
résistances a priori équivalentes. Mais le
transistor T
est plus conducteur que Le
transistor T. Le potentiel du point R monte donc
au départ plus vite que celui du point Q. Cette
dissymétrie initiale suffit à faire basculer
franchement la bascule dans un état correspondant
à
la sortie Q à VSS (0V) et la sortie R à VDD. Qi
remarque que le repositionnement correspond bien
à l'état initial avant sauvegarde, et non à
L'état inversé.
Si au contraire on était parti d'un
état initial où la sortie R est à 0V et la sortie
Q à SV, Le passage de VDD à VH = 20V provoque une
différence de potentiel de 20V entre grille de
commande GC et source du transistor à canal n T6
dans un sens tendant à expulser les électrons de
la grille flottante â travers la couche isolante
amincie. Cette expulsion charge positivement la
griLle flottante de sorte que la tension de seuil
apparente du transistor à canal P T
celle du transistor
augmente et
canal N 16 diminue. Pour
une même tension appliquée sur
la grille de
commande GC, le transistor 16 présentera une plus
faible résistance interne que le transistor T.
- 240 -
Lorsqu'on repositjonne La bascule en
faisant passer VDD de O à 5v, la variation de
tension VDD est transmise par la capacité C au
point M. Dans tes ponts diviseurs constjtués
entre le point M et la borne B par les
transistors T
et 14 d'une part, 16 et 13 d'autre
part, on voit qu'initialement T3 et 14 présentent
des résistances sensiblement identiques,
tandis
que T a une résistance beaucoup plus
faible que
T5
Ce déséquiLibre initial porte ta sortie Q à
un potentiel plus élevé que la sortie R et suf f it
à faire basculer franchement La bascule bistable
dans un état où la sortie Q est à VDD et la
sortie R à VSS, ce qui correspond bien à l'état
initial qu'on voulait sauvegarder.
- 241 -
1.4 CONCLUSION
Les produits non voLatils peuvent4tre subdivisés suivant
deux classes de circuits
:
- les mémoires mortes inscriptibles et effaçables électriquement
(E ERR 0M)
- Les mémoires vives non volatiLes (NOVRAM)
Le domaine d'application de ces circuits est très étendu
(compteurs non voLatils, remplacement des EPROM, microprocesseurs
avec EEPROM...) et certains produits à base d'EEPR1 peuvent euxmêmes donner lieu à de nombreuses applications tel par exemple un
réseau Logique programmable électriquement proposé par IBM [*161.
Malgré La diversité et les architectures différentes des
produits, la caractéristique essentielle des mémoires non volatiles
est constituée par le point mémoire Luimême en ce qui concerne les
EEPRCM et ce point mémoire intégré dans une cellule mémoire pour
Les circuits du type NOVRAMO
C'est donc Le choix du point mémoire ou de l'ensemble
point mémoire et cellule mémoire qui fera l'originalité d'une
mémoire non volatile.
Bien que ce choix ait des implications directes pour
l'ensemble du circuit : choix d'une technologie, tension de
programmation extérieure ou générée sur la puce, caissons
d'isolement, on retrouve dans Les mémoires non volatiles (hormis
pour Le plan mémoire et les décodeurs) Les aspects classiques de la
circuiterie des mémoires de type ROM ou RAM.
- 242 -
L'évolution des circuits cii type EEPRI ou NOVRAM dépend
donc directement et uniquement de l'évolution des points mémoires
et de la technologie liée à leurs fabrication et utilisation.
Actuellement la tendance est telle que l'on délaisse les
points mémoires cii type MNOS (notamment à cause des problèmes liés
aux difficultés de fabrication, aux rendements de production, et
aux difficultés d'utilisation) au profit des points mémoires à
grille flottante.
L'orientation vers des diminutions de consommation f avo
rise le développement des dispositifs à injection par effet tunnel
cii type Fouler Nordheim. Parallèlement l'utilisation de diélectrj-
ques autres que le nitrure ou le dioxyde de silicium permet
d'abaisser les tensions de programmation et de diminuer les problèmes de dégradation liés à la lecture.
Dans le tableau suivant sont résumées les caractéristiques principales de quelques produits EEPRCM ou NOVRAM actuels.
CONSO.
TENSION TENSION TEMPS CONSO.
TAILLE SURFACE TEMPS
DYNAMIQUE RETENTION ENDURANCE
STATIQUE
PROG.
DE
PROG.
ALIM.
D'ACCES
DENOMINATION ORGANISATION TECHNOLOGIE CELLULE PUCE
MEMOIRE
lOms
60mW
250mW
-
-
lOms
-
-
-
-
*
2K X 8
SEEQ 52 B 13
16K
canal N,3m
400iim2
200ns
5V
-
5V
P.M. Flotox
à oxynitru-
[*17]
générée
sur puce
re
*
2K X 8
XICOR X 2816
16K
canal N,5im
P.M. 3 poly
-
-
-
-
[*18 1
2K X 8
INTEL 2817
16K 2816
canal N
P.M. Flotox
générée
sur puce
250ns
SV
22V ext. 10/20
séquen
ceur in
300mW
900mW
10 ans
10cyc Les
ms
terne
[*19]
INTEL 2818
2K X 8
canal N
1,5im
P.M. Flotox
2K X 8
canal N
3,5Lm
P.M. Flotox
4K X 8
canal N,4m
[*201
NS
*MNC 2816
16K
[*21
-
270iim2
15mm2
- 17,2mm2
150ns
5V
21v
générée
sur puce
lOms
75mW
450mW
10 ans
10cycles
200ns
5V
21V
générée
sur puce
lOms
50mw
350mW
> 10 ans
l05cycles
300ns
5V
10/
générée
sur puce lOOms
150mW
450mW
10 ans
10cyc les
1
NCR
32K
[*221
P.M. type
MNOS
241iim2
27mm2
-
TAILLE
DENOMINATION ORGANISATION TECHNOLOGIE CELLULE
SURFACE TEMPS
TENSION TENSION TEMPS CONSO.
CONSO.
PUCE
D'ACCES ALIM.
DE PROG. PROG. STATIQUE DYNAMIQUE RETENTION ENDURANCE
MEMOIR E
MOTOROLA
*M.C.N 2832
32K
4K X 8
canal N,3itm
2óOtm2 20,6mm2
9Ons
5V
167im2 33,7mm2
-
5V
200ns
5V
P.M. Fetmos
lOms
60mW
310mW
-
lO5cycles
10/
lOOms
50mW
750mw
10 ans
1OcycLes
2Oms
générée temps
sur puce de
repositio
ne
250mW
500mW
10 ans
l04cyc les
160mw
300mW
1 an
lOcycles
21v
externe
[* 23]
IM1OS
*IM 3630
8K X 8
64t(
[*24J
canal N,3pm
P.M. type
MNOS
-
(nitrox)
isolement
caisson P
** INTEL
512 X 8
4K
HMOS i
l764im2
P.M. Flotox
18,67
mm2
[*25 1
-
ment
1500
ns
**
NCR
8K
[*26]
.B.
:
.
1K X 8
canal N,4m
P.M. : MNOS
isolement
caisson
2l96pni2
31mm2
300ns
5V
+ 22V
externes
lOms
l'ensemble des produits présentés sont du type EEPROM à I 'exception des produits "**" du type
NOVRAM.
les EEPROM commercialisées sont notées par une astérisque
P.M. signifie point mémoire non volatil.
le classement du tableau est fait par ordre croissant des capaci tées mémoires, on notera la présence
de
mémoires 32K et 64K utilisant des dispositifs MNOS.
CHAPITRE
PRESENTATION DU CIRCUIT NOVRAM
CHOIX DES CELLULES MEMOIRES ET CHOIX DE LA TECHNOLOGIE
246 -
-
11.1 INTRODUCTION
Le but de Ltétude qui a été menée est de démontrer La
faisabilité d'un circuit RAM non voLatiL, utilisant des points
mémoires cii type Flotox. Cette étude devant être faite sur une
matrice de petite capacité (256 bits) dont les caractéristiques
essentiel-les envisagées sont Les suivantes
- capacité : 256 bits
- organisation : 64 mots de 4 bits
- tenus d'accès en lecture : 250ns
consommation
:
100mW
temps de prise en mémoire : 1 à lOms
- temps de repositionnement
à 2is
i
:
- tension d'alimentation : 5V + 10 %
- températ1e de fonctionnement
- rétention non aLimentée
:
- tension de programmation :
:
00
> 5 ans
'
20V
-
70°C
:
- 247 -
\/\rt/\\!/\/
A1]RESSAGE LIGNES
Li
L2
ci
L3
L4
L
vCC
E
o
C
G
o
I
o
E
Q
U
E
C.S.
U
)LE.
D
1/2 PLAN
1/2 PLAN
E
L.
XEI4OIRE
I
MENOIRE
C
G
o
N
M
E
M
A
MISE EN MENOIRE
H
MASSE
u
/64
E
REPOSITIONt494EuT
C64
CIRCUIT E/S
FIGURE 2-1
:
CIRCUIT E/S
Organisation générale du circuit
"NOVRAM"
- 248 -
11.2 ORGANISATION GENERALE DU CIRCUIT
Le circuit est organisé en
64 mots de 4 bits, le schéma
synoptique de l'ensembLe pLan mémoire et périphériques est donné à
La figure 2-1 [*27].
Le plan mémoire est réparti en 64 lignes et 4 colonnes.
Cette configuration est acceptable étant donné le faible nombre de
points mémoires, et elle présente l'avantage de supprimer l'utilisation d'un décodeur colonne.
Il sera par contre nécessaire d'avoir un décodeur ligne
qui sélectionne i
ligne parmi 64, on aura donc 6 entrées d'adresse
pour ce décodeur.
Les amplificateurs d'entrée I sortie fournissent les
signaux adéquats pour le circuit d'entrée / sortie et la sortie
des données0
La logique de commande assure le contrôle des circuits
d'entrée et de sortie, elle commande aussi tous les circuits principaux pour chacun des modes de fonctionnement
:
mise en mémoire,
repositionnement, lecture.
L'utilisation d'une même entrée pour la tension d'alimentation et
la tension de mise en mémoire non volatile, permet de
s'affranchir de la commande mise en mémoire, et par conséquent
cela permet d'utiliser un boitier 16 broches pour tout le circuit.
(Ce circuit étant un circuit test, la préférence a été donné ,
dans un but simplificateur, à une tension de programmation
externe).
- 249 11.3 CHOIX DES CELLLLES MEMOIRES
11.3.1 Concept de dispositif Flotox isolé
Nous avons vu qu'une faible tension appliquée sur
le drain ou la grille de contrôle d'un dispositif Flotox,
pouvait provoquer une dégradation de La charge stockée sur
la grille flottante. Dans une cellule mémoire cii type
NOVRAM lors cii fonctionnement RAM classique, un des noeuds
du bistable est toujours à 5v. Si donc le drain ou la
grille de contrôle cii dispositif non volatil sont reliés à
ce noeud, une dégradation de la charge stockée est possible. Gi appellera un "Flotox isolé" un dispositif f lotox
pour lequel ce mécanisme ne peut pas de produire.
G obtient des "Flotox isolés" à L'aide de transistor série
côté drain et sur La grille de contrôle. Ce
système alourdit La structure d'un point de vue encombrement et d'autre part pose Les problèmes liés au transistor
série pour la transmission de la haute tension nécessaire à
la programmation.
IL n'existe donc pas de solutions idéales et
étant donné que la dégradation qui apparaft sur un FLotox
non isolé permet (d'après les simulations du fonctionnement
d'un dispositif non volatil Flotox ayant les caractéristiques cii dispositif utilisé dans le circuit) d'avoir au
bout de 30 ans une fenêtre de 5v, celleci est tout à fait
suffisante pour repositionner La bascule. Nous utiliserons
donc des "Flotox non isolés".
- 250 11.3.2
Présentation et description des cellules choisies
11.3.2.1
Repositionnement statique
Les celLules présentées dans ce paragraphe sont réalisées en technoLogie canal N.
ELles
peuvent cependant être réalisées en technologie
CMOS en changeant L'élément de base de la cellule,
c'estàdire le bistable en technologie CMOS.
La cellule présentée à La figure 2-2 est
constituée d'un bistable qui permet le fonctionnement en RAM statique : 12 et T
sont des MOS
enrichis, 19 et 110 sont Les transistors
d'accès
aux ligne de bits.
Pour assurer la fonction de mémoire non
volatile, on adjoint à chacune des branches
cii
bistable, en parallèle avec T1 (respectivement
13), un élément cii type Flotox T
(respectivement
T) en série avec un transistor d'accès 17 (respectivement Te). Les drains et grilles des tranle drain de T
(res-
sistors Flotox sont croisés
:
pectivement T) est relié à
la grille de T6 (res-
pectivement T) ; on assure ainsi
la symétrie de
l'ensemble et Le bon fonctionnement de La cellule.
En fonctionnement RAM statique les tran-
sistors 17 et T, sont bloqués, permettant ainsi un
fonctionnement classique du bistable.
Lorsqu'on veut mémoriser de manière non
volatile l'état du bistable, on applique une tension de 20V sur la ligne VDD, Les transistors T7
et T, étant maintenus bloqués. Le noeud du bistable qui "voyait1' 5V en fonctionnement RAM, voit
maintenant 20V tandis que L'autre noeud demeure
0V ; ainsi
à
le Flotox situé du côté de l'état haut
aura son drain polarisé à 20v et sa grille à 0V.
- 251 -
TB
T.IO
FIGURE 2-2
FIGURE 2-3
:
:
Cellule mémoire non volatile symértrique à repjtionnement
statique
Cellule mémoire (non volatile symétrique à repositionnement
statique) simplifiée
FIGURE 2-4 : Cellule mémoire non volatile disymétrique
à
- 252 -
Cette polarisation va provoquer Le
le
départ d'éLectrons de La grille flottante vers
drain et permettra ainsi au transistor Flotox
d'avoir un seuil "bas" (tension de seuil négative).
Le Flotox situé du côté de l'état bas,
quant à lui, aura son drain polarisé à O et sa
grille à 20v.
La grille flottante collectera
aLors des électrons et le transistor Flotox aura
ainsi un seuil "haut" (tension de seuiL positive)
Lorsqu'à un moment donné on voudra récu
pérer l'information stockée dans les transistors
Flotox, il suffira de rendre les transistors d'ac-'
cès T7 et T8 passants, la ligne d'alimentation VDD
passant de O â 5V après avoir été préalablement
annulée.
Le FLotox ayant le seuil "bas" se comportera comme un shunt du transistor déplété situé
en parallèle, tandis que L'autre FLotox restera
bloqué. La tension au noeud situé ai c6té "shunté"
va donc suivre la tension d'alimentation tandis
que l'autre restera à 0V.
G-i retrouvera ainsi un état haut du côté
du transistor Flotox de seuil bas et un état bas
du côté du transistor Flotox de seuil haut. On
restitue donc, ainsi, l'exacte information stockée
dans les 2 transistors Flotox.
Le circuit de La figure 2-3 est une
variante de la figure 2-2
:
on a supprimé le tran-
sistor d'accès de l'un des transistors Flotox.
Son fonctionnement est en tous points semblable
celui du circuit de la figure 2-2.
à
- 253 Cependant, et c'est là Le défaut du
circuit, Lors d'un stockage de l'inforifiation, il y
aura un moment où les Flotox ne seront plus dans
un état stable : bloqué ou passant mais dans un
état intermédiaire qui autorisera Le passage d'un
courant entre la ligne d'alimentation et la masse,
provoquant ainsi une consommation que l'on évite
dans le circuit de la figure 2-2. Cette consommation étant toutefois Limitée à la consommation
déterminée par les transistors déplétés de charge.
En outre le risque de destruction de
l'état du bistable est assez grand pendant la
phase de mémorisation. En contre partie, ce type
de circuit, tout en conservant une bonne symétrie
permet de gagner un peu de place (un transistor
par cellule).
Le circuit représenté à
la figure 2-4
est un montage dissymétrique. Les avantages en
gain de place par rapport au circuit de la figure
2-2 sont évidents
:
une seule ligne de bit et
donc un seul transistor d'accès, un seul transis-
tor Flotox avec un unique transistor d'accès.
Toutefois l'inconvénient de ce montage
est dû à sa dissymétrie qui peut entra1ner des
difficultés de repositjonnement en fonctionnement
non volatil.
11.3.2.2 Repositjonnement dynamique
Contrairement aux cellules à repositionnement statique où le repositionnement se fait par
l'intermédiaire d'un MOS interrupteur en série
avec le transistor Flotox, le repositionnement
dynamique se fait par l'intermédiaire d'une capacité en série avec le transistor Flotox.[*281
CAPACITE
CAPACITE
LB
FI.OTOX
LN
Cellule mémoire non volatile symétrique à repositionnement
dynamique
FIGURE 2-5
FIGURE 2-6
:
Cellule mémoire (non volatile symétrique à repositionnenient
dynamique ) simplifiée
- 255 -
Les schémas électriques des cellules
(figures
2-5, 2-6, 2-7) sont tout à fait semblables à ceux des figures (2-2, 2-3, 2-4). La seule
différence réside dans le remplacement des transistors d'accès en série avec les transistors
Flotox par des capacités.
Pour les circuits des figures 2-5 et 2-6
on voit que la différence des constantes de temps
Ron C et Roff C, où Ron correspond au Flotox passant et Rof f au f lotox bloqué doit suffire pour
repositionrier le système pour une valeur convena-
ble de la capacité C
Dans le cas de la figure 2-7, outre la
nécessité du bon fonctionnement en mode dissymé-
trique du système, il faut que la constante de
temps liée au transistor de charge de la bascule
soit inférieure au temps de charge de la capacité
en série avec le transistor Flotox, lorsque
ce
dernier est bloqué. IL est nécessaire d'avoir la
situation inverse Lorsque Le Flotox est passant.
(h autre type de cellule à reposition-
nement c'namique est celui correspondant à la
figure I-16 (1er chapitre - 2ème partie) et dont
la présentation a été faite dans
le premier chapi-
tre de la deuxième partie.
11.3.2.3 Cellules choisies
Comme nous le verrons, le choix de La
technologie ayant été fixé en CMOS, c'est dans
cette technologie que seront réalisées les cellules choisies.
Cellule mémoThe non volatile dissymétrique à repositionnement
FIGURE 2-7
dynamique
JtAImE
COANDE
'La
LB
-I-
Vsa
FIGURE 2-8
:
Li4
Cellule mémoire non volatile en technologie CMOS et à
repos i ti onnement statique
- 257 -
La première cellule choisie est
présentée à la figure 2-8. Cette cellule bien que
composée de 10 transistors dont deux non volatils
et d'une ligne de commande nécessaire au repositionnement, présente l'avantage d'être entièrement
symétrique tant du point de vue fonctionnement RAM
classique que du fonctionnement non volatil.
D'autre part les éléments non volatils ne perturbent eri aucune manière (grâce à la ligne de com-
mande) le fonctionnement RAM statique.
Le fonctionnement de cette cellule est
fiable et son repositionnement est statique.
La deuxième cellule choisie est présentée à la figure 2-9. Cette cellule est elLe aussi
entièrement symétrique. La présence de la capacité
commune permet un grand gain de place par rapport
à la cellule précédente.
Son seul inconvénient est de pouvoir
laisser passer un courant entre Les noeuds du
bistable lors de La mise en mémoire non volatile.
Bien que cette conduction corresponde à un état
transitoire du système, on élimine totalement cet
écueil par une variante de cette cellule présentée
à la figure 2-10 utilisant un dédoublement de la
capacité.
Deux capacités reliées entre la ligne
d'alimentation et une zone diffusée de chaque
élément non volatil, ces zones diffusées n'étant
alors plus connectées entre elles.
Cette cellule correspond à
tion choisie.
la 3ème solu-
_ LB
LB
Vss
FIGURE 2-9
:
Cellule mémoire non volatile en technologie CMOS et à
repos i tionnement dynamique
LB
Vss
Ltl
-j-J-'---4
FIGURE 2-10
:
Cellule mémoire non volatile en technologie CMOS et à
repositionnement dynamique
- 259 II.A CHOIX ET DESCRIPTION DE LA TECHNOLOGIE
11.4.1 Choix de la technologie
La comparaison de la technologie CMOS par rapport à
la
technologie canal N fait apparaÇtre un double avantage de
la technologie CMOS :
- faible consommation cii circuit,
sensibilité de la cellule mémoire qui
lors du reposition-
nement est supérieure à celle d'une cellule canal N enrichie déplétée,
L'inconvénient majeur de cette technologie est
qu'elle ne permet pas d'avoir une polarisation di substrat
favorable pour éviter le perçage en haute tension.
Toute-
fois en technologie CMOS on s'affranchit di problème de
perçage par des prof ils d'implantation appropriés dans le
canal.
Outre ces avantages, la technologie CMOS doit
permettre une compatibilité des circuits non volatils avec
certains types de produits tels Les microprocesseurs réalisés en CMOS.
Pour ces diverses raisons, La technologie CMOS a
été retenue.
11.4.2 Description de la technologie [*291
Le point mémoire Flotox réclame en programmation
une haute tension de 20V. Cette "haute tension" doit se
retrouver sur environ 10 Z des transistors des circuits
périphériques.
- 260 -
La présence de cette haute tension nécessite que
:
- toutes les diodes tiennent au moins 22v (N+P, P+N, caisson, sous oxyde épais ou mince...).
C'est pourquoi
La double implantation phosphore
et arsenic faible profondeur des jonctions canal N basse
tension est remplacée en haute tension par une implantation
phosphore à 0,óiim de profondeur.
- Les tensions de seuils de MOS parasites (oxyde épais) se
situent au dessus de 22V (courant de fuite de quelques
monoampé res).
D'autre part IL est nécessaire que
:
les transistors haute tension ne percent pas sous 20V
pour une longueur de canal dessinée de
51.Lm.
- les transistors périphériques ne percent pas sous 5,5V
pour une longueur de canal dessinée de 3,5iim.
Les principaux paramètres technologiques sont les
suivants
:
- substrat de départ : type P
- caisson de type N
: - dopage
: 14-22 ecm
:
100K e.v. 2 1012 cm'
- profondeur : 4 à 5 um
- 261 - profondeur des jonctions
basse tension
:
:
double implantation
:
phosphore Ipim - arsenic 0,3iim
haute tension : implantation phosphore 0,óitm
=
O,5um
- oxyde de grille : épaisseur 600 à 700
-
X
oxyde de chanp (valeur finie) : épaisseur
11Am
oxyde interpoly : épaisseur 500 à 800 X
oxyde épais (valeur finie) : épaisseur 8000 X
épaisseur poly i : 5000 X
épaisseur poly 2
:
5000 X
Les principales étapes technologiques sont
résumées dans les pages suivantes (figure 2-11)
Les principaux paramètres électriques sont les
suivants :
- tension de seuil des transistors :
de type canal N : VTN =
0,8 + 0,2V
de type canal P : VIP = 0,8 + 0,2V
-
FIGURE 2-11
:
262 -
Principales étapes technologiues
RESINE
- Implantation des caissons N
N
p
NITRUflE
RESINE
NITRURE
S102
Dépôt nitrure
N
- Gravure nitrure
p
T
- Implantation ionique N
d'isolement caisson
- Implantation ionique P
d' isolement substrat
- Oxydation de champ
- Attaque nitrure et oxyde
- Ajustement des tensions
de seuil VTN
Vf
- 263 -
- Oxydation de grille
- Implantation N++ connexions
et croisements
p
f
OUVERTURE FLOTOX
- Ouverture zone mince Flotox
- Oxydation fine Flotox
Ouverture des précontacts
- Dépôt du silicium polycristallin
- Gravure du silìciun
polycri stal lin
- Implantation ionique
pH
drains sources P
++
- Implantation ionique N
drains sources N
- Oxydation entre poly i et
poly 2
- Dépôt du silicium poly 2
- Gravure du siliciun poly 2
- Dépôt de l'oxyde intermédiair
- Ouverture des contacts
ALUMINIUM
- Dépôt de l'aluminium
- Gravure de l'aluminium
- Passivation
- Gravure oxyde de passivation
- 265 -
- effet de substrat :
transistor de type canal N
pour L = 3,5tm KBN = 0,6
si
KBN = 0,25 si
pour L = 5iim
V
< iV
VBSI> 1V
si
KBN = 0,35 si
KBN = 0,7
IV
iV
transistor de type canal P
pour L = 3,5iim
pour L
5iim
KBP = 0,7
= 0,8
- résistances des couches :
R
P+ : 1202I
Ra
Mf :
Silicium polycristallin
:
18 à 30/a
- dimensions électriques des canaux :
transistor de type canal N
LEN = (LDN - 1,2) + 0,5 en tm
ZEN = (ZDN - 1,5) + 0,5 en
m
- 266 -
transistor de type canal P
LEP = (LDP - 0,9) + 0,5 en im
ZEP = (ZDP - 1,8) + 0,5 en im
- mobi lités
:
= 600 à 700 cm2 / Vs
tP = 250 à 280 cm2 / Vs
Nous noterons enfin quelques points particuliers de cette
technologie dont les impacts sur l'implantation des circuits
est important
:
- Les croisements de silicium polycristallin : poly 2 avec le
silicium polycristallin
: poly 1 sont interdits en 20V mais
autorisés en 5v,
le débordement du poly 1 au delà du poly 2 est autorisé,
- les contacts sur poLy 2 lorsque ce dernier est pLacé
audessus cii poLy 1 sont interdits.
- 267 11.5 PRINCIPALES REGLES DE DESSIN
La tolérance d'alignement entre deux niveaux est de
+ l,5Rm.
Les règles essentielles sont les suivantes :
- LOCOS
largeur minimale
4tm
espacement minimal
4iim
distance minimale entre
N4 et P+ de part
13Mm(V
5,5V)
et d'autre d'un caisson l6iim(V> 5,5V)
GRILLE
Largeur minimale
3,5jim
5
espacement minimaL
-
OUVERTLRES DE CONTACT
- ALLZlINIlJ'
im
5,5V
V
V> 5,5V
4,5itm
3 x 3iam
largeur minimale
4iim
espacement minimal
5j.tm (L
12im)
6im (L> l2im)
Les règles sont relâchées pour Les composants soumis
la haute tension de programmation.
- 268 -
11.6 CONCLUSION
Le circuit RAM non volatil de 256 bits présenté dans ce
chapitre est organisé en 64 mots de 4 bits.
Le circuit (figure 2-1) comporte un plan mémoire, un
décodeur ligne, un circuit d'entrée/sortie et une logique de commande. L'absence de décodeur colonnes est dOe à la disposition du
plan mémoire en 64 lignes et 4 colonnes.
La réalisation d'un tel circuit nécessite le choix de
cellules mémoires convenables. Notre choix a été porté sur les
cellules présentées par les figures 2-8, 2-9 et 2-10. Elles présentent toutes l'avantage d'être entièrement symétriques en f onctionnement RAM et d'une bonne fiabilité de principe en fonctionnement non volatil. Les deux dernieres cellules présentent l'avan-'
tage sur la première d'être moins encombrantes.
La technologie choisie pour réaliser un tel circuit est
le CMOS caisson N
aitre la faible consommation de
la circuiterie
CMOS, cette NOVRAM 256 bits réalisée en CMOS constitue un circuit
test pour la réaLisation de produits plus complexes élaborés en
technologie CMOS.
Le choix du substrat P (et donc du caisson N) est lié
essentiellement à deux points
:
compatibilité de ce type de circuit avec des circuits réalisés
en technologie monocanal (canal N),
faible valeur du coefficient d'effet de substrat (substrat P) et
qui permet donc de réaliser sur la puce des multiplieurs de
tension.
Cette technologie doit être adaptée aux besoins non
volatils, en particulier la "haute tension" (20v). Cela nécessite
principalement une bonne tenue des diodes en tension au delà de la
haute tension, ainsi que des tensions de seuil des MOS parasites
supérieures à cette haute tension.
- 269 -
Les principales étapes de fabrication sont résumées par
la figure 2-11.
Enfin, les règles de dessin sont du type HC1N (3,4gm)
pour la circuiterje périphérique non soumise à la haute tension,
et sont plus larges pour le plan mémoire et les parties soumises à
la haute tension (5i.im).
CHAP I TRE
III
DESCRIPTION DU CIRCUIT NOVRAM
111.1 INTRODUCTION
Le circuit présenté dans ce chapitre est une mémoire
RAM statique non volatile réalisée en technologie CMOS caisson
Les parties constitutives de ce circuit sont les suivantes
N.
- système d'écriture - lecture (amplificateur)
- circuit d'entrées! sorties
- décodeur lignes
logique de commande (sélection de puce - 3ème état)
La simulation du fonctionnement de ce circuit a été
réalisée sur la base de 256 bits avec les cellules représentées
aux figures 3-1 et 3-2 et à l'aide du programme AZTEC.
Par contre l'implantation, dont on donnera un bref
descriptif en fin de ce chapitre, a été ramenée pour des raisons
de gain de place et économiques à l'implantation d'un circuit
test de type NOVRAM comportant trois cellules différentes.
-
LB
272 -
COMMANDE
J-
COMMANDE
vcc
L
P 5/6
p
N 17/8
P 5/8
5/
p
5/6
5/8
N 17/6
N 28/6
N 26/6
vss
FIGURE 3-1
FIGURE 3-2
:
5/
L14
Cellule mémoire iitflìsée dans la conception du circuit "NOVRAW
Cellule mémoire à repositionnement dynamique utilisée dans
la conception du circuit "NOVRAM"
111.2 DESCRIPTION DES ELEMENTS COITIT1ffIFS DU CIRCUIT
111.2.1 Système d'écriture - lecture
Ce circuit est représenté à la figure 3-3.
En absence de fonctionnement écriture ou lecture, la présence des ?4DS
9 et 10 permet de polariser les
lignes de bits à une tension déterminée. Cette tension
est imposée par la tension appliquée aux grilles des IVS
cette tension est elle-même déterminée par le
9 et 10
;
diviseur de tension constitué par des ÌIS 29 et 30. Si
cette tension est appelée VDIV, les lignes de bits
seront polarisées à
VDIV - VTN
où VTN est la tension de seuil des ?S canaux N.
L'ensemble des MOS 9 - 10 - 29 - 30 constitue
le circuit de précharge des lignes de bits.
En mode d'écriture une cellule est
sélectionnée par l'intermédiaire du décodeur lignes
;
la
ligne de mot monte à 5V et pert de relier les noeuds de
la cellule mémoire aux lignes de bits
;
d'autre part les
MOS 11 et 12 sont rendus passants par l'intermédiaire de
la commande E/L. Les lignes de bits sont alors déséquilibrées suivant les états des noeuds C et D. (notons que
durant cette opération d'écriture, la sortie du circuit
d'entrée sortie est en état de haute impédance).
Le déséquilibre des lignes de bits permet alors
de faire basculer la cellule mémoire et donc d'écrire.
274
LB
LB
L14i
CELLULE i
N
LMt
cl
I
I
129
p
vcc
130
N
14
50/4
VCC'
4/io
TDfl
IN
liS
32/4P
f00/4
120
J N1
40/4
N L_...VCC
f00/4
E
VERS BUFFER E/S
VERS BUFFER E/S
ElL
lii
50/4
C
eren
VERS BUvrLn
FIGURE 3-3
Ti2
J
e In
Système d'Ecrjture-Lecture
¿'D
VERS BUFFER
EIS
- 275 -
En mode lecture les 1YS 11 et 12 sont bloqués
grâce au 0V de commande appliqué sur leur grille.
Si une cellule est alors adressée par l'intermédiaire du décodeur lignes et de la ligne de mot correspondante, l'état du bistable de la cellule mémoire aura
tendance à faire monter la tension d'une ligne de bit et
réciproquement de faire descendre l'autre ligne de bit.
Lors de cette opération, il faut noter que les
états du bistable ne seront pas détruits si les lignes de
bits sont préchargées à une valeur suffisante. Pour cela
il est nécessaire entre deux opérations écriture - lecture ou lecture - lecture, de laisser un temps nécessaire
à la précharge des lignes de bits (dans le cas de notre
circuit, ce temps est de 5Ons). Entre deux lectures de
cellules différentes, ce temps de retard est automatiquement introduit par le décodeur ligne.
Le déséquilibre entre les lignes de bits est
accentué par un système amplificateur constitué des Ì4DS
19 et 21 pour une ligne de bit et 20 - 22 pour l'autre
ligne de bit.
Une des diffusions du ÌS 19 (respectivement
20) est reliée à une ligne de bit, l'autre diffusion est
reliéeà une diffusion du MOS 21 (respectivement du MOS
22). L'autre diffusion du MOS 21 (respectivement 22) est
reliée à la tension d'alimentation VCC.
Les MUS 21 et 22 sont des transistors canaux P
dont les grilles sont reliées à la masse.
La diffusion commune des MUS 19 et 21 (respectivement 20-22) passera à la tension VCC si le MUS 19
(respectivement 20) est bloqué puisque le MUS 21 (respectivement 22) est toujours passant.
- 276 -
Les grilles des transistors 19 et 20 sont
polarisées à la tension VDIV à l'aide du diviseur
de tension (MUS 29 - MUS 30) et les lignes de bits sont
normalement à V1v - VT (tension de précharge).
Si donc, sur une ligne de bit la tension est supérieure
ou égale à VDIV - VT, le transistor 19 (ou 20)
correspondant à cette ligne de bit reste bloqué ; par
contre il devient passant si la tension de la ligne de
bit est inférieure à VDIV - VT. Les transistors
21 et 22 sont dimensionnés vis à vis des MOS 19 et 20 de
façon à ce que la chute de tension à travers eux soit
importante, et que l'on retrouve sur la zone diffusée
commune à 19 et 21 (ou 20 et 22), la tension de la ligne
de bit, c'est-à-dire une tension inférieure à
(VDIV - VT).
Ainsi sur les grilles des transistors 15 et 16
on a une tension VCC tant que les lignes de bits sont
préchargées, et dans le cas où une ligne de bit descend
légèrement en dessous de la tension de précharge, on a
alors sur l'une des grilles une tension inférieure à la
tension de précharge tandis que sur l'autre on garde VCC.
Donc avec une tension de précharge de l'ordre
de 2,8V pour un décalage de quelques centaines de milivolts sur les lignes de bits, on obtient un décalage de
2,2V sur les grilles des transistors 15 et 16.
Ces transistors 15 et 16 constituent des charges à résistances variables pour le bistable constitué
par les transistors MUS 15 - 16 - 17 - 18. La variation
de la tension grille des transistors 15 ou 16 permet de
faire basculer ce bistable dans un état représentatif de
la lecture. Ces données disponibles sur les sorties E et
F sont acheminées vers le circuit d'entrées! sorties.
- 277 -
A la figure 3-4 sont représentées dans le cas
"typique" les variations de tension sur les lignes de
bits dûes à l'écriture au cours de deux écritures consécutives
- une première écriture débutant à 9Ons
une deuxième écriture débutant à l9Ons
la non linéarité des courbes est dûe aux légers déséquilibres dûs aux basculements des cellules mémoires.
On peut aussi noter sur cette figure la précharge des lignes de bits de O à 2,8V dans les 50
premières nanosecondes.
La figure 3-5 représente dans le cas typique le
basculement d'une cellule mémoire dont l'état écrit au
préalable est l'opposé de celui écrit actuellement. Cette
écriture correspond à la première écriture de la figure
3-4.
En "typique" et à partir du moment oa la cellule est adressée, le temps d'accès à l'écriture est de
l4Ons.
La figure 3-6 met en évidence les déséquilibres
qui apparaissent sur les lignes de bits lors de la
lec-
ture de cellules mémoires.
Une première lecture est amorcée à l2Ons et
stoppée à l9Ons, on voit alors le retour à la tension de
précharge des lignes de bits, une deuxième lecture de
sens opposé est alors amorcée à 240ns.
- 278 -
tension en V
6
Tension sur la ligne de bit L.B.
Début d'écriture
1
Tension sur la ligne de
bict,
1 -i
lA(
5cj
FIGURE 3-4
:
Temps
i
25
en ns
Variation dela tension des lignes de bits
due à l'écriture
tension en V
Tension du noeud situé du c6té de t1.
3-
j
4
Tension du noeud situé du c6té de L.B.
--f
-
I
I
1
4-
-
2
FIGURE 3-5
:
Basculement des états d'une cellujé
300
i
Temps
'35e en ns
- 279 -
tension en V
s-.
C
Début de lecture
Tension sur la ligne de bitti:
---e
\ Tension sur la ligne de bit LB.
Temps
cc,
FIGURE 3-6
100
200
en as
2g')
Déséquilibre de la tension des lignes de bits lors de la
:
lecture d'une cellule mémoire
tension en V
6...
.
Tensien sur l'entrée de la bascule
ecture correspondant à L.B.
-4.
Tension sur l'entrée de la bascul
de ture correspondant à L.B.
T'no s
co
FIGURE 3-7
:
lee
i co
3
Amplification, par le système amplificateur à deux MOS,
du déséquilibre en tension des lignes de bits
en fls
-
TENSION
in
280 -
V
II
II
Tensions sur les noeuds
de sortie du bistable
J
de lecture
L
Temps
f-.
O
5(
en
25e
2ACI
ISEt
ns
FIGURE 3-8 : Basculementsdu bistable de lecture correspondant aux
déséquilibres des lignes de bits
TENSI4 un V
C
Tensions aux noeuds d'une cellule lors d'une
lecture
I________________________________________
e
1
«
i
FIGURE 3-9
:
-
Temps
i
t
40
6e
90
úú
126
140
160
en ns
Etat des noeuds du bistable constitutifs d'unecellule mémoire
lors d'une lecture durant un temps infini
- 281 -
La figure 3-7 met en évidence le phénomène
d'amplification du déséquilibre sur les lignes de bits,
cette figure correspond à la figure 3-6.
La figure 3-8 montre le résultat de ces déséquilibres sur le bistable de lecture. On notera qu'avant
la première lecture le bistable présente un état intermédiaire qui correspond à la mise sous tension du circuit.
La figure 3-9 met en évidence que0 dans le cas
typique
on ne dégrade pas l'état d'une cellule mémoire
durant une lecture, même si celle-ci se fait durant un
temps infini.
111.2.2 Circuit d'entrées / sorties
Le schéma logique de ce circuit est donné à la
figure 3-10 tandis que son schéma détaillé est donné à la
figure 3-11.
Le circuit d'entrée est simplement constitué de
3 inverseurs I, I, 13 qui fournissent les données
d'entrée à C et D et donc aux lignes de bits LB et LB
à travers T11 et T12 (figure 3-3).
Le circuit de sortie est constitué d'un buffer
de sortie 3 états. Celui-ci comprend une porte NOR : N1
et une porte NND : A1 attaquant respectivement les MOS P
et N de l'inverseur de sortie. Les inverseurs I,, I, I6
I
permettant la compatibilité TTL-L.S. en sortie.
Les données de sortie complémentaires transmises par E et F sont ramenées à une seule information par
l'intermédiaire de l'inverseur 1
et celui qui suit.
ti
p
N
vcc
E/S
FtGURE 3-IO
Scha logique du circuit d'entrées/sortjes
-
283 -
SORTIE AMPLI. E
I
129
ii_
1730
4/4
i
t727
vcc
38/4
'i
1±7
I
124
-J78/4
121
18/4
38/4
r' 78/4
I
N
39/4
N
Tie
722
123
vcc
1128
' 71
18/4
COMMANDE 3"ETAT
iiii:
YCC 70/4
T81!:
28
L_J30/4
N
30/4
1±4
.Ji
II
I
110
Ta
f
vCC __j p
80/4
80/4
Tj
118
30/4
30/4
111
L_
-
iL
112
vcc[T
r
180/4
±80/4
TB
77
t
Ti
L!UT2
1800/4
dOO/4
E/s
FIGURE 3-11
:
r1'
84/4
18/4
SCHEMA DETAILLE DU CtRCUITD'ENTREE SORTIE
vcc
.8.
ycC
117
110
N 4/4
TIS
P 4/4 IT P 0/4
P 0/4
/;4
13
11
JT2
i
P 8/4
i
+1_1
P 0/4
N4/
NO/
118
112
114
N 4/4
Tif
N 4/4
TIO
N 4/4
J
19
N 4/4
Jis
N 4/4
17
N 4/4
Ab
FIGURE 3-12
:
Schéma d'une des portes NAND du décodeur ltgnes
- 285 -
En écriture la commande de 3ème état est à 0v,
le buffer de sortie est en état haute impédance et ne
perturbe pas les données d'entrée. En lecture, la commande de 3ème état est à VCC et le buffer qui est alors
actif, peut transmettre les données de sortie.
111.2.3 Décodeur lignes
L'organisation du circuit en 64 x 4 nécessite
le décodage d'une ligne parmi 64.
Le décodeur est réalisé à l'aide de 64 portes
NAND, chaque porte possédant cinq entrées. Le schéma
d'une de ces portes est donné à la figure 3-12.
Les trois inverseurs permettent l'accès de la
sortie de la porte à la ligne de mot, ils permettent
d'adapter les temps de montée et de descente de la tension sur la ligne de mot. Nous avons vu que le temps de
descente pouvait être aussi bref que possible, mais par
contre il est préférable d'avoir un temps de montée de
l'ordre de 5Ons afin d'avoir une précharge suffisante des
lignes de bits entre deux lectures consécutives. Ce temps
de montée est respecté dans le décodeur lignes proposé
avec le choix des éléments qui a été fait.
Nous noterons enfin que le premier inverseur de
sortie de la porte NAND n'est pas relié directement à VCC
mais à la commande C.S. (sélection de puce). Lorsque la
puce est déssélectée, C.S. est au niveau "0" donc quel
que soit l'état de l'entrée de cet inverseur, sa sortie
est à "0,', ce qui impose également un "0" sur les lignes
de mots et donc aucune cellule mémoire n'est sélectée,
quelle que soit la configuration des adresses.
Lorsque la puce est sélectée, C.S. est à VCC,
l'inverseur transmet normalement l'état de la sortie de
la porte et permet la sélection éventuelle d'une rangée
de cellules.
- 286 -
111.2.4 Cellules mémoires : mise en mémoire - repositjonneinent
Les cellules mémoires ont été décrites dans le
chapitre précédent, nous présenterons seulement ici les
opérations de mise en mémoire non volatile et de repositionnenient.
Il faut noter que ces opérations caractéristi-
ques de la "non volatilité" ne font intervenir que les
cellules mémoires elles-mêmes et aucune autre partie du
circuit
La cellule mémoire
repositlonnement statique
(figure 3-1) ne pose pas de problème particulier lors de
la mise en mémoire non volatile, ou lors du repositionnement
lors de la mise en mémoire non volatile la
tension d'alimentation passe è une haute tension, et les
tensions aux noeuds du bistable accroissent leur différence suivant cette haute tension.
Durant cette opéra-
tion aucune perturbation n'est introduite par les branches non volatiles. De même le reposjtionnement ne
requiert pas de conditions particulières sur les géométries des éléments de la cellule, ni sur les temps de
montée de la tension d'alimentation de O à 5V
la
:
branche de la cellule contenant l'élément non volatil
passant présente toujours une impédance plus faible
(quelles que soient les conditions transitoires) que
l'autre branche de la cellule.
Les deux cellules mémoires è repositjonnement
dynamique du type de celle de la figure 3-2 nécessitent
quelques conditions particulières pour assurer une mise
en mémoire non volatile convenable et un repositjonnement
fiable.
- 287 -
On remarquera sur la figure 3-2 que lors d'une
mise en mémoire non volatile, un courant transitoire
circulant à travers la capacité C pourrait altérer l'état
du bistable. Considérons par exemple (mais sans perte de
généralités) le cas oii le noeud NA du bistable est à 5V
et NB à 0v, et l'élément non volatil T6 passant
(conservation de l'état préalablement mémorisé de manière
non volatile)
;
lors de la mise en nmoire non volatile,
la ligne d'alimentation VCC passe de 5V à 20V par exemple. Si le temps de montée est très bref, un courant
transitoire à travers C et T6 peut faire monter la ten-
sion sur le noeud NB et détruire l'état de la bascule.
Il est donc nécessaire d'avoir un temps de montée pas
trop rapide pour éviter ces effets transitoires. Pour un
temps de programmation de lOms, un temps de montée de ims
est très raisonnable pour éviter ce défaut comme le montre la figure 3-13.
Pour comprendre les conditions nécessaires à un
bon repositionnement, nous présentons un schéma équivalent de la cellule
cpi
CN1
cpi
CN2
-
288
tension en V
e.ai1
20i
U.I1r -
T
k
-T
.. ¡ J
Tension sur le
noeud A
1
4).1'r
cellule
ITension sur le noeud complémentaire
t''
E'.Otj
de A dune cellule
i
j
i
/
L
¿. e..?-l./
.1
Temps
't
)Nw
,.W
''._
'e. .1
'.'
-
I.
¡
I .4
I'
en
.
FIGURE 3-13 : Déséquilibre des tensions sur les noeuds
dü bistable lors
d'une '1mise en mémoire non volatileir
tension en V
s
4.;
4.
3.
I .
Montée en tension du noeud A
d'une cellule mémoire
2.0
1.5
I
Variation de la tension sur
le noeud B de la cellule
mémoire
Temps
500
FIGURE 3-14 : Repositiörrnejîent de l'état du bistable
t.swen as
- 289 -
On peut supposer sans perte de généralités que
RFP présente une résistance très faible (élément non
volatil passant) et RFN une résistance très élevée
(élément non volatil bloqué)).
Les relations entre les tensions aux noeuds et
la tension d'alimentation peuvent s'écrire
VA
=
VCC
CP + C
(3-1)
C + CP + CN
et
VB
VCC
CP
(3-2)
CP + CN
Dans le cas de figure présentée il faut que
VA suive VCC et que VB tende vers 0V0
Il apparaît donc deux conditions
- CN doit être grand vis â vis de CP donc les M
N de la
bascule doivent être de dimensions supérieures aux
P.
- C doit être suffisamment grand pour qu'une variation
positive de VCC se répercute sur le noeud A.
Avec les valeurs des éléments choisis (figure
3-2) on obtient un bon repositionnement comme le montre
la figure 3-14. Le temps de repositionnement étant de
O,5i.ts. Le repositionnement devient critique pour des
valeurs de la capacité C trois fois plus faible que celle
adoptée.
- 290 -
Dans les expressions (3-1) et (3-2)
nous avons
négligé l'influence de la résistance de l'élément non
volatil "passant". Cela se justifie tant que la fenêtre
du point mémoire est large. Si celle-ci
diminue son
influence n'est plus négligeable et détermine un seuil à
partir duquel le repositionnement devient -impossible.
La
simulation a permis de déterminer une fenêtre minimale de
-1 à +1,5V avec les valeurs des éléments de la
figure
3-2.
111.3 IMPLANT&TION DU CIRCUIT
Comme nous l'avons dit en introduction, pour des raicircuit n'a pas été
Sons de gain de place et d'économie le
montés en
implanté avec 256 bits mais seulement avec 3 bits
Les trois
colonnes, on a ainsi supprimé le décodeur lignes.
deux cellules
cellules implantées sont différentes et comportent
innovatives présentées au chapitre II.
de
Un grand nombre de plots a été implanté afin
éléments, toutefois la
réaliser un test précis des différents
boitier
présence de ces plots reste compatible avec un montage en
16 broches pour des tests en température par exemple.
la signiUn schéma synoptique de cette implantation et
figures 3-15 et
fication des différentes broches sont donnés aux
3-16.
le système
La surface totale du circuit est de 2,3mm3,
la plus petite
d'écriture - lecture a une surface de 0,22mm2 et
11 600i.tm2. Ces
cellule qui ait été implantée a une surface de
utilisées lors
surfaces importantes sont dfles aux règles larges
de l'implantation.
- 292 -
SYNOPTIQUE OU CIRCUIT TEST NOVRAM
fMl
- I1MOT i
----e----------I
- - efl0
I
I
LBi
ILBB
LBI
ILBB
BUFFERS
ENTREES /
jELLULE
j
SORTIES
LBLB
$
t
I/O
!TURE
AMPL
D
fIAS SI
E/L
N.B.
:
3 ETAT
vcc
Les connexions entre les éléments du circuit
t le plot de masse n'ont
pas été représentés afin de simplifier la
présentation du schéma.
FIGURE 3-15
FIGURE 3-15 bi s :
De sn d'tmplantatìon du circuit
SIGNIFICATIONS DES DIFFERENTES BROCHES
VCC
ALIMENTATION STANDARD 5V
MASSE
POTENTIEL 0E REFERENCE DE L'ALIMENTATION
I/O
ENTREES ET SORTIES DES DONNEES
LB
ACCES POUR LE TEST A LA LIGNE DE BIT t
LB
ACCES POUR LE TEST A LA LIGNE 0E BIT LB
VCCEL
ALIMENTATION DES CELLULES STANDARD 5 V
TENSION DE PROGRAMMATION 20 V
LCOM 2
TENSION 0E COMMANDE DE REPOS ITIONNEMENT 0E LA CELLULE 2
FONCTIONNEMENT RAM STATIQUE ET MISE EN MEMOIRE 5 V
REPOS ITIONNEMENT O V
LCOM i
IDEM LCCM 2 MAIS POUR LA CELLULE
LMOT I
ADRESSAGE CELLULE i
LMOT 2
i
5 V
SINON O V
ADRESSAGE CELLULE 2
5 V
SINON O V
LMOT 3
ADRESSAGE CELLULE 3
5 V
SINON O V
AMPLI D
ACCES POUR LE TEST A LA SORTIE DE L'AMPLI DE LECTURE CORRES
:
PONDANT AU NIVEAU DE LA LIGNE DE BIT t
AMPLI F
IDEM PRECEDENT MAIS POUR LA LIGNE DE BIT LB
E/L
COMMANDE D'ECRITURE/LECTURE
3 ETAT
COMMANDE 3EME ETAT SORTIES DES DONNEES. SORTIES 0ES DONNEES
5 V
;
ETAT HAUTE IMPEDANCE
FIGURE 3-16
:
:
ECRITURE 5 V
O V
;
LECTURE O V
- 295 -
111.4 CONCLtSION
La NOVRAM étudiée est une RAN statique non volatile de
256 bits, elle comporte un circuit d'écriture - lecture, un
circuit d'entrées/sorties, un décodeur lignes et une logique de
commande.
La particularité essentielle de la partie RAN classique
réside dans le système de lecture où le déséquilibre des lignes
de bits lors de la lecture est multiplié par 4 à l'aide d'un
système à deux ?4S (figure 3-3), les lignes de bits étant préalablement préchargées.
La non volatilité est assurée uniquement par les cellules mémoires, et l'étude du fonctionnement a été faite pour les
trois cellules choisies au chapitre II.
Toutes les simulations ont été effectuées en fonction-
nement "typique" et en "pire cas" (variation des paramètres technologiques de ±20 %), et montre un bon fonctionnement d'ensemble
du circuit dans tous ses modes opératoires
:
écriture - lecture -
prise en mémoire non volatile - repositionnement.
L'implantation de ce circuit destiné à une démonstra-
tion de faisabilité a été réduit (pour des raisons d'encombrement
et économiques) à un circuit de type NOVRAM mais à 3 bits constitués par des cellules différentes dont deux inovatives.
Les caractéristiques essentielles prévues pour ce
circuit sont les suivantes
- technologie HC1N-E Flotox
- surface 2,3mm2
- temps d'accès typique l2Ons (25°C)
- temps de cycle typique 300ns (25°C)
- consommation au repos 0,4mW
- rétention 5 à 10 ans
- endurance 10 000 cycles écriture
I
effacement
- temps de prise en mémoire non volatile lOuis
- temps de repositionnenient O,5its
- gamme de température O à 70°C
- alimentation VCC 5V ±10 %
- tension de prise en mémoire non volatile 20V ±
- entrées
I
sorties compatibles TTL - LS
- 297 -
CONCLUS ION
L' etude. que. n0u4 a.v0n4 piLL6e.vL.te. dan.6 c.e. mmoÁJLe. a. pe/un4
de. c
EeLo.tox ("otvtLng gatte.
aci-t&L<sex a.ve.c p/ cí'.sLon La
.tanne.L oxide." ou
ue-tun.e. rtori voLati1e. à. g'iíUe.
otJa.n.te. e-t £vijec.-
tLon "tunne.L" d' Uee-tJwn4 à. .t&ave..'is an oxyde. mLnc.e.).
!Jou.6 a.von4 pu aLns.L rne-tt&e. eri
vLde.nce. £'e.xL<ste.nc.e. d'arie.
c.haxge. £nLfíaLe. pl e.xL6.tan.te. dcvvS une. o-t'zuctwLe. Fo.tox vLe.ltge. e-t due
avx
tapeA de.
a.b'ríe.a..tLon,
L' 1abo&atLorj d' un modìe., te.po4c..nÁ 4Wt. une. condue-tLon da
type. ".tunneì Fowee.ì. Nokdhe..ôn" à. -t'uwexs un oxyde. m-Lnc.e. e-t an 4y4-trne.
de. c.oapLage. ca.pa.cLtL, a. pe-'uní
de. donne-t une. e.xp/r..e..oion a.noJyt.Lqae. de.
La c.haìLge. e.nima.gaLne. da.r14 La gitA:LL e. go.ttiu'vte. a,Ln4
te.nsíon de. 4e.w2 de. La
que. ceLLe. de. La
t/ULC,twte. a.pfl.ì6 une. pito gitainmatLon. Ce-s e.xp'Le24..Lon4
dpe.nde.nt deA condÁ.tLorl4 de. pito gìtammatLon (.tejnp4 et te.nLon) e-t de-o
ca/LactAí4tíqae4 gom
tique-o de. La
t/uLc.tWz.e..
L'utLLoa,ton da
FLoLox en cíjteuLt (e.nU'te. mrno-xe., dgitadaíon, 'ite.nÌíon, ¿mÁtatLon
L'V.ude. de-o dA&te.nto pMbLme-o LLs
de. La .te.n,oíon de. piwgita.mma.tLon) a. pe/un&3 de. d
à.
¿viÁJt. LeA pa,tamJt.eA
gomWríque-o d'une. 4tJtuc..twre. wUíoabLe. powt. La. MAzLLoatí.on d'une
,nmoíJLe. v-Lue. ¿ta.tLque non voLiztiLe..
Le.
onc,tLonne.me.vt-t d'une. -teLee. rnmoLxe. (4OVRAM)
tant L-Lé
dÁcteine.n.L au onc-tLonneme.n-t deA c.e.LL.uLe4 mémoíjte., nouA noti,6 4OrnmeA
pcLcuLLte.me.n-t Lnt&teo o à. ce-o de.'tn.LteA e-t nouA ava nA p/to po4 é deux
c.e.-U aL e-o d' un -type nouveau powt La iii aLLo at-Lan de. notke. c,OtcaLt
(m&note. vLve. .ota_tique. non voLa-t-11e.).
- 299 -
La d,Lme.n4-Lon da euLt tan,t ¿Lie. U'wLteme.n.t a. La
dijne.nLon de c1LuLe m&noÁJLeA e,t pLu4 pa ¿c.uLLxeine.'vt a. La
4tuLc.-tWLe. non voLatUe., nou.4 avon movW que Le.o dme.n4-Lonì de.
uctwLe. FLo.tox wtLUse. poavcíetvt WLe. Laìz.gernen- ctLmrwhA
La
pcvt. une. con..t)tac.tLovL deA 1gLeA de. de.s4Ln. Towte.oL6, ce,tte dijn.LdeA pcLeimo
vtwton deAs dLme.ri.&Lon4 et ¿,níte. pax LeA valLe
d'oxyde.
V 'awt&e. pa,t.t, une. tductLon de. La su.&ace. de_s cìie.uLt.<s
(augme.n.tatLon de.4 de.ít
d'Lntg'LatLori) ne.esí.te., aLn d'lL&e.
c.ompatLbLe. avec. LeA _tec.hnoLogLe4 polcte.w5e4, une. dÁinLnatéon deA
_te.nLon.s de. piwgtarnmatLon (c.e_t_te i1dactLon doLL -tk.e. ae.LLLte. paìt
une. "bonne." conc.eptLon deA ae.0 uIL e.ò mmoie4 e_t deA p&rLphAíqueA ;
c.onc.e.ptLon qui pe.'une.t de 4 'ac.c.ommode.'. de. e.ne..tke.6 mmoL&e. 'i1duLte.4,
4an4 dg'ade.k La
-te.rvt.Lon).
A1ÇLn d'atteíndn.e. pLa aLsme.n-t c.eA objec.tL4
deA den4LL1
:
aagme.nta-tLon,
d'Ln_t1gìia.tLon et cUnvLnwtLon deA _te.niLon.o de pkog)LaTnmatLOYl,
LL 4enlbLeitaL_t 4ouhaLtabLe. de. powwLvke. e_t d'&axgÁA Le. _t'avaJi
pen.t dan4 c.e. rnmo-&Le, pax Z' etude. deA po44LbíLt d' wtíLiAatLon
de. notwe.au dLUe.c-t'riqueA aLnsL que. pax Z' tade. de. dLpo4LtL4
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- 300 -
ANNEXES
-1-
ANNEXE 1
A VG + (B - 1) VD
E-
Q
+
d1ZC
d1
E=K
posons
2
avec L.=d
XC
1
L
KL = (A VG + (B
et
KL + Q
(1)
L
a S1 E2 exp C-
et
si E > 0
(1) et (2)
dQ
1
1) VD)E C
s'écrivent
(KL + Q)2
L
(2)
E
B L
exp
'KL+Q
cette équation s'écrit encore
1
xp
(KL+Q)2
(BL )dQ=
KL+Q
aS1
dt
-
L2
1
on fait le changement de variable
- KL + Q
dQ
=V
ce qui conduit à
a S1
exp (BL y) dv -
dt
L2
si au temps t = O on a une charge
Q
sur la grille flottante, on
intègre l'expression précédente de la manière suivante
1
(t
KL + Q
aS1
exp (B L y) dv =
dt
L
1
KL + Q0
-2-
exp
a S1 B
(BL
'KL+Q -
t+exp(
L
et donc
B L
KL-i-Q
o
BL
-KL
QBL
aS1B
Log [
si E < 0
+ exp
L
(1) et (2) s'écrivent
(KL+Q)2
dQ
exp
L
et
Q0) I
KL
BL
KL+Q
E = - (KL + Q)
la même démarche que précédemment conduit à
1
KL + Q
t
aS
exp (- BL y) dv =
L2
o
1
KL + Q0
soit
d'où
exp
_
a S1 B
B L
KL+Q
t+exp(-
L
-BL
Q-
-KL
a S1 B
log[
t+exp
L
.siE=0 KL+Q=0
KL + Q o
_
B L
KL+Q o
Q=-KL
les valeurs de a et B sont calculées pour une valeur de la masse
effective m*égale à 0,5 m.
3,1
10_6
en A/V2
$
B
4,83
,3/2
en V/rn
$ est la hauteur de barrière exprimée en e.v.
3
ANNEXE
2
Lors de "l'écriture" (injection d'électrons à travers l'oxyde
ce vers la grille flottante)
d2
-
J
J
1>
2;,
+ VG
E
E
<2
'oxyde entre grilles"
G.F.
oxyde mince
+ la variation de charge sur la grille flottante peut s'écrire
-
dq
dt
-
(1)
+ les champs électriques dans l'oxyde mince et dans "l'oxyde
entre grilles" s'écrivent respectivement
avec
E2_GFG
VFGVfl
E1-
d1
VFG = A
+
A V
en posant
K1 =
et
K2
(cf 1ère partie chapitre II)
VD +
+
(
- 1) VD
d1 tc=L1
(Al) VG+ BV
=
,
d
Ec=L2
on obtient
K1L1+Q
K2 L2 + Q
E2=-
E
(2)
L2
L1
+ les lois de conductions du type Fowler Nordheim s'écrivent
=
S1 E
exp
(i
(3)
=
a2 S2 E
exp
(-
De l'ensemble des relations (1), (2), (3), on déduit
dQ
=
2
K2L2+Q 2
S2
(
K1L1Q2
B2L2
exp
L2
Q)
K2 L2
-
L.,
exp C-
8i
L1
(4)
)
K1 L1 + Q
lors de l'effacement, l'équation différentielle s'obtient
de la même manière
K1L1-i-Q2
dQ
= a'1 S1
C
$1
exp
L1
L
i
K1 L1
Q) -
'2
2
S2
L2
B'
exp
L
22
K2 L2
Q)
les équations différentielles (4) et (5) sont résolues de manière
numérique par une méthode de Runge Kutta à quatre approximations.
(4) et (5) s'écrivent
dQ = f (t, Q)
dt
soient Q0
to les conditions initiales et
t la raison de la
progression arithmétique en t pour laquelle on se
calculer y
on pose
k1 =
t
f(t0, Q)
k2 =
t
f(t0 + 1/2
t, Q0 + 1/2 k1)
k3 =
t
f(t
+ 1/2
t, Q0 + 1/2 k2)
= ,t
f(t
+
k
4
0
t
Q0 + k3)
le résultat approché est alors
Q(t
+
t)
= Q
+
(k1 + 2 k2 + 2 k3 + k4)
propose de
5
pour (4) le calcul de k1,k2,k3,k4 donne
K
k1 =
2
s2
2
+Q 0) 2
L
L2
K1L1+Q 2
ß2L2
exp
K2 L2
Q0)
-
S1
.
exp(
k2 = idem k1 mais en remplaçant
Q
C
L1
i
L1
K1L1
par (Q0 + 1/2 k1)
k3 = idem k2 mais eri remplaçant Q0 par (Q
+ 1/2 k2)
k4 = idem k2 mais en remplaçant Q0 par (Q0 + k3)
Cette méthode implantée sur calculateur HP 9825, converge
rapidement pour les valeurs usuelles des temps d'injection et
tensions de programmation utilisées (en procédant par incrément
de tension, par exemple dans les cycles cumulatifs).
Dans les autres cas, cette méthode est lente car elle nécessite
un grand nombre de pas de calcuL
6
ANNEXZ
3
x représentant la distance orthogonale d'un point du volume du
substrat à l'interface oxyde substrat, nous avons approché le
profil de dopage de la manière suivante (cf figure 3-18)
N=NBS
.
:ente le dopage de surface
où NBS
N = - A' x + B'
log
a
soit N = 10
N=Bexp (-Ax)
ou
avecA=
Ln (lo)
b
a
NBB
log-
BS
(-1
B=NBS
b
et
(-A' x + B')
a
.
NBB
où NBB représente le dopage de départ du substrat
b.x
N = NBB
"a" représente la limite du dopage de surface et "b" la limite de x
à partir de laquelle on retrouve le dopage de départ NBB du substrat.
Dans le cas des figures 3-17 et 3-18 (1ère partie chapitre III), les
valeurs numériques sont
a
=
4.lO
cm
b
= 13.1O
CM
NBS
1,8.1016 at/cm3
A = 3,27.lO
cm
B = 6,66.1016 atm/cm3
Nßß = 9,48.1014 at/cm3
-7-
CALCUL DE
Nous obtenons l'expression de
B
par la résolution de
l'équation de POISSON avec les hypothèses suivantes
- lorsque x >
x1
dV/dx = O
x1 étant l'extension de la zone de charge d'espace
- lorsque VGS = V1, pour VDS &,& O V, (forte inversion)
et lorsque les potentiels sont références par rapport à la
source, le potentiel de surface est donné par
'ç
= 2
+ VB
V(x1) = VT
y(o)
1er cas
:
+
B
< a
x
= VT
N(o) N(x1)
Ln
lnh(l
[ni
div V =2. csi
NBS
+ VB
+ 2
=
_i =a- L
...
dx
dx
csi
X
E(x) - E(o) = Cs i
-s--
j
Nß(x) dx = - q
o
Conditions aux limites qN85
Xl
E(o) s i
Ns
E(x) = - q
CS1
ln
ni
j
r
avec
'T
(x - X1)
E(x1) = O
dx
E
(X)
V(x1) - y(o) =
donc
-
f E (x) dx =s
r1
csi
2
csi
=
q1
xl
2
o
(_ï"\)
(f5=q_
VB+2vTin_
- x-xix
NBS
2
1
ni
qx
esi
2
NB (x) dx
= - q NBS X1
a<x
2ème cas
j
NBS B
s=VBTlfl
esi
E(x1) = O
-.
-
(L!)
=
I
B exp (-Ax) dx
lorsque x >a
exp (-Ax) - exp (-Aa)
L9.(_!)
E(x)
+ VB
VT Ax1
ni 2
E(x) - E(o) =
=
b
B exp (-A xi)l
[NBS
in
= V1
<.
[exp (-Ax) - exp (_AxiJ
Lorsque O
x
a
- qN
E(x) - E(ó) =
x
CS i
E(o) = E(a) +
a
cs i
E(x) = -
(x - a) + E(a)
Cs1
y(o) =
V(x1) -
-
J
E(x) dx -
E(x) dx
xl
q
(x-a)-E(a)
(!)
dx +
(exp(-Ax)
exp(-Ax) dx
-a
donc
qB
aE(a) +
"is = ____
csi
(
[exp(-Ax) - exp(-Aa) + A(x1-a) exp(-Ax1)
)
csiA2
2
(5)
f
xl
N(x) dx = - qN
q [exp(-Axi)
a
- exp(-aA
(6)
A
3ème cas xL
. b
NBS NBB
fs
= VB + VT in
ni
2
X
E(x) - E(b) = .L.a
Cs i
NBB dx
b
.a
NBB (x-b) lorsque x
CS i
E(b) = s- NBB (x1-b)
E(x1) = O
CS i
E(x) = -
NBB
CSi
Lx-b) - (xlb)1= - q
(x-x1)
CSi
- b
- lo -
Lorsque a < x < b
_a
E(x) - E(a) =
exp(-Ax) - exp(-Aa)
A
¿si
() (exp(-Ab) - exp(-Aa)
E(a)= E(b) +
A
esi
E(x) =
La
(.) (exp(-Ax) - exp(-Ab)) + E(b)
A
esi
Lorsque O
x
a
NBS
E(x) - E(o) = q x
eS i
N
a + E(a)
E(o) = q es i
E(x) = - q i (x-a) + E(a)
a
V(x) - y(o) = -E(x) dx -
E(x) dx
E(x) dx
b
-o
On obtient ;
qN
'=
BS(...)
esi
aE(a)+ gB
esiA2
2
- (b-a) E(b) - e-esi
= - qN8
a + -a
A
LexP(-)
exp(-Aa) + A(b-a) exp(_Ab)1
[xi-b
(7)
2
- q NBB (xi-b)
[exp(-Ab) - exp(-Aa)j
(8)
La valeur de K est obtenue par la résolution numérique
des systèmes d'équation (3) et (4)
pour chacun des trois domaines.
;
(5) et (6) et (7) et (8)
ANNEXE
4
MODELISATION CYCLES TYPE HUGHES
VG
w#,#
C
4TC3T
####
C
,ciT4
L
Vß
La zone amincie est située sur le substrat, dans cette représentation
elle est située sur la zone canal (cela correspond aux quelques dispos
qui ont été fabriqués).
Hypothèse de base
on considère un modèle unidimensionnel, on suppose
donc le potentiel de surface uniforme (on considère le système grille
zone amincie substrat comme une diode MIS), cela se justifie par le
fait que l'influence du potentiel de surface est importante sous la
zone amincie et celle-ci est suffisamment petite devant les distances
source et drain pour que l'on puisse considérer que sous celle-ci
le potentiel de surface est sensiblement uniforme.
On suppose également
- que les grilles en silicium polycristallin se comportent
comme des métaux
charges uniformément réparties en surface,
et volume globalement neutre
- qu'il n'y a pas de conduction dans l'oxyde interpoly
- que les champs internes sont homogènes à tout instant
- que le dopage est uniforme en surface et volume.
- 12 -
Ecriture des équations
(charge sur 1' armature supérieure
= C2 (VGF1 - VG)
du poly 1)
est le potentiel de surface)
Q10 = (C3 + C1) (VGF1 Ql1 =
(VGF1 - Vs)
= C4'
Ql = (C1-i-C3+C4+C5) VGF1 - (C1+C3)
(VGF1 - VD)
= C5
- C
(VGF1 - VB)
VB - C4 V5
(charge sur l'armature
inférieure du
poly 1)
la charge sur la grille flottante est
=
:
+
l'écriture de la conservation de la charge
Q5
est la charge dans le silicium)
Ce groupe d'équation peut encore s'écrire
= (C1 + C3
+ C5) VGF1 - (C1 + C3) V
- C5V3 - C4V5
+ C2 VGF1 _C2VG=QGF1
la loi d'injection du type Fowler Nordheim s'écrit
1
2
GF1 d
)
d1 ß
exp (-
V
GF1
1
-V
d
-
S
GFl
dt
ou
VGF1 -
est le champ existant dans l'oxyde mince
d1
le système d'équation s'écrit alors
S
- Q5 = (Cl+C3+C4+CS)(VG +
GFl
)_(C1+C3)Ys - C5 VB - C4 V5
C2
GF15
Q5
VG +
+
C2
+
S1(
)2exp (d1
d
ßd1
s
IVG++
)GFl
C2
+st
GFl
dt
- 13 -
La résolution de l'équation de Poisson nous permettra de calculer
la variation de potentiel entre l'interface oxyde substrat et le
volume du substrat eri fonction de la charge en surface dans le
canal.
Par unité de surface nous avons
n.2
kT
c
q LD
(e
1/2
-y
(1)
1)
le potentiel substrat source étant supposé nul
Ts
2 k
et LD=
c
i/a
P
q
Po
Ces équations peuvent se regrouper en un système de deux équations à
2 inconnues
et
C1+C3+C4+C5
GFa.
(Cl+C3+C4+C5)(VG +
- C4 V
= O
dQGF1
dt
C5 VB
C2
+ (1+
)
(5)
(2)
S
2
d1
(C1 C3)
GFl
(V
G
+
C2
étant donné par
2
(1)
d1
2
exp
f(!)
GF1
VG++C
I
SI
Par la présence de l'équation différentielle non linéaire (3), ce
système ne peut pas se résoudre analytiquement. Nous avons donc utilisé
une méthode numérique du type itérative (par exemple méthode de RunKutta
à 4 approximations).
Le système est initialisé par la connaissance des tensions appliquées
de la tension de seuil initiale et de la charge initiale sur la
grille flottante (nulle ou non).
deriìièi
page de la thèse
AUTORISATION DE SOUTENANCE
Vu les dispositions de l'article 3 de l'arrêté du 16 avril 1974,
URGELL J.J.
BOREL i.
Vu le rapport de présentation de Messieurs
BRICE .].M.
GENTIL P.
GARRIGUES M.
VIKTOROVITCH P.
Monsieur BETIRAC Michel
est autorisé à présenter une soutenance de thèse pour l'obtention
du
titre de
DOCTEUR INGENIEUR, Spécial i té Electronique.
Fait à Ecully, le 13 septembre 1983
Le Directeur
I'E.C.L.
OUX
Le .tiavaLe eectu eonceJne deux domaÁine4 p/Lncpcwx
- Etude thoique e-t expiAmevi-tc2e d'un dpoLtL. non voLatíi
gìLUe Lot;tarz..te
Fowe)r.. Nokdhe-íjn).
FLo.tox 1-njec.ton pvt eue-t tunneL
Ca'&sa,tLon phj&ique e-t Lect'tque
ModLícLon de La .teni»on de .óeuLe, de-s Lo-íj de c.owtn;t.-s de
La 4-t.&uc-twte e-t de L '-LnjecLí.on de pon.tewts du 4-íLLc.Lwn vo
La giiLUe Lot-tan-te ou de La g'tLUe Loaan.te ve' Le oLfcíwn.
Ce rnod2e kepo4e
un 6y4-tme de coupLage capacLtÁiÇ en-tiLe La
g'tLUe Lo-ttctnte e-t Le 4ub&t&at e-t Le-s awt'te-s Uect'tode de La
4tkuc-twLe, a..Lnó que .óWi. une conduc.tion à .tiuweit L' oxyde rn-Lnce
du .type Fow&Jt No'i.dhe-Lm.
V
ca.tLon expíinen-taLe du mode
Etude de-o p'wbLnies ¿Lo
L' wtíUoa-tLon du FLotox en cLkcuLt
CompwtaLoon du FLotox avec, deux awt'e4 dÁpo&í_t-L{
non voLatL&s
du même .type "I-fughe-o" e-t "FETMOS".
2-
Jsc.-tLon du dLopo&LtA FLo-tox poult. L'tude d'une m&note v-eve
non voLa.tíle
Etude de L'&spee-t non voLwtíí - Poen-ta-téon d'une ceLwee mmoL'Le
LI
¿nnova-tLve
Etude. deA dtei-tò b.toc4s con-otítutL4 de La minoxe e-t
SuLta-t4.
MOTS CLES
V-íopo.oLtL non voLa-tLL - g't-U2e Lottante - FLotox - ConductLon
FowLeiL Noiz.dhe,Lni - oxyde mí..nce - Ec.L-twLe - Eaceinent Fen&&e rn&no.LiLe - 't&ten-tíon - dgìuxdatLon - c.e-UuLe m&noÁ.i.&e non voLatLL
EEPROM - NO VRAM -
L
ECL - LYON
005903