Étude des mécanismes de vieillissement et impact sur les performances dans les mémoires Flash NOR 40nm

par Giulio Torrente

Thèse de doctorat en Nano electronique et nano technologies

Sous la direction de Gérard Ghibaudo.

Le président du jury était Mireille Mouis.

Le jury était composé de Gérard Ghibaudo, David Roy, Jean Coignus.

Les rapporteurs étaient Damien Deleruyelle, Raphaël Clerc.


  • Résumé

    La technologie Flash représente aujourd’hui la mémoire non-volatile de référence dans plusieurs applications électroniques. Néanmoins, le « scaling » des cellules Flash conventionnelles fait aujourd’hui face à plusieurs limitations et un effort d’optimisation accru est nécessaire pour atteindre de meilleures performances, notamment en terme de fiabilité (rétention de données et tenue en endurance). La rétention de l’information stockée a ainsi fait l’objet de nombreuses études dans la littérature, aboutissant à une bonne compréhension et une modélisation précise des phénomènes de Stress Induced Leakage Current (SILC). En revanche, une description précise et microscopique des mécanismes de dégradation de cellules Flash en cours d’endurance Programmation/Effacement (P/E) reste manquante. Notamment dans le cas des technologies Flash de type NOR, dont la nature 2D des mécanismes de dégradation complexifie l’analyse, la compréhension et la modélisation de la perte de performances en cours d’endurance.Cette thèse se propose d’investiguer le vieillissement en endurance de la technologie embarquée NOR Flash 40nm produite à STMicroelectronics. Grâce à un ensemble de caractérisations électriques et de simulations TCAD spécifiquement développées, la thèse fourni une compréhension physique des différents mécanismes de vieillissement impliqués durant l’endurance. En particulier, les rôles respectifs des opérations de Programmation (par porteurs chauds) et d’Effacement (par injection Fowler-Nordheim) sont soulignés et leur impact sur les caractéristiques des cellules mémoires établis. Enfin, grâce à la description microscopique et exhaustive précédemment établie, un modèle physique reproduisant la dégradation de la cellule pendant l’endurance est proposé. L’application de ce modèle permet de définir des conditions de programmation optimales conduisant en une amélioration de la durée de vie des cellules NOR Flash considérées.

  • Titre traduit

    Investigation of degradation mechanisms and related performance concerns in 40nm NOR Flash memories


  • Résumé

    Flash technology still represents the preferred storage memory in many portable consumers and computer applications. However, the conventional Flash cell is now facing technological barriers and needs to be optimized pushing its working condition to the intrinsic physical limit. Such an optimization has to be done mainly focusing on reliability concerns, i.e. data retention and endurance, since representing the main limiting factors of technology down-scaling. For this reason, several works dealt with data retention concerns analyzing, characterizing and modeling the Stress Induced Leakage Current (SILC) with the final aim of limiting or control such an issue. However, there is no work which accurately explored the overall cell evolution during Program/Erase (P/E) cycling from a microscopic physical standpoint, especially in NOR technology, whose intrinsic 2D degradation nature makes complex the modeling and the analysis of the combined aging mechanisms.In this thesis, an in-depth investigation of P/E degradation mechanisms in 40nm NOR Flash technology issued from STMicroelectronics is conducted. With the help of advanced electrical characterization and proper TCAD simulation, this thesis provides an accurate understanding, evaluation and modeling of the different aging mechanisms involved during P/E cycling. In particular, the respective roles of Hot Carrier Degradation (HCD) and Fowler-Nordheim Stress (FNS) are pointed out, and their impact on memory cell characteristic drifts and on memory lifetime is assessed. The main challenge is to build a physically-based model which reproduces the Flash cell wear out during P/E cycling. This enables to push the memory lifetime towards its maximum intrinsic performance, as for example by correctly managing the P/E electrical operations. In addition, such an approach allows to assess the limiting physical mechanism factors for memory cell degradation and consequently to take action for some specific process step optimizations.


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