flotox - Bibliothèque Ecole Centrale Lyon - École Centrale de Lyon

N° d'ordre: 83-08Année 1983THÈSEprésentéeDEVANT U ECOLE CENTRALE DE LYONpour I' obtention duTITRE DE DOCTEUR INGENIEURSpécialité : Micro - électroniqueParMICHEL BÉTIRACIngénieur école centrale de LyonÉTUDE D'UN DISPOSITIF NON VOLATIL A GRILLEFLOTTANTE DU TYPE "FLOTOX" ET DE SONUTILISATION DANS LES MEMOIRES VIVES NON VOLATILES.Soutenue le 23 Septembre- 1983 devantla Commission d' ExamenMM.J.J. URGELLprésidentJ. BORELJ.M. BRICEM. GARRIGUESP. GENTILP. VIICTOROVITCHExaminateurs

N° d' ordre: 83 -08 Année 1983THÈSEprésentéeDEVANT L ECOLE CENTRALE DE LYONpour 1 obtention duTITRE DE DOCTEUR INGENIEURSpécialité : Micro - électroniqueParMICHEL BÉTIRACIngénieur école centrale de LyonÉTUDE DUN DISPOSITIF NON VOLATIL AGRILLEFLOTTANTE DU TYPE "FLOTOX" ET DE SONUTILISATION DANS LES MEMOIRES VIVES NON VOLATILES.Soutenue le 23 Septembre. 1983 devant la Commission d ExamenMM. J.J. URGELL PrésidentJ. BORELJ.M. BRICEM. GARRIGUESP. GENTILP. VIKTOROVITCH IExaminateurs1-,ECOLE CENTRALE DE LYONBIBLIOTHEQUEOP 163 F. 69131 ECULLY CEDEX

Sont aussi habilitées ì diriger des UsesI'E.C.L.les personnes dont les noms suivent:MM.E. ALCARAZH. ARBEYJ. BATAILLEJ. BOREL (LETI)CI. CAMBONB. CAMBOUJ.P. CHANTECHARNAYB. COOLJILLETJ. DIMNETA. HAUPAISJ. JOSEPHPh. KAPSACI. MARTELETJ.M. MARTINJ.R. MARTINT. MATHTAMONTESR. MORELNGUYEN DUR. OLlERR. PHILIPPEG. ROJATJ.P. SCHONM. SUNYACHCl. SURRYA. TAILLANDG. THOMASL. VINCENT

A Conne, niaA tou niínÇeninia

AVANT-PROPOSLe travail présenté dans ce mémoire a été effectué au seinde la société Thomson-EFCIS (Société pour l'Etude et la Fabrication deCircuits Intgrés Spéciaux) dans le service "Mémoires et circuitslogiques (MECL) de la Direction Technique.Nous ne saurions en faire l'exposé sans remercier tous ceuxqui par leur confiance, leur enseignement, leur expérience ontcontribué è sa réalisation.Tout d'abord, nous tenons è exprimer toute notre gratitudeà Monsieur J. BOREL, Directeur Technique de la Société Thomson-EFCISpour la confiance qu'il nous a accordée en nous accueillant, l'intérêtqu'il porte à nos travaux et sa participation à notre Jury.Nous remercions Monsieur le Professeur J.J. URGELL de l'EcoleCentrale de Lyon pour ses enseignements antérieurs et l'honneur qu'ilnous fait en acceptant la présidence de notre Jury de thèse.Nous exprimons nos sincères remerciements è MonsieurM. GARRIGUES, Chargé de Recherche au CNRS, à Monsieur P. GENTILProfesseur des Universités en poste è l'Institut NationnalPolytechnique de Grenoble, à Monsieur P. VIKTOROVITCH, Maitre deRecherche au CNRS, qui ont bien voulu participer à notre Jury.Que Monsieur J. M. BRICE, chef du service "Mémoires etcircuits logiques' de la Société Thomson-EFCIS trouve ici l'expressionde nos profonds remerciements pour la confiance qu'il nous a accordéeen nous accueillant dans son groupe et les conseils qu'il nous aprodigués pour l'aboutissement de nos travaux.Nous remercions également Monsieur V. LE GOASCOZ, chef duservice EEPROM de la Société Thomson-EFCIS, pour l'accueil qu'il nous afait dans son groupe en début de ce travail.Nous tenons aussi à remercier tous ceux qui dans laDirection Technique de la Société Thomson-EFCIS ont apporté leur aidetechnique 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 remerciementsMesdames F. BRILLET et A. LOYAU pour le soin qu'elles ont apporté à lafrappe et à la réalisation de ce mémoire.

LECTURE RAPIDELes paragraphes cités ci-dessous représentent une synthèsedu document. Leur lecture permettra d'apprécier rapidement lesobjectifs des études entreprises et les principaa résultats.Introduction de l'étudeGénéralités sur les dispositifs non volatilsparagraphe I-1paragraphe I-3paragraphe I-4Présentation générale du dispositif Flotoxparagraphe I-1-1paragraphe II-1-2paragraphe II-1-2--1 Cparagraphe II-l-3p là 3p 5è 6p 13p 41 è 43p 45è 47p 47p 60è 62p 66è 74Caractéristiques électriques (résultats et modélisation) du Flot oxparagraphe II-2-1 à II-2-3 p 75è 99paragraphe II-2-5 p 106 è 127Caractéristiques physiques (résultats et modélisation) du Flotoxparagraphe II-3-2-1 p 137 è 147Problèmes liés è l'utilisation du Flotox en circuitparagraphe II-7 p 190Evolution du Flotox et comparaison avec les dispositifs "HUGHES" et"FETMOS"paragraphe IV-2 et IV-3 p 194 è 203paragraphe IV-5 P 213Généralités sur les mémoires non volatiles et leurs applicationsparagraphe I-1 p 215 è 219paragraphe I-4 p 241 à 244Présentation générale du circuit "NOVEAM" et cho:ix des cellulesmémo iresparagraphe II-2 p 248paragraphe II-3-2-3 p 255 à 258paragraphe II-6 p 268Description du circuitchapitre III p 271 à 296Conclusion de l'étude p 298 è 299

EV /mchamp électrique critique longitudinalE0V /mcomposante normale du champ électrique dansl'oxyde de grilleEsV Imcomposante normale du champ électrique dans lesiliciumA/Vtransconductance du transistor NOSJ .sconstante de PLANCKJ .sIDAcourant de drain du transistor NOSDSSAcourant de drain lorsque VD = VDSSJA /m2densité de courantJ n,pA Im2densité de courant des électrons, des trouskJ / °Kconstante de BOLTZMANNK1 K Bcoefficient d'éffet de substratLnilongueur du canalL depnidistance du drain au point de pincementmKgmasse de l'électron libre (9,108 1O31Kg)

n,rn Kgoxrnasse effective de l'électron dans le dioxyde des i lic i urnNBrn3dopage en irnpureté dusubstratncaconcentration en électronsnirnconcentration intrinsèqueen porteurspcaconcentration en trousQßC/rn2charge d'espace dans leilicium par unité de surfaceQ BIC/rn2charge d'espace dans le silicium par unité desurface pour +QCC/rn2charge par unité de ded 'inversionsurface dans la coucheQ CFCcharge de la grille flottanteQ GFCC ¡ca2charge de la grille flottantesurfacepar unité deQ0Ccharge initialesur la grille flottanteQ oxFC/rn2densité totale de charges fixes dans l'oxyde et àl'interface, dans lesconditions de bande plateQsC/rn2charge, par unité de surface dans le siliciumqCvaleur de la charge d'un électron (1,6 lO'9C)Rrésistances

VPVpseudo potentiel de FERMI au point de pincementVTVtension de seuilximprofondeur de jonctionzmlargeur du canalaA/V2constante de l'expression de la densité de courantFOWLER-NORDHEIMV /mconstante de l'expression de la densité de courantFOWLER-NORDHEIMF IMpermittivité absolue du l'oxydeCF ¡Mpermittivité absolue du siliciumsFe.vhauteur de barrière de potentiel à l'interfacesilicium oxyde ; à l'interface grille flottanteoxyde sous grille flottante)Vdifference des potentiels de FERMIVpotentiel de FERMIVpotentiel de surfaceVexcès du potentiel de surfaceMSVdifference des potentiels d'extraction métalsemiconducteur

SOMMAIREINTRODUCTIONPREMIEREPARTiEP.4 CHAPITRE I : Gn&uiLi-t4 w. Les dí...spo4í_tL4 vio vi voLwti2,1.1 TNTROVUCTION1.2 POINTS MEMOIRE NON VOLATILS INTEGRES1.2. 1. Sg4.tme bu.Ue mag tLqae1.2.2. StJ4-tmeA ve,'tXe. 4enLcondact.e.uX1.2.3. SyotJne4 chaìtge c..tk.LqLLeA1,3 MEMOIRES NON VOLATILES A MATERIAUX SEM1CONVUCTEUR LES EEPROM1.3. 1. M 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.acLsA - McuxriLsme. gn&taLB - Inje.c.téovi de. po'c-te.wd'une. jonc.tLonC - 1vije.ctLovt pair.. vio vi avaLanche.cíiaud6 pair.. ctvaìance.1. 3. 1.2. Inje.c.-tLon pair.. c.ondac,ton de. pon.te.wt4 .t&Ctveir.ALe. di.oxyde. de. ÁLLc..Lwn1.3. 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.oLe. nLwLe. de. LLcLwni. 3. 1.5. Inje.c..tLon de. po/.te.wt4s pair.. photo-cowutvit1.3,1.6. Conc2u.o-Lon1.3.2. Pn1.se.nta-tLon e,t avlaLy4e. du ovicLLonnejne.n,t de. qae2queAdí po.oLt.L1.3.2. 1. S-t,'utctwLe,.s ir.aLL e.n te.c.hnoLogie. MOSA - StJuLc,twLe. MIOS (Mta2 l4oLant Oxjde. S-LLcLum)B - S-t'uictwte. FAMOS CMOS Lnje.ct.Lon pwtavaLanche. danA une. git-Ue Lo-ttante.)

wt-ULss1.4 COPtJCLUSIOWSC - EEPROMV - EEPROMFowee-'r. Woìr.dheíjníijec.tLon pc.t po'riewus c.híxathsnjectLori pair. ee,t -tw'ivteLE - S uctwr.ei nvLx-tes et a..wt'r.eA c..hnoLog.LeÁ1.3.2.2. Stk twr.e.6 bLpoLaJJr.e.6P.44 CHAPITRE II Le cWpo4í.tL FLotox cØac/rtLqaeA e-t modLL6atLoviIl. i VESCIZIPTIOW-PRIWCIPE VE FOWCTIONNEMEUT ET TECHNOLOGiE11.1.1. VeAoJr.Lptíorl11. 1.2. Pnínc.Lpe. de. onwt.Lonnemen.t11.1,2.1. Ee.t de La aha./r.ge emmctgcoLne 4wr. La. girUeLottttn.te.A - 1Za.ppe2 da ovct4ovtnement d'an tk .L&toìr. MOS- Exp.'r.eA4Lon de La tenLon de 4eULLC - 1n7Luenc.e de La c.haitge emmagane davs LagìrLUe 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.nte11.1.3. Tec.hncLog.Le wtLLe powr. i aLLseir. Le cUpo4.íJtJ FLo.tox.11.2 CARACTER1ST1ÇUES ELECT1Z1ÇUES ET MOVELISAT1ON11.2. 1. Ca ct&r..&tLqae. Uect'ríqae.s11.2.1.1. Psenta...tLon de dípo4.L.tL74sme-6 WLe411.2.1.2. RouLtats qucJ..Lta.tL4powr. Les11.2.2. 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.oext&z-Leuìr.eo11.2.2.1. Pn...Lnc.Lpe de L'exp&rLence11.2.2.2. V&nair.cite exp&r.ónert.taLe11.2.2.3. RsuLtat expJthnentaux11.2.3. 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.eAappLLqaeA

11.2.3. 1. EpMA4.Lon de6 J atLon4 en-t'Le. Le..6 d.L&Lente.411.2.3.2. VL75Lc.a2Lon e.xpJnte.nta2e.11.2.3. 3. OJt_LgLne. de. La cov&n..te. exp&t.úne.n-to.Le11.2.3.4. 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..Ln4oWic.e. du. FLo.to,c11,2.5.1. Te.n4-L0YI de. 4e.uU11.2.5.2. Ca c.t&zL4tiLqae. -thoìt.Lqae. c.otm..ant te.rt-Lon11.2.5.3. LocaLLatLovi e,t oJrígLne. de. La e.hw.ge ¿nLtaLe.11.3 CARACTE1Z1ST1QL1ES PHYSIQUES ET MOVELISATION11.3. 1. PJtLricLpe de. ba4e. e...t pkobLme.ì.s po4411.3,2. ModLeA powt L'-Lnje.e.téLovL11.3.2.1. ModILea.tLon11.3.2.2. Remaqae6 e,t Jt4wí.tat6 4WL Le.s hawte.wde. bcLJLe2p. 156 CHAPITRE III : P'wbLrneA ¿L L'u,tUóatLon du. FLo.tox en cL.c.uLt111.1 IMTROVUCTION111.2 CYCLES VE PROGRAMMATION111.3 ENVUPSANCE VES VISPOSITIFS111.3.1. RaL-tat6 exp&me.n-taax111.3.2. ExptLcatLon thoìtqae de. La dg'tada.tLon111.4 EFFETS VU TEMPS VE MONTEE VE LA TENSION VE PROGRAMMATION111.5 RETENTION VE L'INFORMATION111.5.1. Rie.n..tLovt "na..twteLe"111.5.2. R,te.rvtLon ows poLaìiLoa..tLon111.6 LiMITATION VE LA PROGRAMMATION LIEE AU TRANSISTOR SERIE111.7 CONCLUSiON

P.191 CHAPITRE IV CompaìuvLoon da cUpo4W Fotox ave.c. d'a.wtxeA 4-tkaetuxe,odu. minie. .typ e,t voI_wt,í.oj'i de c.e dÁpoLtLIV. i INTROVUCTIONIV.2 POINT MEMOIRE VU TYPE HUGHESIV. 3 STRUCTURE MOTOROLA (FETMOS)IV.4 PRESENTATION VU POINT MEMOIRE UTILISE VANS LES CIRCUITS NON VOLATILSET EVOLUTION POSSI&E VE CE TYPE VE POINT MEMOIREIV.5 CONCLUSIONVE WU EMEPARTIEP.214 CHAPITRE I GnMUt4. .6W. £e4 c2LtC.uLt6 non vo&a.-tJ141. 1 INTROVUCTION1.2 CIRCUITS VU TYPE EEPROM1.2.1.1.2.2. Ve4c/tLp-tí..on du. onUonnement1.3 CIRCUITS VU TYPE MO VRAM1.3.1. Gn&aLító1.3.2. Ce aeí3 mmoL'ieo1.3.2. 1. PLncLpe de bas e1.4 CONCLUSION1.3.2.2. P)ien,ta,t,Lon de qae2qu.eA aeL&Lee.6 mmOíJieAA - CeL&t&e bírctnche dqwU..LbieAS - Ce.Uu&e4 noead. d&quLtLbk

P. 245 CHAPITRE II : P 4ert-ta-t-LovL du. cxcwí,t NO VRAM : ehoLx de ceLeuLeAmmoíjtes e,t cthoLx de La tecJinoLogLe11.1 INTROVUCT1ON11.2 ORGANiSATION GENERALE VU CIRCUIT11.3 CHOIX VES CELLULES MEMOIRES11.3.1. Coricept de cWpo4LtL FLo.tox ¿oL11.3.2. P'Ls en,ta.tLovi et de cLptLort de e. eL&i.Zes e.haLLes11.3.2.1. Repo4LtLorrteJnen-t 4.ta.tLqLLe11.3.2.2. Repo4LtLonnement dynam.Lqu.eII.3..2,3, CeLeuLeahoL.&Le11.4 CHOIX ET VESCRIPTION VE LA TECHNOLOGIE11.4.1, ChoLx de La. tedinoLoge11.4.2. Ve4cLptLort de La. teahnoLog.Le11.5 PRiNCIPALES REGLES VE VESSIN11.6 CONCLUSIONP. 270 CHAPITRE UI VeAe/1LptLan du. e.L'tcuLt NO VRAM111. 1 1NTROVUCTION111.2 VESCRIPTION VES ELEMENTS CONSTITUTIFS VU CIRCUIT111.2.1. Sytme d'EejLtwte - Lec-twe.111.2.2. C&tcuLt d'En JeA/So'LLeo111.2.3. Vcodewt L4igne.s111.2.4. CeLLuìeo rn&no-uJLe4 : nvL e en rnmo.ixe - 'Lepoí..tLonnemen.t111.3 IMPLANTATION VU CIRCUIT111.4 CONCLUSIONP.297 C O N C L U S I O NRE1-LRLNCESANND

I NTRODUCT I ON

Le be,òoLn cxoíarvt de. .ótoc.Iaeì. deA £rto'una.tLovt4 demanLAe non voLtvtJie, .towt en con.6ed'wan.L La. po44LbíJt demod..LLe/t ou.. d'ctc.tiicLL.6e/t aLment e.e,s Lno.&ma-tLon4 a. c.onduLtda.n4 c.eA de LxeA ctnrleA au dve2oppeinervt de.6 mmoíAeA Ln4-c.níptLbLe.o e..t ectçabLes Uea..ttLqaeme.n..t (EEPROM).Ce..6 m&nouJLeA pert.en.t quaiYre po44LbíJJt4tockage d'une Lno'unatLovi (etw.e)- c.oyioexvaJJ.on de c.e.tte £noìuna,tLon 4a.n4 aLt&uz-tLon dan4 Le .temp4e,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.6ven-tu.e!2emen-t citLtw.e) w'vLquemen-t 4Wt an. od&e de L' wíAa.teW.e44LteA d' qwLpementA 4pcíauX exJ1)t..LeW4 au 4y4..tJnee..t 4Sa.n.4 ncon,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 nonvoLatíi de cette denL/Le.Le ca1uzc..t)Le de non votati1Lt de L'Lno.'unatLon, da.n.ó LesmmoiJte4 .o Leo ndwi-tews, 4e. t'uzdwL.t de i,Lie pky'4Lqae palL u-n&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.gelLce .óLte. La. MtLtwt.Lon de L'-Lno'unc.-tLon eo.t 'iLLe paA Le.6 ee-t4d'-LnLaence de cette chaìge, no.tammen..t pc La. rnodí4Lcat-Lon de Laten,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).0

-2-L 'aznLLoìwtLovi deA techvioLog-LeA et de.o moge.n4 dectbnLcatLon, e.vidan po44íbLe La 'taLLsa-t.ori de e.oucheAs in.Lnc.eAd'oxyde (80 a. 200 A) ep/wdu.e.tLbLeA, a. peftJ7lL6 aux 4uC-tWLe.6 VlanvoLa.tíie, de c.Ovina.WLe ¿ewt v&LtabLe. eA4ofl. a. patíi deA a.vtne.4 1980.Cet ctopect de. 'Lep/wducÍ.LbLfít deA oqf deA nvLnceA ct pe)unAen pantÁcuLLex, Le. dve2oppement deA tuLe..-twe4 oil Le. 4.toeízage. de. Lac.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.otea. deA p/wbLmeA de. 1ctbnLcatLon de L'oxyde. t.xè m-Lnc.e (20 a. 30 A).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(FLoat.Lng ga..te. Tannei Ox2de.) ei de. .00n u .at_Lon dai'lA Le.4 CÍ)LCWi6noii 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.LqueAeAt Uec-t'iiqueA de. La 4tkuctWLe. FLo.tox.L' Laboiia.tLon d'an modUe gri&taL 'ie.poctn-t 4WL an 4y4tme.de coupLage ca.pacLt ei une. condac.-t,Lon tiinne2 Foweeir. 1'do'Ldhthn a..tkLtvet6 L' oxyde. de 4LUC.Lwfl a. peìtmí d' expLiquen. LeA /r14uLtatAex pJLíJne.ntaLLx co nce)tnan-t Le4 ccaeAt&aAtLqLLeA coWtant--ten4-Lo n, LecycLeA de p/La gn.aniatLovt eAt LeA phnornvte4 de ittentLon.LeA awt/teA aApec.tA ¿L4 a.L 'wtLLLòa-tLon du FLotox en cL'LcuLtei La compa..&a-íAon du FLotox avec, deux awtkeA 4t&uc-tWLe4 non voLa-tíleAa. gníLLe Lottan-te on,t auA4-L ei abon.d4 ei on-t a,L-t L'objei de mode-LíAatLonA patLcuLLxe4.

-3-La de.ux.Lme. paxtíe. de. notM tLzvaÁ2 a e.Ofl4S-twt..LLeìtLa fLactuXe. FLo-tox powt La aonce.p-tLon d'arie. mmoí.xe. v-Lue. rtOn. vo!a_tLLe.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.a-LWie.me.ri.t aux c.eLeuLe4 mmoíjz.e. e,t ¿t Le.wr. onc.tLarineme.ri.-t&Ltw.e., Le.c.tw.e. e..t po44LbLUt de. p'wg.'iammatLori e..t de. eA-tL.twtLorLde. L'LriwtmatLori ; nows avori4 a..Ln4L ame.n&s p/wpo4eir. an. rioave.au-type. de. aeliwee. mmo-L'e. non. voIatí1e.. Now avon. £mpLariìl c.eAs d-Lve.1t4e6e.eJ2uLe.s 4Wi an mcqae. tet, que. now pl e.ivton.6 bi..Lve.me.n,t ¿t LaLrt de. c.e. rnmoLne..

PREMIEREPARTIE

CHAP! TREIGENERALITES SUR LES DISPOSITIFS NON VOLATILS

-5-1.1 INTRODUCTIONLa nécessité de stocker des informations de manière immuablea conduit au développement et à l'utilisation des mémoiresROM ("Read only memory" ou "mémoire morte"). Ces mémoires sontdestinées à enregistrer des programmes figés tels des tables deconversion, de codage ou décodage, ou bien les programmes de commandedes systèmes gérés par microprocesseur. Cependant, bien queces mémoires soient de faible prix, leur réalisation nécessite unepériode relativement longue entre le moment où la configuration àinscrire est donnée par l'utilisateur et la sortie des circuits,c'est pourquoi il est utile de donner à l'utilisateur la possibilitéde programmer lui même le contenu de la mémoire morte. Cebesoin a donné naissance aux mémoires mortes programmables (PROM);Celles-ci se sont développées suivant deux axes :- Les PROM programmées généralement par destruction de fusibles oucourt circuit de jonction,- les EPROM programmables électriquement et effaçables par ultraviolet.Toutefois ces types de mémoires programmables manquentencore de soupLesse dans leurs utilisations. En effet pour êtreprogrammés, ou effacés dans le cas des EPROM-U.V., ces dispositifsnécessitent des équipements spéciaux extérieurs aux systèmes del'utilisateur. Pour cette raison un nouveau type de dispositif aété déveLoppé : les EEPROM (Electrically ErasabLe programmable readonly memory) ou mémoire morte inscriptible et effacable électriquement.Ces mémoires présentent l'avantage de pouïoir être programméesdans le système.L'introduction de la première mémoire non volatile commercialedate d'une dizaine d'années. Depuis les EPROM ont progressérapidement et au même rythme que Les mémoires vives (RAM), tantdu point de vue coût que du point de vue performance etcomplexité.

6Les EEPRCM par contre n'ont évolué que lentement, mais actuellementla tendance s'inverse : la place leur est cédée et Leur taux decroissance prévisionnel est le pLus élevé cki marché des mémoires.us donnons dans le tableau ciaprès l'évolution en pourcentage dela place prise par les EEPROM par rapport aux autres types de mémoiresmortes [1].ANNEETYPE DE MEMOIRE1979 1981 1985 EVOLUTIONROM 28 X 37 X 38 X STABILITEPROM 35% 29 X 24 Z DECROISSANCEEPROM 32 X 24 X 22 Z DECROISSANCEEEPRCM 4 X 10 X 16 Z CROISSANCELes utilisations actuelles des EEPROM peuvent être classéessuivant deux grands axes :- applications sauvegarde comportant généraLement peu de pointmémoires : compteur non volatil, circuit type vram, microprocesseuret EEPRI,- application ROEl comportant beaucoup de points mémoire : EEPRCMstandards, microprocesseurs et EEPRCM.Ces applications seront présentées plus en détail dans Lepremier chapitre de la deuxième partie.

-7-1.2 POINTS MEMOIRE NON VOLATILS INTEGRESLes fonctions que doivent remplir un point mémoire nonvolatil peuvent se résumer en trois points :Stokage d'une information,Conservation de L'information sans altération durant une duréeindéterminée,Possibilité de récupérer â tout moment l'information stockée.Le principe de base pour stocker une information de manière non volatile consiste à modifier de manière curable mais nonirréversible les propriétés physiques d'un matériau. Jusqu'à nosjours 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 magnétiquesLes systèmes à bulles magnétiques ont donné Lieuau développement des mémoires à bulles magnétiques (MBM) dontnous donnons succinctement le principe et Le fonctionnement.Sur un substrat non magnétique (généralement ungrenat de gadolinium - gallium) est déposé une couche mincemagnétique. A la surface de ce dernier un réseau de conducteurset de barreaux faits dans un alliage magnétorésistant(par exemple le permalloy) est déposé, et permet les opérationsd'écriture - lecture et d'effacement.

Ui aimant permanent de forme appropriée fournit unchamp magnétique continu perpendiculaire au plan de la mémoire.Le passage d'un courant de l'ordre de lOOmA dans uneboucle conductrice à la surface de la couche magnétique créeponctuellement un champ opposé à celui qui polarise la couchemince, et donne ainsi naissance à une zone cylindrique dontle sens d'aimantation est inverse de celui de la couche mince.Ces cylindres sont appelés "bulles magnétiques". Ellesont un diamètre de 4 à 6 tm.Lh champ tournant, créé par un bobinage extérieur,ainsi que la présence des barreaux en alliage magnéto résistantpermettent de déplacer les bulles. La disposition desbarreaux est telle qu'ils forment des registres à décalagedans lesquels l'information binaire est donnée par la présenced'une bulle ("1") ou son absence ("O").La magnétisation propre de la bulle se traduit parune variation de résistance lors de son passage dans un matériaumagnéto résistant et donc pour un courant donné par unechute de tension. Ce principe est utilisé pour la lecture dupoint mémoire. L'écriture consiste à créer une bulle, etl'effacement à la faire disparaître, soit par augmentationponctuelle du champ de polarisation de la couche mince (ef facementpar bit), soit par augmentation globale de ce mêmechamp (effacement global).La figure 1-1 illustre la structure de base d'unemémoire à bulles magnétiques. La non volatilité de la mémoireest assurée par la présence d'un champ magnétique permanent.Ce type de mémoire présente l'avantage d'avoir unetechnologiede fabrication simple et une bonne densité d'intégration1O bits/mm2 [21. Toutefois leur temps d'accès estlong : i à 4 ms et leur consommation moyenne élevée (supérieureà 1W).

9Couche mincemag ne t iqueSens de I aimantationde I. bulleSens deI aimantahonJfacileJ4 de la coucheminceSubstratnon magnetiqueBullesmagnétiquesFIGURE 1-1Principe d'une mémoire à bulle magnétiqueM.ten.v amorphe .ctir Electrode. (molTbdèn,)SubstratverreContactMitriel amorphe actifCantici veis electrodenierivur,a u min ejmpour electrode euprIeure (aluminium)Electre uperieure(malybdine)Dilect riq uyElectrode unferieure (molVbdine)DiodeCommutateur OvaniqueAluminium MolyWine Osyde krrt specialt point-memoire)FIGURE 1-2 : Différents types de mémoires ovoniques

- lo -1.2.2 Systèmes à verre semi-conducteurLes systèmes à verre semi-conducteur se sont concrétiséspar les mémoires ovoniques. Leur principe repose surle passage de l'état amorphe à un état ordonné de verresspéciaux 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 variationde température, les états amorphe et ordonné sont stables.Il est ainsi aisé grace à ce procédé, de coder une informationet de la conserver de manière non volatile.La figure 1-2 donne la structure d'un commutateurovonique. L'opération d'écriture requiert une tension d'environ25V et un courant de 5mA pendant 2 à 20 ms. L'effacementse fait avec une tension inférieure à 25v et le passage d'uncourant inférieur ou égal à 200mA pendant 10 sis. La lecturese fait par la détection de variation de tension ou de courantdOe à la variation de résistance du matériau.Bien que ce procédé présente des aspects intéressants,il semble que Les processus relatifs aux verresn'aient pas encore fait l'objet d'études suffisantes pourtirer des conclusions.1.2.3 Systèmes à charges électriquesLes systèmes à charges électriques ont été et sontessentiellement développés dans les circuits MOS et bipolaires.Lhe revue des différents principes et technologiessera faite au paragraphe suivant. Q peut toutefois noterL'existence d'un point mémoire mixte : circuit intégré MOS(métal - oxyde - semi-conducteur) et tube à vide. Ces mémoiresconstituent les BEA MOS (beam adressed MOS) c'est-à-diredes MOS adressés par faisceau. Il est composé d'un tube àvide à cathode et dont la cible est un réseau de circuitsM OS.

L'inscription se fait en injectant des chargespositives dans Le silicium en Lots, quatre puces de MOS de15mm2, chacune sont disposées côte à côte. Les couches desilicium N et P forment une diode polarisée en inverse.L'adressage est assuré par deux étages de déflexion et unréseau de Lentilles électroniques. (figure 1-3).Pour écrire, une tension de 60V est appliquée entrela métallisation d'aluminium et le silicium N. Le faisceaud'électrons attaque une zone ponctuelle et crée des pairesélectron-trou. Les électrons sont collectés par l'aluminiumalors que les charges positives restent piégées à l'interfaceoxyde - silicium. Pour lire, une faible polarisation négativeest utilisée, le faisceau crée â nouveau des paires électrontrou,les charges positives sont repoussées par la chargestockée seiL y a lieu et se manifestent par un courant desortie. L'effacement consiste à neutraliser toutes les chargesBien que présentant une grande densité d'intégration(15.10 bits/mm2) [3], ce type de mémoire semble présenterdes défauts majeurs :- Lecture destructive au delà d'une vingtaine de cycles dele ct u r e,une durée de vie du système de 20 000 heures,- et une non volatilité de l'information qui ne dépasse pasplusieurs mois.Les systèmes à charges électriques sont actuelLementLes plus développés et industrialisés à l'aide de matériauxsemi-conducteur. Les mémoires non volatiles sont généralement réalisées en technologie MOS, mais il en existeaussi en technologie bipolaire.

- 12 -Alu minieFdi$CCJU d 'é/ectroAORESSAG(PAGES 1I4TILLLSEntréeerituteS. 02S i l'ci umpitaeial NSilicium PVacte Flac- 4.& I&4;.d p.cSortielectureAM PLI F.POI 3 rit iteSorti electureI-i-IIllIiPlaquemémoire NOSM.;Matrice deIentilleSélection de pageCathod,( WehneltModulateurSélection delentjllFIGURE 1-3 : Mémoire non volatile à faisceau d'électronsSOURCE(s)GRILL E(G)DRAIN(D)'eI"t"N"w_r-"/SUBSTRAT(B)FIGURE 'l-4Structure d'un transistor MOS canal N

- 13 -1.3 MEMOIRES NON VOLATILS A MATERIAIJX SEMI-CONDUCTEL : LES EEPRCt4Jusqu'à présent Le procédé de stockage de l'informationdans Les points mémoires non volatils à semi-conducteur est effectuépar 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 fonctionnementdes points mémoires non voLatiLs repose sur la modification deconduction d'un transistor MOS : l'état conducteur correspond àl'état "O" et l'état bloqué correspond à l'état "1". (Pour un MOSde type canal N) nous rappelons à la figure 1-4 la constitutiond'une structure MOS.En technologie bipolaire, c'est aussi une modification deconduction qui permet de déceler l'état di dispositif.Différents phénomènes physiques sont utilisés pour programmerou effacer les dispositifs.

1.3.1 Mécanismes permettant l'injection des charges et leurstockage1.3.1.1 Injection par porteurs chaudsA - Mécanisme généralLa hauteur de la barrière d'énergie àl'interface silicium - dioxyde de silicium estde sensiblement, 3,1 e.v. pour les électrons, et3,8 e.v. pour les trous. Pour franchir ces barrières,en excluant toute possibilité d'effettunnel, il faut que les porteurs soient trèsénergétiques.On peut donc grâce à un champ électrique élevé donner à ces porteurs une énergie telleque leur température effective soit supérieure àcelle du réseau. C'est la raison pour laquelle onles appelle "porteurs chauds" [4]. Leur injectionest favorisée par la présence d'un champ verticalqui est constitué par le champ dans l'oxyde.L'injection d'électrons a été modéliséedans la littérature [31 par une probabilitéd'émissionP A exp (-dix) (1-1)Où :- A est le libre parcours moyen decollision 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 etLe point de La bande de conduction oùl'énergie est égale à l'énergie debarrière 4.Cette hauteur de barrière de potentieln'est pas constante, mais dépend cli champ dansl'oxyde := 3,1 8 EOxh/2 - a E0x2/3 en e.v.8 Eox'/ est un terme correctif prenant encompte l'abaissement de la barrière de potentielpar effet schottky.= (q3/k ir Eox)h/2 ; (8 = 2,59 1O e.v. cm/2pour le dioxyde de silicium).a E0X2/3 prend en compte l'effet tunnel FowlerPbrdheim. Ce terme n'est applicable que pourles énergies inférieures à l'énergie de barrière.L'équation (1-1) indique que la probabilitéd'émission est d'autant plus forte que dest faible. Il est donc préférable d'avoir etcela est confirmé par l'expérience [51, unevariation de potentiel rapide au voisinage del'interface.La dépendance du potentieL dans lesubstrat en fonction du profil d'impuretés étantdonnée par :d2v = q NA(x) (1-2)dx2cSi

- 16 -Il faut donc ajuster ce profil de manièreà obtenir un fort gradient de potentielprès de l'interface.Lors du parcours des porteurs chaudsdans l'oxyde, on constate le piègeage d'une partied'entreeux dans l'oxyde. Ce phénomène entrainela diminution di champ électrique verticalà l'interface SiSio2, qui a pour conséquence unechute de l'efficacité d'injection qui s'autolimite.Les trous chauds dont le transport dansl'oxyde est surtout assuré par une conduction ck.itype PooleFrenkel (abaissement par champ électriquede la barrière de potentiel des centrescoulombiens dont les porteurs piègés peuvents'échapper par excitation thermique) ont uneefficacité d'injection moindre que celle desélectrons , et une tendance au piègeage plusélevée. C'est pourquoi il semble plus intéressantd'utiLiser une injection par électrons chauds.B - Injection de porteurs chauds par avalanche d'unejonction : [61 [71 [81.La mise en avalanche d'une jonctiongénère des porteurs chauds dans la zone de désertionsurfacique. Ceuxci, sous l'action d'unchamp vertical (champ dans l'oxyde) dû à la polarisationd'une grille de contrôle placée au dessusde la jonction peuvent être injectés dansl'oxyde durant l'avalanche. (figure 1-5).

- 17 -Les porteurs chauds majoritaires sontinjectés lorsque la polarisation de grille produitune accumuLation déplaçant La zone de transitionsurfacique vers la région la plus dopée(figure 1-5(a) et 1-5(c)).Les porteurs chauds minoritaires sontinjectés lorsque la polarisation de grille produitune désertion de La zone la moins dopée(figure 1-5(b) et 1-5(d)). Dans ce cas, contrairementau précédent, La gradient du champ électriquelongitudinal surfacique est plus faible.Aussi â efficacité d'injection identique, Lapolarisation de grille doit être plus importante.Pour cette raison, ce sont souvent des injectionsde porteurs majoritaires que L'on met en oeuvreen pratiqueC Injection par non avalanche :IL est possible d'injecter dans del'oxyde de silicium des porteurs chauds sansfaire appel à l'avalanche d'une jonction. L'apportd'énergie correspondant provient alors d'unchamp électrique surfacique important.Cela peut se faire de deux manières :A partir du courant de canal d'un transistorMOS. Lorsqu'un transistor MOS est polarisé ensaturation, les porteurs circulant de La sourcevers le drain acquièrent une forte énergiecinétique dans La région de cham intense existantà l'extrémité canaL. Pour de fortestensions de drain ou des tensions modérées siLe canal est court, l'énergie des porteurspeut-être suffisante pour permettre leur injectiondans l'oxyde [91 [io].

VRoL,VCo.-NVRO-,,J.»lone depieteeVG ¿OpVRVG L ON+p-s-p3-tNd-LIFIGURE 1-5Injection de porteurs chauds par mise en avalanchede jonction P+N (a et d) N+P (b et c)r-w, 'w"9PVG)Vth3 a 4 j mVO eieveeD///FIGURE 1-6 :Injectionde porteurs chauds par un courant drain élevé

- 19 -La figure 1-6 illustre cette injection.Les résuLtats expérimentaux et la modélisationmontrent que les porteurs chauds injectéssont issus d'une zone de faibles dimensionslocalisée près du drain.A partir du courant d'une jonction volumiquepolarisée en direct [11] [12].. Q, crée unezone de désertion surfacique à l'aide d'unetension grille convenable, la jonction volumiqueest alors polarisée en direct. Si l'épaisseurde la zone substrat est comparable à lalongueur de diffusion des électrons injectés,ceuxci sont susceptibles d'atteindre la zonede désertion induite par champ où ils sontaccélérés. Certains acquièrent alors suffisamentd'énergie pour franchir la barrière àl'interface SiSio2. (figure 1-7)..1.3.1.2 Injection par conduction des porteurs à travers ledioxyde de siliciumCe mécanisme sera étudié en détail auchapitre II, toutefois nous résumons les pointsessentiels :Nous avons dit précédemment que la hauteurde barrière d'énergie à l'interface SiSio2 étaitplus faible pour les électrons que pour les trous.D'autre part la mobilité et la durée de vie des troussont telles vis à vis de celles des éLectrons [81,que la conduction à travers l'oxyde est dOe essentiellementaux électrons.

- 20 -Lenz linger et Snow [131 ont montré que laconduction dans le dioxyde de silicium est du typeFowler Pbrdheim. La loi de courant étant de laforme :J = a E2 expa et 8 sont deux constantes dépendant dedifférents paramètres physiques, notamment de lahauteur de barrière de t'interface métal - S1o2 ouSi-Sio2, Cette conduction tunnel assistée par champnécessite des valeurs de champ électrique élevées :de 7 à 10 MV/cm0peut noter toutefois dès à présent quecette conduction est fortement dépendante de la hauteurde barrière. Lorsque l'oxyde de silicium croftsur du silicium polycristallin, la hauteur de barrièreest beaucoup plus faible que dans le cas d'unecroissance sur silicium monocristallin. (de l'ordrede 1V au lieu de 3,1V [141).Cette forte différence donne Lieu à deuxtypes de dispositifs :- dispositifs à injection à partir de siliciummonocristallin,- dispositifs à injection à partir de siliciumpolycristallin.

- 21 -1.3.1.3 Injection de porteurs à travers une couche d'isolantultra minceCe type d'injection se rencontre essentiellementdans les structures du type MNOS où sur lesubstrat de silicium repose une couche ultra mince(20 à 30 A) de dioxyde de silicium, ellemême surmontéed'une couche de nitrure de siLicium d'une épaisseurvariant actuellement entre 200 et 500 A.Sous l'effet d'un champ électrique dansl'isolant, des porteurs peuvent transiter par effettunnel à travers la couche d'oxyde, dans des piègessitués à l'interface (et légèrement au delà) dioxydede silicium - nitrure de silicium.Les modèles récents [15] [16] décrivant lephénomène de conduction à travers l'oxyde proposentune conduction modifiée de type Fouler Nordheim dansun premier temps, puis Lorsque la quantité de chargespiégées s'accroît, une conduction du type tunnelbande à bande : c'estàdire que les électrons issusde La bande de conduction du silicium passent directementdans celle du nitrure.L'effet modifié tunnel Fouler 1brdheimconsidère que les charges passent deux barrières depotentiel : celle de l'oxyde et partieLlement une dunitrure. La probabilité de passage est expriméepar :P = Po exp (tox/Àox) exp (-8 tx/Xox) (1-3)

- 22 -Po est une constante, tox est l'épaisseurde l'oxyde, tx est La profondeur de pénétration descharges dans le nitrure, Aox et An sont Lesconstantes de de BrogUe pour L'oxyde et Le nitrure(Aox = h , h est la constante de PLanck,4r /2mox* oxmox* est la masse effective de la charge dansl'oxyde, ox est la hauteur de barrière de potentielde l'oxyde).8=n mn* 1/2ox mox*1.3.1.4 Injection par conduction dans le nitrureLa conduction de porteurs est du typePooleFrenkel c'estàdire que La conduction desporteurs se fait de piège à piège et par excitationthermique, le champ électrique ayant pour effetd'abaisser La barrière de potentiel des centrescoulombiens. t.he expression de la densité de courantest donnée par [171 :Jn = C En exp ((qe) ) exp (.aj8 En)h/2 (1-4)KT KT Ioù En est le champ électrique dans Le nitrure, estla hauteur de barrière de potentiel du centre coulombien,C et 8 sont des constantes qui dépendent duniveau de piège et de La constante diéLectrique.

- 23 -+VG- VSUBTJONCTIONFIGURE l-7 : Injection de porteurs chauds à partir du courantd'une jonction volumique (N+P) polarisée en directiALUMINUM GATEooA 513N4F lELOOXIDE1/GATE OXIDE\\\N.15?O& SlO?//IN T ERFACEFIGURE l-8Structure MNOS à grille métallique

- 24 -1.3.1.5 Injection de porteurs par photocourantsCe procédé très répandu est utilisé pourdécharger un dispositif préalablement chargé. Ilutilise un rayonnement électromagnétique, généralementune lumière ultra violette (mais on peut aussiutiliser un rayonnement X, ce qui donc ne nécessitepas de fenêtre en quartz dans le boitier des circuitsdu type EPROM). Ce rayonnement active les porteurs etun photocourant est ainsi créé à travers l'oxyde.1.3.1.6 ConclusionLes mécanismes décrits précédemment constituentles mécanismes principaux de charge et de déchargeà travers des oxydes. Toutefois cette revuen'est pas exhaustive dans la mesure où toutes lescombinaisons possibles des mécanismes précédentspeuvent être utilisées, ainsi que l'utilisation denouveaux diélectriques : oxynitrure - S1o2 riche ensilicium... La tendance actuelle est d'ailleursd'utiliser de nouveaux diélectriques.1.3.2 Présentation et analyse du fonctionnement de quelquesdispositifs1.3.2.1 Structures réalisées en technologie MOSA - Structure MIOS (métal - isolant - oxyde -silicium) :C'est de tous les points mémoire nonvolatils à écriture et effacement électrique Leplus ancien.

- 25 -Etudiées depuis une quinzaine d'années,tout au moins pour le MNOS [18], ces structuressemblent à L'heure actuelle un peu délaisséesbien que certains constructeurs tels HITACHI [191[20], NCR [21] continuent leur recherche etfabriquent des produits.Récemment d'autres structures du mêmetype mais utilisant de L'alumine (Al203) ou unsandwich nitrure-alumine à La place du nitrureont été développées. Il s'agit des structuresMAOS (métal - alumine - oxyde - silicium) etMANOS (métal - alumine - nitrure - oxyde -siLicium) [22].La figure 1-8 décrit une structureclassique actuelle de MNOS avec grille métaLlique.La forme particulière de La grillepermet d'isoler le transistor MNOS proprementdit, grke aux transistors qui lui sont adjacentset qui sont du type enrichi.La figure 1-9 décrit une autre structureactuelle de MNOS avec une grille en SiPo ly.- W procédé type de fabrication decette structure est le suivant [201 :Substrat de départ de type N (100) et de résistivité8 à 12 Q cm.Des caissons de type P sont réalisés pour isolerle MNOS des MOS des circuits périphériqueset cii plan mémoire.

- 26 -La région canal des dispositifs MNOS est couverteavec du nitrure de silicium.Les régions de type n sont formées sélectivementen utilisant le nitrure comme masque.Le nitrure joue aussil'oxydation.le r6le de masque pour- Après avoir enlevé le nitrure, les couchesd'oxyde ultra minces de nitrure et de siliciumpolycristallin sont formées et déposées simultanément.Enfin les zones N+ sont réalisées, le siliciumpolycristallin servant de masque.Les avantages du MNOS sont présentéspar le fait qu'ils possèdent une bonne enduranceC > 10 000 cycles), ils sont peu sensibles auxproblèmes liés aux polarisations en mode lecturedu point mémoire. D'autre part, la conduction sielle a lieu le long de l'interface oxyde ultrafin - Si3 N6 étant très lente, cela signifiequ'un défaut dans l'oxyde ultra fin affecteraseulement un centre de piège local et ne déchargerapas le système entier. Ces dispositifs sontaussi peu sensibles aux perturbations extérieures(rayonnement a par exemple).

GRILLE DE CONTROLE Sn SI POLYCRI3TAUINFIGURE 1-9 : Exemple de structure MNOS actuelleALsALGRILLE FLOTTANTESLBTRAT SI N\. ZONE DE DESERTIONFIGURE 1-10 : Dispositif FAMOS sous polarisation

- 28 -Par contre les rétentions des dispositifsMNOS sont peu élevées C i an), les MNOSnécessitent de polariser le caisson à une hautetension, ainsi que la griLLe de commande ou biend'avoir une double polarité en haute tension pourla grille de commande.A ces inconvénients s'ajoutent lesdifficultés du particularisme du procédé : eneffet La méthode de dép6t du nitrure est critique,et l'épaisseur d'oxyde agit directement surla rétention, la tension d'écriture et sadurée..B - Structure FAMOS (MOS à injection par avalanchedans une grille flottante) :Cette structure qui a maintenant unedizaine d'années [23] et développée par INTEL,est à l'origine de toutes les structures programmablespar génération de porteur chauds. En faitla structure FAMOS n'est pas entièrement programmabLe électriquement puisqu'elle est effaçab Lepar ultra violet. La structure de base de cedispositif est donnée par la figure (1-10).Cette structure est la structure d'origine duFAMOS [241, elle est réalisée en technologiecanal P, et ne comporte qu'une grille flottanteen silicium polycristallin isolée entre 1000 dedioxyde de silicium du c6té substrat et10 000 de Sio2 à la partie supérieure. La miseen avalanche de la jonction zone p+ substrat apour conséquence l'injection d'électrons chaudsvers la grille flottante. (he fois la chargestockée, en l'absence de polarisation, le canalest inversé et ce MOS devient donc passant.

- 29 -L'effacement est réalisé par l'insoLationd'un rayonnement ultra vioLet qui provoqueun courant photoélectrique véhiculant les électronspiègés de La grille vers Le substrat.A l'heure actueLle La technologie estgénéraLement du type canal N et une grille estsouvent pLacée au-dessus de la grille flottante.Cette dernière favorise les opérations d'écritureet d'effacement.D'autre part l'injection est généralementréalisée par conduction de courant dans LecanaL. Ce type de dispositif présente une bonnerétention, il ne présente pas de perturbation enlecture, toutefois sa durée de vie est limitée àqueLques centaines de cycles à cause di fortpiégeage d'électrons dans L'oxyde lors de l'écriture.D'autre part une exposition prolongée decette structure à un rayonnement de type a ou àla lumière solaire peut provoquer un effacementpartiel.C - EEPROM à injection par porteurs chauds :Nous présenterons tout d'abord leDIFMOS (dual injector fLoating gate MOS : MOS àgrilLe flottante et deux types de porteurs pourl'injection).

- 30 -Ce dispositif bien qu'utilisant unmécanisme de programmation par porteurs chauds,diffère fondamentalement i FAMOS par le faitqu'il s'agit là d'un véritable composant EEPRCM,c'estàdire inscriptible et effaçable électriquement.Ce but est atteint en utilisant dans unemême structure deux types de porteurs chauds :les électrons et les trous.Ce dispositif [25] a été développé parTEXAS INSTRLPIENT et l'application a été réaliséeen canal P. La structure de ce dispositif [26]est présentée à la figure. (1-11)Ce dispositif est entièrement recouvertd'une grille flottante et peut se décomposer enquatre parties élémentaires :un transistor MOS commandé par La grille flottante,un injecteur d'électrons destiné à chargernégativement la grille flottante et constituépar une jonction P+ N+,un injecteur de trous permettant d'annuler Lacharge négative stockée sur la grilleflottante, il est constitué par une jonctionP+ N++.une capacité bootstrap entre silicium P++ etgriLle f Lottante, elle permet d'avoir unchamp électrique plus important et favorableà l'injection des trous.

- 31 -L'écriture de ce dispositif est réaliséeen polarisant à une tension de l'ordre de -30V la zone P++ de la jonction P++ Nf. Cettejonction est alors mise en avalanche et la capacitébootstrap renforce l'efficacité d'injectionde trous chauds vers la grille flottante. Lalecture s'effectue directement grâce au MOS commandépar la grille flottante.itre les dimensions importantes de cesystème (4 éléments) on peut aussi reprocher à cedispositif le fait que le piègeage très importantdes trous dans l'oxyde limite sérieusement l'injectionU, autre dispositif [2711 bien que dumême type que le FAMOS, se distingue de ce dernierpar l'utilisation de jonctions Nf P+ dontles zones Nf sont réalisées par les zones sourceset drain du 110SF et les zones P+ par des dif f u-sions latérales le long du canal. Ainsi les jonctionssont réalisées aux coins du canal et celajustifie l'appellation : FCAT (floating siliciumgate channel corner avalanche transition), c'està-diretransistor à injection par avalanche àeffet de coins du canal dans la grillef lottante.D'autres structures utilisant uneinjection par porteurs chauds ont été étudiées oudéveloppées., Certaines utilisent pour l'injectionla mise en avalanche des jonctions drain-substratet source substrat [281 ou encore la mise enavalanche d'une jonction en volume [291.

irGCf,IIC flottantes.a o y\"\\\'\\\\\N p':iNLCapact, bootstrap.FIGURE 1-11 : Structure DIFMOSi.SAILLE FLO1TANTE t 21"OLY)\r'r ì'J/tELECTRODE 0 EFFACEMENT C3''POLY)N+ J N O*aj,4TTRAIX8TDA DE LECThEasTRAT 8! PELECTRODE OECAITUREC i" POLYrFIGURE 1-12Représentation schématique de la structure à3 niveaux de poly de chez XICOR

- 33 -Q peut noter aussi L'existence de lastructure SIMOS (stacked gate injection MOS : MOSà injection et griLles empilées) de chez SIEMENS[30]. Ce dispositif utilise deux grilles dontL'une est flottante et l'autre sert à favoriserLes mécanismes d'injection par porteurs chauds.L'injection se fait par Le canaL et est accruepar l'utilisation d'un canal court de forme trapézoidale.L'effacement se fait par l'injectionde trous chauds issus de l'avalanche de la jonctionsource substrat.tbus citerons enfin la structure proposéepar FUJITSU [31] qui présente La particularitéde s'effacer par la mise en avalanche d'unejonction P+ N située dans la grille flottanteelle-même : une troisième grilLe située au-dessusde la zone P+ de cette jonction permet d'activerLa jonction par couplage capacitif, les électronschauds sont alors émis vers la griLle de commande.L'écriture se fait d'une manière classique :des électrons chauds sont émis à partir ckicanal.D - EEPROM à injection par effet tunnel Fouler-Nordheim :Les structures â injection par effettunnel Fouler Nordheim reposent toutes surprincipe de La structure Flotox [32] développéepar INTEL. Toutefois La structure Flotox faisantl'objet de l'étude qui suit et où nous parleronsaussi des structures Itighes et Motorola, nousparlerons seulement ici d'une structure à troisniveaux de Si poly [33] développée par XICOR[341, et dont une représentation schématique estdonnée à La figure 1-12.le

- 34 -L'écriture est réalisée par l'émission d'électronspar effet FowlerNordheim de la premièregrille vers la grille flottante. L'effacement estréalisé de la même façon mais les éLectrons sontémis de la grille flottante vers une troisièmegrille. Pour réaliser ces mécanismes d'injection,les grilles sont convenablement polarisées, celase fait pour la grille flottante par Le biais decouplages capacitifs. tons enfin que l'utilisationde surface de silicium polycristallin surlequeL croft (ou est déposé) de l'oxyde de silicium,permet d'accroitre le champ injectant grâceàla nature rugueuse de la surface du Si poLy[35].Ce type de dispositif présente de bonnescaractéristiques d'ensemble : bonne rétentionde l'information (lo ans), une endurance de10 000 cycles (malgré la génération de piègesdans l'oxyde dOe aux champs électriques élevés).D'autre part et contrairement aux structures àporteurs chauds, il ne nécessite pas de courantdans le canal.E - Structures mixtes et autres technologiesBeaucoup de structures utilisent uncompromis entre l'injection par électrons chauds(pour écrire un dispositif par exemple) etL'effet tunneL Fowler Nordheim (pour effacer).

ØRILLE 0E c0NTMEpFIGURE 1-13Structure à écriture par injection de porteurs chaudset effacement par la partie supérieure rugueuse dela grille flottante813)14 700 ZGRILLE 0E CONTROLEGRILLE FLOTTANTESL8TAAT SI NFIGURE 1-14 : Structure à écriture par injection de porteurs chaudset effacement par conduction dans le nitrure

- 36 -indicatif :l'bus en citerons quelques unes à titre- Structure constituée d'une grille flottantechargée à partir ó.j substrat par injection paravalanche, et déchargée par effet tunnel partransit des électrons de la grille flottantevers une grille "d'effacement". Le procédéd'effacement étant facilité par l'état de rugositéde la surface de la grille flottante [361.Ce type de structure (mais en utilisant pourl'injection de porteurs chauds, le champ électriqueélevé régnant dans la zone de pincementd'un transistor MOS à canal court) a été développépar TEXAS IPTRUlENT. G, donne à la f igure1-13 la représentation de ce dispositif.Lkautre dispositif analogue mais danslequel la grille d'effacement est située sousgrille flottante a été développé par TOSHIBA[38]. l'btons encore une structure analogue àcelle de chez TEXAS mais réalisée avec un MOScanal P et en technologie CMOS [391 et qui présentel'avantage d'utiliser très peu de puissance.la- Stuctures à effacement par conduction dans lenitrure telles les structures développées parNEC [40] ou par GENERAL ELECTRIC [41]. Le schémade ce dernier dispositif est donné à lafigure 1-14. L'écriture est réalisée par lamise en avalanche de la jonction source substratet l'effacement par conduction Poole-Frenkel dans le nitrure par le biais d'unetension appliquée à la grille supérieure.

- 37 -- Structure à injection de porteurs chauds àtravers une couche de nitrure telle La structureNAMIS (nitride barrier avaLanche injectionmetal insulator semiconductor) [42]. Cettestructure utilise un procédé original de nitrurationthermique du silicium, pour former lacouche isolante entre le canal et la grilleflottante. Cet isolant présente l'avantaged'avoir une faibLe concentration en centre depiègeages et une faible conductivité intéressantedans le cas de l'injection par porteurschauds. De plus les hauteurs de barrière àl'interface siliciumnitrure sont modérées(1,05 e.v. pour les électrons et 1,85 e.v. pourles trous). L'écriture se fait par injectiond'électrons chauds, l'effacement par injectionde trous chauds.D'autres structures utilisent une conduction, à travers des isolants d'un type nouveaux.Q notera parmi ces derniers :l'oxynitrure [43] [44] et le dioxyde desilicium riche en silicium [45].i pourra aussi noter que La majoritédes structures sont réalisées sur silicium massif,toutefois certains dispositifs sont réalisésen technologie sur saphire en technologie monocanaL [46] ou en technologie CMOS [47].

- 38 -ILLE PLØ17MflECANlN!ALANTaJeemATFIGURE 1-15Structure "Lubistor"S ¡02 (C.v.D.)Sj02B'sff///4G2(AI)irPolyojiedeG1 (potySi!& AASiODNN4wP SubsIfatFIGURE 1-16 : Structure "BIPEAROM"

- 39 -1.3.2.2 Structures bipolairesBien qu'il existe des mémoires EPROEI utilisantdes structures bipolaires [481, les structuresde types EEPR'1 sont à notre connaissance très peudéveloppées. bus citerons deux structures :Le "LWISTOR" (lateral, unidirectional, bipolartypeinsulated-gate transistor) ou transistor bipolaireà conduction unidirectionnelle et à grilleisolée latérale, et dont Le fonctionnement s'apparenteà celui d'une diode [49]. La représentationschématique de cette structure est donnée à lafigure 1-15.La structure "BIPEARCM" [50] dont le schéma estdonné à la figure 1-16. ElLe est constituée d'untransistor bipolaire et d'une grille flottantepermettant de contrôler la base du transistor. Lavariation de l'état de la base : accumulée, déplétéeou inversée permet de moduler la valeur ducourant de base. C'est la variation de La valeur dugain qui permet la lecture de ce dispositif.L'effacement (qui correspond à une dégradation dugain) s'effectue en chargeant positivement la grilleflottante par un effet tunnel Fowler-brdheimentre 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 issusde l'avalanche de la jonction émetteur-base sanspolarisation de La grille de commande.

- 40 -Ce type de structure bipolaire a pouravantage de conduire à des EEPR1 de faibles tempsd'accès (< lOOns). Leur rétention est équivaLente auxstructures en technologie MOS, par contre ces EEPRCMprésentent deux inconvénients majeurs :la nécessité d'utiliser une tension deprogrammation pulsée très élevée C> 40V),un seuil d'endurance limité à une dizaine decyc les.

- 41 -1.4 CONCLUSIONParmi tous les systèmes de mise en mémoire non volatileprécités, nous ne retiendrons que les systèmes à semiconducteurscar ils présentent le triple avantage d'avoir de faibles dimensions,d'être d'une utilisation aisée et d'être réalisés dans destechnologies déjà au point ou très avancées. Ce type de mémoire nonvolatile (EEPROM) suit une forte croissance et sera amené à suppléerles mémoires ROM.Sil'on considère donc les mémoires inscriptibLes eteffaçables électriquement, on constate que chaque dispositif nonvolatil est caractérisé de manière prédominante par l'un des pointssuivants :technologie MOS : structures type MNOSStructures à grille fLottante ) mécanismed'injectionpar effettunne Lmécanismed'injectionpar émissionde porteurschaudstechnologie bipolaireLes structures bipolaires sont aujourd'hui très peudéveloppées et leurs caractéristiques actuelles sontrédhibitoires vis â vis des composants réalisés en technologieMOS.

- 42 -Le MNOS comparé aux dispositifs à grille flottante présentedes caractéristiques moins bonnes ou équivalentes. Les inconvénientsmajeurs sont liés d'une part à la difficulté de fabriquerde 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 pourconséquence une redistribution et une perte de charges au cours deslectures et des programmations répétées. Sa supériorité par rapportaux autres dispositifs réside essentiellement dans une moins grandesensibilité aux perturbations extérieures telles par exemple lerayonnement de particules a (structures "durcies").préférera donc les structures à grille flottante. Pources structures, il est difficile de se prononcer de manière absolueen faveur du mécanisme d'injection par effet tunnel plutdt que parporteurs chauds , car d'une part, globalement les avantages desuns semblent compenser celui des autres, d'autre part des structuresutilisant de nouveaux oxydes diminuent les inconvénients liésau mécanisme tunnel, et enfin des structures utilisant les deuxmécanismes liés aux deux principes d'injection en atténuent lesdéfauts.Les inconvénients majeurs de l'injection par porteurschauds semblent etre le bon contr6le de l'injection et la consommationélevée de courant liée à cette injection. Pour l'effet tunnell'inconvénient majeur semble être une dégradation possible del'information à la lecture. Cet inconvénient peut-être masqué pardes améliorations technologiques ou l'utilisation d'une conf igurationparticulière en circuit (par exemple : lecture sous tensionnulle).

- 43 -Le choix d'un point mémoire à injection du type tunnelpermet, relativement aux points mémoires à injection par porteurschauds, une diminution de la consommation. Cette réduction de consommationpeutêtre assurée aussi par le développement de la technologieCMOS appliquée à La réalisation de mémoire non volatile.Les performances actuelles moyennes des points mémoires àgrille 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 ansEnfin nous noterons que si La taille actuelle des EEPROMest de 1,5 à 3 fois celle des mémoires vives et les rendementscomparativement élevés [511, l'amélioration des technologies doitpermettre de pallier ces désavantages.

CHAP! TREIILE DISPOSITIF FLOTOX : CARACTERISTIQUES ET MODELISATION

11.1 DESCRIPTION - PRINCIPE DE FONCTIONNENENT ET TECHNOLOGIE11.1.1 DescriptionLa structure Flotox représentée schématiquement àla figure 2-1 est une structure à grilles empilées.L'une des deux grilles est entièrement situéeentre deux couches d'isolants et n'est reliée à aucuneconnexion extérieure. Le potentiel de cette grille est doncflottant et c'est pour cette raison qu'elle est appelée"grille flottante".Si l'on fait abstraction de cette grilleflottante, le reste de la structure s'apparente à untransistor MUS classique. Elle est en effet composée d'unsubstrat de silicium de type N ou P de résistivité élevéedans lequel sont réaliséedeux zones fortement dopées(diffusions) et d'un type de conductivité opposé à celui dusubstrat. L'espace entre les diffusions est recouvert d'unecouche isolante elle-même surmontée d'une électrode degrille commandée par un potentiel extérieur.Dans la structure considérée dans sa totalités'insère la grille flottante dont la forme est tellequ'elle présente une zone amincie d'isolant au dessus del'une des diffusions ; c'est cette particularité quidistingue le dispositif Flotox des autres dispositifs àgrille flottante.Les couches Isolantes sont généralement réaliséesen dioxyde de silicium (Si02). Toutefois d'autres typesd'isolants peuvent etre utilisés, notamment entre les deuxgrilles constitutives de la structure, et tel, par exemple,que le nitrure de silicium (SI3N).

- 46 -ISOLANT 2GRILLE 0E CONTROLEISOLANT iGRILLE FLOTTANTEZONEAMINCIEZONES DIFFUSEESrSUBSTRAT1'FIGURE 2-1: Structurschêmatque dUdìsposìtif FlotoxSOURCEGRILLEDRAIN(s) 1(G) (D)(ySUBSTRAT(B)FIGURE 2-2 : Structure du transistor MOS

Les grilles sont généralement réalisées ensilicium polycristallin.L'épaisseur de la premiare couche d'oxyde situéeentre le substrat et la grille flottante correspondl'épaisseur d'oxyde de grille classique d'un transistor NOSpour une technologie donnée. L'épaisseur de la zone aminciedans l'état actuel varie entre loo et 200 , mais sa valeurexacte ainsi que la valeur de l'épaisseur de l'oxyde entregrilles sont déterminées comme nous le verrons, en tenantcompte des possibilités technologiques et de l'optimisationdu fonctionnement du composant.II0L.2 Principe de fonctionnementdeux principesLe fonctionnement du dispositif Flotox repose sur- la possibilité d'emmagasiner une charge sur la grilleflottante,- l'utilisation de la conduction contrôlée par effet dechamp à travers la zone amincie pour véhiculer lescharges que l'on veut emmagasiner dans la grilleflottante, ou au contraire, enlever de celle-ci.

VFR< V0 VrC-1ranai.tor ond_?rin.tat.r entort. L ion tort. I ion.Canal non piaci.Canal piaciIDbioqud(albi. J piaci.pralon1.vD= denonpl na'Ionon Ipineifiptned%,f0_dt.eID(VG)ID(vD)FIGURE 2-3 : Prtnclpe dé fonctionnément du transìstórMOS

- 49 -11.1.2.1 Effet de la charge emmagasinée sur la grilleflottanteARappel du fonctionnement d'un transistor MUSDans ce qui suit, nous feronsréférence à la structure classique d'untransistor MOS, telle celle qui estreprésentée de maniàre schématique à la figure2-2Si l'on suppose que la source et lesubstrat du transistorS sont à la masse etqu'une tension VD positive est appliquée audrain, une tension appliquée sur la grille setraduit à l'interface Si-6i02, par un champélectrique dont les effets[521 sontreprésentés à la figure 2-3.- VG

:- VG> VT forte inversion. Lecourant drain devientnotable et, suivantles valeurs relativesde VG et VD, lecanal d'inversion estpincé ou non.D' VG T' FBles tensionsreprésentent respectivementdrain, grille, tension de seuil et tensionde bande plate.B - Expression de la tension de seuilLes expressions des lois decourants, qui caractérisent le transistor 1DSainsi que l'expression des différentspotentiels peuvent être obtenues à partir deséquations suivantesdensité de courant d'électronsJn = qi.tn nE + q Dn Vn (2-4)densité de courant de trous+Jp = qi'p pE - qDpVP (22)équation de PoissonV2V +i_ = O (2-3)

- 51 -- A l'interface Si-BiO2loi de Gauss à l'interfacecox Eox - E = Qox (2-4)- Dans l9oxyde de grilleéquation de Poissonv2v = O (2-5)où :q est la charge de l'électrontn, ip la mobilité des électrons,des trousDn, Dpla constante de diffusiondes électrons, des trousn, p la concentration des électrons,des trousEle champ électriqueEox, Es la composante normale duchamp électrique dansl'oxyde, dans le siliciumVle potentieleox,la permittivité absolue del'oxyde, du silicium

FIGURE 2-4REpARTITIoi OU POTENTIEL ET DES CHARGES DANS LE TRANSISTOR MOS

- 53 -p la charge, par unité de volume,dans le silicium, Qox la densité de chargesfixes dans l'oxyde, par unité de surfaceramenée à l'interface Si-BiO2.La résolution de ces équations dansle cas de l'approximation graduelle deShockley)(c'est-à-dire lorsqueVl»32V9y2Ic2et valable en régime de non pincement ducanal) permet d'obtenir des expressionsanalytiques des courants.Lorsque l'on applique une tensionpositive entre la grille et le substrat, ilapparatt une zone de charge d'espace dans lesilicium et des porteurs libres (électrons) àl'interface Si-BiO2. On peut considérer queles porteurs sont dans un état de pseudo-équilibrethermodynamique, donc que leurs densitéssont définies par des pseudo-niveaux de Fermi.Comme il n'existe pas de composante de courantnormale à l'interface Si-BiO2, les pseudoniveauxde Fermi sont constants dans la zone decharge d'espace. La différence de potentiel(x) qui s'établit entre la couche d'inversionet le substrat neutre, se traduit par unecourbure des bandes d'énergie sur une distancexd (figure 2-4).Lors de l'emploi des transistorsMOS, les courants utilisés de manière pratiquecorrespondent à ceux de la forte inversion.

On définit la tension de seuil,c'est.L4jre la tension qu'il faut appliquersur la grille pour obtenir une conductionaisément détectable dans le canal, commel'extrapolation 1D = O, de lacaractéristique 'D (VGS) en forteinversion pour V tras faible. Celarevient définir la tension grille sourcepour laquelle la densité de charges Qc, dansla couche d'inversion est nulle en régime deforte 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 inversionRs = - K Cox vTI/2 [ - i + exp(L-2UF-UC) (2-6)K-(2q NB)'"2C ox(2-7) est le coefficientd'effet de substratNUF = log () =est le potentielde Fermi normaliséUCest l'écart de potentielnormaliséentre les pseudoniveauxde Fermini est la concentration intrinsèqueen porteurs du silicium et NB le dopage dusilicium.

- 55 -sest le potentielde surface normaliséest la tensionthermodynamiquek est la constante de Boltzmann et Tla température absolue.Cox est la capacité d'oxyde degrille 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 àl'interface est la somme de 2 termesQox = QoxF - kT Ds ( - ) (2-8)avec QoxF : densité totale de charges fixesdans l'oxyde et à l'interface,dans les conditions de bandesplates (1. = = O)Dss :densité d'états de surface parunité de surface et par e.v.,supposée constante dans la bandeinterditeL'équation (2-4) donneVG VFB = + -soxox(2-9)

- 56 -QFavec = oxVFB MS C oxla tension de bande plates et ladifférence des potentiels d'extraction métalsemiconducteur.= qDla capacité par unité de surface associéeétats de surface.acLa combinaison des équations (2-6)et (2-9) conduit l'équation donnant lepotentiel de surface en régime de forteinversion=avec+C+ V log(V- y.)2K2'TVT+ 1] (2-10)CsSVGE = VG - VFB +(2-11)1=1+ CS5C (2-12)ox

- 57 -avecVFB=MSOXFoxla tension de bandes plates et ladifférence des potentiels d'extraction métalsemiconducteur.= qLla capacité parunité de surface associée auxétats de surface.La combinaison des équations (2-6)et (2-9) conduit à l'équation donnant lepotentiel de surface en régime de forteinversion= 2tE + v log(VGEK2 "T "T2+ 1 (2-10)V -v +avec VGE = G FR Cox C(2-11)"Y'= +Css (2-12)ox

- 58 -Le potentiel de surface est peudépendant de VG [53] et l'équation (2-10)se réduitS2F (2-13)où est "l'excès" du potentiel de surface enforte inversion.L'expression (2-13) étantdépendante de VG, on peut alors écrirepeuQS Q + Qß et la relationde neutralité (2-9) s'écritssVG VFB= + )- _- e- (2-14)La charge Q dans la couched'inversion est obtenue à partir de cetterelationBQc=C ox(V G-V GI )(2-15)avecV =V +GI FBBIc55C I Cox F Cox+ n A - - + 2 (1 + ) (2 16)n' =COXFCDI+ CSSCox(2-17)

- 59 -C =[ IDI 2(2$F+ CVT)N (2-18)BI =+ CDI M'et : = - [2q NB - VT)1(2-19)/2 (2-20)La définition de la tension deseuilpar Q = 0, conduit d'après (2-15) et (2-16)â:1/ 2V = V + 2 + K (V +2 _VT)+ A1+ 2F -- (2-21)T FB F B Fsoit :VT = VTC +V] 1/2où :VTC VFB + 2F + K (VB + 2 (2-22)qui est l'expression approchée classique(et où on néglige VT devant VB + 2F)VT = M n1 + 2 ,CSs-;----ox(2-23)qui est la déviation de la tensionde seuil due â M' et â ASS.L'écart M' du potentiel de surfaceen fonction de la tension grille est obtenuepar la relation[2F ++ A - VT + ' T exp - [21/2 'ft++A- VTIi= - (VG - VGI)K(2-24)

- 60 -C - Influence sur la tension deseuil de la chargeemmagasinée sur la grille flottanteLorsque l'on emmagasine une chargesur la grille flottante par un mécanisme différentde ceux qui interviennent dans l'utilisationdu Flotox en tant que transistor ltS(par exemple mécanisme d'injection par champsélectriques élevés), on peut considérer quela charge de la grille flottante se comportecomme une charge fixe lors d'une utilisationdu Flotox en tant que transistor MOSOCette charge "fixe" de l'oxyde modifieles équations décrites précédemment par unterme supplémentaire qui intervient dans l'expressionde la tension de bandes plates.En effet cette expression devientVFB =(QOXF + QGFC (2-25)Cox CoxOù QGFC est la densité de charges situéesdans la grille flottante au dessus dela zone canal.

- 61 -L'expression générale de la tensionde seuil du transistor Flotox peut alorss'écrire, si l'on conserve les notationsclassiques du transistor MOST FB Cox 2F + K (VB + 2F - VT) + (QFG)n1 + 2 2!!V =V _QGFC+F CoxLorsque VG = VT, cela signifieque Qc = O et donc VG - VGl = Od'après (2-15)A partir de 2-24, on en déduit quet. ne dépend pas de VFB ; l'expressionde la tension de seuil se réduit alors àQGFC+V =VnT FB Cox 2F + K (VB 2FVT) + 1F I F Cox1/2+2'

- 62 -Il est toutefois important deremarquer que cette expression de tension deseuil correspond à la tension qu'il faudraitappliquer sur la grille flottante pour avoirun début de conduction dans le canal. Or, lagrille flottante n'étant pas accessible directementà la mesure, cette expression de latension de seuil ne correspond pas comme nousle verrons à une réalité expérimentale.Cependant elle met bien en évidencela relation linéaire quiexiste entre la chargeemmagasinée et le début de conduction. Onpeut ainsi, suivant la charge stockée avoir untransistor "bloqué" lorsque l'on applique à lagrille de contr6le des valeurs detensionutilisées classiquement en circuit intégré, ouau contraire un transistor "passant".Un tel système permet donc le codagebinaire d'une information.11.1.2.2 Mécanisme de charge et de décharge de la grillef lo t t anteNous venons de voir que les dispositifsà grilles flottantes sont des composants à seuilajustable. La particularité du Flotox est que cetajustement se fait électriquement par une conductionde porteurs à travers une couche mince d'oxydesituée au dessus d'une diffusion.

- 63 -- Si cette couche est suffisamment mince,et s'il existe ungrille flottante et la zonechamp suffisant entre ladiffusée, des électronsou des trous peuvent transiter, suivant lesens du champ et le type de porteurs, dediffusée vers la grilleflottante ou de la grilleflottante vers la zonede porteurs peut êtredirect si l'isolant a une50 A ou par conductionélectriques de typeisolants tel le dioxyde deépaisseurs supérieures à 50la zonediffusée. Ce transitréalisé par effet tunnelépaisseur inférieure àtunnel assitée par champsFowler Nordheim pour dessilicium et pour desSi on utilise un isolantde silicium, l'émissiontel le nitrurede porteurs est essentiellementdu type Frenkel-PoOl, c'est-àdirequ'elle est due à l'excitationthermique augmentéepar effet de champsdes électrons piégésdans la bande de conduction. [5411 115511.un isolantIl est toutefoisintéressant d'utiliserprésentant un type de conduction quidépend faiblement de latempérature, afin d'éviterdes changementsde comportement du dispositiflors d'éventuellesvariations de température.Cet avantage estde silicium, qui de plus estprésenté par le dioxydetrès facilementréalisable d'un point de vue technologique.C'est pourquoi on utiliserale dioxyde de siliciumcomme isolant minceFlotox. (Dans ce qui suit nousparlerons désormaisde l'oxyde mince).dans les structures

- 64 -- Le champ électrique nécessaire à laconduction est réalisé grê.ce à l'application d'unetension externe ; cependant durant le stockage descharges sur la grille flottante,cette accumulationde charges créera un champ interne qui viendras'opposer au champ externe appliqué ; on peutdonc d'ores et déjàpenser que pour un champ électriqueexterne donné, le stockage de charges surla grille flottante s'auto limitera.- Si les diffusions et le volume dusemiconducteur sont à un même potentiel de référence0V et si l'on applique une tension positiveà la grille de contrôle,on augmente par couplagele potentiel de la grille flottante, Si ce dernierest suffisant, le champ dans l'oxyde minceorientéde la grille flottante vers la zone diffusée permettrapar effet tunnel Fowler Nordheim le passagedes électrons de la zone diffusée vers la grilleflottante et par conséquent,l'accumulationd'électrons dans la grille flottante dans lamesure où le transport d'électrons dans l'isolantentre la grille flottante et la grille de contrôleest inexistantou tras faible. Cette dernièrecondition peut être atteinte en utilisant l'une ouplusieurs des propriétés suivantes de l'isolantinter grillesutilisation d'un isolant inter grilles dont lapermittivité diélectrique est grande devant lapermittivié diélectrique de l'oxyde mince.utilisation d'un isolant inter grilles dont lahauteur de barrière est plus élevée que celle del'oxyde mince.

- 65 -réalisation d'un isolant inter grilles dontl'épaisseur est grande en regard de l'épaisseurde lt oxyde mince de façon à minimiser le champdans l'isolant inter grilles.Il faut de plus, afin de minimiser lescourants de fuite dans i' isolant inter grilles quel'épaisseur de la grille flottante soit suffisammentgrande pour que les électrons émis soientrevenus au niveau de Fermi de la grille flottanteavant d'atteindre l'isolant inter grilles.Pour décharger la grille flottante,voire même y stocker des charges positives,nécessaire d'appliquer un champ aux bornes del'oxyde mince de sens opposé au précédent. Pourcela on connecte la grille de contrôle à 0v, lazone diffusée sous oxydeil estmince est polarisée à unetension positive, l'autre zone diffusée peut êtresuivant les iides d'utilisation à 0V, en "l'air",ou au même potentiel que la zone diffusée situéesous oxyde mince ; quel que soit le node depolarisation de cette zone diffusée, on ne changepas le principe deLe volume, lui, est laissé à 0v.fonctionnement du dispositif.Dans ce cas le champ dans l'oxyde minceest orienté de la zone diffusée vers la grilleflottante, ce qui provoque le départ des électronsde la grille flottante et éventuellement l'apportde trous dans cette dernière. Dans ce dernier casla charge stockée sur la grille flottante estpositive.

- 66 -11.1.3 Technologie utilisée pour réaliser le dispositif FlotoxLes dispositifs d'étude Flotox ont été réalisésen technologie canal N.Le matériau de départ (substrat)utilisé est dusilicium de type P d'orientation cristallographique et de résistivité 14-22 cm (c'est-à-dire correspondant àun dopage de 8 10 à I 10 cm3).positive.La résine de masquage utiliséeest une résinesuivantesLes différentes étapes de réalisation sont les- nettoyage initial du matériau de départo- croissance oxyde thermique 700 Ao- dép6t nitrure 1000 A+ 1er masque :définition zone active- implantation de champ bore- gravure nitrure- oxydation Locos+ 2ème masque :ajustement tension de seuil destransistors Flotox- implantation bore- élimination oxyde/nitrure/oxyde

- 67 -- croissance de l'oxyde de grille (850+ 3ème masque:définition de la zone préimplantée avantle dépôt de silicium polycristallin- implantation N++ 4ème masque ouverture zone mince sur diffusion- croissance oxyde mince (80 à 200- dépôt de la première couche de siliciumpolycristallin (silicium polycristallin+ 5ème masque gravure silicium polycristallin 1implantation (source-drain)- oxydation silicium polycristallin io(de 500 à 1000 A)- dépôt de la deuxième couche de siliciumpolycristallin (silicium polycristallin+ 6ème masque : gravure silicium polycristallin 2- oxyde thermique + oxyde épais+ 7ème masque ouverture contact- dépôt aluminium+ 8ème masque : gravure aluminium- dépôt verre de passivation

OUVEU * PCXIrLANTATIONP.Y I¡iIL_HLJJjPY 2jzone 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 finalesLe schéma, comportant les 5 niveaux de masque lesplus significatifs de la réalisation du dispositif Flotoxest donné en vue de dessus à la figure 2-5.Les étapes technologiquessont décrites à l'aide des2-6énoncées précédemmentschémas constituant la figure

- 70 -FIGURE 2-6 :Etapes technologiques de fabrication du dispositif FlotoxOxydation 7009102SUBSTRAT SI (P)oNitrure 1000 ASUBSTRAT SI (P)Dépôt résineRES I NE9X3 N49X02SUBSTRAT SI (P)1er masque- Insolation avec le1er masque4RESINE91g N49102SUBSTRAT St (P)

- Attaque du nitrure- Implantation ioniqued'isolement Bore2.1013 at/cm235 keVElimination résine- Nettoyage implantationionique- Recuit d'isolement bore(diffusion des ions positifszone p+) - 71 -LLsRESINESI 3N 4SUBSTRAT SI(;) ( (1:,RESINES13N4SUBSTRAT SIS13N4SUBSTRAT SI(P)(P)(P)SIQ2FIGURE 2-6

- 72 -- Oxydation Locos- Dépôt nitrure2e masque : définitiondes zones à ajuster- Insolation- Implantation ionique bore5.1012 at/cm2; 70 keV- Elimination résine- Attaque nitrure- Attaque oxydeFIGURE 2-6

- 73 -- Oxydation grilleS132- Dépôt résine2' P3ème masque- implantation ionique phosphore4.1015 at/cm2 loo keV- dépôt résine4ème masqueouverture zone mince Flotox+ insolation+ attaque Si02 grille+ élimination résine+ nettoyage- Oxydation fine Flotox-Dépôt du silicium polycristallin- Dépôt résineFIGURE 2-6

5ème masque- 74 -- Gravure silicium polycristallin+ insolation e e+ gravure du Si poly+ élimination résine1.. J. J' J'+ nettoyage- Implantation ionique N++ drainssources : phosphore- Nettoyage- Oxydation entre poly i etpoly 2- Dépôt résine6ème masque : gravure du silIciumpolycristallin 2$1 POLY 2- Gravure du poly- Elimination résine- Nettoyage- Oxydation thermique- Dépôt de l'oxyde épais- Dépôt résine7ème masque- Insolation- Attaque des contacts- Elimination résine- Implantation ionique phosphore5.1014 at/cm2 ; 35 keV- Recuit 9000 d'implantation- Dépôt de l'aluminium- Dépôt résineCYUN.AI$8ème masque- Insolation- Attaque aluminium- Recuit aluminium- Elimination résine- Dépôt verre de passivation- Gravure oxyde de passivationAUJNINflaI9ème masque- Ouverture des plots thermocompression- Opérations finales

11.2 CABACTERISTIQUES ELECTRIQUESET MODELISATION11.2.1 CaractéristiqueS électriquesEn faisant référence â la figure 2-1 on constatequ'il existe deux possibilités d'utilisation du Flotoxlorsque l'on veut mesurer le courant drain-sourceSoit la zone diffusée située sousamincie est connectée à la masse ;la source est située du côté zone mince.la zone d'isolantet on dira alors queSoit cette diffusion est connectée â un potentiel positiftandis que l'autre diffusion est mise à la masse ;dira alors que le drain estonsitué du côté zone mince.11.2.1.1 Présentation des dispositifsutilisés pour lesmesuressont de deux typesLes dispositifs utilisés pour la mesureUn dispositif Flotox tel qu'il aété décrit dansle paragraphe 11.1, et auquel est adjoint untransistor série. Ce dernier transistor permetde se placer dans une configuration telle quecelle qui est couramment utilisée dans unemémoire EEPROM.Un dispositif Flotox identique au précédent maisdont la grille flottante est connectée à unplot extérieur. A ce dispositif est aussiadjoint un transistor série.

- 76 -Nocif NItypa ¿s dispositifgraa4s na,.rc.FONCTZOI4 ITFE 0E D [SPOSIrIF CARACtERISTIQUESTsdaoire : Z/L S/St accès Z/V_ S/ST.énaireZIL 6/ST accès ¿IL 6/SLa grilLe 62 astCo_Un, avac lepoint .4.o&reprEcedentF1'GURE 2-7 : Motif Comportant 3 types de transistors FlotoxIt--ICTZF AZU.i p.crTmT& TzstIOU TWNL$TOUI(I-prlL.pLaur*tiondraitFIGURE 2-8 :Figure détaillée du motif précédent

un même motif sontEn fait ces dispositifs,transistor série commune. Leregroupés survoisins et ont la grille dumotif comporte enoutre un ensemble transistor Flotox-transiStorsérie dont les règles deque celles des autres dispositifs.dessin sont plus serréesCe motif est représenté à la figure 2-7.Une figure détaillée où le silicium polycristallin2 n'a pas été représenté est donnée à la figure2-8.La photographie de ce motif et celle dudispositif Flotox avec son lIDSsérie sont donnéesà la figure 2-9.Ce même type de motif à été réalisé avecune surface d'ouvertureet pour deux valeurs depolycristallin 2 et 1.mince plus faible (3x3 I.Lm)surface en regard siliciumCes différents motifs ont été réalisésavec la technologie décrite précédemment etimplantés sur le masque "BED".11.2.1.2 Résultats qualitatifsNous avons réalisé les mesuresclassiques des courants drain-source en fonctionde la tension drain lorsque la grille de contrôleest polarisée à une valeurdeux configurations possiblesdispositif Flotox.constante, dans lesd'utilisation du

FIGURE 2-10FIGURE 2-11

- 80 -Lors de ces mesures, il estnécessaired'appliquer sur la grille dutransistor série unetension suffisamment élevée pourne pas limiterpar la tension de seuil la tension appliquéeréellement à la diffusion sous oxyde mince (cemécanisme sera étudié ultérieurement).Suivant le type de configurationutilisée, les caractéristiques ontdes aspectstrès différentsLorsque la source est situéecôté "zone mince"la caractéristique est tout à fait semblable demanière qualitative à la caractéristique d'untransistor ??VS classique (figure 2-10).Par contre lorsque le drain est'°zone mince" la caractéristiquesitué du côtéprésente undomaine de fonctionnementparticulier (figure2-11).Dans la zone ohmique lacaractéristique estsemblable à celle d'un transistor ìDSclassique.Dans la zone qui correspondà la zone desaturation d'un transistor ÌOSclassique, lacaractéristique est courbe et s'apparente à unecaractéristique : courant drain-source enfonction de la tension grille deune tension drainclassique.contrôle pourconstante d'un transistor ÌDS

11.2.2 Détermination expérimentale de la relation qui existe entrela tension de la grille flottante et les tensions extérieuresappliquées11.2.2.1 Principe de l'expérienceLe principe de base de l'expérienceréalisée repose sur le fait que lorsque deux TMOSsont absolument identiques, ils donnent desvaleursde courants identiques pour une mêmevaleur de tension grille.En supposant alors que les disparitésd'ordre technologique entre deux dispositifsvoisins sont suffisamment faibles pour êtrenégligés (pour le motif décrit précédemment ladistance entre les deux canaux de deux dispositifsvoisin est de 75 um).On pourra utiliser deux dispositifs pourfaire une nsure différentielle.Ainsi l'utilisation du dispositif Flotoxgrille flottante sortie permettra, en utilisantsa grille flottante comme grille de commande dedéterminer par comparaison des caractéristiquescourant - tension avec celles du dispositif Flotoxvoisin, la tension "vue" sur la grille flottanted'un dispositif Flotox lorsque diverses tensionsextérieures sont appliquées.La tension "vue" sur la grille flottantecorrespond à la tension qu'il faudrait appliquerréellement à la grille flottante pour obtenir lesmêmes caractéristiques qu'avec la grille flottantesortie.

11.2.2.2 Démarche expérimentalePour réaliser cetteutilise le motif du masqueen plaçant lesdrain c6té zone mince.sont reliésréférence pour lesexpérience onBED (grande ouverture)Flotox dans la configurationLa source et le substratla masse (0V qui servira detension). Le relevé descaractéristiqUeS est effectué à l'aide d'untraceur de courbesTektronic 576.Un premier relevé des caractéristiquescourant drain en fonction de la tension drain esteffectué sur le dispositif à grille flottantesortie ;cette grille joue alors le même rôlequ'une grille de commande pour un transistor MOSclassique.Le tracé est effectué pour différentesvaleurs de la tension de lagrille flottante.On effectue ensuite sur le dispositifvoisin du précédent (transistorle relevé de la caractéristiquefonction de la tension drain pourvaleurs de la tension de ladu type Flotox),courant drain endifférentesgrille de commande.En se rapportant alors à la premièrecaractéristique cette valeur dutension drain correspondante,trouver la tensionpour obtenir ce courant.courant et lapermettent degrille flottante nécessaire

- 83 -flottante peut êtreCette valeur de la tension grillesoit lue directement, si lel'une des caractéristiques.point est situé sursoit évaluée par interpolation linéaire si lepoint est situé entre deux caractéristiques.Cette méthode permet de tracer lacaractéristique de la tension grille flottantefonction de la tension drain.enOn utilise la même démarche afin detracer la caractéristique de la tension de lagrille flottante en fonction de la tension de lagrille de commande, en se plaçant à tension drainconstante sur la caractéristique 1D de VD dutransistor Flotox, puis en procédant commeprécédemment afin de trouver la valeur de latension grille flottante pour une valeur de latension grille donnée.Résultats expérimentauxUn exemple des résultats obtenus à partirde la démarche expérimentale précédente estdonné à la figure 2-12. Cette figure représenteles variations de la tension de la grille flottanteen fonction de la tension drain pour une tensiongrille de commande donnée, et les variationsde la tension de la grille flottante en fonctionde la tension de la grille de commande pour unetension drain donnée.

__ li - ROI(LI - ..4t ISVOS-1. 3VYiI'___ I¡I MOTIF ISVOS -LI VSFIGURE 2-12 :Variations de la tensìon de la grille flottante en fonctìondes tensions drain et grflle de commande

- 85 -A partir de ces résultats expérimentaux,on constate qu'il existe une relation linéaireentre la tension de la grille flottante et latension drain. Il en est de même entre la tensionde la grille flottante et la tension de la grillede commande.Dans le cas où les mesures se fonttension grille de commande constante, la relationentre la tension de la grille flottantetension drain peut s'écrireet laVFG BVD + B' (2-27)où VFG est la tension de la grilleflottante, VD est la tension drain (ces tensionsétant référencées par rapport la source), B etB' sont des constantes et l'on peut écrireB' = AVG + K' (2-28)où VG représente la tension de la grille decommande pour laquelle sont effectuées lesmesures.(VG est référencée par rapport au potentielsource). A et K' sont des constantes.Dans le cas où la mesure est effectuée àtension drain constante,on peut écrireVFG AVG + A' (2-29)où A' peutencore s'écrireA' BVD + K'' (2-30)

- 86 -A, A', B, K" sont des constantes.Expérimentalement on trouveK' K" = K (2-31)L'ensemble de ces relationspermetd'affirmer que la tension de la grille flottantesera reliée la tension grille et â la tensiondrain par la relationVFG=AVG+BVD+K (2-32)où A, B, et K sont desconstantes.On peut noter dès à présent que lavaleur expérimentale de K est différente de zérobien que les mesures aientété effectuées sur desdispositifs vierges.

- 87 -11.2.3 Expression théorique des valeurs de couplage entre latension grille flottante et les tensions extérieuresappliquéesHypothèse de baseOn suppose que tous les couplages sont effectuéspar l'intermédiaire de capacités planes : les armaturesétant formées par les éléments conducteurs de la structureet les diélectriques par les divers oxydes.11.2.3.1 Expression des relations entre les différentestensionsOn définit les capacités suivantes(relativement à la figure 2-13)- la capacité C2 est formée par l'oxyde situéentre les deux couches de siliciumpolycristaflin (oxyde "interpoly") et sesarmatures sont constituées par le siliciumpolycristallin 1 et le silicium polycristaflin2.On définit la surface S2 comme étantcelle du silicium polycrjstafljn 1 moins lasurface de l'ouverture pratiquée dans celui-cipour permettre l'implantation de lazone drain.- la capacité Cl est formée par l'oxyde mince etses armatures sont le silicium polycristallin 1situé au dessus de la "zone mince" et la zoneimplantée correspondante.On définit la surface Sicelle de la "zone mince".comme étant

COUPE AU MILIEU OU CANAL DANS LE SENS OES "L"GRILLE POLY. ZGRILLE NOSO ACCESCZDRAINC3IC1LSOURCSUDSTRATcotRE Mi MILIUi- CANALLOCOS/.zSU9STRATFIGURE 2-13 : Représentation des différentes capacitésTa grille flóttantereliées à.

- 89 -- la capacité C3 est formée par l'oxyde sous lesilicium polycristalljn i et ses armatures sontle silicium polycristallin i et lacôté zone mince.zone diffuséeOn définit la surface S3 comme étantcelle du silicium polycristallin i situé audessus de la zone diffusée côté zone mince moinsles surfaces de la zone mince et de l'ouverturepour implantation.la capacité C4 est formée par l'oxyde sous lesilicium pølycristallin i et sur la zone canal;ses armatures sont le silicium polycristallin iet la zone canal. Le potentiel de surfacen'étant pas uniforme dans le canal, C4 est enfait une capacité équivalente des capacitésréparties Ci4.On définit la surface S4 comme étantcelle de la zone canal.- la capacité C5 est formée par l'oxyde de champentre le silicium polycristallin i et lesubstrat ; ses armatures sont le siliciumpolycrjstallin i et le substrat.On définit la surface S5 comme étantcelle du silicium polycristallin i moins lessurfaces des zone drain et zone canal (surfacede silicium polycristallin débordantde champ).sur l'oxydePour chaque surface Si, S2, S3, S4, S5on définit une densité surfacique de charge al,a2, , a5, positive par convention.

- 90 -En formulant l'hypothèse que lesarmatures se comportent comme des métaux parfaits,c'est-à-dire qu'àl'équilibre- la charge globale en volume est nulle- le potentiel est uniformedans toutei 'armature.On peut écrire lesrelations entre lesdifférences de potentielet les charges desarmaturesPour cela on supposera, sansperte degénéralité, que VG> VD> O (dans les autrescas de figures, les variations de signe desdifférences de potentiel et des charges sonttelles que le résultat demeurera identique).On écrira doncVG - VGF- VD =Vpc -VFG - VB -a2 SC21 S1ClcY3S3csS5C5(2-33)(2-34)(2-35)(2-36)S. iL,(2-37)C.i',

- 91 -On considère dans la relation 2-37 quela capacité sur la zone canal est une capacitérépartie équivalente à l'association de capacitésen parallèle de coefficient ci, de surface Si etdont le potentiel appliqué à leurs armatures estVGF - Vi où Vi est le potentiel de surfacedéfini en un point du canal (Vi = f (VD)).La comparaison des valeurs de Ci, C3et EC14 C4 montre que même si l'on Considère quele potentiel, desurface dans tout le Canal est aumême potentiel que le drain, la contribution de C4au couplage n'est que de 20 Z visC3.vis de C1 etNous ferons alors l'approximationsuivante : entre source et drain, les deuxpremiers tiers du canal sont au potentiel de lasource, le dernier tiers au potentiel du drain,ainsi 2-37 devientVFG - VD04 S4 (1/3)C4 (1/3)(2-38)c4 s4 (1/3)sC4 (1/3)(2-3 9)D'autre part, bien que légèrementimplanté en Bore, on supposera que l'oxyde dechamp se comporte comme l'oxyde sous siliciumpolycristallin 1. (même constante diélectrique).La charge nulle ou non sur la grilleflottante est exprimée par

- 92 -soit- VD) +C3 (VFG - VD) + C4 (1/3PFG - VD)+ C42/3) (Vrc - Vs) + C5 (V - VB) -C2 (VG - VFG) = Qau potentiel leLe substrat enpotentiel de référencetechnologie canal N étantplus bas, nous l'utiliserons comme(2-4 1)VFG (C1 + C3 + C4(1/3) + C4(2/3) + C5 + C2)= C2 VG + (C1 + C3 + C4(1/3)) VD + Qen posantC1 + C2 + C3 + C4(1/3) + C4(2/3) + C5 = EC (2-42)on obtientVFGC2VG + (C1 + C3 + C4(l/3)VD + C4(2/3)V5 + Q (2-43)ECen posantAC2EC(2-44)etC + C3 + C4(1/3)B- 1 (2-45)ECC4(2/3)B'-ECl'expression de VFG devientVFG = AVG + BVD + B'v5 + (2-46)

VG - 4 VVC-I VVG - 2 VVG - 2 VVG - i VVG - i Vu fl1cU2U DPfZLp5(a)FIGURE 2-14Tension de la grille flottante en fonction de la tension drain (a) et de la tensionde la grille de commande (b)

- 94 -Où Q est la charge sur la grilleflottante, et les potentiels sont référencés parrapport au substrat. Dens ce qui suit, dans lamajorité des cas nous aurons V O, c'estpourquoi on ne prendra pas en compte lecoefficient B'.11.2.3.2 Vérification expérimentaleLes coefficients A et B de la relation2-46 sont déterminés en calculant les capacitésdéfinies plus haut. Les surfaces sont mesurées àl'aide d'un microscope optique et d'un vidéomtresur le transistor même où sont réalisées lesmesures ;les épaisseurs sont déterminées parmesure capacitive sur des capacités témoins de latranche utilisée pour les expériences.En supposant que sur un dispositifvierge il n'existe pas de charge sur la grilleflottante, à l'aide des valeurs de A et Bcalculées et de la relation 2-46, on peut tracerla caractéristique tension grille flottante en:fonction de la tension de la grille de commandepour une tension drain fixée De même, on peuttracer la caractéristique tension grilleflottante en fonction de la tension drain pour unetension grille de commande donnée.Le tracé de ces caractéristiquesthéoriques et des caractéristiques expérimentalescorrespondantes (tracé effectué suivant la méthodeexpérimentale décrite précédemment) est représentéà la figure 2-14.

L'accord entre théorie et expérience esttrès bon en ce qui concerne les pentes ; l'erreurmaximale entre théorie et expérience estinférieure I 10 Z.Toutefois, en ce qui concerne la valeurde la constante on note une forte divergence entrethéorie et expérience. Celle-ci semble remettre encause l'hypothèse effectuée pour le tracéthéorique consistant I dire qu'il n'existe pas decharge 'sur" la grille flottante pour undispositif vierge.11.2.3.3 Origine de la constante expérimentaleAvant d'affirmer que la constante, quiapparatt lors de l'expérience, correspond unecharge "vue" sur la grille flottante, il estnécessaire de Intrer que cette constante n'estpas dûe à la mesure ou n'apparatt pas pendant lamesure.Lors d'une série de mesures descouplages et de la constante d'un dispositifFlotox que nous avons placé sous diverséclairements, nous avons constaté que la valeur dela constante était invariable quels que soient ceséclairements.On en conclut que la présence de cetteconstante n'est pas liée à un phénomène photoélectrique lors de la mesure.

- 96 -Nous avons aussi supposé que ledispositif aurait pu se charger et se stabilisertrès rapidement lorsque au moment de la mesure, onapplique une tension sur le drain, ou sur lagrille de commande.Cette hypothèse a été infirmée parl'expérience suivante : sur un dispositif Flotoxvierge on effectue une mesure de tension de seuil,on polarise ensuite graduellement le dispositifjusqu'à atteindre les tensions utilisées dans laméthode expérimentale de détermination descoefficients de couplages. Après chaquepolarisation on effectue une mesure de la tensionde seuil, celleci reste invariante durant toutel'expérience. On en conclut que les polarisationsutilisées ne peuvent pas modifier la tension deseuil du dispositif et par conséquent, la chargesituée au dessus de la zone canal n'est pasmodifiée.La dernière hypothèse, liée à la mesure,pour expliquer l'origine de cette "constante"serait exprimée par une erreur systématique demesure dûe à l'appareillage utilisé. Celaimpliquerait que les tensions ou les courantslus soient décalés par rapport aux valeursréelles. Cette hypothèse a été infirmée parl'utilisation d'un autre type d'appareillage(voltmètre digital Schlumberger Solartron 7075,Picoampèremètre Hewlett -Packard 4140B)parfaitement étalonné qui a mis en évidence unedifférence de i % par rapport aux mesuresprécédemment effectuées avec le traceur de courbeTektronix 576 ; cette différence est beaucoup tropfaible pour expliquer la présence de cetteconstante.

- 97 -On conclut de ce qui précède, que cette"constante" expérimentale correspond à une charge"vue" sur la grille flottante, existant déjà surun dispositif vierge. On peut donc supposer quecette charge provient des étapes technologiques.Dans ce qui suit nous appellerons cettecharge : "charge initiale". Elle correspond à lacharge "vue" sur la grille flottante, c'est-à-direque quelle que soit sa localisation, ses effetssont ramenés à la présence d'une charge sur lagrille flottante.11.2.3.4 Résultats théoriques et expérimentaux lorsque lasource est située du c6té zone minceDans le cas où la source du Flotox estsituéedu c6té zone mince, l'expression 2-40conduit àC1(VFG - V) + C3(VFG + C4(2/3)(VFG -+ C4(1/3)(V- VD) + C5(VFG - C2(VG - VFG) = QVB = VS = O d'où(2-47)VFGC2VG+C4(I/3)VDECQEC(2-48)VFG = AVG + B'VD+---Zc(2-49)

- 98 -LiV4.75 azro.n VZ eIsIVIL - D!wei ir Y4.-vosla YL-t. -t. -$.1 4 Jvos -' yFIGURE 2-15Relations entre la tension de la grille flottante et lestensions drain et grille de contrôle pour diverses injectionsde charges sur la grille flottante

Cette expression est semblable àl'expression 2-46, seul le coefficient B' a unevaleur différente et correspond dans ce derniercas au couplage entre la grille flottante et lapartie du canal dont le potentiel est au potentieldu drain.Le rapport théorique A/B' peut varierentre loo et 500 (suivant les paramètresgéométriques utilisés). Le couplage de la grilleflottante avec le drain peut donc être négligé visà vis du couplage avec la grille de commande.Cela est confirmé expérimentalement parle tracé de la tension grille flottante enfonction de la tension drain pour une tensiongrille donnée ; on obtient pratiquement dans cecas, une droitehorizontale.11.2.4 Extension du système de mesure du couplage- La méthode décrite précédemment a pu êtreutilisée pour déterminer la charge "vue sur la grilleflottante après avoir mis en jeu le mécanisme d'injection decharges à travers la zone mince. Une tension de 20V estappliquée sur la grille de contrôle tandis que le drain etla source sont maintenus à 0V ; la variation de la duréed'impulsion a permis de faire varier la charge.Le résultat expérimental (figure 2-15) permet deconstater que les pentes (correspondant au couplage) sontidentiques quelle que soit la durée de l'impulsion, niais queles courbes sont décalées les unes par rapport aux autrescette translation correspond à la variation de chargegrille flottante.sur la

looDEBUTInitialisation des tableaux et paramètres'L,Programation par les paramètres généraux des différents appareils de mesureL.ommande de mesure de tension de seuil du dispositifnonTensions min et max & appliquer sur la G.0Valeur min +LSous programe Ecriture - JMesure sur dispositif & grille flottante sortie ?ouiTension max de la grille flottante +i -«W- ------jous program. Inesu&tTension drainnaxJComande mesure tension de seulif2 x partie entière de VGW + 4 -* W max----'ri Sous programe MesureU+1-,.0mesure courant IDID + tableau (W,D)W = W max ?U = valeur maxouietour prog. d'appel- __JValeur min -[Sous prog. Evaluation (valeur tension G.0 en fonction denonoD+1-"DD = 11 ?ous prog. Régression (détermination des valeurs des1-" U= valeur max ?'-31ouir- ------------ - -' ------------------iSous prog, Histograniiie (évaluation de la dispersion des résultats) - - -ouiIJ- --------4jImpression des résultatsnonoui'vooui- -------L -Sous programme Histogramme - Jr- - Sous programe "valeur de la constante et histogramme" - - -Impression des résultatsINThFIGURE 2-16

- 101 -- Il faut toutefois noter que cette méthodedestinée à déterminer les valeurs de couplage et la chargesur la grille flottante est tràs longue, en particulierence qui concerne l'exploitation des résultats. Il est eneffet nécessaire de comparer point par point une caractéristiquedu Flotox avec le réseau de caractéristiquesdutransistor Flotox à grille flottante sortie.Pour cette raison de gain de temps,au point une méthode automatique de mesure.nous avons misCelle-ci s'appuie sur l'utilisation d'appareils demesure programmables commandés par un calculateur HP.9825 etd'un programme de mesure implanté sur ce calculateur et dontl'organigramme est donné à la figure 2-16.La mesure effectuée et son exploitation estsystématique, c'est-à--dire que des réseaux decaractéristiques complets sont mesurés ; ils sont utiliséscourbe par courbe pour déterminer les valeurs ponctuellesqui par régression linéaire permettent de déterminer lesdroites du couplage.Les résultats de toutes les régressions linéairessont comparés et permettent d'obtenir les valeurs moyenneset les écarts type des valeurs de couplage et de la chargeinitiale.On donne à titre d'exemple un extrait du listingdonnant les résultats concernant le couplage de la grilleflottante avec la grille de commande

- 102 -A -----EFUI LIUE CU LI Çt3E__Q.EQ0._ _jûL_e_ ..e.e__c_._e_e_.-_e_.ee_..,_'_2____..'_ ___-- _._e_.____.'_Q.--..&1..G-.oeo---e -41==000t 00oo 0001HTRTflflRAMMFCLJWLÖOE:VL.UR MUT WJ*WFr.(RT TYPF -------L4 -33..3_ENTRE._T..=Q------Í !I -II ò11..1X ENTRE 0.920 ETÇONOMBRE L'E VA' EURS

- 103 -- un voltmètre digital "Schlumberger Solartron7075"- 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 devérifier l'invariance de cette dernière durant la mesure.Ce système de mesure est rapide et permet de tenircompte de la dispersion des résultats expérimentaux.Cette méthode donne une bonne précision; l'erreurrelative dûe à la méthode et à la mesure est inférieure à5 Z. Nous avons employé la démarche suivante pour chiffrercette erreur- les valeurs des coefficients de couplage et de la chargeétant issues de la comparaison de la caractéristiquecourant drain-tension drain du dispositif Flotoxet de lacaractéristique courant drain-tension drain du dispositifgrille flottante sortie, nous avons utilisé ces valeurspour déterminer la caractéristique du dispositif Flotox àpartir de la caractéristique courant drain-tension draindu dispositif à grille flottante sortie ; on réalise ainsiun bouclage en revenant au point de départ de la démarcheexpérimentale. Cette double utilisation de la méthodeexpérimentale pour revenirau résultat réel d'origine nouspermet de chiffrer deux fois l'erreur dûe à la méthode.Les deux caractéristiques : celle obtenue par ceprocédé, et la caractéristique expérimentale réelle sontprésentées I la figure 2-17.L'erreur maximale entre ces deux courbes pour lesvaleurs des tensions correspondantes à celles utilisées pourla mesure est inférieure à 10 %.

- 104 -On en déduit que pour les valeurs detensionscommunément utilisées dans cette méthode l'erreur estinférieure 5 Z.D'autre part, par cette méthode, la comparaisondes valeurs de couplage théorique et expérimentaleprésenteseulement une différence moyenne de 5 Z.- Un autre type de mesure (dénommé "mesure par lesmobilités") du couplage de la grille flottante avec lagrille de contr6le peut-être réalisé par une mesure descourants drain en fonction des tensions grilles pour unemême et faible valeur de la tension drain.En zone ohmlque la transconductance est1D)VGVD = Cte=iC L VDoxElle correspond à la pente de la caractéristiquede VG et permet de déterminer la mobilité dudispositif.Cette mobilité ne correspond à une réalitéphysique que lorsque la mesure est effectuée à partir de lagrille flottante sortie.Le rapport des pentes dans le cas des deux tracésFlotox (pente : P) et grille flottante sortie (pente : PGF)peut s'écrirePGFAIADVGFAVGFAVG

- 105 -Or d'après (2-46)VGF = AVG + BYD +et doncLVGF = A i VG (puisque VD et Q sont constants)Pd'où -A (2-50)GFLa mesure des pentes permet donc de déterminer lecoefficient de couplage entre grille de commande et grilleflottante.Cette méthode, bien que rapide, présentel'inconvénient de ne mesurer que le couplage grille decommande - grille flottante et de ne reposer que sur uneseule mesure. Avec cette méthode la précisionentrerésultats expérimentaux et théoriques peut varier entre 1 et15 Z.Une mesure directe du couplagesur le dispositifgrille flottante sortie n'est pas possible, en effet le plotde sortie de la grille flottante a une surface de 10 000ptm2,et l'oxyde qui sépare ce plot du substrat a une épaisseur de9000 ¡ ; on introduit ainsi une capacité double de lacapacité totale du dispositif intrinsèque. D'autre part, lesappareils de mesure présentent soit des capacités d'entréetrop importantes vis à vis de la capacité totale dudispositif Flotox, soit des résistances d'entrée tropfaibles pour avoir des constantes de temps suffisantes poureffectuer la mesure.On en déduit qu'actuellementindirecte est possible.seule une mesure

11.2.5 Expression de la tension de seuil et du courant drain-sourcedu FlotoxNous avons déjà donné une expression de la tensionde seuil du Flotox (formule 2-26) au paragraphe11.1.2.1 - C;nous avions toutefois noté que cette expressioncorrespondait à la tension qu'il faudrait réellementappliquer à la grille flottante pour que le dispositifFlotox conduiseLa grille flottante n'étant pas accessible nouspouvons seulement, lors d'une mesure de tension de seuil,appliquer une tension sur la grille de commande du FlotoxLa tension de seuil du dispositif vue de la grillede commande correspond à celle vue de la grille flottante aucouplage près, nous aurons doncVT =(VTGF)(2-51)où VT est la tension de seuil du dispositif vue de lagrille de commandeVTGF est la tension de seuil du dispositif vuede lagrille flottanteA est le couplage entre grille de commande et grilleflottanted'après 2-26 VTGF peut s'écrireVTGF - VTOGF +GPCC ox

- 107 -où VTOGF représente la tension de seuil vue de lagrille flottante du NOS dont la grille de commande seraitconfondue avec la grille flottante.on en déduitECVT=- GFC(VTOGF+ c )oxi QGFCVT VTO + A Cox(2-52)VTO représente la tension de seuil que l'on peutmesurer sur un dispositif Flotox sans charge sur la grilleflottante.En supposant que la densité de charges au dessus ducanal est proportionellement liée par les rapportscapacitifs à la charge totale sur la grille flottante, nousauronsGFC =ox -;j::et donc :VT = VT+ GFC2(2-53)VT=[VFB+2F+K(VB+2F_vT)1/2+ 2CsSox(2-54)

- 108 -LSO_¿OS SA Ut-OSZM.E LOTOSWJZTI PMuTIUSAY¿ai ai ROlOS A SO!Uf .OTTMIT( TICVS- 5.0VVS- 4.0VVt- 4.0VVt- 3.0VVS- 1.0VVS- 3.5VVt- 3.0VVO SA VFIGURE 2-17 :Comparaison des courbes expérimentales Flotox avec cellesobtenues par utilisation du Flotox à grille flottante sortieas-os-O*rOSITIF VI 0IrZTtF IT 1-17VVIo SA VFigure 2-18 :Variation de la tension de seuil du Flotox lors de l'écrituredu dispositif

- 109 -Ces expressions ont été comparées aux résultatsexpérimentaux obtenus par les mesures de tension de seuilsur dispositif Flotox après avoir fait varier la charge surla grille flottante. La variation de charge graduelle sur lagrille flottante a été obtenue en polarisant la grille decommande à des valeurs croissantes de tension tout engardant le drain et la source à 0V.La tension de seuil a été mesurée à chaque pas etla charge sur la grille flottante a été mesurée à l'aide dela méthode décrite au paragraphe 11.2.3.La figure 2-18 met en évidence la variation detension de seuil lors de l'écriture du Flotox.Les courbes théorique et expérimentale de latension de seuil en fonction de la charge sont représentéesà la figure 2-19eLe bon accord entre les résultats théoriques etexpérimentaux valide l'expression de la tension de seuil2-54.Il confirme aussi le fait que la chargerépartit effectivement suivant le udàle capacitif proposé.se11.2.5.2 Caractéristique théorique courant -tensionPour un transistor MOS classique dedimensions relativement élevées- en régime de forte inversion et en régime nonsaturé une expression du courant est donnéepar [56]:VDS2'D = [(vG5_VTO)vDs. 2 - KB [ (VDS + VB+ 2 - (VB + 2 (2-55)

oat.' C1.-tSIUi2.31414 ..J vi . d - 1414 -t viFIGURE 2-19Courbes théorique et expérìmentale de la tenston de seuildû Flotóx en fonctiOn de la charge sur la grille flottante

- en régime saturé une expression du courant drainest donnée par [5711DSSL dep(2-56)Lavec:0 C L oxo {(v - VSB)1DSS = V VSB1+LEcOLogO + V - 2 VF+ O + VG F VSB+ 2 [(Vr + 2- (VSB + 2 F112+ (V + O)[Argth\'VP + 2+ oF' \ I VSB 2Argth N( VTG +F)1] }ouLdep représente la distance du drain au point dupincementVp est le pseudo potentiel de Fermi au point depincementVG'= +Qss -VGoxMSla tension grilleeffectiveEc le champ critique longitudinalQ la tension de réduction de la mobilité dûe auchamp transversalle potentiel lié aux effets de substrat ;2q NA,D E:SiCoC2 oxle potentiel de Fermi du substrat

Si l'on considère que pour un dispositifFlotox la tension de la grille flottante est fixée,il en découle que tout ce qui est en dessus de lagrille flottante n'intervient pas dans laconduction du canal.Du point de vue de la conduction, leFlotox se comporte alors comme un ??1S classiquedont la tension grille est égale la tensionréelle grille flottante.l'expression 2-46Cette tension est déterminée parVFG = AVG + BVD +ECGFEn négligeant l'effet de substrat et enutilisant les équations simplifiées classiques duM en canal N : [581. zone i1DS = {(VGS - VT) VDS - VI (2-57)pourVDS < VGS - VTet zone 21DS =- (VGS - VT)(2-58)pour

- 113 -s'écrirontDans le cas du Flotox ces expressions. zone 11DS = 'GFGF 1 2ox [(AVGs+Bs+ - - VTGF)VDS - . VDSCFpour VDS < AVG5 + BVDS + -VTGF(2-59). et zone 2z'1DS = GFCox t(Av = BVDS+GFECVT)2 (2-60)GFpour VDS AVGS + B5 + ._VTGFDans ces expressions VTGFreprésente la tension de seuil vue de la grilleflottante, elle est liée à la tension de seuil vuede la grille de commande par la relation 2-51VT =(VTGF)iGF représente la mobilité réelle dudispositif, c'est-à--dire lorsque sa mesure esteffectuée à partir de la grille flottante.Si la mesure de mobilité est effectuée àpartir de la grille de commande, on ne mesure pasvéritablement la mobilité du dispositif, mais uneconstante que nous appellerons "pseudo mobilité",significative de la pente de la caractéristiquecourant drain-tension grille lorsque la tensiongrille est la tension de la grille de commande.Car la tension entre la grille de commande etl'interface silicium-oxyde de silicium necorrespond pas à la tension réelle appliquéebornes de l'oxyde de grille.aux

iLa relation entre cette "pseudo-mobilité"et la mobilité réelle est donnée par la formule2-50-AGFSi donc la tension de seuil et la"pseudo-mobilité" sont mesurées à partir de lagrille de commande du dispositif Flotox, lesexpressions 2-59 et 2-60 deviennent.zonel: 2Z B GFIVDS1DS = .iC [(VG + A VDS + AEC - VT)VDS - - r (2-61)pourGFVDS

FLOTOX -EHR-H jOED-R1-l2o -4IrINDEX PARAtI VALEUR EXPOS DEFINITION DES PRINCIPAUX PARANETRESUnités-II TEIIP 29$- Température2 liOX 800- Epaisseur d'oxyde3 (1* 612R- Mobilité A champ nul4DL 2.602Cm'/v.s5 DU 2,t25 - Ecart des cotes (dimensions dessinées - dimensions électriques) um6 CICO 0.0007 VTO 1.580- Tension de seuil A polarisations nulles d'un transistor NOS de grandes8 XBI 1.131dimensionsVc,4- Coefficient d'effet de substrat relatif A la région surdopée9 VI .574- Potentiel de Fermi du substrat'4IO XB2 .370- Coefficient d'effet de substrat en volume du substratIlV2 .132V$2- Terme de décalage de la polarisation du substrat dû aux implantations ioniquesVc .624V13- Tension de raccord entre région implantée et substratVF -.894V- Tension de bandes plates140.000V15 n2 0.00016 b 0.000I? DELI .200IO DEL2 .190 Coefficients de linéarisation de l'effet de substratTETA.G .020-Ec 11.912Coefficient de réduction de la mobilité due au champ transversalI t' - Champ critique longitudinalTETA.019202$Io-.05422 ALPHI - .224 1.023 ALPH2 -.199 1.024 ALPH3 -. 092 1.025 BETAI .363I . O2 9ETA2 .754 1.02? BETA3 .799 .028 GA1IA$ -.132 1.029 CAMA2 .057 1.030 CAIIA3 1.010 LO3$ GAIIA4 - .73732 LANDI 0.000 1.033 LAMD2 0.000 1.034 Epa .228- Coefficients tenant compte des effets des canaux courts ou/et étroits- Facteur de conductance de sortie1/vV/MmMmFIGURE 2-20

- 116 -Ces dernières équations et ces paramètresont été utilisés pour vérifier le bon accord entrethéorie et expérience le ndèle utilisé est le;modèle de transistor MOS réalisé en technologieliMOS EFCIS [591.Ce modèle tient comptede la non uniformité du substrat- des effets géométriques (L,Z) sur la tension dede seuildes effets géométriques (L,Z) sur le coefficientde substrat linéarisé- de la saturation de la vitesse des porteursde la modulation de la longueur électrique ducanal dfle aux effets de canaux étroitsLe dispositif Flotox et les motifstémoins nécessaires à l'acquisition des paramètreset des résultats expérimentaux ont été réalisésdans la technologie précédemment décrite.Les transistors MOS témoins qui ontpermis de réaliser l'acquisition des paramètrestechnologiques avaient pour dimensions dessinéesZ/L : 10/3 ; 10/5 ; 10/7 ; 10/10 ; 100/100La valeur des paramètres et leursignification sont donnés à la figure 2-20. Lesdispositifs Flotox et Flotox è grille flottantesortie avaient pour dimensions Z/L 5/5.Les valeurs de couplage et chargeinitiale déterminées expérimentalement étaientA = 0,87 ; B = 0,09 et = -0,75VXC

- 117 -FLOTOXO-NHII2Ø-(ç0)as00uuvas u 10 - ZN (K)4.5 LaS.S CMI.,..)S.S (Mie...).43.3VTS 1.411 (V)S. (VIbi - 1.417 (V.1.1)WICH - S.m CVIKU 0.417 CVl.SWIU7 s.m CV)N 1.1K-N (R#V*I)itTLI SMI Clvp1ZTLI - -em (11V)-1.111 (11V)T(TR.NZQ.TLI 1.741SQ.TLZ -1.415C 0.5514e-- J-2 4uu2.52VDao a u tviu.?., IS * tU.(ft*tT*Ilf( ?t(C(UIe.T*LC- .auc ?.iaFIGURE 2-21 : Courbes théori ues et expérimentales de la caractéristiquecourant-tension drain du Flotox à grille flottante sortieRMI ta i :111-111HOTF 1Q C CENTRE )V- 1.0!VC- 4.0!FIGURE 2-22 : COURBES THEORIQUES ET EXPERIMENTALES DE LA CARACTERISTIQUECOURANT TENSION DRAIN DU FLOTOX

- 118 -Ces valeurs ont été déterminées alors quele drain du dispositif Flotoxmince. C'est cette mêmeutilisée pour le tracé desétait situé c6té zoneconfiguration qui estcractéristiques.Le tracé expérimental etthéorique de lacaractéristique 1D de sur le dispositifà grille flottante sortie (figure 2-21) met enévidence un bon accord entre le modèle utilisé etl'expérience. L'écart entre les valeurs théoriqueset expérimentales est inférieur à 5 LLa figure 2-22 présente la comparaisondes tracés théoriques et expérimentaux dudispositif Flotox ;l'écart maximal entre lesvaleurs théoriques et expérimentales està 10 %, ce qui constitue un bonaccord théorie-expérience,compte tenu du modèle duinférieurS utilisé etdes erreurs sur la détermination des coefficientsde couplage.On en conclut que le dispositif Flotox dupoint de vue de la conduction se comporte comme untransistor MOS classique mais dont la tensiongrille dépend de la tension drain ainsi que de lacharge emmagasinée sur la grille flottante et de latension de la grille de commande.

- 119 -En ce qui concerne la conduction, lacomparaison du transistor MUS classique et dutransistor Flotox conduit aux conclusions suivantes- La zone 2 (saturée) pour le transistor MUS classiquea une caractéristique courant-tension indépendantede VDS (formule 2-58) ou dépendantfaiblement et linéairement de V alors que,cette caractéristique varie fortement en fonctionde la tension drain pour le dispositif Flotox(formule 2-60). On ne peut donc pas atteindre lasaturation avec le dispositif Flotox.- La transconductance dans la zone 2 est donnéepartir de (2-60) par1DS= 3VGS GFVDS = Cteox LA (A VGS + B VDS +VTGF) (2-63)i;-Alors que pour le MUS classique la transconductanceest relativement indépendante deV en zone saturée, pour le Flotox elledépend directement de la tension drain.- La limite entre les zones i et 2 est décalée dansle cas du Flotox par rapport au transistor MUSclassiquepour le MUS classique idéalpour le FlotoxVDS = VGS - VTVDS - 1-B'AVGS+ -re VTGF 1 (2-64)(cette expression est obtenue â partir de 2-60)

- La conduction du transistor I1S correspond àl'inversion de la zone canal et cette conditions'exprime parVGSVTdans le cas du Flotox cette relation devientA VGS + B VDS +GF_>,VTGFO(2-65)1GFBou VGS + VDS + ¡ - . VTOsi l'on ramène la tension de seuil à la grille decommande.VTGFO et VTO représentent lestensions de seuil du dispositif vierge, c'est-àdiresans charge sur la grille flottante, "vues"soit de la grille flottante, soit de la grille decommande.Dans ces expressions on constate que le terme Vcontribue au seuil de conduction : ainsi même siVGS< VT, le couplage entre le drain et lagrille flottante peut permettre la conduction.

- 121 -11.2.5.3 Localisation et origine de la charge initialeLa mise en évidence de la charge initialeréalisée par la comparaisonde deux dispositifs Flotoxsimilaires mais dont l'un a une grille flottante sortie,prouve que cette charge ne peut pas être située dans l'oxydede grille (entre grille flottante et zone canal) puisque latension de seuil du dispositif de référence (dispositif ègrille flottante sortie) prend en compte cette charge ; parcontre on peut formuler les hypothèses suivantes- il existe une charge fixe située dans l'oxydemince entre zone diffusée et grille flottante. La chargeréelle de la grille flottante, nulle ou non, peut alors serépartir inégalement le long de la grille flottante si cettecharge dans l'oxyde mince est assez importante ; une chargeapparaitrait alors au dessus de l'oxyde de grille.(figure 2-23-a).- une deuxième hypothèse est exprimée par laprésence d'une charge réelle sur la grille flottante d'undispositif vierge (une représentation schématique est donnéeè la figure 2-23-b).- une dernière hypothèse est exprimée par lalocalisation de la charge initiale dans l'oxyde entre grillesou è l'interface grille flottante - oxyde entre grilles(figure 2-23-c).

- 122 -vaVGtt..Ie_JN.p(a)p(b)vap(c)FIGURE 2-23 : Diverses configurations de répartition de la "charge initiale"POL.Y 21K.POL.Y iPFIGURE 2-24 :Schéma du dispositif à grille flottante utilisé lors de ladétermination de l'origine dla "charge initiale"

- 123 -Afin de préciser la localisation de la chargeinitiale nous avons réalisé les expériencessuivantesLa mesure de la charge initiale effectuée sur un dispositifà grille flottante dont la configuration de base est donnéepar la figure 2-24, qui ne comporte pas de zone amincie,qui a ses zones diffusées auto-alignées par rapport à lagrille flottante et dont les épaisseurs d'oxyde de grille etentre grille sont semblables à celles du Flotox, montrequ'il existe aussi sur un tel dispositif une chargeintiale. (Notons que cette charge est toutefois inférieure àcelle décelée sur le dispositif Flotox situé sur la mêmepuce).L'hypothèse de la localisation de la charge initiale dansl'oxyde mince est donc infirmée, ou si cette charge existe,elle est suffisamment faible pour ne pas être sensible à lamesure. Ce dernier point a été confirmé par une injectionprolongée de charges par effet Fowler Nordheim; nous avonssupposé alors que durant ce temps qui correspond à la limitede dégradation de l'oxyde sous l'effet du champ appliqué, laquantité maximale de charges que puisse accepter l'oxydemince avait été piégée ; la tension de seuil avant et aprèscette opération étant restée constante, nous en avons déduitqu'une éventuelle charge dans l'oxyde mince n'a aucun effetlatéral ni aucun autre effet sur la tension de seuil.

- 124 -La mesure des charges initiales réalisée sur deux types dedispositifs de technologies différentes apportent lesrésultats suivants+ sur les dispositifs Flotox dont l'oyxde de grille estun oxyde thermique, le silicium polycristallin est déposé etl'oxyde entre grilles est thermique, on constate qu'ilexiste toujours une charge initiale dont l'effet sur latension de seuil "vue" de la grille de commande correspondgénéralementun décalage de 0,4 â I V de cette tension deseuil (toutefois on peut atteindre des décalages allantjusqu'à 2,5 V). Cette charge initiale donne lieu à degrandes disparités qui paraissent aléatoires sur une mimetranche, cette disparité étant de plus ou moins 50% parrapport à la valeur nyenne de la charge sur une tranche.Des résultats analogues sont obtenus avec des dispositifsFlotox dont l'oxyde interpoly est déposé.+ les mesures effectuées sur des dispositifs Flotoxdont l'isolant entre grilles est réalisé entiârement ennitrure de silicium montre qu'aucune charge initiale n'estdécelée. II en est de name pour des dispositifs Flotox dontl'isolant entre grilles est réalisé par un sandwich Si02-nitrure (le Si02 étant côté grille flottante).La technologie pour fabriquer ces dispositifs est absolumentidentique à celle de la fabrication des Flotox utilisant leSi02 comme oxyde inter-poly.

- 125 -La dernière étape du procédé technologique étant un recuit à450°C en atmosphère azote-hydrogène, nous avons fait subir ànouveau ce recuit à quelques tranches pour lesquelles lesopérations suivantes avaient été effectuées au préalable.+ mesure des tensions de seuil sur dispositif Flotoxvierge et sur dispositif vierge à grille flottantesortie+ écriture de quelques dispsotifs Flotox et mesure detension de seuil+ effacement de quelques dispositifs Flotox et mesurede tension de seuilAprès recuit, les mesures des tensions denouveau réalisées.seuil ont été àLe tableau ci-après résume les résultats obtenus enindiquant les valeurs moyennes des tensions de seuilobtenues pour les tranches SI 627 et SI 629 (BED 25) etpour deux types de motif 19 et 18 présentant deux surfacesd'ouverture différentes : 16i.tm2 et 9im2- VS représente la tension de seuil d'un dispositifvierge- VSGFS représente la tension de seuil d'un dispositifFlotox à grille flottante sortie et vue de la grilleflottante- V haut représente la tension de seuil d'undispositif Flotox auquel on a fait subirune écriture- V bas représente la tension de seuil d'undispositif Flotox auquel on a fait subirun effacement.

hautiñotif 19hautmotif 18Ç basmotif 19Ç basmotif 18Çty.motl9 type nxaif 19SI 629av. recuit7,88 7,75 - 5,37 - 5,11 2,58 1,82SI 6293,23 2,86 - 2,60 - 2,47 2,52 1,80ap. recuitSI 627av. recuit7,51 7,37 - 5,67 - 5,14 2,64 1,74SI 627ap. recuit3,79 3,19 - 4,44 - 1,74 2,60 1,75L'expérience du recuit permet de montrer que s'il existeune charge initiale dans la grille flottante lors des étapestechnologiques, le recuit final ne permet pas d'éliminercette charge. En effet, lorsqu'une charge a été injectée, lavariation de tension de seuil lors du recuit n'est passuffisante pour retrouver la tension de seuil du dispositifvierge. D'autre part, cette différence entre la tension deseuil du dispositif après recuit et la tension de seuil dudispositif vierge est toujours supérieure à la tensonéquivalente de la charge initiale.

La mesure de la charge initiale sur des Flotox de surfacesen regard grille flottante - grille de commande différentesmontre que la charge est d'autant plus faible que cettesurface est petite.L'ensemble des résultats précédents permet de tirerles conclusions suivantes- la "charge initiale" n'est localisée ni dans l'oxyde minceni dans l'oxyde de grille- plus la surface en regard des deux couches de siliciumpolycristallin est importante, plus la charge initiale estimportante- l'expérience réalisée en utilisant le nitrure commeisolant entre silicium polycristallin permet de formulerl'hypothèse que l'origine de la charge initiale est liée èla fabrication de la grille de commande en silicium polycristallinet aux opérations qui suivent (en particulierle recuit d'implantation à 950°C). T.W. HICKNOTT [60] amontré sur des capacités Si-6i02 - Si-poly que les recuitsaprès dép6t de silicium polycristallin sur du dioxyde desilicium créent des charges et des états de surfaces, soitè l'interface Si-6102 soit dans le Sb2 (aux endroits oùil manque des atomes d'oxygène).La conduction de porteurs è travers le nitrure de siliciumest beaucoup plus difficile qu'à travers le dioxyde de siliciumsi donc des charges, lors de la fabrication du siliciumpolycristallin diffusent vers la grille flottante, elles serontbeaucoup plus freinées ou arrêtées par le nitrure que parle dioxyde [1121.

11.3 CARACTERISTIQUES PHYSIQUES ET MODELISATION11.3.1 Principes de base et problèmes posésNous avons vu qu'il était nécessaire, pour que ledispositif Flotox ait une fonction non volatile, de pouvoirvéhiculer, lorsque cela est souhaité, des charges traversl'isolant mince. Ce transport de chargespouvant se fairesoit de la grille flottante vers la diffusion, soit de ladiffusion vers la grille flottante.Dans le cas des oxydes minces, la conduction estréalisée par effet tunnel. Cette injection par effet tunnelpeut être de deux typestunnel bande-bande où les électrons dans la bandede conduction du substrat pénètrent dans la bandede conduction de l'oxyde. Puis ils sont accélérésdans cette bande par le champ électrique appliqué- tunnel bande-piège-bande où les électrons sontd'abord piégés dans l'oxyde avant de passer dansla bande de conduction de l'oxyde où ils peuventalors être accélérés par le champ électriqueappliqué.Dans la majorité des dispositifs réalisés,l'isolant mince est du dioxyde de silicium (généralementthermique). Dans ce type d'oxyde, tous les résultatstrouvés dans la littérature sont en accord pour dire quela mobilité des électrons et leur durée de vie {61]1621sont telles que leur produit est plus grand de plusieursordres de grandeurs vis-à--vis de celui obtenu è partir dela nobilité et la durée de vie des trous {811{6311.

- 129 -ilSILICIUMVpelyV.t ) OEFSILICIUM POLYCRISTM.LINIaEFVpoly.-V.aOSILICIUMSILICIUM POLYCRISTAU..INFIGURE 2-25 Injection par effet tunnel "FOWLER NORDHEIM" dans les deuxcas de polarisation de l'oxyde

Ce résultat semble suffisant pour que l'onconsidère que la conduction à travers l'oxyde soit dueessentiellement aux électrons.Lenzlinger et Snow [131 ont montré que dansl'oxyde de silicium thermique la conduction est du type"tunnel Fowler Nordheim".Le modèle Fowler Nordheim" repose sur le modèlede Sommerfeld d'un utal dans lequel des électrons sontsupposés former un gaz de Fermi tri-dimensionneld'électrons libres et où l'oxyde est caractérisé par unemasse effective et un potentiel effectif de la bande deconduction. On suppose dans ce modèle que la barrièred'énergie est rendue triangulaire sous l'effet du champappliqué et que la probabilité de passage des électrons àtravers la barrière suit l'approximation W.K.B.La figure 2-25 illustre la conduction des électrons àtravers l'oxyde dans les deux sens du champ appliqué.Ce modèle, bien que présentant en regard desrésultats expérimentaux quelques contradictions physiques(notamment en ce qui concerne la dépendance du courant avecla température), peut permettre de bien rendre comptequantitativement des résultats expérimentaux lorsque l'onajuste convenablement certains paramètres.Malgré l'existence de modèles qui prennent en comptedavantage de phénomènes physiques [641165] nous utiliseronsle modèle Fowler Nordheim en raison d'une part de sasimplicité, d'autre part en raison du gain en précisionrelativement faible qui serait obtenu en utilisant un modèleplus complexe ;en outre, quelque soit le modèle il estnécessaire d'ajuster un paramètre sans grande significationphysique.

- 131 -Une expression du courant en fonction du champappliqué est donné par [13]J = (q3E2m/8 îrh mt) [1/t2(y)] [rrckT/sin(TrckT]ift 3frexp {- [4(2m ) /3 -Ir qE] v(y)} (2-66)et C - 2 (2 m)) t(y)/tT q E (2-67)y (1/)(q3E/4w cr co) (2-68)où h est la constante de Planck ; ir =hq est la charge de l'électronE est le champ électrique aux bornes de l'oxydeest la hauteur de barrièrem est la masse de l'électron libremt est la masse effective de l'électron dans le dioxydede siliciumcr est la constante diélectrique relative de l'isolantk est la constante de BoltzmannT est la températuret(y) et v(y) représentent deux facteurs de correction quitiennent compte de l'effet de la force image sur la hauteurde barrière.t(y) ![4S(y) - v(y) 1 (2-69) [661v(y) et s(y) sont des expressions qui dépendent d'intégraleselliptiques du 1er et 2ème ordre f 67] les principalesvaleurs de ces expressions en fonction de y sont donnéesdans le tableau ci-après.

y v(y) s(y) t(y)o i i i005 0,9948 0,9995 1,0011o 1 0,9817 0,9981 1,00360,15 0,9622 0,9958 1,00700,2 0,9370 0,9926 1,01110 25 0,9068 0,9885 1,01570 3 0,8718 0,9835 1,02070,35 0,8323 0,9777 1,02620 4 0,7888 0,9711 1,03190,45 0,7413 0,9637 1,03780,5 0,6900 0,9554 1,04390,55 0,6351 0,9464 1,05020,6 0,5768 0,9366 1,05650,65 0,5152 0,9261 1,06310,7 0,4504 0,9149 1,06970,75 0,3825 0,9030 1,07650,8 0,3117 0,8903 1,08320,85 0,2379 0,8770 1,09000 9 0,1613 0,8630 1,09690 95 0,0820 0,8483 1,1037i 0 0,8330 1,1107

- 133 -Dans l'expression 2-66, le seul paramètreajustable est la masse effective m qui dépend de la naturede l'isolant, d'autre part, la hauteur de barrièreconstitue un paramètre dont il est difficile de connaître lavaleur d'une manière générale. En effet la dispersion desrésultats trouvés dans la littérature tendent à prouver quesa valeur dépend des paramètres technologiques d'élaboration[13][68][69}. Pour ces raisons, nous utiliserons dans ce quisuit, une valeur donnée de la masse effectiveutilisée dans la littérature [64}[70]couraninentm= 0,5et nous chercherons à déterminer la valeur debarrière pour l'oxyde utilisé.la hauteur deLors d'une injection du type Fowler Nordheim, pourun système à grille flottante, la valeur des champs utiliséset l'ordre de grandeur des hauteurs de barrière sont telsque y est inférieur à 0,20 ; on peut donc dans ce cas,négliger t(y). D'autre part, Krieger et Swanson {65] ont misen évidence que l'utilisation du ndèle sans effet de forceimage est aussi précis que celui qui tient compte de cetteforce image ; seuls les paramètres ajustables sontdifférents.Nous négligerons aussi le terme correctif entempérature lorsque nous étudierons lestempérature ambiante.phénomènes à la

- 134 -Cette simplification se justifie par le fait que,pour les valeurs de champ qui nous intéresse, cela revient ànégliger un coefficient multiplicatif inférieur è 1,4 dansle terme préexponentiel de l'expression du courant FowlerNordheim ; une très faible variation du paramètreajustable que constitue la hauteur de barrière permet decorriger la faible erreur due è cette simplification.Lorsque l'on réalise des mesures de courant-tensionsur des capacités dont le diélectrique est du Sb2, onconstate que la mesure n'est pas reproductible [701 ; ellene devient reproductible qu'après un nombre suffisant demesures réalisées.La décroissance en fonction du temps que l'on observelorsque l'on nsure le courant pour une tension appliquéedonnée et maintenue durant tout le temps de la mesuresemble être due au piégeage de chargesdans l'oxyde [7111721et la non reproductibilité des caractéristiques couranttensionen est la conséquence. Après un certain nombre decycles de mesure les pièges sont tous remplis et la mesuredevient reproductible. Toutefois, dans un tracé du typeFowler Nordheim, les caractéristiques courant-tension sontreprésentées par des doites et le piégeage de chargescorrespond à une translation de ces droites ;tandis queleur pente est très peu modifiée. On peut ainsi iisurer lahauteur de barrière en ajustant les résultats expérimentauxavec la loi de conduction théorique Fowler Nordheim.

XOXYDE _. A5?LOG C I/E2)+tCAPACITE 14QJ4 - F03ßEPAISSEUR s 100 A...50 4.CAPACITE MJ4 - F830EPAISSEUR s iøa A-5g-1010.-91162T - 15$063T - 25 5$642 4 6 0 IOVOXY.y12 14- I I1/Ec16 10 2O1O°FIGURE 2-26 : Mesure de courant n fonction de la température sur des capacités d'épaisseur 100 A

Nous avons réalisé des sures après avoir obtenula reproductibilité sur des capacités de 40 000 im2 desurface et constituées par : un substrat de silicium N,d'orientation et de résistivité 2-3 e-cm, un oxydethermique d'épaisseur 100 A et une couche de siliciumpolycristallin constituant l'armature supérieure de lacapacité.La figure 2-26 présente les résultats de la mesurepour différentes températures, l'injection d'électrons étanteffectuée du substrat vers le silicium polycristallin. Lafigure 2-26-a représente le tracé direct tandis que lafigure 2-26-b représente les mêmes courbes dans un systèmed'axe "Fowler Nordheim".Les valeurs expérimentales des hauteurs debarrières obtenues par ce tracé sont en bon accord aveccelles de la littérature. Les valeurs obtenues à25°C : 3,03 eV diffèrent peu de celles obtenues à15dC : 2,95 eV, par contre, le facteur préexponentiel de laloi Fowler Nordheim varie notablement (on peut supposer quecette variation est due à la contribution d'une composantede courant du type conduction thermique non négligeablelorsque l'on élève la température).Nous noterons enfin que le dopage du substrat a uneffet négligeable sur le courant tunnel dans l'oxyde maisque par contre, l'orientation cristalline du silicium esttrès importante : pour un silicium orienté , lecourant est très petit vis-à-vis de celui obtenu pour lesilicium orienté [73]

- 137 -11.3.2. Modèles pour l'injection11.3.2.1 ModélisationLe modèle que nous proposons repose sur la loi deconduction du type Fowler Nordheim dans laquelle on peutnégliger, comme nous l'avons vu, l'effet de force image et âtempérature ambiante l'effet de température. Ilsur les hypothèses suivantesrepose aussi- il n'existe pas de conduction dans l'oxyde entregrilles- il n'existe pas de charges fixes dans l'oxydemince- il n'y a pas de piégeage de charges dans l'oxydemince durant la conductionLa première hypothèse se justifie tant que le champentre la grille de commande et la grille flottante restefaible. Toutefois, nous verrons que cette hypothèse de nonconduction n'est plus vérifiée lorsque la charge sur lagrille flottante est telle que, si l'oxyde entre grillesestdu dioxyde de silicium, le champ est suffisant pourautoriser une conduction du type Fowler Nordheim. Ladeuxième hypothèse se justifie par les résultats trouvésdans la littérature à propos des oxydes. Il existegénéralement une charge positive à l'interface Si-6i02[74] [75], et quelquefois des structures présentent descharges 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'ontdonc pas d'influence sur le courant Fowler Nordheim.

La troisième hypothèse repose sur le fait que lesconstantes de temps de remplissage[771 sont plus petites, de plusieurs ordres dedes pièges dans l'oxydegrandeur, queles temps utilisés pour écrire ou effacer les dispositifs.On supposera, en outre, que le champexistant dans l'oxydemince à l'instant "t" est uniforme. La loi de conductionFoWl er Nordheim s'écrit, d'après la formule 2-66J = a E2 exp (-avec a = (q3m/81rhm*)/2et = [4 (2m)'I /d'autre part, le courant injecté(2-70)(2-7 1)(2-72)à travers une surface S1peut s'écriredQJs1 = dt- a S1 E2 exp (-(2-73)E représente le champ qui existe entre la grille flottanteet la zone diffusée sous oxyde mince (généralement le drain)E =V -VFGIDoù d1 représente l'épaisseur del'oxyde minceet d'après (2-46)A VG + (B - I) VDd1Qd1 EC(2-74)2-73 et 2-74 constituent une équation différentielle nonlinéaire du 1er ordre. Sa résolution est donnée en Annexe 1ainsi que les valeurs de a et .

- 139 -Lorsque E> O l'injection d'électrons se fait de la zonediffusée sous oxyde mince vers la grille flottante et aprèsinjection, la charge stockée sur la grille flottantes'écriraQ-d1ECLog [ T+ exp ( )]d1 EC EC (AVG + (B-I)v + QEC- EC (A VG + (B-I) VD (2-75)oLorsque E

- 140 -L'intégration permettant de déterminer la chargen'est possible que pour les valeurs deQ_Zc(AVG+(B -i) VD)Pour cette valeur de la charge, le champs dans l'oxyde minceest nul et aucune injection n'est possible. Cette valeurconstitue la charge maximale pouvant être stockée sur lagrille flottanteQmax - Ec (A VG + (B - 1) VD) (2-77)c'est donc la valeur de saturation lorsque l'on injecte descharges durant un temps infini.A partir de la formule 2-53 on peut écrireVT = VT(Q 2Qo)(2-78)VT est la tension de seuil du dispositif Flotoxmesurée partir de la grille de commande et correspondant àune charge Q stockée sur la grille flottante.VTO est la tension de seuil du dispositif Flotoxmesurée à partir de la grille de commande avant injectionmais prenant en compte une charge initiale Qo.L'ensemble des formules 2-75, 2-76, 2-78 permettentde déterminer les variations théoriques de la tension deseuil du dispositif Flotox suivant les valeurs des tensionsgrille-drain et du temps utilisé pour écrire ou effacer ledispositif.

- 141 -Afin de valider ce imdèle, nous avons réalisél'expérience suivante : sur un dispositif Flotox vierge, onfait l'acquisition des différentes épaisseurs d'oxyde, de latension de seuil initiale et de la charge initiale.La connaissance des surfaces dessinées et desmodifications des dimensions dues au procédé technologiquepermettent d'obtenir des valeurs de surfaces plus proches dela réalité. Ces dernières et les épaisseurs permettent deconnattre les capacités du système et les coefficients decouplage. Tous ces paramètres seront utilisés pour réaliserdes tracés théoriques.D'un point de vue expérimental, partant de lavaleur de tension de seuil initiale VT, on nEdifie lacharge sur la grille flottante par successivement l'une desdeux nthodes suivantes- pour un temps d'injection donné, on fait varierla 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 grilleflottante vers le drain, on laisse la source du Flotoxflottante afin d'éviter une conduction indésirable dans lecanal. Après l'injection on mesure la tension de seuil ; onramène ensuite le dispositif sa tension de seuil initialepar un système de convergence piloté par un calculateur"HP 9825" et l'on recommence les opérations d'injection enmodifiant les valeurs des tensions appliquées ou les tempsd'injection.

- 14210.y. env BED 25-8! 828 1 Motif20 -PUCE No4aHAUTEUR 0E AXERE2.83 eVaVS- 21.00VVS- 20.00VVG- 19.00VVS- 18.00Vç VS- 17.00VVa- 18.00VCOURBE EXPERIMENTALECOURBE THEORIQUEOi-+--+-4--s-++H----100TEMPS OECRITUME en NS+ f f i-i i fi' i- f il ii-f-4-11000 10000- -2 iFIGURE 2-27 :Ecriture du dispositif Flotox en fonction du temps d'écritureT- i00.00*4S10 VeenVT- 10.00445SEO 25-SI 828 1 Natif 20 )-PUCE No 4T- 1.00MSHAUTEUR 0E AIERE2.83 evi..... COURBE EXPERIMENTALECOURBE THEORIQUETENSION OECRITURE en V- lv .i g.. o .' Al. - . - - - - - N ('1 N N N NFIGURE 2-28 :Ecriture du dispositif Fiotox en fonction de la tensiond 'écriture

-4FIGURE 2-29Y. en V- 143 -- 01MOTIF aIWITU 0E 0*M1 2.07 MS i'00tE T*l1jMOTIF aHAUTEL 0E BZ 2.07 .V- .tE C4PERIit 11EaI*- N ¿-f---4-f -f-f-e I-4--- t -t --f- -4-I--t -I-H-1004000lEleS OEFFACgJ4- ---Effacement dU Flotox en fonction du temps d'effacementTENSION OEFFACENENT en VO . N E)N N N N N Nt- INSen NS10000VG- 45VVG- 47VVi- lev+ Vi- 10V, Vi- 20v-10T- IONST- iOOgFIGURE 2-30 : Effacement du Flotox en fonction de la tensìon d'effacement

Les tensions appliquées à la grill-e ou au drain sonttoujours positives (vis-à-vis du substrat) ;on se placeainsi dans des conditions identiques à celles del'utilisation du dispositif en circuit.Un ensemble de résultats théoriques etexpérimentaux est présenté par les figures 2-27, 2-28, 2-29et 2-30. Sur ces figures, "l'écriture" correspond à untransit d'électrons du drain vers la grille flottante et seconcrétise par une tension positive appliquée sur la grillede commande tandis que le drain est maintenu à O V ;àl'inverse "l'effacement" correspond au transit des électronsde la grille flottante vers le drain et est concrétisé parl'application d'une tension positive sur le drain tandis quela grille est maintenue à O V.Ce type de caractéristiques appelées "cycles noncummulatif s" a été réalisé pour un très grand nombre dedispositifs et pour un très grand nombre de tranches.L'accord théorie-expérience est généralement trèsbon. On constate toutefois sur certaines courbes, tellescelles que nous avons présentées, un écart entre la courbethéorique et la courbe expérimentale pour des valeursimportantes de la tension de seuil après injection.Cette divergence qui n'est pas généralisée à tousles dispositifs apparatt lorsque le champ dans l'oxydeentre grilles devient important. Elle remet donc en causel'hypothèse d'une non conduction dans l'oxyde entre grilles.

- 145 -io VSsnV BED 25-SI 02e C MotIf 20 )-PUCE NO 4HAUTEUR Of BARRIERS :2.03 eVVC- 21.00VVC- 20.00VVC- 10.00VVC- 15.00VVC- *7.00VV5- jS.00VCOURSE EXPERD4ENTALE- COURSE THEORIQIJEC SI*LATII IRSIERZOEJE)ie.s OECRZTURE en MSe. $ tiio too 1000 10000FIGURE 2-31 : SIMULATION NUMERIQUE DE L'ECRITURE EN FONCTION DU TEMPSIOySsnVT- 100.00)45T- 10.00MSSEO 25-II 52SC MotIf 20 )-PUCE No IT- I.00NSHAUTEUR Of BARRIERE3.03 sVCOURSE EXPERINENTALECOURSE THEORIOUEC SIMLATIOf PUI)IENSION OECRITUREn V- N A Ii P. O * N A SI- - - - - - N N N N N NFIGURE 2-32 : Simulation numérique de l'écriture en fonction de la tension

- 146 -2_ WI Sfl Vo-i7EHPS OEFFACEI4ENT en MSf4-I..- -.-I--.'---$ I I I I II1000 10000-2-3 VS- 18Vvo- 17v___- SIMOTIF a- s flIJ-'---m aPIlTM.EC SIW.LATII 11lIJE)vo- isvvo- isv- VS- 20v-io J.FIGURE 2-33 :Simulation nunérique de l'effacement en fonction du tempsT- INST- IONST- lOOMSFIGURE 2-34 :Simulation numérique de l'effacement en fonction de la tension

- 147 -Pour simuler le fonctionnement de tels dispositifsquiprésentent une saturation, nous avons utilisé un modèlenumérique ;en effet, l'équation différentielle qui rendcompte des différentes conductions (voir Annexe 2) n'est pasintégrable analytiquement. La méthode choisie, pour résoudrecette équation différentielle non linéaire du premier degréà valeur initiale connue, est la méthode de Runge-Kutta f78]à 4 approximations.L'application de cette méthode auproblème posé est présentée en Annexe 2.La corrélation entre théorie et expérience est trèsbonne 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 barrièresDans les tracés précédents, analytiques ou numériquesles hauteurs de barrières sont ajustées decompte de la réalité expérimentale.façon à rendreLes hauteurs de barrières représentatjvdel'interfacesilicium monocristallin-oxyde sont généralementlégèrement plus faibles que celles obtenues par les mesureseffectuées sur capacités, on retrouve cette différence avecles valeurs de la littérature t70][64][79][80] , toutefoisl'ordre de grandeur de ces valeurs reste très bon.

6\qO" - o- oA- AA - - i:--- A-An-po[yFIIoo 50 100 150RESISTIVITE Du SI POLYCRISTALLIN200 250rs En/o]FIGURE 2-35 Variation de la hauteur de barrière à i 'interface Si poiy/Si02sous poly en fonction du dopage du silicìum polycristallin

- 149 -Nous résumons dans le tableau ci-joint quelquesvaleurs de hauteurs de barrières de différents lots ettranches ; on indique aussi les différences technologiquesde réalisation des différentes tranches.est la hauteur de barrière correspondant è l'interfacesilicium monocristallin-oxyde et la hauteur de barrièrecorrespondant è l'interface silicium polycristallin oxyde.D'une manière générale, on observe une inhomogénéitédes résultats qui semble liée, en ce qui concerne la hauteurde barrière représentative de l'interface siliciummonocristallin-oxyde, au procédé de fabrication [131{68][69]Les hauteurs de barrières représentatives del'interface silicium polycristallin-oxyde présentent, elles,des inhomogénéités assez marquées et qui semblent liées à ladifficulté de déterminer la position exacte du niveau deFermi. dans le silicium polycristallin [81]. Cette positiondu niveau de Fermi semble dépendre de la nature du procédéde fabrication du silicium polycristallin et du dopage ;notons toutefois que pour du silicium polycristallin detype N et pour des concentrations comprises entre 3 x 1O'et 4 x 1020 cm-3, la position du niveau de Fermi ne dépendpas du dopage [81]. Gerber et Fellrath [82] ont mesuré lavariation de hauteur de barrière en fonction de larésistivité du silicium polycristallin et de la nature dudopant. Pour du silicium polycristallin N+ la hauteur debarrière ne dépend pas de la résistivité, alors qu'elle endépend fortement pour du Si poly P+. La courbe donnant lerésultat de ces mesures est donné è la figure 2-35 [82]

La hauteur de barrière entre silicium polycristallinet oxyde peut quelquefois être particulièrement faiblecomme c'est le cas pour le lot de tranches BED 10. Ce genrede résultats a été constaté par Lin et Leamy [831 lors del'observation au microscope électronique d'une capacitésubstrat-6i02-siliciuifl polycristallin. D'après leursobservations, une explication serait de dire que les sitesde défauts empilés peuvent contenir en plus des atomesd'impureté (Fe, Cu, Ni ...) des ions positifs nxbiles quitransiteraient vers l'interface silicium polycristallinoxydeet ainsi réduirait la hauteur de barrière.Lorsque l'on rend compte d'une conduction dans del'oxyde entre grilles, on utilise une hauteur de barrièrereprésentative de l'interface grille flottante "oxyde entregrilles", et cette hauteur de barrière est beaucoup plusfaible que pour les autres interfaces. Cela se traduit parune conduction plus élevée dans "l'oxyde entre grilles"lorsque l'injection d'électrons se fait de la grilleflottante vers la grille de commande.Kerr [841 a montré que l'augmentation de la conductionse vérifiait aussi bien pour de l'oxyde thermiqueque pour de l'oxyde déposé. Il a montré aussi que cerésultat était indépendant du matériau sur lequel étaitdéposé le silicium polycristallin (Si02, Si3N, Simonocristallin) et lorsque le silicium polycristallin reposesur du silicium monocristallin, le dopage de ce dernier estsans effet sur la conductivitéde l'oxyde entre siliciumspolycristallins.

L'ensemble de ces résultats suggère que la conductionn'est pas caractéristique de l'oxyde lui-même maisdépend de la nature de l'électrode en siliciumpolycristallin utilisée. Di Maria et Kerr [85] ont suggéréque des aspérités sur la surface du silicium polycristallindonnent lieu des accroissements locaux du champsélectrique et ainsi favorise la conduction dans l'oxyde.Il a été remarqué aussi que la conductivité de"l'oxyde entre grilles" diminue lorsque la températured'oxydation est augmentée [86]. Ce dernier résultat lié àl'observation par microscopie électronique de la taille desgrains de la surface du silicium polycristallin a mis enévidence que la conductivité de l'oxyde est effectivementfortement liée à la présence d'aspérités à la surface dusilicium polycrlstaflin [87] ; ce résultat est confirmé parl'observation contraire qu'ont fait Lee et Marin [881lorsque les électrodes injectantes sont lisses, les propriétésélectriques de l'oxyde entre grilles sont semblables àcelles d'un oxyde sur silicium monocristallin.Une démarche expérimentale systématique a permisde montrer que la conduction à travers "l'oxyde entregrilles" était du type Fowler Nordheim augmentée par laprésence des grains et diminuée par la présence d'électronspiégés à l'interface silicium polycristallin-"oxyde entregrilles" [89] (des modales plus complexes tiennent comptentde la courbure de la couche de silicium polycristallin [90]).

Les hauteurs de barrière nsurées par photoémissionne montrent pas de manière évidente une diminution parrapport aux valeurs des hauteurs de barrière de l'interfacesilicium monocristallin-oxyde [85] alors que les hauteurs debarrière utilisées pour justifier la conduction Fowler-Nordheim sont plus faibles. On ne doit donc pas considérerces dernières comme les valeurs réelles représentant lesniveaux d'énergie à l'interface silicium polycristallin-"oxyde entre grilles" mais comme des paramètres pratiquespermettant de modéliser la conduction.On notera enfin que le mécanisme de conductionFowler Nordheim ne se vérifie plus totalement, dans le casde "l'oxyde entre grilles", lorsque le temps d'injection esttrès élevé. En effet, lorsque l'on applique une tensionconstante aux bornes de "l'oxyde entre grilles", le courantdécroit dans le temps et ne semble pas vouloir se stabiliserà une valeur fixe de courant de fuite. Ce résultat, qui sedifférencie par l'ampleur de la décroissance et la nonsaturation du courant de celui obtenu pour de l'oxyde sursilicium monocristallin, s'explique par la génération depièges à électrons à champ électrique élevé dans "l'oxydeentre grilles" [91]

TABLEAU RECAPITULATIF SUR LES HAtTI'E URS DE BARRIERE La valeur indiquéeest la valeur moyenne avec entre parenthèse l'écart type.Lot et-séquences des 1ères étapes de fabricationtrancheeBED 10en eVen eV.remarques concernant la technologie utiliséeo-oxyde de grille thermique (850 A)SI 267 2,85 2,10 -implant. ionique phosphore 130 keV-4.10'5cm-3(0,01) (0,05) gravure ouverture oxyde minceSI 270 2,89 2,05 oxyde mince thermique (150 A : SI 267)(0,00) (0,05) (200 X : SI 270).poly 1 dopé pendant le dépôt.oxyde interpoly : Si02 thermique (900BED 13Rl 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 minceo-oxyde mince thermique (150 A : RI 32).poly 1 dopé après dépôt.oxyde interpoly : S102 thermique (500BED 14 -oxyde de grille thermique (850 A)RI 80 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)

BED 15 -oxyde de grille thermique (850 A)RI 102 2,75 2,98 -implant. ionique phosphore loo keV-4.lO'5cm3(0,01) (0,02) gravure ouverture oxyde minceRI 96 2,87 3,02 oxyde mince thermique (150 A : RI 96-RI 102)(0,00) (0,02) .poly 1 dopé pendant le dépôt0oxyde interpoly : + 100 A Si02 thermique surplus 700 X Si3N (RI 102)+ 800 Si3N4 (RI 96)BED 16A. -oxyde grille thermique (150 X)RI 121 2,86 2,78 -implant.ionique phos. lOOkEv-4.1015cm3(0,01) (0,01) A -gravure ouverture oxyde mince (même étapes-oxyde mince thermique (180 1) (que BED 14)BED 16B-gravure ouverture oxyde minceRI 130 2,37 3,00 B -oxyde mince thermique (180 X)(0,01) (0,01) -implant.ionlque phos. 100kEV-4.10'5cm3BED 16C-gravure ouverture oxyde minceRI 135 2,86 3,04 C -implant.ionique phos. 100kEV-4.10'5cm3(0,01) (0,01) -oxyde mince thermique (180 X).poly 1 dopé après dépôt.oxyde interpoly : Si02 500 X déposé

BED 17RI 160 2,87 2,87 RI 160 mêmes étapes et remarques que pour(0,00) (0,02) le BED 14RI 161 2,87 3,11 RI 161 (oxyde fin : loo A)(0,00) (0,10)RI 155 2,95 3,15 RI 155 même que précédemment mais oxyde(0,01) (0,03) interpoly : 500 Si02 thermiqueBED 26SI 646 2,84 2,90 mêmes étapes et remarques pour le BED 14(0,06) (0,06) mais l'oxyde interpoly est du Si02 thermiqueSI 634 3,02 2,80 (500 ) (oxyde fin 120 )(0,00) (0,05

C H A P I T R EIIIPROBLEMES LIES A L'UTILISATION DU FLOTOX EN CIRCUIT

111.1 INTRODIETIONL'utilisation du dispositif Flotox en circuit conduit àétudier certains points afin d'assurer un bon fonctionnement et unebonne fiabilité du circuit.Nous étudierons ces différents points dans ce chapitre.On regardera d'abord les "fenêtres mémoires" qui sont à labase du fonctionnement non volatil. On s'occupera ensuite des problàmesd'endurance et de rétention qui confàrent (Ou non) une bonne fiabilitéau circuit. L'étude intermédiaire des "temps de montée de la tension deprogrammation" permettra d'expliquer certains résultats constatés suri 'endurance.Enfin nous étudierons la limitation de la programmation etdonc de la fenêtre mémoire liée à la présence d'un transistor série.

- 158 -ioyS.nV7fof4f3fBED 10 - 92 207COURBE EXPERZMEJ4TALECOURBE THEORZOUE2oCTENSION OECRITURE en V9 9 9 2C Co - - N N N N N N-2FIGURE 3-1Cycle "non cumulatif" d'écriture2 Ye Sn y -1.JIENOION OEFFACENENT en V9 9 2 2 ;o --N-2 SEO io sx 257i:COURBE EXPERIMENTALE_-_ COURBE THEORIQUE, T- IONSFIGURE 3-2 : Cycle "non cumulatif" d'effacement

111.2 CYCLES DE PROGRAMMAhTIONLors de la programmation d'un dispositifamené, soit à écrire le dispositif, soit à l'effacerFlotox, on est; on modifie ainsila 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 deprogrammation donnés, l'ensemble des valeurs tension de "seuil haute"et tension de "seuil basse" constituent ce que l'on convient d'appelerla fenêtre mémoire.Pour rendre compte expérimentalement de cette fenêtre onpeut réaliser des "cycles non cumulatifs", tels ceux présentés parles figures 3-1, 3-2 et décrits au chapitre précédent, ou bien encoreréaliser des "cycles cumulatif s"Ces cycles cumulatifs présentent l'avantage d'être facilesà mettre en oeuvre et consistent à mesurer la tension de seuil dudispositif pour des valeurs progressives de la tension de programmationdu dispositif sans revenir à chaque mesure à la tension de seuilinitiale.Ce type de cycle permet de bien rendre compte desdifférentes fenêtres pour les différentes tensions de programmationutilisées. 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 à5% pour les derniers points du cycle et inférieure à 1% pour lespremiers points.

- 160 -ioCYCLE EXPERIMENTALBED No: 17SI 143 eotlf 20FIGURE 3-3 : Cycle "cumulatif" expérimentalCYcLE IHEDRIQUEei7YS initial - 4.15 VQ initiale - -2.480e-13 CEcriture en 10.00 RSEffacement en 10.00 MS5 SURFACES (en U Carre): S [t] - 7; S I2 206S[31- 3i:S[41- 53S[5]- 18: S[63- 153EPAISSEtJRS (en Angstrot): T [11- 68: T [2] - 488i r [3]-T(4]-T [5]- 825T[6]- 9802J -f--- +------ f-' 1 42 1 9 2FIGURE 3-4 : Cycle "cumulatif" théorique

La figure 3-3 présente un cycle expérimental, tandis quela figure 3-4 présente le cycle théorique correspondant, obtenu àl'aide du modèle présenté au chapitre précédent.Les expressions théoriques analytiques de la charge injectéeet de la variation de tension de seuil correspondante (formules 2-75, 2-76, 2-78) permettant d'expliquer l'allure de ce cycle.Dans le cas d'un cycle cumulatif la formule 2-78 s'écritQ - Ql(3-l)VT2 VT1 - )où VT2 représente la nouvelle tension de seuil obtenue à partirde la tension de seuil VT1 et par l'injection d'une quantité decharge Q - Q1, où Q dépend de la tension et du temps de programmationutilisés et où Q1 représente la quantité de charge stockée sur lagrille flottante au départ de l'injection.Dans l'expression (3-l) on remarque que VT2 estdirectement proportionnel à QQQlVT2 =-ç + (V, + (3-2)Si l'on considère la partie du cycle située à droite de l'axe desordonnées et au-dessus de l'axe des x, correspondant à 'l'écriture", àpartir d'un dispositif vierge, on explique la forme de la courbe de lamanière suivante à l'aide de la formule 3-2 et de l'expression de lacharge injectée Q (formule 2-75).QdiECci. S1 d ECLog[ T + exp (d1ECEC (AVG + (B - 1)VD) + Q1C (AVG + (B-1) VD) (3-3)en écriture, on a normalement : VD = O et VG tension deprogrammation

+ tant que la tension de programmation est faible (VG faible) etsur un dispositif vierge la charge initiale Q0 étant faible, le termeexponentiel dans le dénominateur du premier membre de l'expression 3-3est prédominant et on voit ainsi que Q tend vers la charge initiale Q0Q+cet l'expression 3-2 s'écritQVT2 = - ( ) + (VT + VTOce qui explique le palier du cycle.lorsque la tension VG augmente, le terme exponentiel n'est plusprédominant et on amorce le changement de courbure dans le cycleproportionnel à Q.+ lorsque le terme exponentiel devient négligeable devant l'autre termedu dénominateur l'expression 3-3 peut s'écrireQ constante - Xc (A VG)soit encore Q = constante - C2 Vet l'expression 3-2 devientQlVT2 = VG + Tl + ç) + constantesoit VT2 VG + constanteet ainsi, la tension de seuil est directement proportionnelletension d'écriture avec une pente de 1.la

+ Si VG atteint des valeurs trop importantes, une conductiontravers "l'oxyde entre grilles" peut opérer et on assiste au phénomènede 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 estde - i puisque pour des raisons de commodité de tracé on a utilisé unetension négative de grille avec une tension drain nulle pourl'effacement.eToutefois, dans le cas où l'effacement est effectué enappliquant des tensions croissantes sur le drain, avec une tensionnulle sur la grille, la description précédente reste valable mais lapente n'est plus de i mais de(B - 1)EC -C2Aon ne retrouve une pente de L que dansle cas où les capacitésparasites (C3, C, C5 ;cf chapitre II) sont totalement négligeables.

- 164 -ioSVs HAUTDEGRADATION: BED no: 25PLAQUE: SI 622 MOTIF nO- 20loRS7 I I I I. , + + +IeYe HAUTs7 is54o-i-2-3-46432-6 I e e e e I-e + , . . + +eo£+ +s5Vo eweINo .to o o-o.+---.-.-..__.....+« .-*.-..n.-. ...--- -p---4-.-. -.-.--.--.-.-.... -. -.-4.-..-.-Ieu I I4. + t4-ECRITURE: 20v INSEFFACEMENT: 20V INSDEGRAOATIQ GED na: 25PLAQUE: SI 618 MOTIF nO- 20I ¡ ¡ ¡ 4.s¡eFIGURE 3-5 : Endurance du dispositif Flötox-e-s-7-s-s-to5Ya RASI I I I I4.TEMPS MONTEE:FIGURE 3-6 :Endurance du dissositif Flotox et c1a.uge de l'o.x de associéà un bref temps de montée4.5.OUSI+ECRITURE: 20v. tOMSEFFACEMENT: 20v. ioxsI

- 165 -111.3 ENDURANCE DES DISPOSITIFS111.3.1 Résultats expérimentauxLa répétition de cycles de progrannnation sur un même dispositifa pour conséquence une dégradation de la fenêtremémoire.Les figures 3-5 et 3-6 représentent ces effets dedégradation en fonction du nombre de cycles de programmation.Ce type de relevé a été effectué sur 190 dispositifs etréalisé suivant trois modes opératoires différents concernantles modes de programmation- une première série a été réalisée tension et temps deprogrammation constants mais avec un temps de montéevariable de la tension d'écriture et d'effacement (pour unedurée d'impulsion de 10 ms, on a fait varier les temps demontée 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 fenêtremémoire diminue) se situe d'une manière générale auxenvirons de 10 cycles et diminue légèrement lorsque lestemps de montée sont inférieurs à 10 i.ts (toutefois cedernier résultat n'est pas systématique pour tous lesdispositifs).

- 166 -D'autre part, on observe des claquages de l'oxyde pour lesbrefs temps de montée, plus le temps de montée est court,plus le claquage opère tôt. Généralement, le claquage estsitué au-delà du seuil de dégradation (lOs) mais danscertains cas et pour des temps de montée inférieurs, ouégaux à 1 us, ce claquage peut avoir lieu avant.En conclusion, pour assurer un seuil de dégradation de lOcycles, il semble nécessaire d'avoir un temps de montéesupérieur à lo s.- Une deuxième série de courbes a été réalisée en utilisantun temps de montée constant (100 us), une durée deprogrammation constante (lo ms) et des tensions deprogrammation variables (de 14 A 20 V).Nous avons constaté que la valeur de la tension deprogrammation était sans effet sur le seuil de dégradation( lOs) mais avait un effet sur la courbure du tracé réalisélorsque l'on dépasse le seuil de dégradation : cettecourbure est d'autant plus forte que la tension de programmationest élevée.

- 167 -- Une troisième série de courbes a été réalisée à temps demontée (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 deprogrammation, le seuil de dégradation est constant ( lOcycles). On en déduit que la valeur du seuil de dégradationne dépend pas du temps durant lequel le champ est appliquémais de l'alternance des écritures et effacements. Cedernier point est confirmé par l'expérience consistant àfaire une série d'écriture (jusqu'à 106) consécutives et oùon n'observe aucune dégradation de la tension de seuil.D'une manière générale, pour des temps de montée supérieursà 10 is on peut s'attendre à des seuils de dégradation de lOcycles, toutefois, l'utilisation en circuit de tels dispositifspeut être poussée beaucoup plus loin car même au-dell duseuil de dégradation, la valeur de la fenêtre mémoire peutconserver une valeur suffisante (par exemple à la figure 3-6la fenêtre est encore de 9 V pour 106 cycles).

- 168 -111.3.2 Explications théoriques de la dégradationDans son état d'origine, un oxyde comporte des pièges àélectrons, leur présence étant liée à la fabrication de l'oxyde,De même, la présence de silicium polycristallin au-dessus del'oxyde peut créer lors de l'implantation phosphore du siliciumpolycristallin des pièges à trous [921.Mais, outre la présence de ces pièges, l'application d'unchamp électrique élevé aux bornes d'un oxyde mince (30 à 300 A)génère une forte densité de pièges à électrons [931. Ainsi, laprésence ou la création de ces pièges implique qu'une partiedes charges, lors d'une émission de charges par effet tunnelForvler Nordheim, soit piégée dans l'oxyde [941.Les effets et les mécanismes de ce piégeage ont été étudiéspar de nombreux auteurs [95][96}[97][98] ;il s'agit essentiellementd'un piégeage d'électrons. L'expérience suivante met enévidence ce dernier résultat ainsi que l'augmentation de lacharge 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'unearmature supérieure en silicium polycristallin, on fait desmesures quasi statiques de capacité en fonction de la tensionaprès avoir fait passer un courant constant pendant une duréedéterminée à travers la capacité.

- 169 -Le courant que l'on fait passer è travers la capacité estfixé à l'aide d'un générateur de courant la variation du;temps d'injection permet de faire varier la quantité de chargeinjectée. Le décalage que l'on constate dans le tracé descourbes C(V) permet de rendre compte de la quantité de chargespiégées. Le résultat de cette expérience est donné à lafigure 3-7.En ce qui concerne les dispositifs à grille flottante, lesdivers résultats concernant le piégeage permettent d'expliquerles courbes de dégradation de la manière suivanteAu-delà du seuil de dégradation, la quantité d'électronspiégés dans l'oxyde est telle que ces électrons créent unchamp qui s'oppose au champ injectant0 Le courantd'électrons pouvant transiter par effet tunnel ForvierNordheim est alors réduit et on assiste à une diminution dela fenêtre.Par ailleurs, dans certaines courbes (figure 3-6) on observeinitialement un élargissement de la fenêtre. Cela est dû àl'accumulation de charges positives aux interfacesinjectantes qui accroissent ainsi le courant d'émission 99Ce phénomène se poursuit jusqu'à la fin de cette accumulationde charges positives, ensuite la fenêtre mémoire demeurerelativement constante jusqu'au seuil de dégradation.

111.4. EFFETS DU TEMPS DE MONTEE DE IA TENSION DE PROGRAMMATIONPour programmer un dispositif, on applique une "hautetension" durant un certain temps. Pour parvenir à cette tension, laligne de programmation du dispositif (ou du circuit) passe de O(ou 5 V) à la "haute tension" en un certain temps ; nous appellerons cetemps : "temps de montée".Si le temps de montée est supérieur ou égal lo ma (pourune programmation de 100 ma par exemple), l'injection de charges opèrependant le temps de montée. En contre partie, plus le temps de montéeest bref, plus le champ aux bornes de l'oxyde mince atteint des valeursélevées comme l'illustre la figure 3-8. Cela est d6 au fait quel'injection ne peut avoir lieu durant le temps de montée pour lavaleur du champ donné, le temps pendant lequel ce champ est maintenuest trop bref pour permettre une injection de charges ; ainsi aucunemodification du champ interne ne peut venir diminuer la valeur du champinitial.Ainsi, plus le temps de montée est bref, plus la valeur duchamp aux bornes de l'oxyde mince tend vers la valeur maximum du champque l'on peut avoir aux bornes de l'oxyde, c'est-à-dire le champexterne dû à la tension de programmation plus le champ internecorrespondant à l'état précédent la programmation.

- 171 -0.700.680.660.640,620.600.580.560.540.520.500.460.460.440.420.400.380 .360.340.320. 300.280.250.2'0.220.200.180.160.140.120.100.080.060.040.020 006J*MYIIC F0POTI0MIEl.L( A LA OUAGE PIEGU t 1*111 GINDSION IOECALAGES OES C0U8ES C (V) EN FONCTION 0E 0-leT INJECTEfto I-le-8a..0: l-le-lame.: I-te-SaNOte-7A1.-6e,oO+r'sOuL INJCCTU ce Cle-5le-4zS cae. 4.4.lCrer,2sFIGURE 3-7 :Charges piégées en fonction de la quantité de chargesinjectées dans l'oxyde mince20..laisilte1614is12utosUi64I*toVs-VO Cn V)3 4lJ LA SXI LOO USLMSLO MS$ VALSU MANIMUM D LA TSP4SXDP41MS SI, MSFIGURE 3-8 :Effet du temps de montée sur la différence de potentiel auxbornes de l'oxyde mince et pour une faible valeur de la chargeinitiale 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) àpartir d'un état initial oil la tension de seuil vue de la grille decommande est de 0V. Cette figure correspond à des tracés théoriquesréalisés de manière numérique à partir des modèles présentés auchapitre II, et dans lesquels on suppose que l'injection des chargesest instantanée : en effet, la mobilité des électrons [621 est telleque pour les champs appliqués le temps de transit des électrons restetrès bref devant les temps de montée les pluscourts.On réalise de manière expérimentale des écritures pourdifférents temps de montée à partir d'un dispositif dont la tension deseuil est positive ou nulle, on constate que la valeur de la chargeinjectée ne varie pratiquement pas (elle est très légèrement supérieurepour les temps de montée très brefs c'est-à-dire pour des temps demontée inférieurs à 10 ps).Lorsque l'on réalise l'écriture d'un dispositif à partir deson état effacé, les résultats précédents sont modifiés.Ainsi, expérimentalement, on constate que pour un dispositifeffacé (par exemple un dispositif dont la tension de seuil vue de lagrille de commande est de - 5,8 V), la charge injectée augmente de 3Zentre un temps de montée de 100 ps et un temps de montée de 10 is. 1issurtout, coie nous l'avons constaté au paragraphe précédent, leclaquage de l'oxyde lors d'une dégradation opère d'autant plus t6t quele temps de montée est bref.La Figure 3-9, correspondant au tracé théorique de la valeurde la tension aux bornes de l'oxyde fin en fonction du temps de montée,permet d'expliquer ces résultats.

1732423222120(VS 10)i2-.' V34isille16141312iiloi:1. i i t us2 n i to u.3 n i so us4 n 1*M5 0* MOPITUS i LOO U*VAL*U* MAXIMUM 0* LA TUMSIOM 0* LA ILL* TLOYTAP4TTo o O O- * uo o o O O O O Oo u p. s * o 04- - * -T*M* spi UsO'OoFIGURE 3-9 Effet du temps de montée sur la différence de potentiel aux:bornes de l'oxyde mince lors d'une écriture et lorsque l'étatinitial du dispositif est un état "effacé"CLAQUAGESRN RNRNRRRNNNRNURUNRRUNNNR.aU NUNNRNNNR. URN..WRNRNRURNVR NNNRNNRNNNNNRRNNNNNRNN RUNRN NNRNURNNNNNRN.NNNNUN URNNUNRUNNUNÏRKRNRNN. RU NUNUNNRUURNNR NU RUN NNNRN r NRRNNRNN NUN NNNNNNUNNNNNRNNNMV/cu12101:!eIN Tu642U200182160143120120806040200Nb d.Puco..-iMoysEo typ.Hoy .urV/au8.93 MV/oi1.64 MV/orn212pu000FIGURE 3-10: Cartographie et histogramme du claquage de l'oxyde fin enfonction du champ à ses brnes

- 174 -Pour un temps de montée très bref (lo ps), le champélectrique est tel qu'il présente une pointe de champ dont la surfaceest supérieure à celle du pic de champ correspondant à un tempsde montée plus long (100 us par exemple) justifiant ainsi la légèreaugmentation d'injection pour de brefs temps de montée.D'autre part, on constate que plus le temps de montéeestbref plus le pic de champ atteint de très hautes valeurs : 14 mV 1cmpour 10 us de temps de montée. Bien que pour de telles valeurs dechamps appliquées en permanence, les oxydes devraient claquer, comme lemontre 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 assisteà un claquage. Toutefois, l'application répétée de ce champ conduit parun effet cumulatif à une destruction de l'oxyde [100] C'est ce qui sepasse lors des dégradations. Nous avons pu vérifier ce phénomène pardes mesures sur des capacités : Si poly-oxyde (80 X) - substrat lors del'application, durant des temps très brefs (5 à 10 us), deélectriques très élevés (12 â 18 mV/cm).champs

- 175 -111.5. RETENTION DE L'INFORMATION111.5.1 Rétention "naturelleOn appellera rétention "naturelle", la propriétéqu'a un dispositif de pouvoir conserver une informationlorsqu'il n'est soumis aucune polarisation extérieure.Les courbes expérimentales de rétention à températureambiante, c'est-à-dire la mesure I intervalle detemps croissant en progression géométrique de la tension deseuil d'un dispositif préalablement écrit ou effacé,montrent une invariance de cette tension de seuil surplusieurs jours.Si l'on suppose que la perte d'information est dueà la conduction entre la grille flottante et le drain ouentre la grille flottante et la grille de commande due auchamp interne, la valeur théorique du temps au bout duquelapparait une perte de l'information est de 10 ans. Il fautaussi noter que cette perte d'information n'est passuffisante pour empêcher le dispositif de fonctionner.On peut donc dire que les dispositifs Flotox réausésont une rétention supérieure à 10 ans.

- 176 -y. y+ f + + f+ffPEO *5 - MOTIF leEPAI8SELJ OXYDE MINCE :150 ATE1ERATE 0E LETUVE200CIE)S Sn HEURE4 4 I I 40+4- 4 4 I 4-4--4-4-Il I--i l-4--I-4-$-H10 100 1000+ f f f f f f fFIGURE 3-11 : "Rétention't de la charge surla grille flottante pour unetempérature de 200°C-, V*W.TZON * LE SIIL HAUT.F LI TDISII 0E LT% 0E SVf24-SI a-ICTIF IPe te e eei EOLE CEI)4TALi*45*I-sel-fi$*---4-$-4-I-v -+-444I4II -4 + 1*110411D1 0E LT*- - I- 4-H4lNI----I--4, 1111*----I--$--4 I 141*----4--I-H11111-.see s s - see s s si r i I i iSFIGURE 3-12 : Effet d'une tension drain de lecturesur une charge négativestockée dans la grille flottante

Lorsque l'on élève la température et que l'oneffectue des mesures de rétention, on constate que la perted'information n'est que peu accélérée dans le tempsjusqu'à une centaine d'heures et pour une température de200°C, la tension de seuil des dispositifs ne variepratiquement pas quelle que soit la tension de seuil de cesdispositifs. Au-delà d'une centaine d'heures, lesdispositifs dont les tensions de seuil "haute" ou "basse"sont importantes laissent apparattre un léger fléchissementde la quantité de charges stockées. Toutefois, comme lemontre la figure 3-11, un dispositif écrit à 7 V a encoreune 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 neconstate aucun changement.Ce faible effet de la température sur la rétentionest dû à la très faible part que celle-ci prend dans laconduction du type Fowler-Nordheim (cf chapitre II).111.5.2 Rétention sous polarisationLors de l'utilisation des dispositifs Flotox encircuit, et en dehors des phases de programmation, les zonesdiffusées ou la grille de commande du transistor Flotoxpeuvent atre soumises à la tension d'alimentation du circuit(5 V) soit en permanence, soit de façon répétée. La présencede cette tension peut conduire à une perte d'informationsdans deux cas

- 178 -- le dispositif Flotox est "effacé" (charge positive sur lagrille flottante) et une tension de 5 V est appliquée sur lagrille tandis que la zone diffusée sous oxyde mince est à O V.le dispositif Flotox est "écrit" (charge négative sur lagrille flottante) et une tension de 5 V est appliquée sur lazone diffusée sous oxyde mince tandis que la grille est à O V.Dans ces deux cas, la somme du champ interne et duchamp externe est suffisante pour permettre une conduction àtravers 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 accordqui permet d'une part d'affirmer que ce phénotiêne estessentiellement dG à une conduction du type Fowler Nordheimà travers l'oxyde mince.D'autre part, la courbe théorique permet de prédirela fenêtre disponible au bout d'un temps déterminé pour undispositif Flotox. Dans le cas des exemples desfigures 3-12 et 3-13 cette fenêtre est de 7 V au bout d'unetrentaine d'années.

- 179 -1.1 1.2 1.3 1.4 1.3 1.4 1.7 1.4 1.44ISSM -i-si,isUToes ot LTts144*e..e e... s C1(TMs'e24-4! -$CT1F 13-11-12-1m A3ATI4 J!L W.3-14 P tD A VO-6V-15 - YFIGURE 3-43 :Effet d'une tension grille de lecture sur une charge positivestockée dans la grille flottanteC.iU. S..-s.C-ill, J. cossu-cl.JC. FI.tt.e.Oroin( JZoxNJeIm gNIIJSos.we.C&cIcuRArION OU POCHI KEMOCRE FLOTOXFIGURE 3-14Vt. VtVt.VICnVIS1..-.C-nSnb.tr.t1)7FIGURE 3-15 : Référence des tensions FIGURE 3-16: Référence des tensionsprise dans le substratprise à la source

- 180 -111.6. LIMITATION DE LA PROGRAMM&TION LIEE AU TRANSISTOR SERIEDans la plupart des circuits du type EEPROM, il est nécessaired'utiliser un transistor 1DS en série avec le transistor mémoireafin d'isoler ce dernier et de permettre un adressage convenable.Nous étudierons en- particulier le cas correspondant à lafigure 3-14. Les résultats présentés dans ce cas sont généralisables àd'autres configurations possibles d'utilisation de l'ensembletransistor mémoire - transistor série.Dans ce cas précis, nous nous intéresserons â l'effacementdu point mémoire, c'est-à-dire le cas où les électrons sont injectés dela grille flottante vers la ne diffusée. Pour cela, on applique O V âla grille de contr6le et une tension positive sur la grille série et ledrain du transistor série ; la source du transistor Flotox estgénéralement laissée flottante de façon à éviter un supplément deconsommation de courant lorsque durant l'effacement, le canal Flotoxdevient conducteur.Ce qui nous intéresse est de connaitre lapar le transistor série à lalorsque l'on applique sur le drain du transistortension transmisene diffusée située sous l'oxyde mincesérie une tensionV. Cette tension sera intégralement transmise si l'on a inversion dansle canal. Nous simplifierons dans un premier temps en nous plaçant dansle cas de la forte inversion; il faut donc queV >VGS T

- 181 -où VGS est la tension entretension de seuil du dispositif.grille et source et VT laEn prenant comme référence des tensions,en volume du substrat, on peut écrirela tensionVG> VS +VT(3-4)ouVG> V1 + VT si l'on veut que la tensionV1 soit intégralement transmise.Ce résultat est illustré la figure 3-15./En utilisant une expression classiquepour un Ì4DS canal N de grande dimensionde la tension de seuilVT = VFB ++ K(VSB + 2 (3-5)où VSB est la tension entre source et volume du substratest le potentiel de FermiK est le coefficient représentatif du substratVFB est la tension de bande platela relation (3-4) devientVG VS + VFB + + K(Vs + 2 (3-6)

- 182 -!LC OC DOPAGC SIIVAC.MTAT DC OCPART. -I 1 W1.14 C.3MPI.ANTAT1ON Ofa 7(...5...../C2S'.. 71*A d...yd. . lIllA do n.OXYD'suae?M?AP*Cl TRAI?EMO4TI THClJ-eFIGURE 3-17 : Profil de dopage du substrat obtenu par "SUPREM"1.17 .../..I PRIL 0E OOPAGE APPROCI1.151.14d-VlaVIS VI - N VI VI VI F.- . . . .. . .: .x en 11mFIGURE 3-18 Appröxìnitton du profil dedópage dans le substrat

- 183 -Afin de déterminer expérimentalement la relation existantentre le coefficient d'effet de substrat K et la tension sourcesubstrat,nous avons utilisé un transistor 1S unitaire identique d'unpoint de vue technologie au MOS série du point mémoire.Pour la mesure, nous avons polarisé le substrat et relié lasource à la masse ; la source servant de référence de tension (figure3-16) La relation 3-5 s'écrit dans ce casV =V +T FB1/22 + K(- VB + 2 (3-7)Le tracé de la tension de seuil en fonction de(VB + 2 permet, par la mesure de la pente de lacourbe, de déterminer K en fonction de VB et ainsi de tracer lacourbe expérimentale donnant le coefficient d'effet de substrat enfonction de la tension de substrat0Nous avons par ailleurs réalisé un tracé théorique de cettecourbe en utilisant le profil de dopage de ce transistor déterminé parle programme de simulation "SUPREM (figure 3-17). Nous avons approchéce prof il de dopage suivant la figure 3-18.Connaissant le profil de dopage, la résolution de l'équationde Poisson permet de déterminer la densité de charges en volume dusubstrat cette charge est reliée au coefficient d'effet deBsubstrat K par la relationox= - K (VB + 2(3-8)oi C0est la capacité par unité de surface de l'oxyde dutransistor MOS.

- 184 -2.0LI______iCOtC TOZLe...... com EXPERIMU«ALE2.72.12.52.42.)2.22.12.1L.O1.11.7I.e1.51. 4L)1.21. 11.1LOLI.7LILS1.4LI1.2LiLIey. ysFIGURE 3-19 :Valeur de l'effet de coefficient de substrat en fonctionde la tension substrat-sourceMOC OC OD4TZON$ REOUITES !LMITE C... - 1.7.-I F/C..2 Xj - 1.8 U.1-1.7 U. L - 4.5 U. siph. - 1.4FIGURE 3-20: Tension de seuil du MOSsérieen fonction de la tension

- 185 -Le détail du calcul est donné en Pinnexe 3.Les résultats théoriques et expérimentaux sont présentés àla 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 defaibles dimensions [101] et la détermination expérimentale desparamàtres d'ajustement sur des MDS 7/5 [102] ont permis de connattrela courbe donnant la tension de seuil du NOS série en fonction de latension substrat (figure 3--20).Cette courbe ainsi que la relation donnant la tension quel'on peut avoir sur la zone diffusée située sous l'oxyde mince (nousappellerons 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 dela zone diffusée sous oxyde mince en fonction de la tension grille dutransistor série.La courbe expérimentale est réalisée à partir du principesuivant si la tension de la zone diffusée située sous l'oxyde minceatteint une valeur limite due à la tension de grille du transistorsérie, une augmentation de la tension drain de ce transistor doitrester sans effet sur l'effacement du dispositif Flotox.Ce résultat est observé expérimentalement sur des cyclesd'effacement non cumulatifs (figure 3-21) où l'on constate unesaturation. Le début de cette saturation permet de connaître larelation entre la tension VD (Flotox) et la tension de grille duMUS série.

- 186 -VJENSION 0E SEUIL BAS EN FONCIIQN 0E LA ÎENSION DRAINPLAOUE.SI 201NaTIF... 10VG NOS ..t.- 21vVOFIGURE 3-21 : Effet de saturation sur l'effacement du Flotox dO au MOS sérieSAT.RATION 0E LA TENSION DRAIN i FLOTOX EN FCT!ON DELA TENSION GRILLEJ NOS SERIEC.. - L 0.-S F/C.2XJ - S.S U.a1 - 1.4Z - L 7 U.L - 4.5 L$COURSE THEORIQUECOURSE EXPERINENTALEVG.. VFIGURE 3-22 : Valeurs de saturation de la tension drain du Flotox enfónctìon de la tension grille du MOS série

- 187 -Ce type de mesure, réalisé pour différentes tensions dela grille du transistor série, permet d'obtenir la courbe expérimentaleVD (Flotox) en fonction de VG (MOS série).Toutefois, la comparaison des courbes théoriques etexpérimentales montre un écart entre les deux tracés. Cet écart est dûa la simplification apportée par l'hypothèse initiale, où nous avonssupposé que la "transmission" de la tension dans le canal opérait àpartir de la forte inversion. En fait, celle-ci débute avant, notammentpour un lIDS de faibles dimensiOns. La mesure du seuil de "transmission"de la tension effectuée à l'aide d'un électromètre (présentant donc unetrès forte impédance) sur un lIDS unitaire de dimensions voisines decelles du MOS série et réalisé sur la même puce a permis de chiffrer cedécalage ;la relation 3-9 devenantVD (Flotox) VG (MOS série) - VT(3-10)(MOS série) + 0,75La corrélation théorie expérience est alors très bonne (figure 3-22).Les résultats précédents montrent l'influence du transistorsérie sur la tension réelle de programmation du transistor Flotox.On remarque que la programmation d'un dispositif Flotox estfortement dépendante de la tension de seuil du MOS série et du profilde dopage. Il apparatt souhaitable d'avoir un MOS série ayant unetension de seuil aussi faible que possible et la moins dépendantepossible de la tension substrat. Il faut donc un profil dopage tel quela concentration en surface permette d'avoir une tension de seuilpositive et que le dopage en volume décroisse rapidement.

- 188 -OPTIMISAT!QOU PROFIL 0E O0PACSIMULATION SUR SUPREME(Ju(nCoImplaratat.ion GORE 7GKev 8G11 atlu/CM2uo-aXo -X'au zo(-aanOUOaoaFIGURE 3-23 : Optimisation du profil de döpageIA1tRATI4 O LA TENSI4 CRAIN .J Ft.OTXDI FCTICN OC LA TD13I CRILL.E OU NCRXC CPTIMZSE- L S.- F/C.OUE T)CRRi, VFIGURE 3-24 : Courbe de la tension de saturation du drain "optimisée"

Toutefois, un profil de dopage idéal peut poser desproblèmes de perçage pour des MOS série soumisune haute tension.Pour des petits circuits, il semble préférable d'ajusterd'abord le profil de dopage et de déterminer ensuite les dimensionsminimales des transistors série.Ainsi, avec le profil de dopage proposéla figure 3-23, laperte en tension due au transistor série est minimisée (figure 3-24) ;mais le transistor doit avoir une longueur supérieure ou égale à 6 impour éviter le perçage.Pour des circuits complexes il est important d'assurer lefonctionnement du circuit avec de faibles fenêtres umoire de façon àavoir des transistors de dimensions minimales l'effet du transistor;série étant dans ce cas moins critique

- 190 -111.7. CONCLtSIONOn peut dégager certains impératifs parmi les différentsaspects de l'utilisation du dispositif Flotox en circuit- Il est nécessaire d'avoir une fenêtre mémoire convenable qui ne sedégrade pas au cours des différentes programmations. Le seuilexpérimental de dégradation des dispositifs Flotox est de l'ordre de10 cycles d'écriture/effacement pour des fenêtres mémoires de plusde 10 V.Toutefois, l'utilisation du Flotox en circuit montre que detelles fenêtres mémoires (10 V) ne sont pas nécessaires : une fenêtremémoire de l'ordre de 3 V peut souvent suffire.Les résultats théoriques et expérimentaux montrent quecette fenêtre peut encore être largement atteinte pour plus de 106cycles de programmation et une rétention de plus de 30 ans.- Il est nécessaire aussi, afin d'éviter des claquages prématurés del'oxyde fin, d'avoir des temps de montée àsupérieurs à 10 is.la tension de programmation- Une bonne conservation de l'information se traduit par une bonnerétention c'est-à-dire, une non dégradation de la tension de seuilprogrammée. Celle-ci est estimée à plus de dixréalisés.ans pour les dispositifs- Enfin, il est avantageux de transmettre la majeure partie de latension de programmation au dispositif non volatil. Cela impliqued'optimiser les caractéristiques de fabrication du transistor sérieafin de minimiser les effets de volumede perçage.tout en tenant compte des effets

CHAP I TREIVCOMPARAISON DU DISPOSITIFFLOTOX AVEC D'AUTRES STRUCTURES DU MEME TYPEET EVOLUTION DE CE DISPOSITIF

IV 1. INTRODUCTIONLe dispositif Flotox n'est pas l'unique structure grilleflottante utilisant un système d'injection de charg par effet tunnelFowler Nordheim. En effet, il existe actuellement deux autresstructures "Hughes" et "FETMOS" (Motorola)) grille flottante et demême type d'injection que le FlotoxNous présentons, dans ce chapitre, ces deux structures etnous effectuerons une comparaison avec le dispositif Flotox.Nous montrerons aussi qu'une évolution des dimensions duFlotox est limitée si l'on utilise toujours du dioxyde de silicium entant qu'oxyde mince.

- 193 -GRILLE FIOTTAIITEFIGURE 4-1 : Point mémoire du type HHugheshlHUCHESCYU..Esr iMJ(fin1 M1 M2FIGURE 4-2 :Cycle expérimental d'écriture/effacement du dispósitif uHugheslt

- 194 -IV.2. POINT MEI4OIRE DU TYPE HUGHESCe point mémoire, proposé par Harari [103] , s'apparente audispositif Flotox. La différence essentielle entrele dispositif Flotoxet le dispositif Hughes est la position de la ne amincie : elle estsituée au-dessus d'une ane diffusée pour le Flotox,transistor Hughes, elle est située au-dessus du substrat.tandis que pour leLa figure 4-1 donne la représentation en coupe d'une structureHughes. Cette structure nécessite de polariser le substrat afinde pouvoir réaliser un 'effacement" (injection d'électrons de la grilleflottante vers le substrat). Par conséquent, il est impératifd'utiliser une technologie à caisson d'isolement.Si l'on omet la présence de ce caisson d'isolement, ledispositif Hughes peut avoir des dimensions légèrement plus réduitesque le Flotox si la ne amincie est située au-dessus de la zone canaldu transistor. Toutefois la présence du caisson confère au dispositifHughes des dimensions plus importantes que le Flotox.A l'aide du masque 'BED" et des motifs présentés au chapitreII, il a été possible de réaliser des structures du type HUGHES ensupprimant le niveau de préimplantation. II est à noter, toutefois, quela présence d'une fenêtre dans le silicium polycristallin 1, créée unflot de zone diffusée au milieu du canal.Sur ce type de dispositifs nous avons réalisé quelquescycles d'écriture et effacement dont on présente un résultat à lafigure 4-2.

wr* C1 U C.,.)i 1W. liIZ. 7JIt. *$t43- auTSL 142Ar.-s.)iTW. IThT.7-tC4.C1 I)Z.( FLOTUIvs sn y¡4u.a,vsJ-$11 Iji It IItvsYl t.isti.I¿U Ya &iu.1. I. U CCasp.l.rL11..IUIlUws-s44 h siegst. UYg.sei4.- L.UcP r'11' LU 4p.- 1. é.s.' IL U $6FIGURE 4-3 et 4-4 ; Comparaison théorique des cycles de programmatjon des dispsitjfs Hughes et Fibtox pourdes djmensjons géométriques identiques

L'élaboration d'uit modèle pour ce type de dispositif présentéen Annexe 4 a permis de simuler le cycle expérimental (figure 4-3).Etant donné le bon accord théorie expérience nous avons réutilisé lesparamètres nécessaires à la simulation du cycle de type HUGHES pourréaliser un cycle équivalent théorique Flotox (figure 4-4).Les cycles HUGHES et Flotox, bien que très voisins, fontapparaître une légère supériorité du point de vue de la programmation,du dispositif Flotox.Cette différence est due à l'influence du potentiel de surfacesur la capacité d'injection du dispositif HUGHES. Les figures 4-5et 4-6 donnent les valeurs du potentiel de surface en fonction de latension appliquée et de la charge injectée sur la grille flottantecorrespondante.D'une manière générale, le dispositif HUGHESapparaît commemoins intéresant que le dispositif Flotox ;en effet ce dernier estmoins encombrant et plus facile à réaliser que le dispositif HUGHESpuisqu'il ne nécessite pas de caisson 'd'isolement.D'autre part, le Flotox présente des fenêtres mémoires sensiblementmeilleures que celles du dispositif HUGHES, les autrescaractéristiques demeurant équivalentes.

197V.21.61.41.31.21.11.00.Io..0.7o..0.60.40.30.20.1-o.-o --o a-e.-eo- - NFIGURE 4-5 : Potentiel de surface du dispositif Hughes en fonction de latension de programmatìonI ONP'I /u,tt. d. urf..s(.r* C.'mE)CYCLE MDACY.f INITIAI./-.tt .VII I I - * I I e 4Ç-44£ - o a- *7*NEXON XOUEE ari V)4-4 II I-+..2 g gFIGURE 4-6 :Charge injectée sur la grille flottante du dispositif Hughesen foritìon de la tension de programmation

IV.3. STRLETURE MOTOROLA (FEThOS)La structure FETMOS ("floating-gateélectron tunneling Mou "NOS à injection pareffet tunnel sur une grille flottante")proposée par MOTOROLA [1041 est une structure à grille flottante et àmécanisme d'injection de charges par effettunnel Fowler Nordheim. Lafigure 4-7 donne le schéma en coupelongitudinale de ce dispositif.Tout coe le dispositif HUGHES, le FETNOS s'apparentebeaucoup au Flotox. La différence entre le FETMOS et le Flotox résidedans la position de l'oxyde mince :ce dernier est situé entiàrementsur le canal pour le FETMOS.Le principe de fonctionnement en programmation du FETNOSest le suivant : pour injecter des électrons sur la grille flottante("écriture"), une haute tension (20 V) est appliquée à la grille decontrôle, tandis que les drain et source du FETMOS sont à la masse (demême que le substrat qui est relié à la masse en permanence). Sousl'effet de cette tension (transmise par couplagecapacitif à la grilleflottante) des électrons peuvent transiter par effettunnel FowlerNordheim à travers l'oxyde mince du substrat vers la grille flottante.Dans le cas inverse, afin de créer une charge positive surla grille flottante ("effacement") on applique une haute tension (20 V)au drain, tandis que la grille de contrôle est à la masse et la sourcepolarisée à + 5 V.

RXLLE FLOTTANTEARILLE DE CONTROLEAUZOE AIIINCIEJ9 Du CANALDEAThLTRAX8TOR SERZEJf9IBTRAT p-sFIGURE 4-7 : Point mérnoij'e 11FE111OSCUL 1) RDTC. YCU.E TIEIa ...........sçYs,,ssssFIGURE 4-8 :Comparaison théorique ds cycles de prògramatìon des dispositifsFlotox et FEThIOS pour des gêdmétries comparables

Le champ électrique créé dans la partie de l'oxyde fin situéentre la grille flottante et l'extension latérale de la diffusion dedrain provoque le départ des électrons de la grille flottante vera ledrain par effet tunnel Fowler Nordheim. La polarisation de la source+ 5 V durant cette opération permet au composant FETMOS d'êtreprogrammé une tension de seuil d'environ - 5 V. Si la source n'étaitpas polarisée, lorsque la tension de la grille flottante atteindrait lavaleur d'origine du dispositif vierge, un courant pourrait circulerdans le canal ; la tension drain serait alors réduite, ayant pourconséquence-une limitation de l'injection de charges.Lors de l'écriture (injection d'électrons vers la grilleflottante), la surface injectante du FETMCS est la surface canal plusles surfaces des extensions latérales des diffusions.Si l'on se place dans le cas d'un dispositif Flotoxayant une même valeur de surfaceinjectante, une même valeurd'épaisseur d'oxyde mince et une même valeur de capacité d'oxyde entregrilles, on pourra considérer que lesidentiques en ce qui. concerne l'injectionflottante. En effet, ils ont une même surfacedispositifs FETMOS et FLOTOX sontd'électrons vers la grilleinjectante et une mêmevaleur "A" de couplage entre la grille de contr6le et la grilleflottante.Par contre, ces deux dispositifs sont différents lors del'injection d'électrons de la grille flottante vers le drain

Le champ à travers l'oxyde mince estproportionnel à (1-B),où B est le coefficient de couplage entre le drain et la grilleflottante. tns le cas du Flotox,nous avons vu que (l-B) était peudifférent de A, or, entre les opérations d'écriture et d'effacement, lasurface injectante reste la même, il y a donc sensiblement symétrieentre écriture et effacement. Dans lecas du FET14OS, lors del'effacement, on diminue d'une part la surface injectante et d'autrepart, le coefficient de couplage entre drain et grille flottante B'. Elen découle que (1-B') >A et donc que le champ électrique dans l'oxydemince 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 modèleprésenté au chapitre II et modifié pour tenir compte des couplagesconvenables (différents à l'écriture et à l'effacement)montre que pourdes dispositifs réalisables pratiquement, l'effet de modification ducouplage prédomine sur l'effet de modification de surface. Ainsi, sil'on suppose que l'on n'estpas limité par une éventuelle conductiondans le canal des dispositifs (source polarisée), on trouve une trèsbonne efficacité d'injection à l'effacement pour le FETMOS.Nous présentons à la figure 4-8, le résultat comparatif dessimulations d'un dispositif Flotox et d'un dispositif FETNOS. Ledispositif Flotox utilisé pour cette simulation correspondapproximativement au point mémoire de l'EEPROM 2816 d'INTEL ; le FETNOSutilisé pour cette simulation est le dispositif correspondant à ceFlotox du point de vue surface injectante à l'écriture et du point devue couplage entre grille flottante et grille de contrôle; ce dernierdispositif se rapproche beaucoup de celui utilisé dans le point mémoirede 1'EEPROM 2832 de MOTOROlA [1051. L'épaisseur d'oxyde mince a étéprise arbitrairement égale à 100 A.

La comparaison de ces deux cycles montre unesimilitude à l'écriture. A l'effacement, lapour le FETMOS, malgré lad'avoir un début d'injection avant celui duplus importante du cycle correspondantparfaitemodification de couplagediminution de la surface injectante permetFlotox, ainsi qu'une penteà l'effacement.Bien entendu, en pratique, l'effacement est limité pour cesdispositifs, par la tension appliquée sur la source.Nous présentons à la figure 4-9 une comparaison del'encombrement de la cellule Flotox 2816 d'Intel et dla celluleFETMOS 2832 de Motorola [107 .La cellule 2816 d'Intel a une largeur de silicium polycristallinestimée à 2,5 i.tm et une longueur de diffusion de 3im donnant unesurface injectante de 7,5 tm2.La cellule 2832 de Motorola a une largeur de silicium polycristallinde 3,2 im et une largeur de canal de 2,8 ihm, ce qui donneune surface injectante d'écriture de 8,96 tm2.La surface totale du point mémoire est de l'ordre de630 tm2pour le Flotox et 270 m2 pour le FETMOS, ainsi pour des caractéristiquessimilaires le FETMOS permet, grke à sa zone d'oxyde mince située audessus 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 ducanal présente l'inconvénient d'une chute de tension de seuil dutransistor ; celle-ci étant due au piégeage de chargdans l'oxydemince lors des cycles de programmation. Toutefois, cette chute detension 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, leFETNOSpossède encore un autre avantage sur le Flotox : lors de la fabricationdu FETNOS, toutes les étapes technologiques sont semblables cellesdu Flotox mis à part la préimplantation, qui n'est plus nécessaire dansle cas du FETNOS.

-TSI8T0R0E LECTUREFIGURE 4-9(a)ComparaisOn pour une même échelle des dimensions du FEThtOS (aLjFlotox (b) présentant sensiblement lamêm surface injectanteki6umTRANSISTOR 0ELECTI0NZONE ANINCIEOUVERTURE POUR IMPLANTATIONFIGURE 4-10: Vue de dessus du dispósìtif Flotox devant être utìlisé pourle circuit "NOVRAM"

IV.4. PRESENT&TION DU PONT NEMOIRE FLOTOX UTILISEDAINS LES CIRCUITSNON VOLATILS ET EVOLUTION POSSIBLE DE CE TYPE DE POINT MEMOIRELe point mémoire utilisé dans le circuit NOVRAÌ4 est présentéà la figure 4-10. Ii présenteune surface de 730 11m2 et estfabriqué à l'aide du procédé décrit au chapitre II. Sa rétention estestimée à plus de 10 ans etcycles de programmation.son seuil d'endurance supérieur à 1OOn donne à la figure 4-11, le cycle théorique de cedispositif qui possède une fenêtre mémoire de 15 V pour une tension deprogrammation de 20 V et de 6 V pour une tension de programmation de15 V.Les limites d'utilisation de ce point sont données à lafigure 4-12 où nous avons tracé la valeur de la fenêtre mémoire enfonction de la tension et du temps de programmation. Le trait pleinindique le lieu correspondant à une fenêtre mémoire de valeur constantede 5,5 V.Le développement de la technologie et l'utilisation dematériel plus perfectionné (notamment l'utilisation d'un photorépéteurqui doit surtout permettre de gagner en tolérance d'alignement) doitpermettre de diminuer les dimensions dece point mémoire en réduisantles règles de dessin essentielles pour ce dispositif : ainsi, enutilisant des règles de dessin du type FINOS 2 (largeur de siliciumpolycristallin 2,5 11m) mais adaptées à la haute tension (pour éviterles perçages et assurer une bonne tenue des diodes en tension) le pointpeut être ramené à une surface de 348 11m2.

- 206 -* (.i U C..). 1(11- $- 24$$ 4S$$- ¡7.$- ¡IIt1 øI14$C... 1.,... _hTEZi- ¡*T- -II! 4-T-TX-ISIL44.44 ¡%a.ttt.1- LY4 StL*.1.- I.UC-? £.itiur.p.1.yLfl..s 1LN4 .. Eff.s...nbp.rl.éWisl 1LFIGURE 4-11 :Cycle théorique du point mémoire Flotox devant être utilisépour le circuit 'tNOVRAM"-t. ato ea ei r s s o* - - - - * - - - NTO4SION X PROGRAI4$ATION sii VFIGURE 4-12 :Fenêtre mémoire du dispositif Flotox devant êtrele circuit NOVRAM en fonction des temps et tensìons deprogrammationutilisé pour

- 207 -fr'eI4 ZONE ACTIVEFigure 4-13 :Evólution possible des dimensìons du dispositif Flotox EFCISTENSION 0E PROGRMI4ATII Sn VFIGURE 4-14 : Fenêtre mémoire du point précédent en fonction dü temps etde la teflsìòn deprogranination

Cela correspond I un gain de 2 sur la surface du pointmémoire (ce gain correspond approximativement è celui d'Intel lors dupassage, pour leurs points mémoires Flotox, des règles du type HMOS iè 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 etune hauteur de barrière standard aux interfaces de 3 ev, on obtient unefenêtre 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 lesrésultats expérimentaux du chapitre III permettant de s'attendre I unseuil d'endurance supérieur à 10 000 cycles d'écriture/effacement.La figure 4-14 donne les limites d'utilisation de ce pointen fonction du temps de programmation et de la tension deprogrammation ; le trait plein indique le lieu des temps et tensions deprogrammation pour lesquels on a une valeur constante de 4 V de lafenêtre mémoire.L'amélioration des points mémoire à injection du type tunnelFowler Nordheim passe par une diminution des surfaces, un abaissementdes tensions de programmation et une amélioration du seuil d'endurance.Lors de la diminution des surfaces, on estamené, afin deconserver au dispositif ses facultés d'injection de charges, à diminuerles épaisseurs d'oxyde notamment l'épaisseur d'oxyde mince. L'épaisseurlimite semble être 60 A car en-dessous de cette valeur, outre lesdifficultés de reproductibilité de fabrication, l'injection de porteurspar effet tunnel direct pourra avoir lieu, rendant le controle de lacharge et la décharge de la grille flottante très difficile.

- 209 -De même, on pourrait obtenirun abaissement des tensionsde programmation par une diminution de l'épaisseur d'oxyde mince niaisla même limite s'impose.C'est pourquoi, il semble prépondérant de s'intéresser à denouveaux diélectriques pour remplacer l'oxyde mince (Si02). On peutagir ainsi d'une part sur les hauteurs de barriàre et d'autre part surles densités de défaut de pièges ce qui permet d'améliorer le seuild'endurance.On citera à ce propos, l'oxynitrure. L'oxynitrure est obtenupar recuit d'oxyde thermique avec de l'ammoniaque, il permet d'obtenirdes densités de courant de programmation importantes grâce àl'abaissement de hauteur de barriàre tant à l'interface substrat/óxydeque grille flottante/oxyde ; cela permet de diminuer les tensions etles temps de programmation (par rapport aux oxydes thermiques ce gainest globalement supérieur à 25% [4411). D'autre part, l'oxynitrurecomparé au Si02 thermique présente une haute endurance, une forte tenuediélectrique, une faible vitesse de piégeage et une bonne résistanceaux radiations [108].T.h autre type de diélectrique à base denitrure permetd'améliorer la hauteur de barrière à l'interface substrat/oxyde. Ils'agit d'un isolant à bande interdite graduelle obtenue à partir denitrure de silicium, auquel on fait subir une oxydation en surface [1091[110].On peut aussi citer, en tant que diélectriques présentantde faibles hauteurs de barrière, les diélectriques à base de siliciumriche en S1O2 [uil!

10S2.0 0-2.12.22.72.2LS1.42.1L!2.5LO -.-- ao ! gTOIIXON 0EAII(ATII.n YFIGURE 4-15 :Evolutiön de la fenêtre mémòire du Flotox de la Figure 4-13 enfonction de la valeUr dde progranniatlön de 1 MShauteur de barrière et pOur un tempsFBEIW )0SII Vi,LILi2.22.1'.42.5LU2.72.2LULOo - -'qTDUXDI XglNJIATI0N SII VFIGURE 4-16 :Evolution dela fenêtre mémoire du Flotox de la figure 4-13en fonctiOn de la valeur de hauteur de barrière et pour untemps de prograrnmtìon de lo MS

20FENETRE 1404018E en V1510LiLB1.92.01.11.21.31.41.5LB_4_1.0 0,-, r4,o Cu C') ID r'.TENSION DE PROGRAMMATION en VFIGURE 4-17Fenêtre mémoire d'un dspösitif à injection par effet túnnel FowlerNordheim dont les caractéristiquesgéométriqUes correspondent au Flotòx de la figUre 4-13 mais dont lóxydé mince cörrespond à un oxydemince sur silicium polycristallin

Nous montrons aux figures 4-15 et 4-16 l'influence que peutavoir la hauteur de barrière sur la fenêtre mémoire pour deux valeursdu 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 obtenupar oxydation de silicium polycristallin permet d'obtenir des valeursde hauteur de barrière très faibles : elles peuvent varier entre 0,6 et2 e.v. ;toutefois, il semble très difficile d'obtenir une bonnereproductibilité de la valeur de la hauteur de barrière pour ce typed'oxyde (cela étant dû à la difficulté d'obtention d'une bonne reproductibilitéde la croissance des grainsà l'interface Si poly/oxyde).La figure 4-17 présente les fenêtres mémoires que l'on pourraitobtenir avec un tel diélectrique dans le cas du dispositif de lafigure 4-13 pour un temps de programmation de 10 ma et des valeurs detension de programmation inférieures à 10 V.

IV.5. CONCLtEIONLa comparaison des structures HUGHES et FETN (dispositifsà grilles flottantes et à injection par effet tunnel Fowler Nordheim)avec la structure Flotox montre que le dispositif FETNOS est le plusintéressant.Il présente, en effet, pour un grand gain de place descaractéristiques générales équivalentes à celle du Flotox.La structure HUGHES, quant à elle, semble être la moinsintéressante, tant du point de vue encombrement, qu'enles caractéristiques de programmation.ce qui concerneLa structure Flotox que nous avons utilisée pour laconception du circuit du type "RAN non volatile" a une surface de730 m2. Toutefois, cette surface peut être diminuée de plus d'unfacteur 2 par le passage à des règles de fabrication du type HNOS 2.Au-delà de cette nouvelle surface, une diminution ultérieure sembledevoir passer nécessairement par l'utilisation de nouveauxdiélectriques, associée à une réduction des règles de dessins standardset tolérances d'alignement ; ces diélectriques présentant de faiblesvaleurs de hauteur de barrière aux interfaces silicium-isolant etgrille flottante-isolant.

DEUXIEMEPARTIE

CHAPITREIGENERALITES SUR LESCIRCUITS NON VOLATILS

- 215 -1.1 INTRODUCTIONLes mémoires non volati 1es actuellement les plusuti tisées sont des mémoires EPROtI ("electrically programmable ROM"ou "mémoire morte programmable électriquement"). Ces mémoires sontinscriptibles électriquement et généralement effaçabl parrayonnement ultra violet.L'apparition des mémoires inscriptibles et effaçablesélectriquement doit conduire au remplacement progressif des EPROII.En effet l'effacement électrique peut se faire dans le système etde manière beaucoup plus rapide qu'avec un effacement par ultraviolet.Les applications de ces mémoires inscriptibles eteffaçables électriquement sont nombreuses , distinguera lesapplications où une faible densité de points mémoire estnécessaire, et celles où une forte densité de points mémoire estnécessaire. 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 bordd'automobile (voir figure 1.1) pour lequel lors de la mise soustension, il y a lecture des données inscrites dans la mémoire nonvolatile (ancien kilométrage, valeurs des constantes d'étalonnagedes appareils de mesure, initialisation...). En fonctionnementnormal, c'estàdire lorsque te véhicule est en route, la mémoirenon volatile n'intervient pas,par contre à la coupure du contact,les données relatives au kilométrage sont stockées dans I'EEPROM.

- 216 -commandes. 'tei lace conwnande da( f scheutaffichagemémoire(tai vs.*r. )kilométrageFIGURE I-1 : Système de tableau de bord d'autaobileBLOCIAFFIcHABE FREBL1ENELAVXER0E 0SWEEu.asasNENOIRE NON VOLATILEFigure I-2Synthétiseur de fréquenceM $41«MuT-411CVNiaiFN14WtMIMIMIFIGURE I-3Schéma bloc d'un microprocesseur avec EEPROM

- 217 -Ui autre exemple concerne lessynthétiseurs de fréquence.donne à la figure 1.2 le schéma de principe d'un tel système.Les fréquences d'accord souhaitées pardans une mémoire non volati le de manièrel'utilisateur sont stockéesnumérique. Lors dufonctionnement du système, la fréquence choisie paret préalablement stockée del'utilisateurmanière numérique sera traduite engrandeur analogique par un convertisseur digital analogique. Cesignal analogique permet alors l'accord du récepteur sur lafréquence choisie. L'ensemble de ces opérations estmicroprocesseur.piloté par unCe dernier exemple met bien en évidence la supériorité dece type de mémoire sur les EPROM : il est en effet très facile ettrès rapide si des fréquences d'émissions sont supprimées etd'autres créées, de stocker les nouvelles fréquences à la place desanciennes.La densification des mémoires inscriptibles et effaçablesélectriquement permettra l'utilisation de ces mémoires dans dessystèmes où une grande densité de points mémoire est nécessaire. icitera comme applications : les EEPRCM standards et des microprocesseursavec EEPRI. Cette dernière application a déjà donné lieuà une réalisation. Il s'agit du microprocesseur proposé par SEEQ[*1 1 dont le schéma bloc est donné à la figure I-3. La présenced'une EEPRCM dans un tel système peut permettre des mises à jouressentielles du logiciel, la réalisation d'un programme de sécuritéempêchant un utilisateur non autorisé de recopier le programme d'unautre uti lisateur,' et lorsque un tel système est appliqué àrobotique, au contrôle de procédé ou à l'automatique, la présencede I'EEPRI permet une automodification des programmes et paramètreslors du changement des conditions opératoires ou lors d'uneusure de la machine.laDans le tableau ciaprès nous résumons lesdifférentsdomaines d'applications pour lesquels des produits ont été réalisésou envisagés [*2 1.

- 218 -DOMAINES D'UTILISATIONEXEMPLES D'UTILISATION- télévisionGRAND PWLIC :INDUSTRIE :- contrôle et mises à jour- automobile- compteurs de consommationd'eau, électricité...- régulation de chauffageSERVICES :- TELECOMMUNICATIONS- satellites (possibilité dereprogrammation à distance)annuaires électroniquespour téléphone- SERVICES D'INFORMATIONS- stockage et reprogrammatior,des informations vidéotex- JOURNAUX- mise à jour quotidienne desinformations- MAGASINS- terminal de point de vente- stockage et reprogrammationdes informations publicitairesessentielles des logicielsdu système informatique

- 219 -Quelque soit le type d'utiLisation, Les circuits nonvoLatiLs peuvent se regrouper suivant deux types :- Circuits type EEPROM ("Electrically erasabLe programmable readonly memory" ou "mémoire morte inscriptible et effaçableé Lectriquement").- Circuits type NOVRAM ("non volatiL random access memory" ou"mémoire vive non volatile").

_J_SELECTIDN D4 XTRANSISTOR NENOIREIvcc8ECTI0N D Y ET LECTUREFIGURE I-4 : Cellule mémoire d'une EEPROMLOSISUE 0E COMNANSEDO*lEES OENTREE/SORTI- 9ELECTXON DE JcE0ETENI0N DA.IMEJ4TATICN(vccjTSI0W DE PROGRAIØ4ATIØN: VPP- AUTORIIATION LECTURE- L0XJE DEcRXTL -EFFAMQLIFXCATEUROENTREES/SORTXES- DC00B UL0E -- SELECTEUR DE COLONNES -- AN NEMOIHE -DE00EUR LIANE- i6aa axle -FIGURE I-5 : Schéma fonctionnel d'une EEPROM

- 221 -1.2 CIRCUITS DU TYPE EEPROM1.2.1 GénéraLitésLe principe de fonctionnementutilisation s'apparentent à celuiessentielle entre L'EEPROM et la ROMl'on peut si on le désire,C'est donc aussi cettesation de L'EEPROM de celle de la ROM.de L'EEPRCM et sond'une ROEl. La différenceréside dans le fait quemodifier l'information stockée.particularité qui différencie l'utilicaractérisée par L'ajout de deux fonctionsCette différence estdans L.'EEPRCM visà vis de la ROM : l'écriture et l'effacement électrique.HtBfltCes fonctions d'écriture etd'effacement consis-simplement à modifier la tension de seuil cli transistorpar l'un des mécanismesprésentés dans la première partie.La cellule de base de I'EEPROMcorrespond généralementà la cellule mémoire de type PROM : l'élément contenantl'information est accessible parl'intermédiaire d'un transistorsérie. La figure 1.4 illustrecette cellule mémoire. La grilletransistor série permettent la sélectionlorsque les cellules sontmémoire.la configuration dede commande et le choix ducli point mémoirematricées pour constituer un plan1.2.2 Description du fonctionnementNous décrirons Le fonctionnement desEEPRCM àtravers l'exemple d'une mémoire commercialisée : 1' EEPROM2816, 16K d'INTEL, {*3 [*4 1.Le schéma fonctionnel de cettemémoire est donné àla figure I-5.

- 222 -Le plan mémoire contient 128lignes et 128 colonnessoit 16 384 cellules mémoire. Le décodeur lignes permet lasélection d'une ligne parmi les 128.Le décodeur colonnes permet la sélection de 8colonnes en même temps, plus une (Ligne de programmation) parl'intermédiaire du circuit sélecteurs cotonnes. Les 8 cetlulesainsi sélectionnées sont reliées aux 8 amplificateursd'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 tousles circuits principaux.Enfin, des amplificateursd'adresses lignes etcotonnes fournissent des signaux adéquats aux décodeurs.Le plan mémoire est réaLiséde la manière présentéeà la figure 1.6 : la cellule de base de la mémoire est constituéed'un transistor mémoire du type Flotox et d'un transistorde sélection, ces cellules sont matricées pour constituerle plan mémoire.La lecture est effectuée en sélectionnant le pointmémoire, en appliquant une tension positive (5V) sur la lignede sélection et sur la grille de commande du transistormémoire. L'information est récupérée sur la colonne correspondantau point mémoire choisi. Lorsque la chargegrille flottante estsur lanégative, le transistor mémoire estbloqué, dans le cas contraire il est passant.L'effacement peut être réalisé par byte ou globalement.Il consiste à injecter des électrons sur la grilleflottante.

- 223 -COLOII4E i COLOMME 2LIGNE 0ETRANSISTOR 0E SELECTIONSELECTION ALIGNE DETRANSISTOR MEI4OIREPROGRAMMATION ALIGNE 0ELIGNE 0EPROGRMI4ATI0NFIGURE I-6Configuration du piaR mémoire d'une EEPROMCOLONNE i OCLOIGIE 20V0VCOLOMME i COLONNE 220V0V20 V20 VIRNSISTOR DE SELECTI201VITRGSIBTOR MEM0IREaavHEORITURE D'UN 'i"(CHARGE DE L.A GRILLE FLOTTANTE)ECRITURE D'UN "O"OECHARGE DE LA GRILLENTEECRITURE D'uN 'i"CCONSERVATION 0ELA CHARGE 0E LAGE)FIGURE I-7 : Mécanismes d'écriture de niveauxdans les points mémoirelogiques "1" et "O"

- 224 -L'effacement global consiste à appliquer la tensionde programmation (20V) sur toutes les lignes de programmationet de sélection, les colonnes étant maintenues à 0v.L'effacement par byte consiste à ne polariser à latension de programmation que la ligne de programmation et desélection du byte choisi, toutes les autres lignes étantmaintenues à 0v ainsi que toutes les colonnes.L'effacement sélectif par point mémoire ne pouvantpas être réalisé, il est impératif de réaliser une écriturepar 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 programmationet la ligne de programmation à 0V.Q, polarise la source des points mémoires à VCC afind'éviter une consommation de courant inutile et une perted'efficacité d'injection de charges, lors du passage de latension de la grille flottante à une valeur supérieure àla tension de seuil du dispositif vierge.Pour les points mémoires donton veut décharger lagrille flottante (écriture d'un "0") on polarise la colonnecorrespondante au point mémoire à la tension de programmation.Pour Les autres points mémoires pour lesquels on désireconserver l'état de l'effacement, c'est-à-dire la grillechargée (écriture d'un "1"), on applique 0V sur les colonnescorrespondantes.I 7.Ces différents mécanismes sont résumés à La figure

- 225 -1.3 CIRCUITS DU TYPE NOVRAM1.3.1 GénéralitésLa NOVRAM ou mémoire vive non voLatiLe peutêtreprésentée sous L'aspect d'une double mémoire :- une mémoire RAM cLassique,- une mémoire EEPRI permettant de stocker Le contenu de Lamémoire RAM, lorsque cela est souhaité et bien entendu derécupérer cette information dans la RAM soit à la remisesous tension de la mémoire, soit à tout moment au gré del'utilisateur.La figure 1.8 donne le schéma fonctionnel d'uncircuit du type NOVRAM. reconnait l'architecture classiqued'une mémoire RAM, la seule particularité réside dans Le planmémoire qui doit réaliser à la fois la fonction RAM et lafonction EEPRI, cela se traduit par des configurationsparticuLières de cellules mémoires.Ces cellules mémoires se distinguent des cellulesmémoires RAM classiques par l'adjonction d'éléments nonvolatils. L'introduction de ces éléments non volatils a deuximplications :- d'une part il est nécessaire, actuellement, Lors d'un fonctionnementnon volatiL, d'avoir des tensions supérieures àcelles communément utilisées en circuit intégré (ces tensionsseront appelées "hautes tensions").- d'autre partl'insertion des éléments non volatils ne doitpas perturber le fonctionnement RAM classique.

- 226 -Transfert R4M-EEPROMMmo,r, EEPROMlic i batRappelEntredonneeiS&lectionde circuitEcritvreautorise,EC4LLSTORESortiedonnes32colonnesL.00u.t®Adressage colonnesFIGURE I-8 : Schéma fonctionnel d'une NOVRAM*voo*vss1-qn. d. motFIGURE I-9 : Bstable en technologie FIGURE I-10 : Bistable en technologiemonocanal

- 227 -Le point essentiel d'une NOVRAM est donc Lacellule mémoire, et iL est nécessaire, afin de réaLiser unemémoire vive non volatile, de choisir en premier lieu unecellule mémoire convenable, ainsi q'une technologieappropriée qui autorise l'uti Lisation de "hautes tensions".1.3.2 Cellules mémoires1.3.2.1 Principe de baseL'éLément de base de la ceLlule seraconstitué par la cellule couramment utiliséemémoires vives, c'estàdire parun bistable teLcelui représenté àN ou à la figure I-10 en technologiedans lesLa figure I-9 en technologie canalCMOS.Afin de figer de manière non volatile Lecontenu de la RAM statique, on utilise ledéséquilibre des noeuds du bistable (que l'on peutaccroltre en augmentant par exempLe La tensiond'alimentation) pour écrire ou effacer le ou Leséléments non volatils.Le repositionnement de La cellule mémoire(c'estàdire le basculement du bistabLe dans L'étatcorrespondant aux informations inscrites dans Le oules éléments non volatils) est réalisé en créant ledéséquiLibre convenable des noeuds du bistable.Ce déséquilibre peutêtre réalisé soitdirectement sur les noeuds du bistable, soit surbranches du bistable qui mènent à ces noeuds.les

- 228 -LXNE 0E arrLIGNE DE arrFIGURE I- ii :Cellule mémoire non volatile, montage du type "parallèle"LlENE 0E arrLlENE 0E BITvccLIGNE DE MOIFIGURE I-12 :Cellule mérncuìre non volatile, montage du type "série

- 229 -1.3.2.2 Présentation de quelques cellules mémoiresA - 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 cetype de montage pour une technologie canal N.L'aspect non volatil est obtenu grâce àdeux éléments non volatils (par exemple ii typeFlotox) D1 et D2 que l'on assimilera afin desimplifier la description à des interrupteurscommandés.Le montage parallèle est constituéd'une cellule classique à 6 transistors (T1 à T,T et T6) à laquelle viennent s'ajouter les deuxinterrupteurs commandés D1 et D2 et les transistorsT5 et T.En fonctionnement normal, la commandeC bloque Tet T, D1 et D2 n'interviennent doncpas.Avant la coupure de VDD, les interrupteursD1 et D2 vont "mémoriser" l'état de labascule :- Si Q = "O" et Q = "1", D1 prend l'état ouvert,tandis que D2 prend l'état fermé.- Si Q = "1" et Q = "O" D , et D2 prennent lesétats comp lémentai res.

- 230 -La tension d'alimentation VDD peutalors âtre supprimée. D1 et D2 gardant leur étatpendant le temps de la coupure.A la remise sous tension, la commande Crend conducteurs les MOS T et T5, mettant enservice D1 et D2.Le côté du bistable correspondant àl'interrupteur fermé reste au niveau bas, tandisque l'autre côté suit la montée de la tensionVDD.De ce fait, quand VDD atteint sa valeurmaximale, le bistable est positionné dans L'étatprécédent la coupure de VDD. La commande C metalors T5 et T hors service et Le fonctionnementnormal reprend.Le montage "série" fonctionne de manièreanalogue. Les interrupteurs D1 et D2 sontconnectés en série dans Les branches du bistable.Lors de La mémorisation, l'interrupteurssitué du c8té où le bistable est à "O"prend l'état ouvert, tandis que l'autre prendL'état fermé.A La remise sous tension, le côté quicomprend l'interrupteur fermé suit VDD, tandisque l'autre, isolé de VDD par l'interrupteurouvert, reste au niveau bas.Le bistable se reposjtionne doncdansl'état voulu, et Les transistors T5 et T6 courtcircuitentD1 et D2 en fonctionnementnormal.

- 231 -A partir de ces deux types de montagesde nombreuses variantes sont possibles. Il fautaussi noter que ces principes restent vaLables entechnologie CMOS.- Exemple de cellule réalisée en technologieCanal NLe schéma de principe d'un premiertype de cellule est donné à la figure I-13.[*5:1.Cette cellule est composd'unbistable dont les branches sont légèrementdéséquiLibrées. 1h dispositif à grilleflottante électriquement programmabLe T5 estplacé en parallèle avec un transistor de charge16 sur l'une des branches du bistable. Letransistor T5 est bloqué lorsque sa grilleflottante est chargée négativement. De ce fait,le transistor 16 n'est pas shunté etl'impédance présentée par T, T6 est environ10 Z plus élevée que l'impédance du transistorT3. Lorsque le transistor T est passant,c'estâdire lorsque sa gri Ile flottante estdéchargée ou chargée positivement, letransistor T shunte le transistor 16 etl'impédance présentée par le transistor T estenviron 10 Z pLus faible que celle de T3le suivant :Le fonctionnement de la cellule est- en fonctionnement mémoire vive classique, ledéséquilibre de + 10 Z d'une branche ciibistable par rapport à l'autre ne perturbepas le système.

- 232 -- lors de la mise en mémoire non volatile, latension d'alimentation VDD normalement à 5Vpasse à une haute valeur de tension (del'ordre de 20V). Sil'on suppose le noeudNB 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 drainseront à unehaute tension. De cette manière on chargerapositivement la grille flottante. (15 passant).Dans le cas inverse (NA dans l'étathaut et NB dans l'état bas), les source etdrain de 15 seront à 0V tandis que sa grillede contr6le sera à la "haute tension", ainsion chargera négativement la grille flottante(T5 bloqué).Lors du repositionnement, siest passant, 16 est shunté et laprésentée par Tprésentée par T3résistanceest inférieure â celleet donc la tension au noeudNB montera plus rapidement que NA, provoquantla conduction de T ; ainsi les cellulesretrouveront l'état qui avait été stocké. Si 15est bloqué, la résistance présentéepar T, Test supérieure à celle présentée par T3 et doncla tension sur le noeud NA montera plus rapidementque NB provoquant la conduction deT2De nombreuses autres cellules réa liséesen technologie canal N, ont été proposéeset reposent sur le principe du déséquilibre desbranches cii bistable. [*61 [*71

LIGNE DE BIT13 14F-LIGNE DE BIT15 IT6TBLIGNE DE MOTFIGURE I-13 :Cellule mémoire non volatileréalisée en technologie canal Nvo01ET5j4is-IT7NIYssFIGURE I-14Cellule mémoire non volatile réalisée endétail du point mémoiretechnologie CMOS et

- 234 -Exemple de cellule réalisée en technologie CMOSLe schéma de principe d'une celluleréalisée dans cette technologie est présentée àla figure 1-14. [*8].L'élément non voLatiL. T, T de cettecellule est constitué par deux transistorsmontés en série et de type canal N et canal P.Ces transistors possèdentune grille flottantecommune avec une zone amincie située du côtécanal N ainsi qu'une grille decommune.commandeA cet élément non volatil on connecteen série deux transistors 1 et T6 de façon àajuster les résistances équivalentesdes différentséléments du circuit : l'ensemble 15, 13est en parallèle avec Tparallèle avec T.; et T, 16 est enLors de la lecture le fonctionnementse résume au fonctionnement normal d'unbistableCMOS, et Le déséquilibre introduit par Labranche non volatile est réduit par la présencedes transistors T5 et 16.Lors de latile, le passage detension se répercutemise en mémoire non volalatension VDD à une hautesur l'un des noeuds, ainsil'élément non volati I est polarisé entre grillede contrôle et drain à la haute tension, ce quipermet la charge ou la décharge de La grilleflottante.

- 235 -Le repositionnement utilise ledéséquilibre des branches créé par Laprésence de L'élément non volatil. Toutefoisle système est tel que l'on retrouve l'étatcomplémentaire à l'état stocké sur les noeudsdu bistable.De même qu'en technologie canal N, denombreuses ceLlules ont été déveLoppées entechnologies CMOS [*9] [*10].B - Cellules à noeuds déséqui librés :Nous présentons à la figure I-15 unecellule de ce type réalisée en technologiecanal N [*111.L'opération de mise en mémoires'effectue de la manière suivante : durant lapremière moitié du cycle de mise en mémoire,l'élément non volatil (dans ce cas un Flotox) esteffacé (grille déchargée) en maintenant leslignes CLK et PRO à 0v, et en polarisant la ligneCLR à la tension de programmation VPP. Durantdeuxième moitié du cycle, CLR est ramené à 0V,CLK est à VCC (tension d'alimentation ducircuit : 5v), et PRO est amené à la tension deprogrammation VPP. Le transistor T9 étant bloqué,la haute tension demeure sur le noeud D tant quele transistor T7 ne peut pas conduire. Sinoeud B est à 0V, le transistor T7 est passant etla tension du noeud D chute à 0v, ainsi T5 peuts'écrire (stockage d'électrons sur la grilleflottante).leLa

LSN(FIGURE I-15 :Cellule mémoire non volatile à noeuds déséquilibrés, réaliséeen technologie canal NLBT5PAj VdcIIcMnfTILB34pVssLMFIGURE I-16 : Cellule mémoire non volatfle innovative réalisée entechnologie CMOS et détail du point mémoire

- 237 -Lors du repositionnement les lignesCLK, PRO et CLR sont polarisées positivement etl'alimentation de La cellule RAM statique passede 0V à VCC. La cellule mémoire RAM statique esttelle qu'elle présente un léger déséquilibre defaçon à repositionner plus facilement le noeud Aà VCC, et c'est ce qui se passe lorsquetransistor Flotox Te est écrit. Par contre siest effacé, il existe par les polarisations CLK,PRO et CLR une liaison directe entre le noeud Bet La tension CLR ; ce système permet derepositionner le noeud B à VCC. s retrouve ainsila configuration originellement stockée.leBien entendu il existe d'autrescellules mémoires de ce type [*12] et certainesont été utilisées dans des circuitscommercialisés telle la mémoire 1K bit de XICOR(X2201) [*13] [*14].En technologie CMOS, nous avons proposéune cellule qui présente l'avantage d'êtreentièrement symétrique [*15].Cette cellule est présentée à la figureI-16. En mode écriture, l'état de La cellule estimposé par la présence d'une tension O ou 5V surla ligne de bit LB et le complément de cettetension sur la ligne de bit complémentaire 1.9*transmise aux noeuds du bistable par la mise enconduction des transistors T, et T, commandés parla ligne de mot LM.

- 238 -Lh état donné étant misen mémoire, ilpeut être lu également par mise en conduction destransistors T7 et T, à partir de la lignede motUI, les lignes de bit LB et LB* transmettantalors les niveaux des sortiesde la bascule.Q et R donc l'étatPour effectuer une sauvegarde de L'étatde la bascule, on fait passer temporairement(pendant lOms) la tension VDD à une valeur élevéeVH, de l'ordre de 20V.Ce passage de VDD à 20v peutêtreeffectué soit automatiquement Lorsde Ladétection d'une coupure de courant, soitsystématiquement à chaque changement d'état de labascule (pour un compteur par exemple), soit sousl'eff et d'un ordre de sauvegarde émisvolontairement.Sila sortie Q était au niveau bas, etla sortie R au niveau haut, on voit qu'ilapparaft 20V sur la grille de commande GC et GVsur la source cki transistor T6 Ce dernier estrendu conducteur tandis que le transistor T (àcanal P) est bloqué. the injection d'électrons aLieu dans la grille flottante à travers la zoneisolante amincie 34. La grillese chargenégativement et modifie la tension de seuilapparente (vue de La grille de commande) destransistors T et T6 : La tension de seuil dupremier diminue de quelques volts,second augmente de quelques volts.celle duPour une mêmetension appliquée par la suite sur la grille decommande, le transistor Tprésentera unerésistance interne plus faible que le transistor16.

- 239 -Dans ces conditions, lorsqu'on voudrarepositionner la bascule pour retrouverl'information sauvegardée, par exemple lors durétablissement de l'alimentation, on s'arrangerapour que VDD passe de O à 5v, les transistors Tet T étant bloqués pour isoler la bascule deslignes de bit. Cette variation de tension esttransmise par la capacité C au point M. Entre Lepoint M et la borne d'alimentation B, on trouvel'équivalent de deux ponts diviseurs, l'unconstitué par les transistors 15 et T, l'autrepar Les transistors T et 13 Les transistors 13et T sont identiques et au départ présentent desrésistances a priori équivalentes. Mais letransistor T est plus conducteur que Letransistor T. Le potentiel du point R monte doncau départ plus vite que celui du point Q. Cettedissymétrie initiale suffit à faire basculerfranchement la bascule dans un état correspondantà la sortie Q à VSS (0V) et la sortie R à VDD. Qiremarque que le repositionnement correspond bienà l'état initial avant sauvegarde, et non àL'état inversé.Si au contraire on était parti d'unétat initial où la sortie R est à 0V et la sortieQ à SV, Le passage de VDD à VH = 20V provoque unedifférence de potentiel de 20V entre grille decommande GC et source du transistor à canal n T6dans un sens tendant à expulser les électrons dela grille flottante â travers la couche isolanteamincie. Cette expulsion charge positivement lagriLle flottante de sorte que la tension de seuilapparente du transistor à canal P T augmente etcelle du transistor canal N 16 diminue. Pourune même tension appliquée sur la grille decommande GC, le transistor 16 présentera une plusfaible résistance interne que le transistor T.

- 240 -Lorsqu'on repositjonne La bascule enfaisant passer VDD de O à 5v, la variation detension VDD est transmise par la capacité C aupoint M. Dans tes ponts diviseurs constjtuésentre le point M et la borne B par lestransistors T et 14 d'une part, 16 et 13 d'autrepart, on voit qu'initialement T3 et 14 présententdes résistances sensiblement identiques, tandisque T a une résistance beaucoup plus faible queT5Ce déséquiLibre initial porte ta sortie Q àun potentiel plus élevé que la sortie R et suf f ità faire basculer franchement La bascule bistabledans un état où la sortie Q est à VDD et lasortie R à VSS, ce qui correspond bien à l'étatinitial qu'on voulait sauvegarder.

- 241 -1.4 CONCLUSIONLes produits non voLatilspeuvent4tre subdivisés suivantdeux classes de circuits :- les mémoires mortesinscriptibles et effaçables électriquement(E ERR 0M)- Les mémoires vives non volatiLes (NOVRAM)Le domaine d'application de cescircuits est très étendu(compteurs non voLatils, remplacementavec EEPROM...) etcertains produits à base d'EEPR1 peuvent euxmêmesdonner lieu à de nombreusesdes EPROM, microprocesseursréseau Logique programmable électriquementapplications tel par exemple unproposé par IBM [*161.Malgré La diversité et les architecturesproduits, la caractéristique essentielleest constituée par le point mémoireEEPRCM et ce point mémoire intégréLes circuits du type NOVRAMOdifférentes desdes mémoires non volatilesLuimême en ce qui concerne lesdans une cellule mémoire pourC'est donc Le choix du point mémoire ou depoint mémoire et cellule mémoire qui feramémoire non volatile.l'ensemblel'originalité d'uneBien que ce choix ait des implications directes pourl'ensemble du circuit : choix d'une technologie, tension deprogrammation extérieure ou générée sur la puce, caissonsd'isolement, on retrouve dans Les mémoires non volatiles (hormispour Le plan mémoire et lescircuiterie des mémoires de type ROM ou RAM.décodeurs) Les aspects classiques de la

- 242 -L'évolution des circuits cii type EEPRI ou NOVRAM dépenddonc directement et uniquement de l'évolution des points mémoireset de la technologie liée à leurs fabrication et utilisation.Actuellement la tendance est telle que l'on délaisse lespoints mémoires cii type MNOS (notamment à cause des problèmes liésaux difficultés de fabrication, aux rendements de production, etaux difficultés d'utilisation) au profit des points mémoires àgrille flottante.L'orientation vers des diminutions de consommation f avorise le développement des dispositifs à injection par effet tunnelcii type Fouler Nordheim. Parallèlement l'utilisation de diélectrjquesautres que le nitrure ou le dioxyde de silicium permetd'abaisser les tensions de programmation et de diminuer les problèmesde dégradation liés à la lecture.Dans le tableau suivant sont résumées les caractéristiquesprincipales de quelques produits EEPRCM ou NOVRAM actuels.

DENOMINATION ORGANISATION TECHNOLOGIE*SEEQ 52 B 1316K[*17]*XICOR X 281616K[*18 1INTEL 281716K 2816[*19]INTEL 2818[*2012K X 82K X 82K X 82K X 8NS 2K X 8-*MNC 281616K[*21 1NCR32K[*2214K X 8canal N,3mP.M. Flotoxà oxynitrurecanal N,5imP.M. 3 polycanal NP.M. Flotoxcanal N1,5imP.M. Flotoxcanal N3,5LmP.M. Flotoxcanal N,4mP.M. typeMNOSTAILLECELLULEMEMOIRESURFACEPUCETEMPSD'ACCESTENSIONALIM.TENSIONDE PROG.400iim2 200ns 5V généréesur puce- - - 5V --270iim2-15mm2250ns150nsSV5Vgénéréesur puce22V ext.séquenceur interne21vgénéréesur puce- 17,2mm2 200ns 5V 21Vgénéréesur puce241iim2 27mm2 300ns 5V-généréesur puceTEMPSPROG.CONSO.STATIQUECONSO.DYNAMIQUE RETENTION ENDURANCElOms 60mW 250mW - -lOms - - - -10/20mslOms300mW75mW900mW450mW10 ans10 ans10cyc Les10cycleslOms 50mw 350mW > 10 ans l05cycles10/lOOms150mW 450mW 10 ans 10cyc les

DENOMINATION ORGANISATION TECHNOLOGIEMOTOROLA*M.C.N 283232K[* 23]IM1OS*IM 363064t([*24J4K X 88K X 8canal N,3itmP.M. Fetmoscanal N,3pmP.M. typeMNOS(nitrox)isolementcaisson P** INTEL 512 X 8 HMOS i[*25 14KP.M. FlotoxTAILLECELLULEMEMOIR ESURFACEPUCETEMPSD'ACCESTENSIONALIM.TENSIONDE PROG.2óOtm2 20,6mm2 9Ons 5V 21vexterne-TEMPSPROG.167im2 33,7mm2 - 5V 10/lOOmsl764im2 18,67mm2-200ns 5V 2Omsgénéréesur pucetempsderepositionementCONSO.STATIQUECONSO.DYNAMIQUE RETENTION ENDURANCElOms 60mW 310mW - lO5cycles1500ns50mW 750mw 10 ans 1OcycLes250mW 500mW 10 ans l04cyc les** NCR8K[*26]1K X 8canal N,4mP.M. : MNOSisolementcaisson2l96pni2 31mm2 300ns 5V + 22VexterneslOms 160mw 300mW 1 an lOcycles.B. : . l'ensemble des produits présentés sont du type EEPROM à I 'exception des produits "**" du type NOVRAM.les EEPROM commercialisées sont notées par une astérisqueP.M. signifie point mémoire non volatil.le classement du tableau est fait par ordre croissant des capaci tées mémoires, on notera la présence demémoires 32K et 64K utilisant des dispositifs MNOS.

CHAPITREPRESENTATION DU CIRCUITNOVRAMCHOIX DES CELLULES MEMOIRES ET CHOIXDE LA TECHNOLOGIE

- 246 -11.1 INTRODUCTIONLe but de Ltétude qui afaisabilité d'un circuit RAM nonmémoires cii type Flotox. Cettematrice de petite capacité (256essentiel-les envisagées sont Les suivantes :été menée est de démontrer LavoLatiL, utilisant des pointsétude devant être faite sur unebits) dont les caractéristiques- capacité : 256 bits- organisation : 64 mots de 4 bits- tenus d'accès en lecture : 250nsconsommation : 100mWtemps de prise en mémoire :1 à lOms- temps de repositionnement : i à 2is- tension d'alimentation : 5V + 10 %- températ1e de fonctionnement : 00 - 70°C- rétention non aLimentée : > 5 ans- tension de programmation : ' 20V

- 247 -\/\rt/\\!/\/A1]RESSAGE LIGNESciLi L2 L3 L4LvCCECooEUoGIQUEC.S.D)LE.1/2 PLANL.1/2 PLANEXEI4OIREIGNEMENOIRECoMMMASSE/64AHuEMISE EN MENOIREREPOSITIONt494EuTC64CIRCUIT E/SCIRCUIT E/SFIGURE 2-1 : Organisation générale du circuit "NOVRAM"

- 248 -11.2 ORGANISATION GENERALE DU CIRCUITLe circuit est organisé ensynoptique de l'ensembLe pLan mémoire64 mots de 4 bits, le schémaet périphériques est donné àLa figure 2-1 [*27].Le plan mémoire est réparti en64 lignes et 4 colonnes.Cette configuration estpoints mémoires, et elle présentel'avantage de supprimer l'utilisationd'un décodeur colonne.acceptable étant donné le faible nombre deIl sera par contre nécessaire d'avoir undécodeur lignequi sélectionne i ligne parmi 64, on aura donc 6 entrées d'adressepour ce décodeur.Les amplificateurs d'entrée I sortie fournissent lessignaux adéquats pour le circuitd'entrée / sortie et la sortiedes données0La logique de commande assure le contrôle des circuitsd'entrée et de sortie, elle commande aussi tousles circuits principauxpour chacun des modes de fonctionnement: mise en mémoire,repositionnement, lecture.L'utilisation d'une même entrée pour la tension d'alimentationet la tension de mise en mémoire non volatile, permet des'affranchir de la commande mise en mémoire, et par conséquentcela 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 programmationexterne).

11.3 CHOIX DES CELLLLES MEMOIRES- 249 -11.3.1 Concept de dispositif Flotox isoléNous avons vu qu'une faible tension appliquée surle drain ou la grille de contrôle d'un dispositif Flotox,pouvait provoquer une dégradation de La charge stockée surla grille flottante. Dans une cellule mémoire cii typeNOVRAM lors cii fonctionnement RAM classique, un des noeudsdu bistable est toujours à 5v. Si donc le drain ou lagrille de contrôle cii dispositif non volatil sont reliés àce noeud, une dégradation de la charge stockée est possible.Gi appellera un "Flotox isolé" un dispositif f lotoxpour lequel ce mécanisme ne peut pas de produire.G obtient des "Flotox isolés" à L'aide de transistorsérie côté drain et sur La grille de contrôle. Cesystème alourdit La structure d'un point de vue encombreproblèmesment et d'autre part pose Lesliés au transistorsérie pour la transmission de la haute tension nécessaire àla programmation.IL n'existe donc pas de solutions idéales etétant donné que la dégradation qui apparaft sur un FLotoxnon isolé permet (d'après les simulations du fonctionnementd'un dispositif non volatil Flotox ayant les caractéristiquescii dispositif utilisé dans le circuit) d'avoir aubout de 30 ans une fenêtre de 5v, celleci est tout à faitsuffisante pour repositionner La bascule. Nous utiliseronsdonc des "Flotox non isolés".

- 250 -11.3.2 Présentation et description des cellules choisies11.3.2.1 Repositionnement statiqueLes celLules présentées dans ce paragraphesont réalisées en technoLogie canal N. ELlespeuvent cependant être réalisées en technologieCMOS en changeant L'élément de base de la cellule,c'estàdire le bistable en technologie CMOS.La cellule présentée à La figure 2-2 estconstituée d'un bistable qui permet le fonctionnementen RAM statique : 12 et T sont des MOSenrichis, 19 et 110 sont Les transistors d'accèsaux ligne de bits.Pour assurer la fonction de mémoire nonvolatile, on adjoint à chacune des branchesbistable, en parallèle avec T1 (respectivement13), un élément cii type Flotox T (respectivementT) en série avec un transistor d'accès 17 (respectivementTe). Les drains et grilles des transistorsFlotox sont croisés : le drain de T (respectivementT) est relié à la grille de T6 (respectivementT) ; on assure ainsi la symétrie del'ensemble et Le bon fonctionnement de La cellule.ciiEn fonctionnement RAM statique les transistors17 et T, sont bloqués, permettant ainsi unfonctionnement classique du bistable.Lorsqu'on veut mémoriser de manière nonvolatile l'état du bistable, on applique une tensionde 20V sur la ligne VDD, Les transistors T7et T, étant maintenus bloqués. Le noeud du bistablequi "voyait1' 5V en fonctionnement RAM, voitmaintenant 20V tandis que L'autre noeud demeure à0V ; ainsi le Flotox situé du côté de l'état hautaura son drain polarisé à 20v et sa grille à 0V.

- 251 -TBT.IOFIGURE 2-2 : Cellule mémoire non volatile symértrique à repjtionnementstatiqueFIGURE 2-3 : Cellule mémoire (non volatile symétrique à repositionnementstatique) simplifiéeFIGURE 2-4 : Cellule mémoire non volatile disymétrique à

- 252 -Cette polarisation va provoquer Ledépart d'éLectrons de La grille flottante versdrain et permettra ainsi au transistor Flotoxd'avoir un seuil "bas" (tension de seuil négative).leLe Flotox situé du côté de l'état bas,quant à lui, aura son drain polarisé à O et sagrille à 20v. La grille flottante collecteraaLors des électrons et le transistor Flotox auraainsi un seuil "haut" (tension de seuiL positive)Lorsqu'à un moment donné on voudra récupérer l'information stockée dans les transistorsFlotox, il suffira de rendre les transistors d'ac-'cès T7 et T8 passants, la ligne d'alimentation VDDpassant de O â 5V après avoir été préalablementannulée.Le FLotox ayant le seuil "bas" se comporteracomme un shunt du transistor déplété situéen parallèle, tandis que L'autre FLotox resterabloqué. La tension au noeud situé ai c6té "shunté"va donc suivre la tension d'alimentation tandisque l'autre restera à 0V.G-i retrouvera ainsi un état haut du côtédu transistor Flotox de seuil bas et un état basdu côté du transistor Flotox de seuil haut. Onrestitue donc, ainsi, l'exacte information stockéedans les 2 transistors Flotox.Le circuit de La figure 2-3 est unevariante de la figure 2-2 : on a supprimé le transistord'accès de l'un des transistors Flotox.Son fonctionnement est en tous points semblable àcelui du circuit de la figure 2-2.

- 253 -Cependant, et c'est là Le défaut ducircuit, Lors d'un stockage de l'inforifiation, il yaura un moment où les Flotox ne seront plus dansun état stable :bloqué ou passant mais dans unétat intermédiaire qui autorisera Le passage d'uncourant entre la ligne d'alimentation et la masse,provoquant ainsi une consommation que l'on évitedans le circuit de la figure 2-2. Cette consommationétant toutefois Limitée à la consommationdéterminée par les transistors déplétés de charge.En outre le risque de destruction del'état du bistable est assez grand pendant laphase de mémorisation. En contre partie, ce typede circuit, touten conservant une bonne symétriepermet de gagner un peu de place (unpar cellule).transistorLe circuit représenté à la figure 2-4est un montage dissymétrique. Les avantages engain de place par rapport au circuit de la figure2-2 sont évidents :une seule ligne de bit etdonc un seul transistor d'accès, un seul transistorFlotox avec un unique transistor d'accès.Toutefois l'inconvénient dece montageest dû à sa dissymétrie qui peut entra1ner desdifficultés de repositjonnementnon volatil.en fonctionnement11.3.2.2 Repositjonnement dynamiqueContrairement aux cellules à repositionnementstatique où le repositionnementse fait parl'intermédiaire d'un MOS interrupteur en sérieavec le transistor Flotox, le repositionnementdynamique se fait par l'intermédiaire d'une capacitéen série avec le transistor Flotox.[*281

CAPACITECAPACITELBFI.OTOXLNFIGURE 2-5Cellule mémoire non volatile symétrique à repositionnementdynamiqueFIGURE 2-6 Cellule mémoire (non volatile symétrique à repositionnenient:dynamique simplifiée)

- 255 -Les schémas électriques descellules(figures 2-5, 2-6, 2-7) sont tout à fait semblablesà ceux des figures (2-2, 2-3, 2-4). La seuledifférence réside dans le remplacement des transistorsd'accès en sérieavec les transistorsFlotox par des capacités.Pour les circuits des figures 2-5 et 2-6on voit que la différence des constantes de tempsRon C et Roff C, où Ron correspond au Flotox passantet Rof f au f lotox bloqué doit suffire pourrepositionrier le systèmepour une valeur convenablede la capacité CDans le cas de la figure 2-7, outre lanécessité du bon fonctionnement en mode dissymétriquedu système, il faut que la constante detemps liée au transistor de charge de la basculesoit inférieure au temps de charge de la capacitéen série avec le transistor Flotox, lorsque cedernier est bloqué. IL est nécessaire d'avoir lasituation inverse Lorsque Le Flotoxest passant.(h autre type de cellule à repositionnementc'namique est celui correspondantà lafigure I-16 (1er chapitre - 2ème partie) et dontla présentation a été faite dansle premier chapitrede la deuxième partie.11.3.2.3 Cellules choisiesComme nous le verrons, lechoix de Latechnologie ayant été fixé en CMOS, c'est danscette technologie que seront réaliséesles celluleschoisies.

FIGURE 2-7Cellule mémoThe non volatiledynamiquedissymétrique à repositionnement'La-I-COANDEJtAImELBVsaLi4FIGURE 2-8 : Cellule mémoire non volatile entechnologie CMOS et àrepos i ti onnement statique

- 257 -La première cellule choisieestprésentée à la figure 2-8. Cette cellule bien quecomposée de 10 transistors dont deux non volatilset d'une ligne de commande nécessaire au repositionnement,présente l'avantage d'être entièrementsymétrique tant du point de vue fonctionnement RAMclassique que du fonctionnement non volatil.D'autre part les éléments non volatils ne perturbenteri aucune manière (grâce à la ligne de commande)le fonctionnement RAM statique.Le fonctionnement de cettecellule estfiable et son repositionnement est statique.La deuxième cellule choisie est présentéeà la figure 2-9. Cette cellule est elLe aussientièrement symétrique. La présence de la capacitécommune permet un grand gain de place par rapportà la cellule précédente.Son seul inconvénient est de pouvoirlaisser passer un courant entre Les noeuds dubistable lors de La mise en mémoire non volatile.Bien que cette conduction corresponde à un étattransitoire du système, on élimine totalement cetécueil par une variante de cette cellule présentéeà la figure 2-10 utilisant un dédoublement de lacapacité. Deux capacités reliées entre la ligned'alimentation et une zone diffusée de chaqueélément non volatil, ces zones diffusées n'étantalors plus connectées entre elles.la 3ème solutionchoisie.Cette cellule correspond à

LB_ LBVssFIGURE 2-9 :Cellule mémoire non volatile enrepos i tionnement dynamiquetechnologie CMOS et àLBVssLtl-j-J-'---4FIGURE 2-10 : Cellule mémoire non volatile en technologie CMOS et àrepositionnement dynamique

- 259 -II.A CHOIX ET DESCRIPTION DE LA TECHNOLOGIE11.4.1 Choix de la technologieLa comparaison de la technologie CMOS par rapport àtechnologie canal N fait apparaÇtre un double avantage dela technologie CMOS :la- faible consommation cii circuit,sensibilité de la cellule mémoire qui lors du repositionnementest supérieure à celle d'une cellule canal N enrichiedéplétée,L'inconvénient majeur de cette technologie estqu'elle ne permet pas d'avoir une polarisation di substratfavorable pour éviter le perçage en haute tension. Toutefoisen technologie CMOS on s'affranchit di problème deperçage par des prof ils d'implantation appropriés dans lecanal.Outre ces avantages, la technologie CMOS doitpermettre une compatibilité des circuits non volatils aveccertains types de produits tels Les microprocesseurs réalisésen CMOS.été retenue.Pour ces diverses raisons, Latechnologie CMOS a11.4.2 Description de la technologie [*291Le point mémoire Flotox réclame en programmationune haute tension de 20V. Cette "haute tension" doit seretrouver sur environ 10 Z des transistors des circuitspériphériques.

- 260 -La présence de cette haute tension nécessite que :- toutes les diodes tiennent au moins 22v (N+P, P+N, caisson,sous oxyde épais oumince...).C'est pourquoi La double implantation phosphoreet arsenic faible profondeur des jonctions canal N bassetension est remplacée en haute tension par une implantationphosphore à 0,óiim de profondeur.- Les tensions de seuils de MOS parasites (oxyde épais) sesituent au dessus de 22V (courant de fuite de quelquesmonoampé res).D'autre part IL est nécessaire que :les transistors haute tension ne percent pas sous 20Vpour une longueur de canal dessinée de51.Lm.- les transistors périphériques ne percent pas sous 5,5Vpour une longueur de canal dessinée de 3,5iim.Les principaux paramètres technologiques sont lessuivants :- substrat de départ : type P : 14-22 ecm- caisson de type N : - dopage : 100K e.v. 2 1012 cm'- profondeur : 4 à 5 um

- 261 -- profondeur des jonctions :basse tension : double implantation :phosphore Ipim - arsenic 0,3iimhaute tension : implantation phosphore 0,óitm= O,5um- oxyde de grille : épaisseur 600 à 700 X- oxyde de chanp (valeur finie) : épaisseur 11Amoxyde interpoly : épaisseur 500 à 800Xoxyde épais (valeur finie): épaisseur 8000 Xépaisseur poly i : 5000 Xépaisseur poly 2 : 5000 XLes principales étapes technologiquesrésumées dans les pages suivantes (figure 2-11)sontLes principaux paramètres électriquessont lessuivants :- tension de seuil des transistors :de type canal N : VTN = 0,8 + 0,2Vde type canal P : VIP = 0,8 + 0,2V

- 262 -FIGURE 2-11 : Principales étapes technologiues- Implantation des caissons NNRESINEpDépôt nitrure- Gravure nitrureNITRUflENS102RESINENITRUREpT- Implantation ionique Nd'isolement caisson- Implantation ionique Pd' isolement substrat- Oxydation de champ- Attaque nitrure et oxyde- Ajustement des tensionsde seuil VTN Vf

- 263 -- Oxydation de grille- Implantation N++ connexionset croisementspfOUVERTURE FLOTOX- Ouverture zone mince Flotox- Oxydation fine FlotoxOuverture des précontacts- Dépôt du silicium polycristallin- Gravure du silìciunpolycri stal lin- Implantation ionique pHdrains sources P++- Implantation ionique Ndrains sources N

- Oxydation entre poly i etpoly 2- Dépôt du silicium poly 2- Gravure du siliciun poly 2- Dépôt de l'oxyde intermédiair- Ouverture des contactsALUMINIUM- Dépôt de l'aluminium- Gravure de l'aluminium- Passivation- Gravure oxyde de passivation

- effet de substrat :- 265 -transistor de type canal Npour L = 3,5tm KBN = 0,6 si V < iVKBN = 0,25 siVBSI> 1Vpour L = 5iim KBN = 0,7 si IVKBN = 0,35 si iVtransistor de type canal Ppour L = 3,5iim KBP = 0,7pour L 5iim = 0,8- résistances des couches :RP+ : 1202IRa Mf :Silicium polycristallin : 18 à 30/a- dimensions électriques des canaux :transistor de type canal NLEN = (LDN - 1,2) + 0,5 en tmZEN = (ZDN - 1,5) + 0,5 enm

- 266 -transistor de type canal PLEP = (LDP - 0,9) +0,5 en imZEP = (ZDP - 1,8) +0,5 en im- mobi lités := 600 à 700 cm2 / VstP = 250 à 280 cm2 / VsNous noterons enfin quelques points particuliers de cettetechnologie dont les impacts sur l'implantation des circuitsest important :- Les croisements de silicium polycristallin : poly 2 avec lesilicium polycristallin : poly 1 sont interdits en 20V maisautorisés en 5v,le débordement du poly 1 au delà du poly 2 estautorisé,- les contacts sur poLy 2 lorsque ce dernier est pLacéaudessus cii poLy 1sont interdits.

- 267 -11.5 PRINCIPALES REGLES DE DESSIN+ l,5Rm.La tolérance d'alignement entre deux niveaux est deLes règles essentielles sont les suivantes :- LOCOS largeur minimale 4tmespacement minimal4iimdistance minimale entreN4 et P+ de part 13Mm(V 5,5V)et d'autre d'un caisson l6iim(V> 5,5V)GRILLE Largeur minimale 3,5jim V 5,5V5 im V> 5,5Vespacement minimaL4,5itm- OUVERTLRES DE CONTACT 3 x 3iam- ALLZlINIlJ' largeur minimale 4iimespacement minimal 5j.tm (L 12im)6im (L> l2im)Les règles sont relâchées pour Les composants soumisla haute tension de programmation.

- 268 -11.6 CONCLUSIONLe circuit RAM non volatil de 256 bits présenté dans cechapitre est organisé en 64 mots de 4 bits.Le circuit (figure 2-1) comporte un plan mémoire, undécodeur ligne, un circuit d'entrée/sortie et unelogique de commande.L'absence de décodeur colonnes est dOe àplan mémoire en 64 lignes et 4 colonnes.la disposition duLa réalisation d'un tel circuit nécessite le choix decellules mémoires convenables. Notre choix a été porté sur lescellules présentées par les figures 2-8, 2-9 et 2-10. Elles présententtoutes l'avantage d'être entièrement symétriques en f onctionnementRAM et d'une bonne fiabilité de principe en fonctionnementnon volatil. Les deux dernieres cellules présentent l'avan-'tage sur la première d'être moins encombrantes.La technologie choisie pour réaliser un tel circuit estle CMOS caisson N aitre la faible consommation de la circuiterieCMOS, cette NOVRAM 256 bits réalisée en CMOS constitue un circuittest pour la réaLisation de produits plus complexes élaborés entechnologie CMOS.Le choix du substrat P (et donc du caissonN) est liéessentiellement à deux points :compatibilité de ce type de circuit avec des circuits réalisésen technologie monocanal (canalN),faible valeur du coefficient d'effet de substratqui permet donc de réaliser sur la puce destension.(substrat P) etmultiplieurs deCette technologie doit être adaptée aux besoins nonvolatils, en particulier la "haute tension" (20v). Cela nécessiteprincipalement une bonne tenue des diodes en tension au delà de lahaute tension, ainsi que des tensions de seuil des MOS parasitessupérieures à cette haute tension.

- 269 -la figure 2-11.Les principales étapes de fabricationsont résumées parEnfin, 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 àla haute tension (5i.im).

CHAP I TREIIIDESCRIPTION DU CIRCUIT NOVRAM

111.1 INTRODUCTIONLe circuit présenté dans ce chapitre est une mémoireRAM statique non volatile réalisée en technologie CMOS caisson N.Les parties constitutives de ce circuit sont les suivantes- système d'écriture - lecture (amplificateur)- circuit d'entrées! sorties- décodeur ligneslogique de commande (sélection de puce - 3ème état)La simulation du fonctionnement de ce circuit a étéréalisée sur la base de 256 bits avec les cellules représentéesaux figures 3-1 et 3-2 et à l'aide du programme AZTEC.Par contre l'implantation, dont on donnera un brefdescriptif en fin de ce chapitre, ade gain de place et économiques àtest de type NOVRAM comportantété ramenée pour des raisonsl'implantation d'un circuittrois cellules différentes.

- 272 -LBCOMMANDEJ-P 5/6p 5/vccp 5/P 5/8COMMANDEL5/6N 17/85/8N 17/6N 28/6 N 26/6vssL14FIGURE 3-1 :Cellule mémoire iitflìsée dans la conception du circuit "NOVRAWFIGURE 3-2Cellule mémoire à repositionnement dynamique utilisée dansla conception du circuit "NOVRAM"

111.2 DESCRIPTION DES ELEMENTSCOITIT1ffIFS DU CIRCUIT111.2.1 Système d'écriture - lectureCe circuit est représenté à la figure 3-3.En absence de fonctionnementécriture ou lecture,la présence des ?4DSlignes de bits à une tensionest imposée par la tension9 et 10 permet de polariser lesdéterminée. Cette tensionappliquée aux grilles des IVS9 et 10 ;cette tension est elle-même déterminée par lediviseur de tension constitué par des ÌIScette tension est appelée VDIV,seront polarisées à29 et 30. Siles lignes de bitsVDIV - VTNoù VTN est la tension de seuil des ?S canaux N.L'ensemble des MOS 9 - 10 - 29 - 30 constituele circuit de précharge des lignes de bits.En mode d'écriture une cellule estsélectionnée par l'intermédiaire du décodeur lignes ;laligne de mot monte à 5V et pert de relier les noeuds dela cellule mémoire aux lignes de bits d'autre part les;MOS 11 et 12 sont rendus passants par l'intermédiaire dela commande E/L. Les lignes de bits sont alors déséquilibréessuivant les états des noeuds C et D. (notons quedurant cette opération d'écriture, la sortie du circuitd'entrée sortie est en état de haute impédance).Le déséquilibre des lignes de bits permet alorsde faire basculer la cellule mémoire et donc d'écrire.

274LBLBL14iNCELLULE iLMtclIvcc129p50/4I130N4/io14VCC'TDflINf00/4liS 12032/4PJ N1 N L_...VCC40/4 f00/4EVERS BUFFER E/SVERS BUFFER E/S50/4liiJElLTi2CVERS BUvrLneren e In¿'DVERS BUFFER EISFIGURE 3-3Système d'Ecrjture-Lecture

- 275 -En mode lecture les 1YS 11 et 12 sont bloquésgrâce au 0V de commande appliqué sur leur grille.Si une cellule est alors adressée parl'intermédiairedu décodeur lignes et de la ligne de mot correspondante,l'état du bistable de la cellule mémoire auratendance à faire monter la tension d'une ligne de bit etréciproquement de faire descendre l'autre ligne de bit.Lors de cette opération, il faut noter que lesétats du bistable ne seront pas détruits si les lignes debits sont préchargées à une valeur suffisante. Pour celail est nécessaire entre deux opérations écriture - lectureou lecture - lecture, de laisser un temps nécessaireà la précharge des lignes de bits (dans le cas de notrecircuit, ce temps est de 5Ons). Entre deux lectures decellules différentes, ce temps de retard est automatiquementintroduit par le décodeur ligne.Le déséquilibre entre les lignes de bits estaccentué par un système amplificateur constitué des Ì4DS19 et 21 pour une ligne de bit et 20 - 22 pour l'autreligne de bit.Une des diffusions du ÌS 19 (respectivement20) est reliée à une ligne de bit, l'autre diffusion estreliéeà une diffusion du MOS 21 (respectivement du MOS22). L'autre diffusion du MOS 21 (respectivement 22) estreliée à la tension d'alimentation VCC.Les MUS 21 et 22 sont des transistors canaux Pdont les grilles sont reliées à la masse.La diffusion commune des MUS 19 et 21 (respectivement20-22) passera à la tension VCC si le MUS 19(respectivement 20) est bloqué puisque le MUS 21 (respectivement22) est toujours passant.

- 276 -Les grilles des transistors 19 et 20 sontpolarisées à la tension VDIV à l'aide du diviseurde tension (MUS 29 - MUS 30) et les lignes de bits sontnormalement à V1v - VT (tension de précharge).Si donc, sur une ligne de bit la tension est supérieureou égale à VDIV - VT, le transistor 19 (ou 20)correspondant à cette ligne de bit reste bloqué ; parcontre il devient passant si la tension de la ligne debit est inférieure à VDIV - VT. Les transistors21 et 22 sont dimensionnés vis à vis des MOS 19 et 20 defaçon à ce que la chute de tension à travers eux soitimportante, et que l'on retrouve sur la zone diffuséecommune à 19 et 21 (ou 20 et 22), la tension de la lignede bit, c'est-à-dire une tension inférieure à(VDIV - VT).Ainsi sur les grilles des transistors 15 et 16on a une tension VCC tant que les lignes de bits sontpréchargées, et dans le cas où une ligne de bit descendlégèrement en dessous de la tension de précharge, on aalors sur l'une des grilles une tension inférieure à latension de précharge tandisque sur l'autre on garde VCC.Donc avec une tension de précharge de l'ordrede 2,8V pour un décalage de quelques centaines de milivoltssur les lignes de bits, on obtient un décalage de2,2V sur les grilles des transistors 15 et 16.Ces transistors 15 et 16 constituent des chargesà résistances variables pour le bistable constituépar les transistors MUS 15 - 16 - 17 - 18. La variationde la tension grille des transistors 15 ou 16 permet defaire basculer ce bistable dans un état représentatif dela lecture. Ces données disponibles sur les sorties E etF sont acheminées vers le circuit d'entrées! sorties.

- 277 -A la figure 3-4 sont représentéesdans le cas"typique" les variations de tension sur les lignes debits dûes à l'écriture au cours de deuxécritures consécutives- une première écriture débutant à 9Onsune deuxième écriture débutant à l9Onsla non linéarité des courbes est dûe aux légers déséquilibresdûs aux basculements des cellules mémoires.On peut aussi noter sur cette figure la préchargedes lignes de bits de O à 2,8V dans les 50premières nanosecondes.La figure 3-5 représente dans le cas typique lebasculement d'une cellule mémoire dont l'état écrit aupréalable est l'opposé de celui écrit actuellement. Cetteécriture correspond à la première écriture de la figure3-4.En "typique" et à partir du moment oa la celluleest adressée, le temps d'accès à l'écriture est del4Ons.La figure 3-6 met en évidence les déséquilibresqui apparaissent sur les lignes de bits lors de lalecturede cellules mémoires.Une première lecture est amorcée à l2Ons etstoppée à l9Ons, on voit alors le retour à la tension deprécharge des lignes de bits, une deuxième lecture desens opposé est alors amorcée à240ns.

- 278 -tension en V6Tension sur la ligne de bit L.B.Début d'écriture1Tension sur la ligne de bict,1 -i5cj lA( i25Tempsen nsFIGURE 3-4 :Variation dela tension des lignes de bits due à l'écrituretension en VTension du noeud situé du c6té de t1.3-j4Tension du noeud situé du c6té de L.B.--f - II -4-2 3001iTemps'35e en nsFIGURE 3-5 :Basculement des états d'une cellujé

- 279 -tension en Vs-.CDébut de lectureTension sur la ligne de bitti:---e\ Tension sur la ligne de bit LB.Tempscc, 100 200 2g') en asFIGURE 3-6 :Déséquilibre de la tension des ligneslecture d'une cellule mémoirede bits lors de latension en V6... .Tensien sur l'entrée de la basculeecture correspondant à L.B.-4.Tension sur l'entrée de la basculde ture correspondant à L.B.co lee i coT'no s3 en flsFIGURE 3-7 :Amplification, par le système amplificateur à deux MOS,du déséquilibre en tension des lignes de bits

- 280 -TENSION in VIIIITensions sur les noeudsde sortie du bistablede lectureJLf-.O 5( ISEt 2ACI 25eTempsennsFIGURE 3-8: Basculementsdu bistable de lecture correspondant auxdéséquilibres des lignes de bitsTENSI4 un VCTensions aux noeuds d'une cellule lors d'unelectureI________________________________________e- i ti « 40 6e 90 úú 126 1401Temps160 en nsFIGURE 3-9 : Etat des noeuds du bistable constitutifs d'unecellule mémoirelors d'une lecture durant un temps infini

- 281 -La figure 3-7 met en évidence le phénomèned'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 déséquilibressur le bistable de lecture. On notera qu'avantla première lecture le bistable présente un état intermédiairequi correspond à la mise sous tension du circuit.La figure 3-9 met en évidence que0 dans le castypique on ne dégrade pas l'état d'une cellule mémoiredurant une lecture, même si celle-ci se fait durant untemps infini.111.2.2 Circuit d'entrées / sortiesLe schéma logique de ce circuit est donné à lafigure 3-10 tandis que son schéma détaillé est donné à lafigure 3-11.Le circuit d'entrée est simplement constitué de3 inverseurs I, I, 13 qui fournissent les donnéesd'entrée à C et D et donc aux lignes de bits LB et LBà travers T11 et T12 (figure 3-3).Le circuit de sortie est constitué d'un bufferde sortie 3 états. Celui-ci comprend une porte NOR : N1et une porte NND : A1 attaquant respectivement les MOS Pet N de l'inverseur de sortie. Les inverseurs I,, I, I6I permettant la compatibilité TTL-L.S. en sortie.Les données de sortie complémentaires transmisespar E et F sont ramenées à une seule information parl'intermédiaire de l'inverseur 1 et celui qui suit.

N vccti pE/SFtGURE 3-IOScha logique du circuit d'entrées/sortjes

- 283 -SORTIE AMPLI. EI129 1730ii_4/4ivcc38/4t727-J-78/4'i r' 78/4I1±7TieI72212118/4 38/4N123N39/4124vcc1128' 71COMMANDE 3"ETAT18/4 iiii: YCC 70/428 T81!:L_J NTj 1181±4.Ji30/4 I30/4II 30/4 30/4 iLTavCC __j p80/4f80/4110 111 - L_ 112vcc[T±80/4180/4r7718/4 84/4tTidOO/41800/4E/sFIGURE 3-11 SCHEMA DETAILLE DU CtRCUITD'ENTREE SORTIE :TBr1'L!UT2

vcc ycC .8.P 0/4117 110 TISP 4/4 IT P 0/4i+1_1/;4 13JT2P 8/4i11P 0/4N 4/4NO/ N4/118 114N 4/4112TifN 4/4N 4/4TIOJ 19N 4/4JisN 4/4AbN 4/417FIGURE 3-12 :Schéma d'une des portes NAND du décodeur ltgnes

- 285 -En écriture la commande de3ème état est à 0v,le buffer de sortie est enétat haute impédance et neperturbe pas les donnéesd'entrée. En lecture, la commandede 3ème état est à VCC etle buffer qui est alorsactif, peut transmettre lesdonnées de sortie.111.2.3 Décodeur lignesL'organisation du circuit en 64 x 4 nécessitele décodage d'une ligne parmi 64.Le décodeur est réalisé à l'aide de 64 portesNAND, chaque porte possédantcinq entrées. Le schémad'une de ces portes est donné à lafigure 3-12.Les trois inverseurs permettentl'accès de lasortie de la porte à la ligne demot, ils permettentd'adapter les temps de montée et dedescente de la tensionsur la ligne de mot.Nous avons vu que le temps dedescente pouvait être aussi bref que possible, mais parcontre il est préférablel'ordre de 5Ons afin d'avoir unelignes de bits entre deux lecturesde montée est respecté dans led'avoir un temps de montée deavec le choix des éléments qui a été fait.précharge suffisante desconsécutives. Ce tempsdécodeur lignes proposéNous noterons enfin que le premier inverseur desortie de la porte NAND n'est pasmais à la commande C.S. (sélection depuce est déssélectée, C.S. est auque soit l'état deest à "0,', ce qui imposede mots et donc aucune cellulerelié directement à VCCpuce). Lorsque laniveau "0" donc quell'entrée de cet inverseur, sa sortieégalement un "0" sur les lignesmémoire 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'étatde la sortie dela porte et permet la sélection éventuellede cellules.d'une rangée

- 286 -111.2.4 Cellules mémoires : mise en mémoire - repositjonneinentLes cellules mémoires ont été décrites dans lechapitre précédent, nous présenterons seulement ici lesopérations de mise en mémoire non volatile et de repositionnenient.Il faut noter que ces opérations caractéristiquesde la "non volatilité" ne font intervenir que lescellules mémoires elles-mêmes et aucune autre partie ducircuitLa cellule mémoire repositlonnement statique(figure 3-1) ne pose pas de problème particulier lors dela mise en mémoire non volatile, ou lors du repositionnementlors de la mise en mémoire non volatile latension d'alimentation passe è une haute tension, et lestensions aux noeuds du bistable accroissent leur différencesuivant cette haute tension. Durant cette opérationaucune perturbation n'est introduite par les branchesnon volatiles. De même le reposjtionnement nerequiert pas de conditions particulières sur les géométriesdes éléments de la cellule, ni sur les temps demontée de la tension d'alimentation de O à 5V : labranche de la cellule contenant l'élément non volatilpassant présente toujours une impédance plus faible(quelles que soient les conditions transitoires) quel'autre branche de la cellule.Les deux cellules mémoires è repositjonnementdynamique du type de celle de la figure 3-2 nécessitentquelques conditions particulières pour assurer une miseen mémoire non volatile convenable et un repositjonnementfiable.

- 287 -On remarquera sur la figure 3-2 que lors d'unemise en mémoire non volatile, uncirculant à travers la capacité Cdu bistable. Considérons parcourant transitoirepourrait altérer l'étatexemple (mais sans perte degénéralités) le cas oii le noeud NA du bistableet NB à 0v, et l'élément non(conservation de l'état préalablementvolatil T6 passantest à 5Vmémorisé de manièrenon 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 esttransitoire à travers C et T6 peutfaire monter la tensionsur le noeud NB et détruireIl est donc nécessaire d'avoir un tempstrop rapide pour éviter cestemps de programmation deest très raisonnable pouréviter ce défaut comme le montrela figure 3-13.très bref, un courantl'état de la bascule.de montée paseffets transitoires. Pour unlOms, un temps de montée de imsPour comprendre les conditionsbon repositionnement, nous présentons unnécessaires à unschéma équivalentde la cellulecpicpiCN1CN2

- 288tension en Ve.ai1 20i U.I1r -T.. ¡ J-TkTension sur lenoeud A1 4).1'rcelluleITension sur le noeud complémentairet'' E'.Otj de A dune cellulejii L /¿. e..?-l./'t)Nw ,.W ''._ 'e. .1 '.'- I. ¡ I .4 I ' ..1TempsenFIGURE 3-13 : Déséquilibre des tensions sur les noeuds dü bistable lorsd'une '1mise en mémoirenon volatileirtension en Vs4.;4.3.I .Montée en tension du noeud Ad'une cellule mémoire2.01.5IVariation de la tension surle noeud B de la cellulemémoire500Tempst.swen asFIGURE 3-14 : Repositiörrnejîent de l'état du bistable

- 289 -On peut supposer sans perteRFP présente une résistancevolatil passant) et RFN une(élément non volatil bloqué)).de généralités quetrès faible (élément nonrésistance très élevéeLes relations entre lestensions aux noeuds etla tension d'alimentation peuvent s'écrireVA= VCC CP + C (3-1)C + CP + CNet VB VCC CP (3-2)CP + CNDans le cas de figure présentéeil faut queVA suive VCC et que VBtende vers 0V0Il apparaît donc deux conditions- CN doit être grand vis â vis de CP donc les M N de labascule doivent être de dimensions supérieures auxP.- C doit être suffisamment grand pour qu'une variationpositive de VCC se répercute sur le noeud A.Avec les valeurs des éléments choisis (figure3-2) on obtient un bon repositionnement commela figure 3-14. Le temps deO,5i.ts. Le repositionnement devientvaleurs de la capacité C trois fois plusadoptée.le montrerepositionnement étant decritique pour desfaible que celle

- 290 -Dans les expressions (3-1) et (3-2) nous avonsnégligé l'influence de la résistance de l'élément nonvolatil "passant". Cela se justifie tant que la fenêtredu point mémoire est large. Si celle-ci diminue soninfluence n'est plus négligeable et détermine un seuil àpartir duquel le repositionnement devient -impossible. Lasimulation a permis de déterminer une fenêtre minimale de-1 à +1,5V avec les valeurs des éléments de la figure3-2.

111.3 IMPLANT&TION DU CIRCUITSons de gain deComme nous l'avons dit enimplanté avec 256 bits maiscolonnes, on a ainsicellules implantées sontinnovatives présentées auintroduction, pour des rai-place et d'économie le circuit n'a pas étéseulement avec 3 bits montés ensupprimé le décodeur lignes.Les troisdifférentes et comportent deux celluleschapitre II.Un grand nombre de plots a été implanté afin deréaliser un test précisprésence de ces plots restedes différents éléments, toutefois lacompatible avec un montage en boitier16 broches pour des tests entempérature par exemple.Un schéma synoptique de cette implantation et la significationdes différentesbroches sont donnés aux figures 3-15 et3-16.La surface totale du circuit est de 2,3mm3, le systèmed'écriture - lecture a une surface de 0,22mm2 et la plus petitecellule qui ait été implantée a une surface de 11 600i.tm2. Cessurfaces importantes sont dfles aux règles larges utilisées lorsde l'implantation.

- 292 -SYNOPTIQUE OU CIRCUIT TEST NOVRAMI1MOT ifMl----e----------I- - - - - efl0ILBiIILBBLBIjELLULELBLB$ tILBBjBUFFERSENTREES /SORTIES!TUREI/OAMPLDfIAS SIE/L3 ETATvccN.B. :Les connexions entre les éléments du circuit t le plot de masse n'ontpas 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 BROCHESVCC ALIMENTATION STANDARD 5VMASSE POTENTIEL 0E REFERENCE DE L'ALIMENTATIONI/O ENTREES ET SORTIES DES DONNEESLB ACCES POUR LE TEST A LA LIGNE DE BIT tLB ACCES POUR LE TEST A LA LIGNE 0E BIT LBVCCEL ALIMENTATION DES CELLULES STANDARD 5 VTENSION DE PROGRAMMATION 20 VLCOM 2 TENSION 0E COMMANDE DE REPOS ITIONNEMENT 0E LA CELLULE 2FONCTIONNEMENT RAM STATIQUE ET MISE EN MEMOIRE 5 VREPOS ITIONNEMENT O VLCOM i IDEM LCCM 2 MAIS POUR LA CELLULE iLMOT I ADRESSAGE CELLULE i : 5 V SINON O VLMOT 2 ADRESSAGE CELLULE 2 5 V SINON O VLMOT 3 ADRESSAGE CELLULE 3 5 V SINON O VAMPLI D ACCES POUR LE TEST A LA SORTIE DE L'AMPLI DE LECTURE CORRESPONDANT AU NIVEAU DE LA LIGNE DE BIT tAMPLI F IDEM PRECEDENT MAIS POUR LA LIGNE DE BIT LBE/L COMMANDE D'ECRITURE/LECTURE : ECRITURE 5 V ;LECTURE O V3 ETAT COMMANDE 3EME ETAT SORTIES DES DONNEES. SORTIES 0ES DONNEES5 V ; ETAT HAUTE IMPEDANCE : O VFIGURE 3-16

- 295 -111.4 CONCLtSIONLa NOVRAM étudiée est une RAN statique non volatile de256 bits, elle comporte un circuit d'écriture - lecture, uncircuit d'entrées/sorties, un décodeur lignes et une logique decommande.La particularité essentielle de la partie RAN classiqueréside dans le système de lecture où le déséquilibre des lignesde bits lors de la lecture est multiplié par 4 à l'aide d'unsystème à deux ?4S (figure 3-3), les lignes de bits étant préalablementpréchargées.La non volatilité est assurée uniquement par les cellulesmémoires, et l'étude du fonctionnement a été faite pour lestrois cellules choisies au chapitre II.Toutes les simulations ont été effectuées en fonctionnement"typique" et en "pire cas" (variation des paramètres technologiquesde ±20 %), et montre un bon fonctionnement d'ensembledu circuit dans tous ses modes opératoires : écriture - lecture -prise en mémoire non volatile - repositionnement.L'implantation de ce circuit destiné à une démonstrationde faisabilité a été réduit (pour des raisons d'encombrementet économiques) à un circuit de type NOVRAM mais à 3 bits constituéspar des cellules différentes dont deux inovatives.Les caractéristiques essentielles prévues pour cecircuit 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/un4de. c aci-t&L

- 299 -La d,Lme.n4-Lon da euLt tan,t ¿Lie. U'wLteme.n.t a. Ladijne.nLon de c1LuLe m&noÁJLeA e,t pLu4 pa ¿c.uLLxeine.'vt a. La4tuLc.-tWLe. non voLatUe., nou.4 avon movW que Le.o dme.n4-Lonì de.La uctwLe. FLo.tox wtLUse. poavcíetvt WLe. Laìz.gernen- ctLmrwhApcvt. une. con..t)tac.tLovL deA 1gLeA de. de.s4Ln. Towte.oL6, ce,tte dijn.LvtwtondeAs dLme.ri.&Lon4 et ¿,níte. pax LeA valLe deA pcLeimod'oxyde.V 'awt&e. pa,t.t, une. tductLon de. La su.&ace. de_s cìie.uLt.

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- 300 -ANNEXES

-1-ANNEXE 1A VG + (B - 1) VD QE- +d1d1ZC2 avec L.=d XCposons E=KL 1et KL = (A VG + (B 1) VD)E CKL + QL(1)et a S1 E2 exp C- E(2)si E > 0 (1) et (2) s'écriventdQ1(KL + Q)2 B LexpL'KL+Qcette équation s'écrit encore1 (BL )dQ=aS1xp(KL+Q)2 KL+Q - L2dton fait le changement de variable1- KL + QdQ = -Vce qui conduit àexp (BL y) dv -a S1L2dtsi au temps t = O on a une charge Q sur la grille flottante, onintègre l'expression précédente de la manière suivante1KL + Q1KL + Q0exp (B L y) dv =(taS1Ldt

-2-a S1 B(BLexp B Lt+exp('KL+Q - L KL-i-Q oet doncBLQ- -KLaS1BBLLog [L+ expKLQ0) Isi E < 0(1) et (2) s'écriventdQ (KL+Q)2 BLLexpKL+Qet E = - (KL + Q)la même démarche que précédemment conduit à1KL + Q taSexp (- BL y) dv =1KL + Q0oL2soit exp _B La S1 BKL+Q Lt+exp(- KL + Q od'où Q- -BL-KLa S1 BB Llog[ t+exp _LKL+Qo.siE=0 KL+Q=0 Q=-KLles valeurs de a et B sont calculées pour une valeur de la masseeffective m*égale à 0,5 m.3,1 10_6B 4,83$en A/V2,3/2en V/rn$ est la hauteur de barrière exprimée en e.v.

3ANNEXE 2Lors de "l'écriture" (injection d'électrons-à travers l'oxydece vers la grille flottante)d2J1>EJ 2;,E

De l'ensemble des relations (1), (2), (3), on déduitdQ K2L2+Q 2 B2L2 K1L1Q2= 2 S2 (L2expK2 L2Q) - L.,8iL1exp C- ) (4)K1 L1 + Qlors de l'effacement, l'équation différentielle s'obtientde la même manièredQK1L1-i-Q2= a'1 S1 CL1expL$1 iK1 L1Q) - '2 S2L22expB' L22K2 L2Q)les équations différentielles (4) et (5) sont résolues de manièrenumérique par une méthode de Runge Kutta à quatre approximations.(4) et (5) s'écriventdQ = f (t, Q)dtsoient Q0 to les conditions initiales et t la raison de laprogression arithmétique en t pour laquelle on secalculer yon pose k1 = t f(t0, Q)propose dek2 = t f(t0 + 1/2 t, Q0 + 1/2 k1)k3 = t f(t + 1/2 t, Q0 + 1/2 k2)k = ,t f(t + t4 0 Q0 + k3)le résultat approché est alorsQ(t + t) = Q + (k1 + 2 k2 + 2 k3 + k4)

5pour (4) le calcul de k1,k2,k3,k4 donnek1 =2 s2 2K L +Q 2 ß2L2 K1L1+Q 2L20)expQ0) S1K2 L2 -C.L1exp(iL1K1L1k2 = idem k1 mais en remplaçant Q 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, convergerapidement pour les valeurs usuelles des temps d'injection ettensions de programmation utilisées (en procédant par incrémentde tension, par exemple dans les cycles cumulatifs).Dans les autres cas, cette méthode est lente car elle nécessiteun grand nombre de pas de calcuL

6ANNEXZ 3x représentant la distance orthogonale d'un point du volume dusubstrat à l'interface oxyde substrat, nous avons approché leprofil de dopage de la manière suivante (cf figure 3-18)où NBS. N=NBS:ente le dopage de surfacea log N = - A' x + B'(-A' x + B')soit N = 10ouN=Bexp (-Ax)Ln (lo) NBBavecA= a blog-BSb(-1. aet B=NBS NBBoù NBB représente le dopage de départ du substratb.xN = NBB"a" représente la limite du dopage de surface et "b" la limite de xà 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), lesvaleurs numériques sonta = 4.lO cm A = 3,27.lO cmb = 13.1O CMB = 6,66.1016 atm/cm3NBS1,8.1016 at/cm3 Nßß = 9,48.1014 at/cm3

-7-CALCUL DENous obtenons l'expression de par la résolution deBl'équation de POISSON avec les hypothèses suivantes- lorsque x > x1 dV/dx = Ox1 étant l'extension de la zone de charged'espace- lorsque VGS = V1, pour VDS &,& O V, (forte inversion)et lorsque les potentiels sont références par rapport à lasource, le potentiel de surface est donné par'ç = 2+ VBy(o) V(x1) = VT Ln N(o) N(x1) +B1er cas : x < a= VTlnh(l + VB =[ni j+ 2 'TlnNBSnidiv V =2. - ... _iavec E(x) - E(o) = -Xr=a- L E (X)csi dx dx csi dx-s-- Cs ijNß(x) dx = - qoConditions aux limites -qN85E(o) - Xls iNsE(x) = - q (x - X1)CS1E(x1) = O

V(x1) - y(o) = -f E (x) dx =sNBSr1 2- x-xixcsi 2 odonc (f5=q_ (_ï"\)csi 2VB+2vTin_ 1 q xni 2 esixl=q1NB (x) dx= - q NBS X12ème cas a < x aesi= -. (L!) exp (-Ax) - exp (-Aa)E(x1) = O -E(x)=L9.(_!) [exp(-Ax) - exp (_AxiJ

Lorsque O x aE(x) - E(ó) =- qNCS ixE(o) = E(a) +cs iaE(x) = - (x - a) + E(a)Cs1V(x1) - y(o) = - JE(x) dx -E(x) dxq(x-a)-E(a) dx + (!)xl-a(exp(-Ax)exp(-Ax) dxdoncaE(a) + qB( )"is = ____csi 2 csiA2[exp(-Ax)- exp(-Aa) + A(x1-a) exp(-Ax1)fxlN(x)dx = - qN a q [exp(-Axi) - exp(-aAA(5)(6)3ème cas xL. bfs= VB + VT inNBSNBBni 2XE(x) - E(b) = .L.aCs ibNBBdx .a NBB (x-b) lorsque x - bCS iE(x1) = OE(x) = -CSiE(b) = s- NBB (x1-b)CS iNBB Lx-b) - (xlb)1= - q (x-x1)CSi

- lo -Lorsque a < x < bE(x) - E(a) = _a exp(-Ax) - exp(-Aa)¿si AE(a)= E(b) +esi() (exp(-Ab) - exp(-Aa)AE(x) = La (.) (exp(-Ax) - exp(-Ab)) + E(b)esi ALorsque O x aNBSE(x) - E(o) = q xNE(o) = q -es ieS ia + E(a)E(x) = - q i (x-a) + E(a)V(x) - y(o) = -E(x) dx -aE(x) dxE(x) dx-obOn obtient ;qN'= BS(...) aE(a)+ gBesi 2 esiA2LexP(-)exp(-Aa) + A(b-a) exp(_Ab)1- (b-a) E(b) - e-- [xi-besi 2(7)= - qN8 a + -a [exp(-Ab) - exp(-Aa)j - q NBB (xi-b)A(8)La valeur de K est obtenue par la résolution numériquedes systèmes d'équation (3) et (4) ;(5) et (6) et (7) et (8)pour chacun des trois domaines.

ANNEXE 4MODELISATION CYCLES TYPE HUGHESVGCw#,# ####4TC3TC,ciT4LVßLa zone amincie est située sur le substrat, dans cette représentationelle est située sur la zone canal (cela correspond aux quelques disposqui ont été fabriqués).Hypothèse de base on considère un modèle unidimensionnel, on supposedonc le potentiel de surface uniforme (on considère le système grillezone amincie substrat comme une diode MIS), cela se justifie par lefait que l'influence du potentiel de surface est importante sous lazone amincie et celle-ci est suffisamment petite devant les distancessource et drain pour que l'on puisse considérer que sous celle-cile potentiel de surface est sensiblement uniforme.On suppose également- que les grilles en silicium polycristallin se comportentcomme 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= C2 (VGF1 - VG) (charge sur 1' armature supérieuredu poly 1)Q10 = (C3 + C1) (VGF1 -est le potentiel de surface)Ql1 =(VGF1 - Vs)Ql = (C1-i-C3+C4+C5) VGF1 - (C1+C3)= C4' (VGF1 - VD)- C VB - C4 V5= C5 (VGF1 - VB) (charge sur l'armature inférieure dupoly 1)la charge sur la grille flottante est := +l'écriture de la conservation de la chargeest la charge dans le silicium)Q5Ce groupe d'équation peut encore s'écrire= (C1 + C3 + C5) VGF1 - (C1 + C3) V - C5V3 - C4V5+ C2 VGF1 _C2VG=QGF1la loi d'injection du type Fowler Nordheim s'écrit12 d1 ß dGF1 -GFl) exp (-dV -V - dt1 GF1 SouVGF1 -d1est le champ existant dans l'oxyde mincele système d'équation s'écrit alorsSGFl- Q5 = (Cl+C3+C4+CS)(VG + + C2S1(Q5VG + + C2d1GF15)2exp (-s)_(C1+C3)Ys - C5 VB - C4 V5ßd1IVG++ C2)- d GFlGFl - +st dt

- 13 -La résolution de l'équation de Poisson nous permettra de calculerla variation de potentiel entre l'interface oxyde substrat et levolume du substrat eri fonction de la charge en surface dans lecanal.Par unité de surface nous avonsckTq LDn.2(e -y 1)1/2(1)le potentiel substrat source étant supposé nulet LD=Ts2 k c i/aP qPoCes équations peuvent se regrouper en un système de deux équations à2 inconnues et(Cl+C3+C4+C5)(VG +GFa.C2C5 VB (C1 C3)C1+C3+C4+C5+ (1+ ) (5)- C4 V = O (2)dQGF1dtSGFl(V +2 d1expf(!)d1 2 G C2 2IVG++C SIGF1étant donné par (1)

Par la présence de l'équation différentielle non linéaire (3), cesystème ne peut pas se résoudre analytiquement. Nous avons donc utiliséune méthode numérique du type itérative (par exemple méthode de RunKuttaà 4 approximations).Le système est initialisé par la connaissance des tensions appliquéesde la tension de seuil initiale et de la charge initiale sur lagrille flottante (nulle ou non).

deriìièipage de la thèseAUTORISATION DE SOUTENANCEVu les dispositions de l'article 3 de l'arrêté du 16 avril 1974,Vu le rapport de présentation de MessieursURGELL J.J.BOREL i.BRICE .].M.GENTIL P.GARRIGUES M.VIKTOROVITCH P.Monsieur BETIRAC Michelest autorisé à présenter une soutenance de thèse pour l'obtention du titre deDOCTEUR INGENIEUR, Spécial i té Electronique.Fait à Ecully, le 13 septembre 1983Le DirecteurI'E.C.L.OUX

Le .tiavaLe eectu eonceJne deux domaÁine4 p/Lncpcwx- Etude thoique e-t expiAmevi-tc2e d'un dpoLtL. non voLatíigìLUe Lot;tarz..te FLo.tox 1-njec.ton pvt eue-t tunneLFowe)r.. Nokdhe-íjn).Ca'&sa,tLon phj&ique e-t Lect'tqueModLícLon de La .teni»on de .óeuLe, de-s Lo-íj de c.owtn;t.-s deLa 4-t.&uc-twte e-t de L '-LnjecLí.on de pon.tewts du 4-íLLc.Lwn voLa 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 Lag'tLUe Lo-ttctnte e-t Le 4ub&t&at e-t Le-s awt'te-s Uect'tode de La4tkuc-twLe, a..Lnó que .óWi. une conduc.tion à .tiuweit L' oxyde rn-Lncedu .type Fow&Jt No'i.dhe-Lm.V ca.tLon expíinen-taLe du modeEtude de-o p'wbLnies ¿Lo L' wtíUoa-tLon du FLotox en cLkcuLtCompwtaLoon du FLotox avec, deux awt'e4 dÁpo&í_t-L{ non voLatL&sdu même .type "I-fughe-o" e-t "FETMOS".2 - LI Jsc.-tLon du dLopo&LtA FLo-tox poult. L'tude d'une m&note v-evenon voLa.tíleEtude de L'&spee-t non voLwtíí - Poen-ta-téon d'une ceLwee mmoL'Le¿nnova-tLveEtude. deA dtei-tò b.toc4s con-otítutL4 de La minoxe e-tSuLta-t4.MOTS CLESV-íopo.oLtL non voLa-tLL - g't-U2e Lottante - FLotox - ConductLonFowLeiL 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 voLatLLEEPROM - NO VRAM -LECL - LYON005903