Technologie des mémoires non volatiles

Un peu d’histoire…

La miniaturisation des composants électroniques a atteint un tel niveau de complexité, de nos jours, qu’il devient de plus en plus difficile de repousser les limites de leurs performances, qui semblent buter désormais sur des obstacles fondamentaux imposés par les lois de la physique. Notre vie quotidienne est envahie d’objets divers produits par l’industrie des semi-conducteurs : appareils photos numériques, mémoires amovibles (clés USB, cartes Compact Flash, SmartMedia…), disques durs de très grande capacité, frôlant le millier de giga-octets, disques compacts optiques réinscriptibles… Tous ces objets qui facilitent et agrémentent notre vie quotidienne n’auraient pas vu le jour sans la recherche fondamentale entreprise en physique d’une manière générale, mais plus particulièrement en physique des solides et des semi-conducteurs, après la fin de la deuxième guerre mondiale. Cette recherche fondamentale était nourrie en grande partie par la compétition militaire féroce que se livraient les Etats-Unis et l’ex-Union soviétique pendant la guerre froide. L’un des objectifs majeurs, à cette époque, était la mise au point de calculateurs performants pour calculer la trajectoire des missiles intercontinentaux, composants stratégiques de l’équilibre de la terreur, mais aussi des vaisseaux spatiaux, telles les capsules Apollo qui ont amené les premiers hommes sur la lune. De tels calculateurs nécessitaient des composants fiables, susceptibles de fonctionner pendant de longues périodes sans intervention humaine. On peut raisonnablement affirmer que trois dates marquent un tournant important dans l’histoire, récente, de l’industrie des semi-conducteurs :

i. 1947 : invention du transistor par W. Schockley, Bardeen et Brattain Pendant la première moitié du XXème siècle, l’industrie électronique était dominée par les tubes à vide. Ces composants étaient peu pratiques : ils étaient fragiles, encombrants, peu fiables, consommaient et chauffaient beaucoup. Par ailleurs, les réseaux téléphoniques étaient constitués de relais mécaniques qui tombaient souvent en panne. Ces problèmes ont été résolus par l’invention du transistor en 1947 dans les laboratoires Bell, invention qui valut à ses trois co-auteurs le prix Nobel de physique en 1956 : les transistors étaient minuscules par rapport aux tubes à vide, étaient plus fiables, avaient une longévité plus grande, consommaient et chauffaient beaucoup moins. L’invention du transistor stimula les ingénieurs pour inventer des circuits toujours plus complexes contenant des milliers de composants tels que les transistors, les diodes, les résistances et les condensateurs.

Malgré ce grand progrès, un obstacle de taille demeurait : ces composants devaient être reliés, individuellement, par des kilomètres de fils électriques qui rendaient l’entreprise coûteuse. Le défi consistait à trouver un procédé efficace et peu onéreux pour produire ces composants et les relier entre eux. Ce défi fut relevé, indépendamment, par Jack Kilby, ingénieur chez Texas Instruments, et Robert Noyce, co-fondateur de Fairchild Semiconductor et de Intel.

ii. 1958 : invention du circuit intégré par J. Kilby et R. Noyce J. Kilby eut l’idée de fabriquer sur un même substrat de silicium tous les composants d’un circuit électronique donné (diodes, résistances, transistors, condensateurs…) alors qu’il travaillait sur le projet « Micro-Module », chez Texas Instruments. Le projet « Micro Module » était censé résoudre les problèmes posés par l’interconnexion des composants, mais Kilby pensait qu’il était voué à l’échec. Parallèlement, et indépendamment, R. Noyce mettait au point le procédé « planar ». Ce procédé est basé sur une oxydation en surface afin de séparer, par une couche isolante, plusieurs niveaux d’interconnexion sur un même substrat de silicium. Le procédé « planar » a connu un grand succès industriel qui a failli coûter à J. Kilby la paternité du circuit intégré. Par la suite, le Bureau américain des brevets reconnut à Kilby la paternité de l’invention du circuit intégré monolithique tandis que l’invention du procédé « planar » a été attribuée à Noyce. Le circuit intégré, plus communément appelé puce, a été unanimement reconnu comme l’une des inventions majeures de l’humanité en raison de l’impact considérable qu’il a eu dans notre vie quotidienne. Il valut le prix de Nobel de physique à Jack Saint-Clair Kilby en 2000.

iii. 1968 : mise au point du premier microprocesseur par T. Hoff L’invention du circuit intégré a rendu possible, entre autres, la mise au point des supercalculateurs. Pendant les années cinquante et soixante, seuls les grands organismes gouvernementaux et les grandes firmes avaient les fonds nécessaires pour s’offrir des machines avec de telles puissances de calcul. Cette situation allait changer en 1968, quand Ted Hoff, un ingénieur de la firme Intel, invente, sous la houlette de Robert Noyce et de Gordon Moore, les co-fondateurs d’Intel, le premier microprocesseur : le 4004. Il fut commercialisé par Intel en 1971. Cette invention a ouvert la voie à la production en masse des ordinateurs personnels.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : ETAT DE L’ART DE LA TECHNOLOGIE DES MEMOIRES NON-VOLATILES
I.1 LES MEMOIRES A SEMI-CONDUCTEURS
I.1.1 Mémoires volatiles
I.1.1.1 SRAM
I.1.1.2 DRAM
I.1.2 Mémoires non volatiles
I.1.2.1 NOVRAM
I.1.2.2 ROM
I.1.2.3 EPROM
I.1.2.4 EEPROM
I.1.2.5 Flash EEPROM
I.1.3 Mémoires émergentes
I.1.3.1 MRAM
I.1.3.2 Les mémoires à changement de phase
I.1.4 Marché des mémoires à semi-conducteurs
I.2 TECHNOLOGIE DES MEMOIRES NON VOLATILES
I.2.1 Technologies à grille flottante
I.2.2 Technologies à piégeage de charges
I.2.2.1 Technologies MNOS et SNOS
I.2.2.2 Technologie SONOS
I.2.3 Technologie ferroélectrique
I.3 MEMOIRE EEPROM
I.3.1 Structure de la cellule mémoire EEPROM
I.3.2 Principe de fonctionnement
I.3.3 Architecture des matrices mémoires EEPROM
I.4 FIABILITE DES MNV A GRILLE FLOTTANTE
I.4.1 Endurance
I.4.2 Rétention
I.4.2.1 Mécanismes intrinsèques de perte de charge
I.4.2.2 Mécanismes extrinsèques de perte de charge
I.4.2.3 Test en rétention
I.4.3 Modèles prédictifs de rétention de données
I.4.3.1 Modèle en 1/T
I.4.3.2 Modèle en T
CONCLUSION
Références bibliographiques du chapitre I
CHAPITRE II : MODELISATION DE LA CELLULE MEMOIRE EEPROM
II.1 EFFET TUNNEL DANS LES OXYDES MINCES
II.1.1 Transparence tunnel
II.1.2 Effet tunnel dans les structures MOS et SOS
II.1.3 Barrière triangulaire : mécanisme d’injection FN
II.2 MODELISATION DE LA CELLULE EEPROM
II.2.1 Modélisation du transistor d’état
II.2.1.1 Modèle statique du courant de drain
II.2.1.2 Modèle dynamique
II.2.2 Modélisation de la capacité de la zone tunnel
II.2.2.1 Capacité constante
II.2.2.2 Prise en compte de la capacité de substrat
II.2.2.3 Prise en compte de la désertion de grille flottante
II.2.2.4 Comparatif
II.2.3 Modélisation du transistor de sélection
II.2.4 Bilan des paramètres du modèle
II.3 EXTRACTION DES PARAMETRES
II.3.1 Méthodologie
II.3.2 Extraction de α et β
II.3.2.1 Méthode générale
II.3.2.2 Approche de Croci et al
II.3.2.3 Analyse de Chiou et al
II.3.3 Mesures Ctun(Vgb) et IFN(Vgb)
CONCLUSION GENERALE