Investigation of the emerging physical mechanisms limiting the reliability of nanoscale Flash memories

Flash memory is today the leading solid-state non-volatile memory technology, allowing high integration density, low costs and good reliability. The continuous scaling has been the main driver of the success of this technology, pushing it, however, to its physical limits: the reduction of the array pitch is today limited by the increasing capacitive coupling among adjacent cells, the low number of electrons controlling cell state is raising issues related to the discrete nature of the charge flux from/to the floating gate, single electrons stored in the tunnel oxide result into more and more severe threshold voltage instabilities during read and data retention. Aim of this thesis is to study the emerging physical mechanisms limiting the reliability of ultra-scaled Flash memories, highlighting from a theoretical standpoint the fundamental limitations to the functionality of nanoscale memory arrays. All the work has been carried out with a scaling perspective, trying to assess the ultimate scaling limitations and to propose feasible solutions able to extend the success of the Flash technology to the future technology nodes. A particular attention, moreover, has been devoted to then analysis and assessment of qualifications schemes for ultra-scaled Flash arrays.

Le memorie Flash ad oggi costituiscono la principale tecnologia per dispositivi di memoria non volatili a stato solido, in quando permettono di ottenere una elevata densità di integrazione, bassi costi e una buona affidabilità. Il progressivo processo di scaling è stato il principale artefice del successo di tale tecnologia, spingendola, tuttavia, ai suoi limiti fisici: la riduzione delle dimensioni della matrice di memoria è ormai limitata dall’aumento degli accoppiamenti capacitivi tra celle adiacenti, il ridotto numero di elettroni che controllano lo stato della cella determina in maniera sempre più seria l’emergere di problematiche correlate alla natura discreta del flusso di carica da e verso la floating gate, singoli elettroni intrappolati nell’ossido di tunnel determinano instabilità di soglia in ritenzione sempre più gravi. Lo scopo di questa tesi è lo studio dei meccanismi fisici emergenti che limitano l’affidabilità di memorie Flash ultra scalate, evidenziano, da un punto di vista teorico, le limitazioni fondamentali alla funzionalità di matrici di memoria decananometriche. L’intero lavoro è stato condotto in una prospettiva di scaling, cercando di stabilire i limiti ultimi alla riduzione delle dimensioni dei dispositivi e di proporre delle soluzioni fattibili, in grado di estendere il successo della tecnologia Flash anche ai futuri nodi tecnologici. Particolare attenzione, inoltre, è stata rivolta allo studio e all’analisi delle metodologie di qualifica da adottare per dispositivi Flash ultra-scalati.