Un modèle entièrement nouveau de la façon dont les électrons sont brièvement piégés et libérés dans de minuscules appareils électroniques suggère qu'un L'opinion à l'échelle de l'industrie est tout simplement fausse sur la façon dont ces électrons capturés affectent le comportement des composants matériels tels que les cellules de mémoire flash.

Le modèle, conçu par des scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST), a été testé pour expliquer comment la capture et l'émission d'électrons créent le bruit insidieux qui menace de plus en plus les performances à mesure que la taille des appareils électroniques continue de diminuer.

Ces effets, connu sous le nom de bruit d'éclatement, le bruit de pop-corn ou le bruit télégraphique aléatoire (RTN) "sont devenus un problème majeur pour les appareils extrêmement petits, " a déclaré Kin Cheung, chercheur au NIST, l'auteur principal d'un nouveau rapport dans IEEE Transactions on Electron Devices.

Le piégeage de charge est l'une des causes connues de défaillance de la mémoire flash. Le nouveau modèle, que le physicien du NIST, John Kramar, a qualifié de « changement de paradigme majeur dans la modélisation du piégeage de charge, " pourrait conduire à une approche différente pour gérer ce problème, et potentiellement, une nouvelle façon de réduire la taille des cellules mémoire.

Le bruit RTN consiste en de brusques chutes aléatoires de tension ou de courant causées par des électrons itinérants qui sont brièvement capturés, puis rejoindre, le flux principal le long d'un canal de courant dans, par exemple, un type commun de transistor appelé MOSFET.

"L'effet était généralement négligeable au bon vieux temps, lorsque les appareils étaient plus gros et qu'il y avait beaucoup d'électrons qui circulaient, " a déclaré Cheung. Mais dans les appareils avancés d'aujourd'hui, avec des dimensions de caractéristiques de l'ordre de 10 nanomètres (nm, milliardièmes de mètre) ou moins, la zone active est si petite qu'elle peut être submergée par une seule charge piégée.

« Au fur et à mesure que vous atteignez les plus petites tailles, Le RTN peut être presque 100 % aussi puissant que le signal que vous essayez de mesurer, " dit Cheung. " Dans ces conditions, la fiabilité disparaît."

Dans le cas de RTN, les bases sont connues :Le bruit est provoqué par l'action des électrons à proximité de l'interface entre deux matériaux tels qu'une couche isolante et la masse du semi-conducteur dans un transistor. Spécifiquement, un électron est retiré du flux de courant et piégé dans un défaut de l'isolant ; après une courte période, il est renvoyé dans le courant principal dans le semi-conducteur. Que se passe-t-il réellement à l'échelle atomique à chaque étape du processus, cependant, est incomplètement compris.

L'approche orthodoxe pour tenir compte de ces effets consiste à traiter tous les électrons piégés comme une seule feuille de charge 2-D qui s'étend uniformément au centre de l'isolant. On pense que chaque électron émis retourne au semi-conducteur dans le sens inverse du même processus par lequel il a été capturé, provoquant très peu de changement dans l'état vraisemblablement stable le long de la frontière isolant/semi-conducteur.

Ce modèle, lorsqu'il est appliqué à de très petits appareils, n'avait pas de sens pour les scientifiques du NIST. Entre autres difficultés, il a ignoré le fait que, une fois immobilisés, les électrons provoquent des distorsions considérables dans les conditions de champ électrique local le long de la frontière, affectant le flux de courant. "Nous disons que la méthode traditionnelle ne fonctionne pas vraiment, " Cheung a dit. "Vous devez repenser cette chose. L'ancien modèle ne fait pas d'hypothèses raisonnables sur le comportement des porteurs de charges."

Les chercheurs ont proposé un nouveau modèle, en fonction des effets locaux, dans laquelle les mécanismes de capture et d'émission sont radicalement différents de l'image standard. Pour une chose, ils ont déterminé que la mécanique quantique, la théorie moderne qui décrit le comportement de ces systèmes, le rend extrêmement improbable, sinon impossible, pour que les électrons sortent de l'isolant de la même manière qu'ils y sont entrés.

"C'est comme une autoroute où il y a une bretelle de sortie, mais il n'y a pas de rampe, ", déclare Jason Campbell, co-auteur du NIST. "Vous pouvez entrer, mais tu ne peux pas revenir comme ça. Vous devez revenir d'une manière différente. C'est-à-dire, il y a un ensemble de règles pour la capture qui ne s'appliquent pas à l'émission."

"Quand on se rend compte que les processus de capture et d'émission sont découplés, " Cheung a dit, "vous avez rapidement une vision très différente du problème."

L'image RTN standard suppose une faible interaction de la charge piégée avec son environnement local, dans ce cas, la charge électrique hautement séparée dans le dioxyde de silicium qui constitue souvent la couche isolante dans un transistor. Les scientifiques du NIST ont découvert qu'une interaction faible est incompatible avec la physique connue et n'est pas en accord avec les rapports de deux laboratoires indépendants. En effet, l'énergie d'interaction d'un électron capturé peut être plus de 10 fois supérieure à ce que l'on croyait auparavant. La reconnaissance de cette énergie d'interaction plus forte permet à la nouvelle image de champ local d'expliquer naturellement RTN.

Le succès du nouveau modèle, et le changement radical qui en résulte dans la compréhension à la fois de la capture et de l'émission, suggéré que de nombreuses idées de longue date devraient être reconsidérées en profondeur.

"C'était très effrayant, conclusion très troublante, " a dit Campbell. " Je veux dire, c'est un truc de déchirer le manuel."

Les chercheurs espèrent que le nouveau modèle aidera les ingénieurs et les concepteurs de puces à comprendre de manière beaucoup plus détaillée comment les appareils se dégradent, et ce qui sera nécessaire pour passer à la prochaine étape de miniaturisation tout en maintenant la fiabilité et en réduisant le bruit.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du NIST. Lisez l'histoire originale ici.