Optimisation technologique et caractérisation électrique de mémoires résistives OxRRAM pour applications basse consommation

Technological optimization and electrical characterization of oxide based resistive memories (OxRRAM) for low power applications

• Auteur / Autrice : Thomas Cabout
• Direction : Christophe Muller
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et Nanoélectronique
• Date : Soutenance le 19/12/2014
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille ; 2000-....)
• Jury : Président / Présidente : Sylvie Retailleau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Bocquet, Eric Jalaguier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ludovic Goux, Dominique Vuillaume

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ordinateurs -- Mémoires magnétiques

Oxyde de hafnium

Circuits de commutation

Mots clés libres

Mémoire

Rram

OxRRAM

Commutation

Résistance

Oxyde

HfO2

Memory

Rram

OxRRAM

Commutation

Resistance

Oxide

HfO2

Résumé

Aujourd'hui, le marché des mémoires non-volatile est dominé par la technologie Flash. Cependant, cette technologie est en passe d'atteindre ses limites de miniaturisation. Ainsi, dans le but de poursuivre la réduction des dimensions, de nouveaux concepts mémoires sont explorés. Parmi les technologies émergentes, la mémoire résistive OxRRAM basée sur la commutation de résistance d’une structure Métal/Isolant/Métal, cette technologie présente des performances prometteuses, supporte une réduction de ses dimensions critiques et offre une bonne compatibilité avec les filières CMOS. Toutefois, cette technologie mémoire n'en est qu'au stade du développement et se heurte à une compréhension que partielle des mécanismes de commutation de résistance.Ce travail de thèse s'intègre dans ce contexte et vise à apporter une contribution supplémentaire au développement de cette technologie. La première partie est consacrée à la sélection du meilleur couple électrodes/matériau actif. A l’aide d’une analyse des caractéristiques électriques de commutation, l’empilement TiNHfO2Ti est retenu pour être intégré dans une structure 1T1R. Une seconde partie présente la caractérisation électrique avancée de l’architecture mémoire 1T1R. L'influence des différents paramètres de programmation est analysée et les performances électriques sont évaluées. La dernière partie apporte des éléments d'analyse et de compréhension sur les mécanismes de commutation de résistance. La mesure, en fonction de la température, des caractéristiques électriques de commutation a permis d'analyser l'influence de la température et du champ électrique sur les mécanismes physiques à l'origine du changement de résistance.

Today, non-volatile memory market is dominated by charge storage based technologies. However, this technology reaches his scaling limits and solutions to continue miniaturization meet important technological blocks. Thus, to continue scaling for advanced nodes, new non-volatile solutions are developed. Among them, oxide based resistive memories (OxRRAM) are intensively studied. Based on resistance switching of Metal/Isolator/Metal stack, this technology shows promising performances and scaling perspective but isn’t mature and still suffer from a lake of switching mechanism physical understanding.Results presented in this thesis aim to contribute to the development of OxRRAM technology. In a first part, an analysis of different materials constituting RRAM allow us to compare unipolar and bipolar switching modes and select the bipolar one that benefit from lower programming voltage and better performances. Then identified memory stack TiNHfO2Ti have been integrated in 1T1R structure in order to evaluate performances and limitation of this structure. Operating of 1T1R structure have been carefully studied and good endurance and retention performances are demonstrated. Finally, in the last part, thermal activation of switching characteristics have been studied in order to provide some understanding of the underling physical mechanisms. Reset operation is found to be triggered by local temperature while retention performances are dependent of Set temperature.