Caractérisation électrique et modélisation compacte de mémoires à changement de phase

Electrical characterization and compact modeling of phase-change memory

• Auteur / Autrice : Corentin Pigot
• Direction : Jean-Michel Portal, Marina Reyboz, Marc Bocquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 27/05/2019
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (IM2NP) (Marseille, Toulon)
• Jury : Président / Présidente : Gérard Ghibaudo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Gilibert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Raphaël Clerc, Cristell Maneux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux à changement de phase

Microélectronique

Nanoélectronique

Mots clés libres

Mémoire à changement de phase

Pcm

Caractérisation électrique

Modèle compact

Phase-Change memory

Pcm

Electrical characterisation

Compact modeling

Résumé

La mémoire à changement de phase (ou PCM) est considérée actuellement comme la plus mature des technologies émergentes susceptibles de pallier les limitations de la mémoire Flash-NOR pour le futur des applications embarquées. Afin de permettre la conception de circuits à base de PCM, l’utilisation d’outils tels que la simulation SPICE est nécessaire, impliquant le besoin de modèles compacts de PCM. Ces modèles doivent être rapides, continus, et précis ; à ce jour aucun modèle de la littérature ne remplit l’ensemble de ces exigences.L’objectif de cette thèse est de proposer un nouveau modèle compact de PCM, permettant la conception de circuits à base de PCM. Le modèle que nous avons développé est entièrement continu, validé sur une large gamme de tension, courant, temps et température. Construit à partir de connaissances physiques sur le fonctionnement du dispositif, il utilise un emballement thermique dans le mécanisme de Poole-Frenkel pour modéliser le seuil de commutation de la phase amorphe. L’introduction d’une variable de fraction fondue, dépendante uniquement de la température, ainsi que d’une vitesse de cristallisation dépendante de la fraction amorphe, permet la bonne modélisation de l’ensemble des dynamiques temporelles de changement d’état. De plus, une méthodologie d’extraction optimisée de la carte modèle est proposée à la suite de la validation du modèle, reposant sur une étude de sensibilité des paramètres de la carte modèle et un ensemble simple de caractérisations électriques, autorisant l’adaptation du modèle à chaque variation des procédés de fabrication pour garantir l’utilité du modèle à toutes les étapes du développement des technologies PCM

Phase-change memory (PCM) is arguably the most mature emerging nonvolatile memory, foreseen for the replacement of the mainstream NOR-Flash memory for the future embedded applications. To allow the design of new PCM-based products, SPICE simulations, thus compact models, are needed. Those models need to be fast, robust and accurate; nowadays, no published model is able to fill all these requirements.The goal of this thesis is to propose a new compact model of PCM, enabling PCM-based circuit design. The model that we have developed is entirely continuous, and is validated on a wide range of voltage, current, time and temperature. Built on physical insights of the device, a thermal runaway in the Poole-Frenkel mechanism is used to model the threshold switching of the amorphous phase. Besides, the introduction of a new variable representing the melted fraction, depending only on the internal temperature, along with a crystallization speed depending on the amorphous fraction, allow the accurate modeling of all the temporal dynamics of the phase transitions. Moreover, an optimized model card extraction flow is proposed following the model validation, relying on a sensibility analysis of the model card parameters and a simple set of electrical characterizations. It enables the adjustment of the model to any process variation, and thus ensures its accuracy for the design modeling at every step of the technology development