Etude de la fiabilité de mémoires PCRAM : analyse et optimisation de la stabilité des états programmés

Reliability study of PCRAM cells : analysis and optimization of the stability of programmed states

• Auteur / Autrice : Sarra Souiki-Figuigui
• Direction : Georges Pananakakis, Véronique Sousa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 27/02/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....) - Institut de microélectronique, électromagnétisme et photonique - Laboratoire d'hyperfréquences et de caractérisation (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Abdelkader Souifi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérard Ghibaudo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Damien Deleruyelle, Jean-Luc Battaglia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mémoires non-volatiles à accès sélectif

Mots clés libres

Mémoires non volatiles

Mémoires à changement de phase

Mécanismes de défaillance

Rétention

Dérive de la résistance

Techniques de précodage

Non volatile memories

Phase change memories

Degradation mechanisms

Data retention

Resistance drift

Precoding techniques

Résumé

De nos jours, les nouvelles technologies ne cessent d'évoluer et de former une partie intégrante dans la vie quotidienne de chacun. Ces dernières profitent du développement de systèmes électroniques complexes qui nécessitent l'utilisation de composants mémoires de plus en plus performants et présentant de grandes capacités de stockage. Ainsi, dans cette course à la miniaturisation, la technologie Flash jusqu'ici prépondérante sur le marché des mémoires non volatiles laisse aujourd'hui entrevoir ses limites. En conséquence, différentes mémoires émergentes résistives sont développées et parmi celles-ci se trouvent les mémoires à changement de phase PCRAM qui présentent un grand intérêt dans le monde des mémoires non volatiles grâce à leur bonne capacité de réduction d'échelle ainsi que leur coût réduit par rapport aux mémoires Flash. Cependant, pour être compétitives face aux autres technologies et pour prétendre à des applications embarquées, elles doivent répondre à plusieurs challenges tels que réduire leur courant de programmation, augmenter leur vitesse de programmation et améliorer leur stabilité thermique. Pour cela, différentes voies sont explorées dans la littérature, notamment l'utilisation d'architectures innovantes ou de matériaux à changement de phase alternatifs. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'investigation des mécanismes de défaillance qui affectent la stabilité thermique et temporelle des mémoires à changement de phase, plus précisément la rétention de l'état RESET et la stabilité des états programmés affectée par le phénomène de « drift ». Le développement de matériaux alternatifs utilisant une stoechiométrie optimisée ou incorporant un dopage nous permet d'obtenir des dispositifs performants d'un point de vue électrique et présentant des propriétés de rétention satisfaisant les spécifications des applications embarquées en particulier l'automobile. De plus, grâce au développement d'une nouvelle procédure de pré-codage, ces dispositifs permettent de conserver les données préprogrammées sur la puce mémoire au cours de l'étape de soudure de cette dernière sur le circuit électronique. Ils constituent une solution prometteuse pour les applications de cartes sécurisées. Enfin, nous avons proposé une procédure de programmation optimisée qui permet de diminuer l'effet du drift de la résistance de l'état SET observé pour les matériaux alternatifs. Ensuite, nous avons montré via des mesures de bruit à basses fréquences que cet effet est dû à la relaxation structurale des zones amorphes présentes dans ces matériaux actifs. De plus, nous avons mis en évidence pour la première fois la diminution du bruit normalisé de l'état SET ainsi que l'influence majeure des défauts d'interfaces sur le bruit à basses fréquences de cet état.

Nowadays, new technologies are rising steadily and forming an integral part in the daily lives of everyone. They take advantage of the development of electronic systems for which the complexity requires the use of memory devices more and more efficient and with large storage capacities. Because of some performance degradation, the scaling of Flash technology who was so far predominant in the non-volatile memories market, is today reaching its limits. As a result, different emerging resistive memories are being developed. Among them, the phase-change memory technology PCRAM is very attractive because of its non-volatility, scalability, as well as reduced cost compared to standard Flash. Nevertheless, to compete with other technologies and to address the embedded applications market, PCRAM still face some challenges, such as decreasing the programming current densities, increasing the programming speed and increasing the thermal stability of the two memory states. For that purpose, different solutions have been tried in the literature, including using new device architectures and optimized phase-change materials. In this work, we are interested in investigating the failure mechanisms that affect thermal and temporal stability of phase change memories, in particular the retention of the RESET state and the stability of the programmed states disturbed by the drift phenomenon. The development of alternative materials using an optimized stoichiometry or incorporating doping allows us to achieve high electrical performance devices and to reach the required retention properties of embedded applications and particularly the automotive one. Moreover, thanks to the development of a new pre-coding procedure, these devices allow to keep stable the preprogrammed data on the memory chip during the soldering step of the latter on the electronic circuit. They represent a promising solution for Smart-Card applications. Finally, we have proposed an optimized programming procedure which enables to reduce the drift effect of the resistance of the SET state observed for optimized materials. This drift phenomenon was investigated by using low frequency noise measurements. Therefore, we have shown that this effect is due to the structural relaxation of amorphous parts in the active material. Besides, we highlighted for the first time the major influence of interface defects on the low-frequency noise of this state.