Evaluation des performances des mémoires CBRAM (Conductive bridge memory) afin d’optimiser les empilements technologiques et les solutions d’intégration

Evaluation of the performances of scaled CBRAM devices to optimize technological solutions and integration flows

• Auteur / Autrice : Jérémy Guy
• Direction : Fabien Clermidy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 18/12/2015
• 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-....)
• Jury : Président / Présidente : Gérard Ghibaudo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Clermidy, Faiz Dahmani, Gabriel Molas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abdelkader Souifi, Jean-Michel Portal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanotechnologie

Mots clés libres

CBRAM

Miniaturisation

Intégration

Simulation Monte Carlo cinétique

Mémoire

Pont conducteur

CBRAM

Scaling

Integration

Kinetic Monte Carlo simulation

Memory

Conductive bridge

Résumé

Ces dernières décennies, la constante évolution des besoins de stockage de données a mené à un bouleversement du paysage technologique qui s’est complètement métamorphosé et réinventé. Depuis les débuts du stockage magnétique jusqu’aux plus récents dispositifs fondés sur l’électronique dit d’état solide, la densité de bits stockés continue d’augmenter vers ce qui semble du point de vue du consommateur comme des capacités de stockage et des performances infinies. Cependant, derrière chaque transition et évolution des technologies de stockage se cachent des limitations en termes de densité et performances qui nécessitent de lourds travaux de recherche afin d’être surmontées et repoussées. Ce manuscrit s’articule autour d’une technologie émergeante prometteuse ayant pour vocation de révolutionner le paysage du stockage de données : la mémoire à pont conducteur ou Conductive Bridge Random Access Memory (CBRAM). Cette technologie est fondée sur la formation et dissolution réversible d’un chemin électriquement conducteur dans un électrolyte solide. Elle offre de nombreux avantages face aux technologies actuelles tels qu’une faible consommation électrique, de très bonnes performances d’écriture et de lecture et la capacité d’être intégré aux seins des interconnexions métalliques d’une puce afin d’augmenter la densité de stockage. Malgré tout, pour que cette technologie soit compétitive certaines limitations ont besoin d’être surmontées et particulièrement sa variabilité et sa stabilité thermique qui posent encore problème. Ce manuscrit propose une compréhension physique globale du fonctionnement de la technologie CBRAM fondée sur une étude expérimentale approfondie couplée à un modèle Monte Carlo cinétique spécialement développé. Cette compréhension fait le lien entre les propriétés physiques des matériaux composant la mémoire CBRAM et ses performances (Tension et temps d’écriture et d’effacement, rétention de donnée, endurance et variabilité). Un fort accent est mis la compréhension des limites actuelle de la technologie et comment les repousser. Grâce à une optimisation des conditions d’opérations ainsi qu’à un travail d’ingénierie des dispositifs mémoire, il est démontré dans ce manuscrit une forte amélioration de la stabilité thermique ainsi que de la variabilité des états écrits et effacés.

The constant evolution of the data storage needs over the last decades have led the technological landscape to completely change and reinvent itself. From the early stage of magnetic storage to the most recent solid state devices, the bit density keeps increasing toward what seems from a consumer point of view infinite storage capacity and performances. However, behind each storage technology transition stand density and performances limitations that required strong research work to overcome. This manuscript revolves around one of the promising emerging technology aiming to revolutionize data storage landscape: the Conductive Bridge Random Access Memory (CBRAM). This technology based on the reversible formation and dissolution of a conductive path in a solid electrolyte matrix offers great advantages in term of power consumption, performances, density and the possibility to be integrated in the back end of line. However, for this technology to be competitive some roadblocks still have to be overcome especially regarding the technology variability, reliability and thermal stability. This manuscript proposes a comprehensive understanding of the CBRAM operations based on experimental results and a specially developed Kinetic Monte Carlo model. This understanding creates bridges between the physical properties of the materials involved in the devices and the devices performances (Forming, SET and RESET time and voltage, retention, endurance, variability). A strong emphasis is placed on the current limitations of the technology previously stated and how to overcome these limitations. Improvement of the thermal stability and device reliability are demonstrated with optimized operating conditions and proper devices engineering.