Etude des mécanismes de commutation de résistance dans des dispositifs Métal (Ag) / Isolant (HfO2) / Métal, application aux mémoires résistives à pont conducteur (CBRAMs)

Resistance switching in transition metal oxides and its application to memory devices

• Auteur / Autrice : Mohamed Saadi
• Direction : Patrice Gonon, Fathi Jomni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nano electronique et nano technologies
• Date : Soutenance le 14/03/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE) en cotutelle avec Faculté des sciences de Bizerte (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des technologies de la microélectronique (Grenoble, Isère, France ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Skandar Basrour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed Ben Salem
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Najmeddine Abdelmoula, Damien Deleruyelle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commutation (électricité)

Mots clés libres

Micro-Électronique

Mémoires résistives

Cbram

Resistance memory microelectronics

Resistance switching

Cbram

Résumé

Actuellement, l'étude et le développement d'oxydes à commutation de résistance pour des dispositifs mémoires (Resistive RAM, ou ReRAM) constituent un domaine d'activité intense sur le plan international. Les ReRAMs sont des structures MIM (Métal-Isolant-Métal) dont la résistance peut être modulée par l’application d’une tension. A ce jour, les mécanismes qui régissent la transition de résistance dans les dispositfs ReRAM sont toujours l’objet de débats. Le travail développé dans cette thèse représente une contribution au développement des mémoires ReRAM à base de HfO2. Nous nous intéressons plus particulièrement aux ReRAMs « à pont conducteur » (Conducting Bridge RAM, ou CBRAM) pour lesquelles la transition de résistance est provoquée par la diffusion du métal d’anode. Nous cherchons à améliorer la compréhension des phénomènes qui contrôlent le passage d’un état isolant à un état conducteur. Dans ce cadre, notre travail se focalise sur l’influence des métaux d'électrodes. Le rôle de l’anode et de la cathode sont précisés. Un modèle qualitatif est présenté permettant d’expliquer la commutation de résistance. Nous discutons également des mécanismes de conduction dans l’état de faible résistance. Enfin, l’impact de la structure de l’oxyde est étudié.

The Resistive Random Access Memory (ReRAM) technology is attracting growing interest as a potential candidate for the next generation of nonvolatile memories. ReRAMs are MIM (Metal-Insulator-Metal) devices whose resistance can be tuned by voltage bias. Today the physical mechanisms at the origin of resistance switching are not yet fully understood and are still under debate. In the present work, we are interested in HfO2-based ReRAMs, with a focus on Conducting Bridge RAM (CBRAM) devices in which resistance transition is ascribed to anode metal diffusion. Our goal is to better identify phenomena which govern the high to low resistance transition. In this context, we study the impact of different metal electrodes. The role played by the anode and the cathode is elucidated. A qualitative model describing resistance transition is proposed. Conduction mechanisms in the low resistive state are also discussed. Finally, the impact of oxide structure is studied.