Mémoires ferroélectriques non-volatiles à base de (Hf,Zr)O2 pour la nanoélectronique basse consommation

(Hf,Zr)O2-based non-volatile memories for low consumption nanoelectronics

• Auteur / Autrice : Jordan Bouaziz
• Direction : Bruno Masenelli, Bertrand Vilquin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 15/07/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône) - Institut des Nanotechnologies de Lyon / INL
• Jury : Président / Présidente : Mario Maglione
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Masenelli, Bertrand Vilquin, Mario Maglione, Ulrike Lüders, Philippe Lecoeur, Silvana Mercone, Nicolas Baboux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ulrike Lüders, Philippe Lecoeur

Mots clés

Mots clés contrôlés

MOS complémentaires

Ferroélectricité

Mots clés libres

Electronique

Dispositifs microélectroniques

Mémoire CMOS

Mémoires en microélectronique

Matière condensée

Composant ferroélectrique

Cmos

Pérovskite SrTiO3

Pulvérisation cathodique magnétron

Condensateur

Propriétés cristallochimiques

Ferroélectricité

Applications industrielles

Couches minces

Composant CMOS - Complementary Metal Oxide SemiConductor

Matériau ferroélectrique

Nitrure de titane

Electronic Engineering

Micro Electronic Device

CMOS - Complementary Metal Oxide SemiConductor - Memory

Micro Electronic Memory

Condensed matter

Ferroelectric Component

CMOS - Complementary Metal Oxide SemiConductor

Provskite

Magnetron sputtering

Capacitor

Cristallochemical properties

FerroElectricity

Industrial applications

Thin films

CMOS - Complementary Metal Oxide SemiConductor - Component

Ferroelectric Material

Titanium nitride

Résumé

Depuis 2005, la miniaturisation des composants mémoires, qui, auparavant, suivait la loi de Moore, a ralenti. Ceci a conduit les chercheurs à multiplier les approches pour continuer à améliorer les dispositifs mémoires. Parmi ces approches, la piste des composants ferroélectriques semble très prometteuse. En 2011, une équipe du NamLab, à Dresde, en Allemagne, a découvert que le HfO2 dopé Si pouvait devenir ferroélectrique, avec une couche isolante de seulement 10 nm, ce qui résout le problème de compatibilité avec l’industrie CMOS des matériaux de structure pérovskite. Depuis, d’autres dopants ont été découverts. Cependant, de nouveaux problèmes freinent désormais l’apparition sur le marché des dispositifs ferroélectriques à base de HfO2. Comprendre les mécanismes qui régissent les propriétés ferroélectriques de ces matériaux est alors devenu un enjeu industriel majeur. Dans ce manuscrit, nous étudions le (Hf,Zr)O2 (HZO), et nous employons une technique peu utilisée pour élaborer ce type de matériau : la pulvérisation cathodique magnétron. L’objectif de cette thèse est d’établir des relations entre les conditions de croissance des différents matériaux et les propriétés électriques, de comprendre les mécanismes qui les régissent, ainsi que de rendre viable les dispositifs mémoires. Lors de l’élaboration de condensateurs, nous démontrons que des propriétés cristallochimiques particulières sont indispensables pour obtenir la ferroélectricité, et de nouvelles propriétés du HZO sont découvertes. Ensuite, nous cherchons à dépasser l’état de l’art. Par pulvérisation, nous obtenons parmi les meilleurs résultats au monde. Les tests industriels d’endurance et de rétention sont poussés au-delà de ce qui avait été fait auparavant dans la littérature. En particulier, l’influence des conditions de contraintes électriques y est décrite en détail, et nous mettons en évidence la présence d’une relaxation au cours des différents tests pouvant s’avérer problématique pour l’avènement d’applications industriels. Ce problème ne semble jamais avoir été clairement identifié auparavant.

Since 2005, the scaling of memory devices, which used to follow Moore's law, slowed down. This lead researchers to conduct multiple approaches in order to keep improving memory devices. Among these approaches, the pathway on ferroelectric components seems very promising. In 2011, a research team from the NamLab in Dresden, Germany, discovered that Si-doped HfO2 could become ferroelectric with an insulating layer of only 10 nm, which resolves the compatibility issue of perovskite-structured materials with CMOS industry. Since then, other dopants have been investigated. However, new issues are now slowing down the emergence of HfO2-based ferroelectric devices on the market. Understanding the mechanisms behind the ferroelectric properties of these materials has, therefore, become a major industrial issue. In this manuscript, we study (Hf,Zr)O2 (HZO), and we perform an under-utilized technique to elaborate this kind of material: magnetron sputtering. The goal of this thesis is to establish connections between the growth conditions of this material and the electrical properties, to understand the mechanisms behind them, as well as to make the memory devices viable. During the fabrication of the capacitors, we demonstrate that the particular cristallochemical properties are essential to obtain ferroelectricity, and that novel HZO properties are discovered. Afterwards, we seek to cross the state of the art. The results we obtain by sputtering are among the best in the world. The industrial endurance and retention tests are pushed beyond what has been done in the literature so far. Particularly, the influence of electrical stress conditions is thoroughly detailed, and we put to evidence the presence of a relaxation during the different tests that could turn out to become problematic for the emergence of industrial applications. It does not seem that this problem has been identified beforehand.