Le Sélecteur Back-End : Du développement du matériau vers les performances du dispositif

The Back-End Selector : From material development to device performances

• Auteur / Autrice : Camille Laguna
• Direction : Abdelkader Souifi, Liviu Militaru
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, micro et nanoélectronique, optique et laser
• Date : Soutenance le 21/12/2022
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Nanotechnologies de Lyon (Ecully, Rhône) - Institut des Nanotechnologies de Lyon / INL
• Jury : Président / Présidente : Damien Deleruyelle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdelkader Souifi, Liviu Militaru, Damien Deleruyelle, Andrea Piarristeguy, Marc Bocquet, Raffaella Calarco, Andrea Redaelli, Gabriele Navarro
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Andrea Piarristeguy, Marc Bocquet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique

Mots clés libres

Microélectronique

Commutation ovonique

OTS - Ovonic Threshold Switching

Sélecteur de communtation

Mémoire non volatile - MNV

Caractérisation électrique

Spectroscopie Raman

Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier

Microelectronic

Ovonic commutation

Ovonic Threshold Switching - OTS

Switch selector

Non Volatile Memory

Electrical characterization

Raman Spectroscopy

FTIR - Fourier-Transform infrared spectroscopy

Résumé

Ce travail de thèse trouve ses origines dans le développement d’un nouveau concept de mémoire dans l’architecture des calculateurs dont l’objectif était de combler le fossé de taille et de temps d’accès entre la DRAM, rapide et endurante et la Flash non volatile et dense. Avec les Storage Class Memory, on réunit ces performances. Grâce à la stratégie d’architecture Crossbar, qui est simple, empilable en 3D dans le back-end et facile à mettre à l’échelle, on accède ainsi à une nouvelle technologie de mémoire portable. La révolution de la mémoire Crossbar d’Intel ouvre la porte de l’intégration 3D de la mémoire sur le calcul. Cette architecture est intéressante entre autres pour sa faible empreinte de 4F² par bit par couche, ce qui permet d’atteindre de grandes densités. De plus, elle est basée de mémoire à changement de phase qui est non volatile. Elle nécessite cependant un sélecteur intégré en back-end. Le Sélecteur back-end devient alors un élément clé avec la fiabilité comme problématique principale. Notamment pour ouvrir la technologie Crossbar vers de nouvelles applications, comme le calcul neuromorphique ou, dans le futur, les circuits embarqués. Par fiabilité, par-là est entendu une stabilité en température compatible avec un BEOL de l’intégration ; une variabilité de la tension de seuil quasi nulle pour garantir une fenêtre de lecture large ; un courant de fuite ultra faible pour des tailles de matrices plus grandes ; ainsi qu’une endurance importante pour obtenir un nombre de lectures compatible avec l’application envisagée. Le travail de thèse porte sur les sélecteurs back-end à base d’OTS, de l’anglais Ovonic Threshold Switching. Il s’agit de verres de chalcogénures. Ses caractéristiques électriques sont les suivantes : un faible courant de fuite en OFF, une haute conductivité en ON pour permettre la programmation de la mémoire et une volatilité du switch. Une large gamme de matériaux basés sur les alliages SbSe et AsSe a été étudiée. L’influence des éléments additionnels tels que le germanium, le silicium et l’azote est explorée. La structure du matériau peut être modifiée en déposant des alliages binaires en alternance pour créer un matériau multicouche dont les performances électriques et thermiques vont au-delà des alliages OTS dit bulk. Une réflexion est finalement proposée et argumentée pour augmenter les performances des futurs matériaux OTS.

This thesis work has its roots in the development of a new memory concept in computer architecture that has the goal to fill the gap between the fast and enduring DRAM and the non volatile and dense Flash. With Storage Class Memories, we gather these performances. Thanks to the Crossbar architecture, which is simple, 3D stackable in the back-end and easy to scale down, we access a new range of portable memories. The memory revolution led by Intel open the door to 3D integration of the memory on the logic. This architecture is interesting for its low footprint of 4F² per bit and per deck, which enable high density. Nevertheless, it requires a selector integrated in the back-end. The back-end selector thus becomes a key device with reliability as main challenge. In particular, to open Crossbar technology to new applications such as neuromorphic computing or, in the future, embedded circuits. Reliability of devices means that they should report a thermal stability compatible with the integration BEOL, an almost zero threshold voltage variability to guarantee a large reading window, an ultra-low leakage current to reach higher matrix sizes and finally an important endurance to reach the considered application compatible number of cycles. The thesis work is on the OTS selectors, from Ovonic Threshold Switching. They are based on chalcogenide glasses that present the following electrical characteristics: A low leakage current in the OFF state, a high conductivity while in the ON state and a volatile commutation between these two states. A large range of materials based on SbSe and AsSe have been studied. The influence of additional elements such as germanium, silicon or nitrogen have been investigated. The material structure could be modified by alternatively depositing binary alloys creating multilayer materials. Their electrical and thermal performances are going beyond the ones of so-called bulk OTS alloys. A discussion is finally proposed and supported to increase the performances of future OTS materials.