Simulations et modélisation de mémoires OxRAM à base de HfO2

simulations and modeling of HfO2-based OxRAM memories

• Auteur / Autrice : Youssef Hirchaou
• Direction : François Triozon, Jing Li, Philippe Blaise
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 13/12/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• 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, Isère, France ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Ahmad Bsiesy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aida Todri-Sanial
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Bocquet, Damien Deleruyelle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux neuronaux (informatique)

Oxyde de hafnium

Memristors

Mémoires non-volatiles à accès sélectif

Mots clés libres

OxRAM

Modélisation et simulation

Ab-Initio

Variabilité

Rétention

OxRAM

Modeling and simulation

Ab-Initio

Variability

Retention

Résumé

Le calcul neuromorphique devient une réalité grâce au développement de nouveaux composants tels que les « memristors ». Parmi eux, les mémoires résistives (RRAM) sont particulièrement prometteuses pour les circuits neuromorphiques en raison de leur endurance, leur rapidité de commutation, leur faible coût de fabrication, et leur capacité à être programmées sur plusieurs niveaux. Les OxRAM, un type spécifique de RRAM, permettent de moduler les états de haute et basse résistance grâce à un mécanisme de commutation dans un oxyde métallique, tel que l'HfO₂. En plus de leurs applications potentielles dans les circuits neuromorphiques, les OxRAM, qui allient rapidité et non-volatilité, apparaissent comme une technologie prometteuse pour les mémoires universelles. Depuis 2015, le CEA-LETI fabrique et teste des mémoires OxRAM à base d'HfO₂ sur le démonstrateur mémoire MAD200 (Memory Advanced Demonstrator 200 mm). Diverses itérations ont permis d'améliorer cette technologie. Cependant, pour intégrer l'OxRAM en tant que composant standard dans des circuits intégrés, un modèle précis est nécessaire pour les concepteurs. SILVACO a récemment développé un module de simulation électrochimique décrivant le mécanisme de commutation résistive des OxRAM. Associé aux modules TCAD standards, ce module montre des résultats prometteurs en termes de cohérence avec les données expérimentales. Cependant, les mécanismes exacts de commutation des OxRAM restent encore peu compris.Le but principal de cette thèse est d’améliorer l’approche TCAD de Silvaco en explorant différentes hypothèses concernant les mécanismes de commutation et le transport électronique. Le modèle est confronté aux derniers résultats expérimentaux sur les OxRAM HfO₂ MAD200 développées par le LETI. Les paramètres du module électrochimique sont calibrés en fonction de ces résultats, tout en apportant des améliorations pour optimiser le modèle TCAD. Par ailleurs, nous employons une approche ab-initio combinée à un modèle hamiltonien pour affiner le calibrage du modèle phénoménologique utilisé pour décrire le transport électronique dans la TCAD. Cette approche permet de mieux comprendre les mécanismes de transport en se basant sur des paramètres fondamentaux tels que les énergies de piégeage, la probabilité de saut tunnel et le couplage électron-phonon. Nous caractérisons également, à l'aide de simulations, les performances clés des OxRAM : consommation énergétique lors de la commutation, vitesse de commutation, durée de rétention et endurance.

Neuromorphic computing is becoming a reality thanks to the development of new components such as ''memristors.'' Among them, resistive memories (RRAM) are particularly promising for neuromorphic circuits due to their endurance, fast switching speed, low manufacturing cost, and ability to be programmed at multiple levels. OxRAM, a specific type of RRAM, modulates high and low resistance states through a switching mechanism in a metal oxide, such as HfO₂. In addition to their potential applications in neuromorphic circuits, OxRAM, which combine speed and non-volatility, are emerging as a promising technology for universal memory. Since 2015, CEA-LETI has been manufacturing and testing HfO₂-based OxRAM memories on the MAD200 memory demonstrator (Memory Advanced Demonstrator 200 mm). Various iterations have improved this technology. However, to integrate OxRAM as a standard component in integrated circuits, a precise model is necessary for designers. SILVACO has recently developed an electrochemical simulation module that describes the resistive switching mechanism of OxRAM. Combined with standard TCAD modules, this module shows promising results in terms of consistency with experimental data. However, the exact switching mechanisms of OxRAM remain poorly understood.The main goal of this thesis is to improve the TCAD approach from Silvaco by exploring different hypotheses concerning switching mechanisms and electronic transport. The model is compared with the latest experimental results on HfO₂ OxRAM MAD200 developed by LETI. The parameters of the electrochemical module are calibrated based on these results, while improvements are made to optimize the TCAD model. Additionally, we employ an ab-initio approach combined with a Hamiltonian model to refine the calibration of the phenomenological model used to describe electronic transport in TCAD. This approach provides a better understanding of the transport mechanisms by relying on fundamental parameters such as trap energies, tunneling jump probabilities, and electron-phonon coupling. We also characterize, through simulations, the key performance metrics of OxRAM: energy consumption during switching, switching speed, retention time, and endurance.