Fabrication et caractérisation électrique de matrices mémoires FeRAM et OxRAM à base d'HfO2 dopé Gadolinium pour les mémoires avancées de l'AI

Fabrication and electrical characterization of Gadolinium-doped HfO2-based FeRAM and OxRAM memory arrays for advanced AI memories

• Auteur / Autrice : Camelia Zerkani
• Direction : Erwine Pargon
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nano électronique et Nano technologies
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2025
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Technologies de la Microélectronique
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : PROSPECT : PROcédés innovantS pour les dispositifs oPto et nanoEleCTroniques

Mots clés

Mots clés libres

Gadolinium

Procédé plasma

Mémoire émergente

Plasma process

Emerging memories

Gadolinium

Résumé

Le projet de thèse vise la fabrication et la caractérisation électrique d'une matrice mémoire dont la cellule élémentaire est une mémoire FeRAM ou RRAM à base de HfO2 dopée Gd dans des gammes de dimension sub-500nm, en vue de valider son intégration dans des technologies de mémoires avancées de l'AI et l'IOT. Un des verrous technologiques est la structuration plasma du point mémoire à base de HfO2 dopé dans des gammes de dimensions sub-500nm. Ce point nécessite une compréhension fondamentale des mécanismes de gravure plasma du HfO2 dopé. La finalité de ce projet est de valider (ou non) l'utilisation de HfO2 dopé Gd pour la fabrication de mémoires avancées FeRAM ou OxRAM pouvant répondre aux besoins de l'AI. Pour atteindre notre objectif, il faut adresser les trois axes suivants qui constitueront les objectifs scientifiques et technologiques du sujet de thèse: 1. Développement de procédés de gravure plasma du HfO2 dopé Gd. La première tâche sera d'identifier la chimie (certainement à base de Cl2 et BCl3) et les paramètres plasma les plus adaptés pour graver le HfO2 dopé déposé sur du silicium ou TiN, et de comprendre les mécanismes de gravure en corrélant des vitesses de gravure (ellipsométrie) et des modifications de surface par XPS et AFM. L'accent sera mis sur l'impact du dopage sur les mécanismes de gravure. Le Gd étant difficile à graver, une étude de contamination du réacteur de gravure pendant le procédé sera menée à partir de la technique de l'échantillon flottant. Des procédés spécifiques de nettoyage par plasma des parois de réacteur seront mis en place. 2. Développement de procédés plasma permettant la structuration du point mémoire, dans des gammes sub-500nm, sans endommagement Dans la deuxième partie de la thèse, il s'agira de développer des procédés de gravure par plasma de l'empilement complet du point mémoire (TiN/HfO2 dopé Gd/TiN). La morphologie des points mémoire et l'analyse des défauts induits sur les flancs par le plasma seront étudiées par de la microscopie électronique (le FIB-STEM du LTM) combinée à de la Spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDX), ainsi que de l'AFM sur les flancs des structures. En fonction des endommagements (érosion latérale, contamination des flancs en Gd, diffusion du Chlore …), des optimisations de procédés plasma seront proposés. Une étude sera également consacrée aux procédés de nettoyage par voie humide généralement implémentée après les procédés de gravure plasma. 3. Fabrication et caractérisation électrique de matrices mémoire RRAM ou FeRAM intégrée sur une plateforme CMOS et corrélation avec les analyses physicochimiques. Les procédés plasma développés pour structurer les mémoires (TiN/HfO2 dopé Gd/TiN) seront implémentés dans des lots électriques utilisant les véhicules où la mémoire est intégrée dans le back-end, au-dessus de transistors logiques. Ces lots seront lancés dans le cadre de projets existants en 200mm (FAMES, et NAIxt). Les dispositifs réalisés seront caractérisés électriquement en utilisant les testeurs sous pointe du Leti. Des caractérisations électriques classiques de type courant-tension (I-V), capacité-tension (C-V), (polarisation-champ électrique (P-E) et PUND dans le cas des FeRAM…) seront menées afin d'évaluer les performances électriques des mémoires en termes de fenêtre de programmation, rétention, résistances de commutation ON/OFF, endurance… Les performances obtenues seront corrélées aux endommagements identifiés précédemment.

The thesis project aims to manufacturing and electrically characterizing a memory matrix whose elementary cell is a FeRAM or RRAM based on Gd-doped HfO2 in sub-500nm dimension ranges, with a view to validating its integration in advanced memory technologies for AI and IOT. One of the technological challenges is the plasma structuring of the HfO2-doped memory dot in the sub-500nm range. This requires a fundamental understanding of the plasma etching mechanisms of doped HfO2. The aim of this project is to validate (or not) the use of Gd-doped HfO2 for the manufacture of advanced FeRAM or OxRAM memories capable of meeting the needs of AI. To achieve our goal, we need to address the following three axes, which will constitute the scientific and technological objectives of the thesis topic: 1. Development of plasma etching processes for Gd-doped HfO2. The first task will be to identify the chemistry (certainly Cl2- and BCl3-based) and plasma parameters best suited to etching doped HfO2 deposited on silicon or TiN, and to understand the etching mechanisms by correlating etch rates (ellipsometry) and surface modifications by XPS and AFM. Emphasis will be placed on the impact of doping on etching mechanisms. As Gd is difficult to etch, a study of contamination of the etching reactor during the process will be carried out using the floating sample technique. Specific plasma cleaning processes for the reactor walls will be implemented. 2. Development of plasma processes for memory dot structuring in the sub-500nm range, without damage In the second part of the thesis, plasma etching processes will be developed for the complete memory dot stack (TiN/HfO2 doped with Gd/TiN). The morphology of the memory points and the analysis of plasma-induced defects on the flanks will be studied using electron microscopy (LTM's FIB-STEM) combined with Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX), as well as AFM on the structure flanks. Depending on the damage (lateral erosion, Gd contamination of the flanks, chlorine diffusion, etc.), optimized plasma processes will be proposed. A study will also be devoted to the wet cleaning processes generally implemented after plasma etching processes. 3. Fabrication and electrical characterization of integrated RRAM or FeRAM memory arrays on a CMOS platform and correlation with physicochemical analyses. The plasma processes developed for structuring memories (Gd/TiN-doped TiN/HfO2) will be implemented in electrical batches using vehicles where the memory is integrated in the back-end, above logic transistors. These batches will be launched as part of existing 200mm projects (FAMES, and NAIxt). The devices produced will be electrically characterized using Leti's state-of-the-art testers. Conventional electrical characterizations such as current-voltage (I-V), capacitance-voltage (C-V), (polarization-electric field (P-E) and PUND in the case of FeRAMs...) will be carried out to assess the electrical performance of the memories in terms of programming window, retention, ON/OFF switching resistances, endurance... The performances obtained will be correlated with the damage identified previously.