Soutenance mémoire
Ces dernières années, de nouvelles applications et concepts dans les technologies de l’information et de la communication, tels que la vidéo haute définition, le divertissement multimédia, et les services de données/information, entrent chaque année sur le marché de la consommation. Ceci se traduit par une augmentation rapide de la demande de stockage d’informations, donnant aux dispositifs mémoire un poids de plus en plus important dans le marché de l’électronique. Toutes ces nouvelles applications nécessitent la manipulation et le stockage de grandes quantités de données. A titre d’exemple, actuellement plus de 32 Go de données peuvent être stockées dans un dispositif mémoire de type Flash (clé USB) et la capacité totale peut dépasser 1 To dans des disques durs de PC portables. En outre, ces dispositifs mémoire permettent de conserver des données sans alimentation, ce qui signifie qu’ils sont « non volatils ». La non volatilité, une grande capacité, une réponse rapide en lecture / écriture et effacement, une faible consommation d’énergie, et une endurance élevée, sont quelques-unes des exigences pour les produits mémoire [1].
De nos jours, la principale technologie pour les mémoires non volatiles est la technologie dite « Flash », basée sur un transistor MOSFET avec une grille flottante où les charges peuvent être stockées pour moduler la tension de seuil. La structure d’une mémoire Flash est donc relativement simple, et c’est cette simplicité, alliée à d’excellentes propriétés de rétention des données, qui ont rendu les mémoires Flash si populaires aujourd’hui. Cependant, la miniaturisation continue des transistors MOSFET ne va pas sans générer de nombreux problèmes. Par exemple, une épaisseur d’oxyde tunnel en deçà de 16 nm peut entrainer des conséquences indésirables, comme la perte des données et l’apparition d’un courant de fuite très élevé. Par conséquent, le concept de mémoire Flash fait actuellement face à de graves problèmes de mise en échelle [2]. Ceci a incité la communauté scientifique vers le développement de nouvelles technologies de mémoires non volatiles. Ainsi, une grande diversité de nouvelles technologies mémoire ont été proposées, telles que les mémoires FeRAM, MRAM, PCM et plus récemment, les mémoires à commutation de résistance aussi appelées ReRAM (Resistive Random Access Memories). C’est à cette dernière technologie que nous nous intéressons. Une mémoire ReRAM est basée sur une structure Métal/Isolant/Métal (MIM) présentant deux états de résistance distincts (codage binaire 0 ou 1). L’isolant est généralement un oxyde de métal de transition (TiO2, ZrO2, HfO2…) [3]. La commutation d’un état de résistance à un autre est contrôlée en tension. Ainsi, la résistance de la structure peut basculer, de manière réversible, d’un état de faible résistance (état ON) à un état de forte résistance (état OFF) en appliquant une tension appropriée. La simplicité, de conception (structure MIM), de programmation (application d’une tension), et de lecture (courant), est le principal atout de la technologie ReRAM. Cependant, le développement de cette technologie est actuellement freiné par de nombreux problèmes de fiabilité, tels une rétention parfois limitée, ou des tensions de programmation qui varient d’un dispositif à l’autre. Ces problèmes sont liés à une absence d’identification claire des mécanismes de transition de résistance dans les oxydes employés.
Les différents types de mémoires
Les composants mémoires représentent un secteur clef de la microélectronique dont l’importance est liée à l’essor de l’électronique portable (téléphonie mobile, ordinateurs portables…) qui requière des capacités de stockage toujours plus importantes. Le stockage de l’information peut être divisé en deux catégories selon le type de la mémoire, mémoire volatile ou non-volatile. Les deux ont leurs avantages et leurs inconvénients : en résumé, les mémoires volatiles sont les plus rapides, mais elles occupent plus de place et sont plus coûteuses ; à l’inverse, les mémoires non-volatiles peuvent conduire à des densités d’intégration plus élevées, elles sont plus simples de conception, mais elles sont moins rapides, moins endurantes et consomment plus d’énergie. Les mémoires volatiles incluent plusieurs concepts de mémoire qui, dans tous les cas, nécessitent une alimentation continue pour maintenir les informations stockées. On peut citer les SRAM et DRAM :
❖ Static RAM (SRAM) : le mot statique indique que la mémoire conserve son contenu aussi longtemps qu’elle est alimentée. La cellule SRAM utilise six transistors et pas de condensateur. Ainsi la taille de chaque cellule est importante et cela limite l’utilisation de la SRAM à des mémoires à basse densité d’intégration. De plus, son coût est plus élevé que celui de la DRAM (voir ci dessous). Par contre, l’accès aux données est plus rapide et la consommation est plus faible.
❖ Dynamic RAM (DRAM) : une DRAM, contrairement à une SRAM, doit être constamment rafraîchie afin de maintenir les données, d’où le terme « dynamique ». Une cellule mémoire DRAM est composée d’un condensateur et d’un transistor. Ainsi, les DRAM peuvent être utilisés dans les applications nécessitant une haute densité d’intégration. Le coût d’une DRAM est aussi moindre que celui d’une SRAM.
Les mémoires non-volatiles rassemblent les types de stockage de l’information qui peuvent conserver les données stockées sans alimentation continue. Idéalement, une mémoire non volatile doit présenter des caractéristiques comme une haute densité d’intégration, un faible coût, de hautes performances (vitesses d’accès, endurance, rétention), et une faible puissance [1]. Actuellement le marché des mémoires non volatiles est dominé par la technologie dite « Flash » (mémoire à grille flottante), et devrait le rester pour quelques années encore. C’est la technologie Flash qui est une des bases de la croissance exponentielle des applications portables, comme les appareils photo numériques, les téléphones cellulaires, et autres dispositifs personnels. Cependant, la technologie Flash se trouve actuellement confrontée aux limites rencontrées pour la miniaturisation des transistors [2]. En effet, une mémoire Flash reprend la structure d’un transistor MOS (Métal-Oxyde-Semiconducteur) avec une grille flottante. Une des limitations principale est la réduction de l’épaisseur de l’oxyde tunnel. L’amincissement de l’oxyde tunnel est en effet limité par des mécanismes de pertes de charge, de nature intrinsèque (évacuation des charges par effet tunnel direct) ou extrinsèque (évacuation des charges au travers de défauts, ou Stress Induced Leakage Current) [3]. Les autres inconvénients des mémoires Flash sont une faible endurance, une faible vitesse d’écriture/effacement, et une tension de fonctionnement élevée. Pour surmonter ces défis, l’intérêt pour des technologies alternatives s’est considérablement développé au cours de ces dernières années. Plusieurs travaux de recherche sont actuellement poursuivis pour explorer de nouveaux concepts afin de remplacer la technologie Flash. On peut par exemple citer les concepts suivants :
– Mémoires ferroélectriques (Ferroelectric RAM – FeRAM) : ces mémoires sont basées sur des matériaux ferroélectriques. Les ferroélectriques sont des matériaux polaires, où la basse symétrie cristalline produit au moins deux états d’équilibre de la polarisation spontanée en l’absence de champ électrique extérieur [4]. Ils sont caractérisés par des vecteurs de polarisation qui peuvent être orientés dans deux directions opposées par l’application d’un champ électrique externe. Les deux orientations de la polarisation permettent un codage binaire 1 et 0 (algèbre booléen). Les états de polarisation dans un cristal ferroélectrique sont dus à des déplacements d’ions métalliques positifs et d’ions négatifs d’oxygène dans des directions opposées [5]. Ces deux états sont thermodynamiquement stables et on peut commuter de l’un à l’autre par application d’un champ externe (appelé champ coercitif), à l’origine d’un cycle d’hystérésis caractéristique . Ainsi, aucun champ appliqué (ou aucune tension) n’est nécessaire pour maintenir les deux états polarisés, ce qui est à la base de la mémoire non volatile.
– Mémoires magnétorésistives (Magnetoresistive RAM – MRAM) : la cellule MRAM comprend deux couches magnétiques séparées par une mince couche d’un matériau diélectrique jouant le rôle de barrière [6]. Ces mémoires sont conçues pour avoir deux états magnétiques différents, à l’origine d’un état de haute ou faible résistance, qu’il est possible de conserver sans apport d’énergie. Ces mémoires emploient une structure exploitant la magnétorésistance à effet tunnel. Lorsque l’aimantation des couches magnétiques est parallèle, comme le montre la Fig.2.a, la résistance est faible (état binaire « 1 »). Tandis que lorsque l’aimantation est antiparallèle, Fig.2.b, la résistance est plus élevée (état binaire « 0 »).
– Mémoires à changement de phase (Phase Change RAM – PCRAM) : la mémoire PCRAM est basée sur le passage d’un matériau entre l’état amorphe et l’état cristallin, provoqué par l’échauffement du matériau (effet Joule) [7]. Ce changement de phase entraîne une variation de la résistance électrique (stockage de l’information). Les avantages de cette approche sont que le changement de résistance est de plus d’un ordre de grandeur, et sa structure simple (matériaux à changement de phase en sandwich entre deux électrodes) réduit le nombre d’étapes dans le processus de fabrication. Généralement, la phase amorphe possède une résistance électrique plus forte que la phase cristalline. Le fonctionnement est donc fondé sur le passage rapide et réversible entre une phase amorphe hautement résistive et une phase cristalline faiblement résistive. Le mode de fonctionnement est basé sur deux étapes : la première est d’appliquer une tension seuil qui consiste à chauffer le matériau par effet Joule au-delà de sa température de cristallisation, et donc obtenir la phase cristalline ; la deuxième étape est l’étape d’amorphisation, où le matériau est chauffé au-delà de sa température de fusion, liquéfié, puis figé dans sa phase amorphe par abaissement rapide de la tension. Pour cette raison, on voit que le niveau de courant pour la deuxième étape est plus élevé .
Ces concepts (FeRAM, MRAM, PCRAM) ont été développés à l’état industriel au cours des dernières années (première industrialisation de FeRAM en 2011 par Texas Instruments, de MRAM en 2004 par Infineon, Freescale et TSMC –entre autres-, et de PCRAM en 2008 par Intel et STMicroelectronics) mais, en comparaison de la technologie Flash, leurs applications restent cantonnées à des marchés restreints. Plus récemment, une autre technologie a attiré l’attention des technologues de la microélectronique, c’est celle des mémoires résistives (ou « Resistive RAM » – ReRAM). Industrialisée très récemment (par Panasonic, en 2014) la technologie ReRAM est signalée comme étant une des plus prometteuses en termes d’intégration et de performances.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
Chapitre 1 : Contexte et motivations de l’étude
1 Les différents types de mémoires
Static RAM (SRAM)
Dynamic RAM (DRAM)
– Mémoires ferroélectriques (Ferroelectric RAM – FeRAM)
– Mémoires magnétorésistives (Magnetoresistive RAM – MRAM)
– Mémoires à changement de phase (Phase Change RAM – PCRAM)
2 Mémoires Résistives (Resistive Random Access Memory – ReRAM)
2.1 Principe de fonctionnement
2.2 Approche physique du phénomène ReRAM dans les oxydes
2.2.1 Effet d’interface (modification de la barrière Schottky)
2.2.2 Effet de volume
Modèle fusible-antifusible des voies de conduction
Transport ionique et réactions d’oxydoréduction
Migration des cations issus de l’anode (mémoires résistives de type CBRAM)
Migration des lacunes d’oxygène (mémoires résistives de type OxRAM)
3 Les études sur les mémoires ReRAM faisant usage de l’oxyde d’hafnium
3.1 L’oxyde d’hafnium
3.2 Dispositifs ReRAM à base de HfO2
3.2.1 Les divers paramètres matériaux contrôlant les ReRAM à base de HfO2
3.2.2 Les mémoires CBRAM à base de HfO2
Chapitre 2 : Mécanismes de commutation dans les CBRAMs, en relation avec l’électrode active
1 Introduction
2 Influence du métal d’anode (Au, Ag, Cu) sur les caractéristiques électriques
2.1 Elaboration des structures mémoires
2.2 Commutation de résistance au travers des mesures courant-tension (I-V)
2.3 Commutation de résistance au travers des mesures courant-temps (I-t) sous tension constante
3 Distinction entre CBRAMs et OxRAMs par les mesures I-t
Régime 1
Régime 2
Régime 3
4 Le rôle des lacunes d’oxygène dans la diffusion cationique
5 Injection des cations à l’interface Anode / HfO2
5.1 Généralités
5.2 L’injection de cations selon le modèle de Cabrera-Mott
5.3 L’oxyde d’interface
6 Autres métaux d’anode (Zn, AgCu, In, Ti) et les limites du modèle
7 Conclusion
Chapitre 3 : Comportement électrique de la cellule Ag / HfO2 / Pt
1 Introduction
2 Caractéristiques I-V dans le détail, et conduction dans l’état ON
3 Caractéristiques RF, impédance à basses fréquences
4 Cinétique de la commutation de résistance
5 Temps de rétention
6 Influence du niveau du courant de compliance
7 Conclusion
Chapitre 4 : Commutation dans les CBRAMs, en relation avec la structure de l’oxyde et la nature de l’électrode inerte
1 Introduction
2 Elaboration des structures mémoires
3 Influence de l’électrode inerte sur les caractéristiques courant-tension
4 Les mécanismes de commutation de résistance et le rôle de la cathode
5 Influence de la cristallinité de HfO2 sur les caractéristiques courant-tension
6 Influence de l’électrode inerte et de la cristallinité de HfO2 sur les caractéristiques courant-temps
7 Influence d’autres paramètres matériaux (précurseur de dépôt, nature de l’oxyde)
7.1 HfO2 déposé par PEALD avec le précurseur Hf(NMe2)4
7.2 Cathodes en Pd, Ge et Cr
7.3 Remplacement de HfO2 par TiO2 et Al2O3
7.4 Association de HfO2 avec TiO2
8 Conclusion
Conclusion générale
