Soutenance mémoire
Mémoires résistives à base d’oxyde binaire
Les mémoires non-volatiles sont particulièrement intéressantes pour l’électronique portative. Contrairement aux mémoires volatiles, les informations sont conservées lorsque l’alimentation est coupée. Les dispositifs mémoire n’ont pas besoin d’être rafraîchis régulièrement, ce qui diminue la consommation d’énergie. Les mémoires Flash dominent le marché des mémoires non-volatiles. Pour répondre aux besoins toujours plus importants en capacité mémoire, la miniaturisation des dimensions est nécessaire. En raison de verrous technologiques importants, les mémoires Flash doivent être remplacées au-delà du nœud technologique 22-nm (2018) [1]. La mémoire OxRRAM, basée sur un oxyde à changement de résistance binaire, est un candidat potentiel. Tout d’abord, nous décrivons le contexte technologique, c’est-à-dire les technologies mémoires non-volatiles actuelles et émergentes. Ensuite, le fonctionnement et la composition des dispositifs OxRRAM sont présentés. Finalement, les caractéristiques et la compréhension actuelle du mécanisme de changement de résistance sont exposées afin d’introduire les objectifs, la démarche et les difficultés de ce travail de thèse.
Mémoires non-volatiles
Au cours de ces quarante dernières années, le marché de l’électronique grand public s’est considérablement développé. Les applications nécessitent des technologies mémoires toujours plus performantes. Dans ce contexte, les technologies mémoires non-volatiles actuelles doivent être remplacées. Nous détaillons les technologies mémoires non-volatiles actuelles et émergentes. La problématique du remplacement des mémoires Flash et les candidats potentiels sont présentés.
Classification
Depuis une quarantaine d’années le marché des circuits intégrés connaît une progression exceptionnelle. En 2007, ce marché représente 256 milliards de dollars [2]. Les technologies mémoire se partagent une part importante de ce marché (~ 30%). Idéalement, la technologie mémoire doit être non-volatile et respecter le critère de rétention de 10 ans. De plus elle doit proposer une capacité élevée (Gb), un temps d’accès rapide (quelques ns), une bonne endurance (~ 10⁹-10¹² cycles écriture/effacement), une consommation d’énergie (100 mW en fonctionnement) et des coûts de fabrication concurrentiels (5 $/Gb) [3]. Par ailleurs, elle doit être compatible avec la technologie de fabrication CMOS utilisée en microélectronique.
La technologie mémoire idéale n’a pas encore été mise au point. Ainsi, plusieurs technologies se sont développées parallèlement, pour adresser différentes applications. traditionnellement classées en fonction de leur volatilité et de leur principe de fonctionnement. Le marché des technologies mémoire se partage entre les disques durs, où l’accès à l’information est séquentiel le long de pistes écrites à la surface du media, et les mémoires à accès aléatoire (RAM pour Random Access Memory), qui se composent de bits de données individuels disposés au sein d’un réseau bidimensionnel. Actuellement, trois types de technologies mémoire RAM complémentaires se partagent le marché : SRAM, DRAM et Flash [5]. Les mémoires dynamiques (DRAM, pour Dynamic RAM) et statiques (SRAM, pour Static RAM) ont l’inconvénient d’être volatiles. En revanche, elles proposent un temps d’accès élevé et une bonne endurance. Ainsi, l’ordinateur place les données temporaires dans ces deux types de mémoires. Les mémoires Flash dominent le marché des mémoires non-volatiles, en raison de leur haute densité d’intégration et leurs bas coûts de production. Cependant, le temps d’accès est long et l’endurance limitée. Elles sont utilisées pour le stockage de données. Ainsi, les technologies mémoires actuelles sont complémentaires et adressent différentes applications. Il n’est pas rare qu’elles soient combinées, par exemple, un ordinateur associe un disque dur, des mémoires SRAM, DRAM et Flash.
De part leur faible consommation d’énergie, les mémoires non-volatiles Flash sont particulièrement intéressantes pour l’électronique portative. Ce marché explose à l’heure actuelle. La demande de mémoire Flash, qui se compte en petabits (~ 10¹⁵ bits), est en constante augmentation . La demande de capacité double tous les deux ans à partir de 2010. Les cartes mémoires pour les appareils photo, les caméras numériques, les clés USB, les baladeurs MP3 et les téléphones portables sont les moteurs du marché. Les disques durs d’ordinateur et l’industrie automobile sont des marchés à fort potentiel. Ainsi, les mémoires Flash sont indispensables au développement de l’électronique portative.
Evolution
L’industrie microélectronique se développe grâce à la miniaturisation des composants. Ce concept s’applique également aux technologies mémoires. Dans ce contexte, les mémoires Flash rencontrent des verrous technologiques importants et doivent être remplacées.
La production de circuits électroniques plus complexes, donc plus performants, et moins chers est basée sur la diminution de la taille des composants microélectroniques. La brique de base d’un circuit électronique est le transistor MOS. Depuis quarante ans, l’industrie microélectronique prospère en suivant la loi de Moore selon laquelle « le nombre de transistors d’un microprocesseur double tous les deux ans ». Le nombre de transistors sur une puce est passé de 2 300 au début des années 70 (premiers microprocesseurs) à 1,3 milliards en 2011 [6]. Jusqu’à aujourd’hui, la technologie Flash, s’est adaptée à cette évolution. La diminution des dimensions a permis de produire plus de cellules mémoire sur une même puce de silicium, ce qui s’est traduit par une augmentation de la densité et un abaissement des coûts de fabrication (100$/Gb en 1990 contre 1$/Gb en 2010 [7]). Cependant, la miniaturisation des dimensions rencontre des limites. La technologie Flash devra être remplacée audelà du nœud technologique 22-nm en 2018 [1]. Dans la suite, nous expliquons les limites physiques rencontrées par cette technologie.
Tout d’abord, nous décrivons brièvement le fonctionnement des mémoires Flash. Le codage de l’information repose sur le stockage et le destockage de charges dans la grille de transistors MOS à grille flottante). La grille (généralement en silicium polycristallin) est positionnée entre deux matériaux diélectriques : l’oxyde tunnel et l’oxyde de contrôle. Elle est connectée à deux électrodes, la source et le drain ) présente l’écriture de la mémoire Flash. A l’application d’une tension seuil positive sur la grille de contrôle, des électrons sont injectées du substrat dans la grille flottante, à travers l’oxyde tunnel. Le champ électrique diminue l’épaisseur de la barrière de potentiel de l’oxyde tunnel et les électrons la traversent par effet tunnel (mécanisme Fowler– Nordheim). Lorsque la grille est chargée (« 1 ») ) présente l’effacement de la mémoire Flash. A l’application d’une tension seuil négative sur la grille de contrôle, les électrons stockés dans la grille flottante sont transférés vers le substrat, à travers l’oxyde tunnel. Lorsque la grille est déchargée (« 0 ») l’information est effacée.
La technologie Flash fait l’objet d’améliorations. Afin de poursuivre le développement des technologies de la microélectronique, un consortium industriel se réuni tous les deux ans pour établir la feuille de route et coordonner les investissements de recherche. Le document intitulé « International Technology Road Map for Semiconductor » (ITRS) donne les grandes orientations en matière d’investissement R&D pour le futur [10]. Par exemple, l’oxyde tunnel traditionnel (SiO2) est remplacé par un oxyde à forte constante diélectrique (HfO2, HfAlO …), ce qui permet l’utilisation d’épaisseurs plus élevées lors de la miniaturisation des dispositifs. Les courants de fuite sont diminués et la rétention de l’information est améliorée. En parallèle, des matériaux et des architectures innovantes sont développés, il s’agit des mémoires émergentes.
Mémoires émergentes
Dans les mémoires émergentes, le stockage de l’information ne repose pas sur le piégeage de charges électroniques, ce qui permet de poursuivre la diminution des dimensions. Elles se basent sur le changement de polarisation ou de l’état de résistance d’un matériau actif intégré entre deux électrodes métalliques, formant une capacité. Plusieurs types de mémoires innovantes sont en développement actuellement : les FRAM, les MRAM, les PRAM et les RRAM. Nous comparons leur fonctionnement et leurs propriétés.
Les mémoires ferroélectriques (FRAM pour Ferroelectric RAM) utilisent la polarisation permanente d’une pérovskite (en général du PZT, Pb(Zr, Ti)O3) [11]. Un dipôle électrique existe naturellement, sans l’application d’un champ électrique, car le barycentre de charges ioniques positives et négatives n’est pas identique. L’effet mémoire s’obtient grâce à deux états de polarisation stables, par l’application d’un champ électrique dans deux directions opposées. Les deux états de polarisation s’obtiennent en changeant la position des atomes de zircone ou de titane. Les mémoires magnétiques (MRAM pour Magnetic RAM), les mémoires à changement de phase (PRAM pour Phase change RAM) et les mémoires résistives (RRAM pour Resistive RAM) reposent sur le changement de résistance du matériau actif. La cellule mémoire est commutée alternativement entre deux états de résistance stables. Dans les MRAM, deux couches de matériaux ferromagnétiques séparés par une fine couche d’oxyde forment une jonction magnétique tunnel [12]. L’orientation des domaines magnétiques détermine l’état de résistance de la jonction. L’orientation magnétique de l’une des deux couches est fixe, tandis que celle de la deuxième peut être modulée à l’application d’un champ magnétique. Le spin des électrons s’aligne sur la polarisation du matériau ferromagnétique qui agit comme un filtre. Si les polarisations des deux matériaux ferromagnétiques sont parallèles (même direction), la résistance est basse, si les polarisations sont antiparallèles (directions opposées), la résistance est plus importante. Dans les PRAM, le matériau actif est un chalcogénide (généralement GeSbTe). La résistance est modulée par un changement de phase entre l’état cristallin (résistance basse) et l’état amorphe (résistance haute) [13]. Le changement de phase est provoqué par la modulation de la température par dissipation d’énergie Joule dans le matériau actif lorsqu’il est traversé par le courant électrique. La phase amorphe s’obtient en chauffant localement le matériau cristallin avec un pulse de courant court, de forte intensité, de manière à chauffer le matériau au-dessus de son point de fusion. La phase est stabilisée par l’arrêt brusque du courant électrique. La température chute brusquement, ce qui a l’effet d’une trempe. La phase cristalline s’obtient en chauffant la phase amorphe au-dessus de sa température de cristallisation, en utilisant une intensité de courant modérée. La mobilité des atomes de la phase amorphe augmente et la phase cristalline se stabilise. Enfin, le terme RRAM est générique et désigne l’ensemble des mémoires basées sur un changement de résistance du matériau actif par des effets chimiques ou électroniques. Ce phénomène est observé pour une large variété de matériaux (oxydes binaires ou complexes, composés organiques, électrolytes solides de type sélénide ou sulfide …), ce qui suppose des mécanismes de commutation de résistance différents.
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Table des matières
Introduction
Chapitre 1 Mémoires résistives à base d’oxyde binaire
1.1 Mémoires non-volatiles
1.1.1 Classification
1.1.2 Evolution
1.1.3 Mémoires émergentes
1.2 Mémoires OxRRAM
1.2.1 Stockage de l’information
1.2.2 Matériaux
1.3 Mécanisme de changement de résistance : état de l’art
1.3.1 Caractérisation
1.3.2 Hypothèses
1.4 Orientation du travail de thèse
Chapitre 2 Techniques de caractérisation utilisées
2.1 Mesures électriques sur banc de mesures
2.1.1 Principe
2.1.2 Instrumentation
2.2 Spectroscopie électronique de photoémission
2.2.1 Principe
2.2.2 Analyse chimique semi-quantitative
2.2.3 Analyse de l’environnement chimique des atomes
2.2.4 Traitement des données XPS
2.2.5 Instrumentation et paramètres expérimentaux
2.3 Microscopie à force atomique
2.3.1 Mesures de caractéristiques I-V
2.3.2 Cartographie de résistance et de topographie
2.3.3 Effets environnementaux
2.3.4 Instrumentation
2.4 Microscopie électronique en transmission
2.4.1 Principe
2.4.2 Résolution spatiale
2.4.3 Modes d’imagerie TEM
2.4.4 Spectroscopie de photons X
2.4.5 Spectroscopie de pertes d’énergie des électrons
2.4.6 Traitement des données
2.4.7 Instrumentation
2.5 Préparation d’échantillons TEM
2.6 Spectroscopie de rétrodiffusion de Rutherford
2.7 Diffraction des rayons X
2.8 Tableau récapitulatif des mesures effectuées
Chapitre 3 Claquage diélectrique irréversible de l’oxyde de nickel
3.1 Propriétés initiales de l’empilement
3.1.1 Structure cristalline
3.1.2 Composition chimique
3.2 Caractérisation électrique
3.2.1 Protocole de mesures
3.2.2 Caractéristiques I-V
3.2.3 Préparation d’échantillon
3.3 Caractérisation par spectroscopie de photoélectrons
3.3.1 Source de laboratoire
3.3.2 Rayonnement synchrotron
3.4 Conclusions du chapitre 3
Chapitre 4 Claquage diélectrique irréversible de l’oxyde d’hafnium
4.1 Propriétés initiales de l’empilement
4.1.1 Structure cristalline
4.1.2 Composition chimique
4.2 Caractérisation électrique
4.2.1 Protocole de mesures
4.2.2 Caractéristiques I-V
4.2.3 Préparation d’échantillon
4.3 Caractérisation par spectroscopie de photoélectrons
4.3.1 Source de laboratoire
4.3.2 Rayonnement synchrotron
4.4 Caractérisation par microscopie électronique en transmission
4.4.1 Protocole
4.4.2 Observations
4.5 Synthèse des résultats
4.6 Amélioration du protocole de mesures électriques
4.6.1 Caractéristiques I-V
4.6.2 Discussion
4.7 Conclusions du chapitre 4
Chapitre 5 Claquage diélectrique partiellement réversible de l’oxyde d’hafnium
Conclusion
