Soutenance mémoire
Etat de l’art des mémoires
Mémoires actuelles
Les mémoires représentent une part importante du marché de la microélectronique. Celles–ci se divisent en deux groupes distincts : les mémoires volatiles et les mémoires non volatiles. Les mémoires volatiles dites capacitives ont pour spécificité de ne pas retenir l’information lorsqu’elles sont déconnectées du réseau d’alimentation, mais leur caractéristique propre résulte dans le fait qu’elles ont des vitesses d’accès très rapides en lecture et en temps de programmation, de 1 à 10 ns. A l’inverse les mémoires non volatiles conservent l’information, indépendamment de l’alimentation électrique, cependant elles ont des temps d’accès beaucoup plus longs, de µs à ms.
Mémoires volatiles : Mémoires RAM
La majorité des mémoires volatiles sont des mémoires à accès aléatoire RAM (Random Access Memory). Elles permettent un accès rapide aux informations stockées. Les deux principaux types sont les SRAM (Static RAM) et les DRAM (Dynamic RAM).
SRAM
La mémoire SRAM stocke les informations par un système de ‘bascule’ . Les deux transistors M5 et M6 servent d’interrupteur. Ils sont dits passant lorsque ce point mémoire est sélectionné : la tension de grille appliquée doit être supérieure à la tension de seuil sur la ‘word line’. L’information codée par les états 0 ou 1 dépend des tensions appliquées sur les ‘bit line’ 1 et 2. La mesure de la polarité entre les ‘bit line’ permet la lecture.
Cette mémoire volatile présente certains avantages. En effet, elle ne nécessite pas de rafraîchissement périodique : l’information stockée est retenue dans une mémoire SRAM tant que l’alimentation est maintenue, contrairement à la mémoire DRAM. De plus, elle est très rapide permettant des temps d’accès inférieurs à la dizaine de ns, consomme peu d’énergie et permet 10¹⁸ cycles d’écriture [Burr10]. Cependant, elle est onéreuse à cause de sa faible densité d’intégration. Son application est ainsi limitée aux mémoires nécessitant des performances élevées pour une faible densité d’intégration. Elle est donc principalement utilisée dans la mémoire cache des processeurs.
DRAM
La mémoire DRAM est composée d’un transistor et d’une capacité connectés en série . Le stockage de l’information dépend de la charge du condensateur. Lorsque la charge est présente, l’état mémoire est 1 et sinon, l’état est 0. Le transistor T1 est activé en fonction de la ‘wordline’ et la tension appliquée sur la ‘bitline’ permet l’écriture. Cependant, un rafraîchissement permanent de la mémoire est nécessaire car les condensateurs conservent les charges durant quelques millisecondes, d’où son nom ‘Dynamic RAM’. Le transistor T2 permet la lecture de la mémoire par une mesure de tension aux bornes du condensateur. L’information perdue lors de la décharge doit être recopiée au préalable dans un circuit annexe puis réécrite ensuite. La consommation en énergie de la DRAM est ainsi très élevée. Cependant, la mémoire DRAM est de nos jours très utilisée dans les ordinateurs due à sa grande fiabilité, une densité d’information élevée et un temps d’accès de l’ordre de la dizaine de nanosecondes.
Mémoires non volatiles
Les mémoires non volatiles appelées aussi mémoires mortes ou ROM (Read Only Memories) permettent de stocker des données en l’absence de courant électrique contrairement aux mémoires volatiles (RAM). Le marché des mémoires non volatiles s’est développé depuis les années 60. La mémoire Flash constitue aujourd’hui l’essentiel du marché.
Les différentes mémoires ROM
La mémoire ROM a été la première développée, elle est uniquement destinée à être lue mais jamais reprogrammée : les informations sont stockées au cours de la fabrication. Sa principale application est la mémoire BIOS (données vitales au démarrage de l’ordinateur). La mémoire PROM (Programmable ROM) est apparue ensuite dans les années 70. Elle repose sur un principe identique à la mémoire ROM excepté le fait que la programmation est réalisée par l’utilisateur à l’aide d’une structure à base de fusibles. Lorsque les fusibles sont détruits par claquage électrique, elle devient à nouveau de type ROM et aucun effacement ou programmation ne peuvent être réalisés. La mémoire EPROM (Electrically Programmable ROM) représente une grande avancée des mémoires ROM car elle permet l’écriture et l’effacement. L’effacement est réalisé sous présence de rayons ultra-violets qui permettent la reconstitution des fusibles. Enfin, la mémoire EEPROM (Electrically Erasable and Programmable ROM) représente la dernière évolution des mémoires ROM. L’écriture et l’effacement se produisent électriquement. Cette mémoire a été développée par Intel dans les années 80. Elle est présente encore aujourd’hui dans de nombreux systèmes électroniques.
La mémoire Flash
La mémoire Flash a été développée à partir de l’EEPROM en améliorant la densité d’intégration. Elle utilise un transistor à grille flottante contrairement aux deux transistors des mémoires ROM précédentes. Le choix du terme ‘Flash’ fait référence à la rapidité d’effacement contrairement aux anciennes mémoires. Les mémoires Flash sont aujourd’hui partout autour de nous. Allant du lecteur MP3 pour obtenir de la musique à tout instant, à l’appareil photo numérique, aux textos et emails stockés dans notre smartphone ou encore aux documents que l’on transporte n’importe où à l’aide de la clé USB, ces gadgets technologiques ont changé notre vie de manière révolutionnaire. Petit clin d’œil aux mémoires Flash NOR et NAND inventées par un ingénieur de Toshiba qui déposa deux brevets au cours des années 1980. Son projet avait au départ été laissé de côté. Il fut ensuite révélé et devint en 3 décennies un incontournable de la microélectronique en rapportant 20 billions de dollars /an. Le principe de la mémoire Flash repose sur un concept de grille flottante et de stockage de charge. Elle utilise comme base un transistor MOS (Metal Oxyde Semiconductor) possédant une grille flottante en silicium polycristallin. Cette grille stocke l’information grâce au piégeage d’électrons. Elle est isolée de la grille de contrôle et du substrat par deux diélectriques : l’oxyde de contrôle et l’oxyde tunnel. Deux mécanismes permettent le transfert des charges à travers l’oxyde tunnel vers la grille flottante, autrement dit l’écriture :
– L’injection d’électrons chauds :
L’application de tensions de 12V sur la grille de contrôle et 5V sur le drain permet le passage des électrons, qui acquièrent ainsi une énergie suffisante, vers la grille flottante.
– Le transport par effet tunnel Fowler-Nordheim :
Les électrons franchissent la barrière de potentiel lors de l’application d’une tension de 20V sur la grille de contrôle.
L’effacement est réalisé de la même manière, en polarisant la grille de contrôle négativement. A cause de la présence de charges dans la grille flottante, la valeur de la tension de seuil du transistor augmente. Cette tension de seuil est définie comme la tension minimale à appliquer sur la grille pour que le courant circule entre la source et le drain. Lors de la lecture de la cellule mémoire, une tension VG est appliquée, la valeur de celle-ci est comprise entre la tension de seuil basse Vth1 (absence de charges dans la grille flottante) et la tension de seuil haute Vth2 (charges piégées dans la grille flottante). Le transistor est passant si un courant circule, ainsi VG > Vth1, c’est l’état 1. Si aucun courant ne circule, le transistor est bloqué et VG < Vth2, c’est l’état 0. Les étapes d’écriture et effacement sont des processus plus lents que la lecture car un transport de charges est nécessaire.
L’organisation des cellules d’une mémoire Flash se présente en matrice, elles se situent entre deux lignes, tel que montré sur les schémas précédents, la ‘wordline ‘ et la ‘bitline’. La grille de contrôle des transistors est connectée à la wordline’ et le drain à la ‘bitline’. Ces lignes et chaque point mémoire de ces lignes sont sélectionnés par un transistor d’accès. Les deux principaux types de mémoires Flash sont les Flash NOR (Fonction NON-OU) et les Flash NAND (Fonction NON-ET) différenciées par le modèle de porte logique utilisée pour chaque cellule de stockage. Dans la configuration NOR, les cellules mémoires sont connectées en parallèle. L’écriture se fait par injection de porteurs chauds et l’effacement par le processus de Fowler-Nordheim. L’écriture et l’effacement d’un bloc de cellules sont relativement longs (1µs et 10ms respectivement) mais la lecture est relativement rapide (10ns). Ses applications sont essentiellement du stockage de code d’instruction dans les téléphones portables ou encore les assistants personnels. Elle peut supporter jusqu’à 10⁶ cycles d’effacement.
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Table des matières
Introduction
Chapitre 1 PCRAM : Vers une mémoire universelle ?
1 Etat de l’art des mémoires
1.1 Mémoires actuelles
1.1.1 Mémoires volatiles : Mémoires RAM
1.1.2 Mémoires non volatiles
1.2 Mémoires RAM innovantes (FeRAM, MRAM, ReRAM)
1.2.1 FeRAM
1.2.2 MRAM
1.2.3 ReRAM
1.3 Mémoires Flash vs. Mémoires émergentes
2 Applications des PCRAM aux mémoires embarquées
2.1 Cahier des charges du matériau à changement de phase idéal
2.2 Les matériaux sélectionnés
a) Le Ge53Te47
b) Le Ge53Te47 dopé
c) Le Ge18Sb82
d) Le Ge18Sb82 dopé N
2.3 Les deux classes de matériaux à changement de phase
2.4 Problématique de la thèse
Chapitre 2 Procédures expérimentales
1 Méthode de dépôt des films présentés dans l’étude
1.1 Principe de la pulvérisation cathodique
1.2 L’effet magnétron
1.3 Le réacteur de dépôt Alliance Concept CT200
a) La préparation de surface (chambre « etching »)
b) La co-pulvérisation (chambre « co-pulvérisation »)
d) Conditions de dépôt sur le réacteur CT200
2 Caractérisations optiques
2.1 Réflectométrie
2.2 Testeur Statique
3 Caractérisations physico-chimiques
3.1 Diffraction par Rayons X
3.2 Microscope Electronique à Transmission
4 Caractérisations électriques
4.1 Mesures de résistivité quatre pointes
4.2 Tests paramétriques
4.2.1 Fabrication des cellules tests PCRAM type PME1
4.2.2 Dispositifs de tests électriques des cellules mémoire
Chapitre 3 Cristallisation Ge53Te47 vs. Cristallisation Ge18Sb82
1 Transition Amorphe « tel que déposé » Cristal par Recuit Thermique
1.1 La cristallisation
1.1.1 La température de cristallisation
1.1.2 Influence de l’épaisseur
1.1.3 Influence du « capping » et du substrat
1.2 Mécanisme de cristallisation
1.2.1 Comportement de cristallisation
1.2.2 Phases cristallines en jeu – Ségrégation d’éléments
1.2.3 Morphologie des grains
1.3 Influence du type de recuit (isochrone et isotherme)
1.3.1. Recuit isochrone – Etude XRD labo
2 Etude de la cristallisation du ‘melt-quenched’ ou « fondu-trempé »
2.1 Etude de l’amorphe « fondu-trempé »
2.1.1 Température de fusion
2.1.2 Vitesse d’amorphisation
2.1.3 Etude en MET des points amorphes
2.2 Cristallisation de l’amorphe « fondu-trempé »
2.2.2 Etude par recuit thermique
2.2.3 Etude par recuit laser
3 Performances électriques
3.1. Caractéristiques de la cellule
3.1.1 I-V en états SET et RESET
3.1.2 Caractéristiques R-V – Etude dynamique de la cellule PCRAM
3.2 Fiabilité des mémoires à changement de phase
3.2.1 Rétention de données et durée de vie
3.2.2 Evaluation de la cyclabilité des cellules PCRAM
Conclusion du chapitre 3
Chapitre 4 Modification du comportement de cristallisation par l’ajout de dopant ou alliage
1 Alliage avec des éléments lourds
1.1 GeTe-GaSb
1.1.1 Cristallisation de l’amorphe « tel que déposé »
1.1.2 Cristallisation de l’amorphe « fondu trempé »
1.1.3 Performances électriques
1.2 GeTe-InSb
1.2.1 Cristallisation de l’amorphe « tel que déposé »
1.2.2 Cristallisation de l’amorphe « fondu trempé »
1.2.3 Performances électriques
2 Alliage avec des éléments légers (Dopage par abus de langage)
2.1 GeSb dopé N
2.1.1 Mesures de composition
2.1.2 Etude de la cristallisation de l’amorphe « tel que déposé » par recuit thermique
2.1.4 Etude de la cristallisation de l’amorphe « fondu trempé » par recuit laser
2.1.5 Performances électriques
2.2 GeTe dopé N et dopé C
2.2.1 Mesures de composition
2.2.2 Etude de la cristallisation de l’amorphe « tel que déposé »
2.2.4 Etude de la cristallisation de l’amorphe « fondu trempé » par recuit laser
2.2.5 Performances électriques
2.3 GeTe dopé bore
2.3.1 Mesure de composition
2.3.2 Etude de la cristallisation de l’amorphe « tel que déposé » par recuit thermique
2.3.3 Etude de la cristallisation de l’amorphe « fondu trempé » par recuit laser
2.3.4 Performances électriques
Conclusion du chapitre 4
Conclusion
