Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Mémoires résistives (RRAMs)“

De nombreuses applications (internet des objets, systèmes embarqués automobiles et médicales, intelligence artificielle) ont besoin d’un circuit intégré (ou SoC pour System on Chip) avec des mémoires non volatiles embarquées performantes pour fonctionner de manière optimale. Bien que la mémoire Flash soit largement utilisée aujourd'hui, cette technologie nécessite une tension élevée pour les opérations de programmation et présente des problèmes de fiabilité difficiles à gérer au-delà du nœud technologique 18 nm, augmentant les coûts de conception et de fabrication des circuits. Dans ce contexte, l'industrie du semi-conducteur est à la recherche d’une mémoire non volatile alternative pouvant remplacer les mémoires Flash. Parmi les candidats actuellement étudiés (MRAM - mémoire à accès aléatoire magnétique, PCM - mémoire à changement de phase, FeRAM - mémoire à accès aléatoire Ferroélectrique), les mémoires résistives (RRAM) offrent de meilleures performances sur différents points capitaux : compatibilité avec le processus de fabrication standard CMOS, consommation de courant, rapidité de fonctionnement, etc. La technologie RRAM peut être aisément introduite dans n'importe quel flot de conception ouvrant la voie au développement de nouvelles architectures qui répondent à l’engorgement des systèmes classiques Von Neumann. Dans cette thèse, l'objet principal est de montrer le potentiel d’intégration des dispositifs RRAM avec la technologie CMOS, à l’aide de simulation et de mesures électriques, afin d’élaborer différentes structures hybrides : mémoires à accès aléatoire statique (SRAM) non volatiles, générateurs de nombres aléatoires (TRNG) et réseaux de neurones artificiels
Many diversified applications (internet of things, embedded systems for automotive and medical applications, artificial intelligence) require an integrated circuit (SoC, System on Chip) with high-performance non-volatile memories to operate optimally. Although Flash memory is widely used today, this technology needs high voltage for programing operations and has reliability issues that are hard to handle beyond 18 nm technological node, increasing the cost of circuit design and fabrication. In this context, the semiconductor industry seeks an alternative non-volatile memory that can replace Flash memories. Among possible candidates (MRAM - Magnetic Random Access Memory, PCM - Phase Change Memory, FeRAM - Ferroelectric Random Access Memory), Resistive memories (RRAMs) offer superior performances on essential key points: compatibility with CMOS manufacturing processes, scalability, current consumption (standby and active), operational speed. Due to its relatively simple structure, RRAM technology can be easily integrated in any design flow opening the way for the development of new architectures that answer Von Neumann bottleneck. In this thesis, the main object is to show the integration abilities of RRAM devices with CMOS technology, using circuit design and electrical measurements, in order to develop different hybrid structures: non-volatile Static Random Access Memories (SRAM), True Random Number Generator (TRNG) and artificial neural networks

L'écart de vitesse entre le processeur et la mémoire vive est devenu un point faible pour les performances des systèmes. En raison de ces limitations, de nombreuses mémoires émergentes ont été proposées comme solutions alternatives à ces problèmes existant dans la hiérarchie mémoire. Les mémoires résistives (RRAM) sont considérées comme des candidats pour la « storage class memory » (SCM), les mémoires non volatiles embarquées (eNVM), et les systèmes neuromorphique. Cependant, les problèmes de fiabilité tels que la rétention de données sont encore en cours d'amélioration. De plus, pour obtenir des matrices mémoires de grande densité, la RRAM a besoin des sélecteurs qui seront intégrer en série avec elle dans une architecture un-sélecteur une-résistance (1S1R). Le sélecteur est nécessaire avec le point mémoire pour éliminer les problèmes des courants de fuite, qui gênent le bon fonctionnement de la matrice mémoire dans des architectures crossbar et verticales 3D.Dans cette thèse, notre objectif principal est de traiter les défis ci-dessus. Notre travail peut être divisé en deux parties principales : i) l'étude de la fiabilité des cellules RRAM basées sur HfO2 et ii) la caractérisation des opérations de base et des performances des cellules RRAM basées sur HfO2 et qui sont co-intégrées avec deux types différents des sélecteurs. Pour la partie fiabilité, nous avons étudié les effets du dopage aluminium (Al) sur la rétention de données des cellules RRAM à base de HfO2. Des dispositifs à simple et double couche avec différentes concentrations d'aluminium ont été fabriqués et testés. A partir des comportements électriques macroscopiques, comme la dégradation du diélectrique en fonction du temps (TDDB) et l’opération de forming avec des rampes de tension, on a extrait des propriétés microscopiques des matériaux tels que l'énergie d'activation nécessaire pour la rupture d’une liaison chimique à champ nul et le moment dipolaire des liaisons dans les matériaux testés. En utilisant ces paramètres microscopiques nous avons effectué tout au long de ce travail des simulations physiques pour comprendre les dynamiques de l’opération de forming ainsi que les mécanismes physiques impliqués pendant les opérations du dispositif mémoire. Deuxièmement, nous avons étudié l'immunité aux rayonnements de la RRAM à base de HfO2 pour les applications spatiales. Nos dispositifs RRAM ont été exposés à une énergie de 266 MeV d'ions lourds d'iode. Des analyses pré- et post-exposition ont été effectuées sur les états de la mémoire et les tensions de programmation pour étudier les effets de l'irradiation sur les caractéristiques du dispositif mémoire.Dans la partie des dispositifs d’accès, nous avons évalué deux types différents des sélecteurs. Une forte non-linéarité dans les caractéristiques courant / tension est obligatoire pour effectuer une lecture précise et une écriture à faible consommation. Dans le premier dispositif étudié, la sélectivité est introduite en ajoutant une couche d'oxyde dans l’empilement mémoire et qui agit comme une barrière tunnel. Le principal avantage de cette méthode est la facilité d’intégration de la barrière tunnel, par contre elle souffre d'une faible sélectivité (~ 10) et d'un faible courant de programmation qui dégrade la rétention de données. Deuxièmement, on a co-intégré avec l’RRAM un sélecteur OTS et le dispositif 1S1R a été entièrement caractérisé. Le sélecteur OTS offre une plus grande sélectivité par rapport à la barrière tunnel avec les possibilités d'augmenter fortement cette sélectivité par l'ingénierie des matériaux chalcogénures. Plus de 106 cycles de lecture ont été obtenu pour les dispositifs 1S1R en utilisant une stratégie de lecture innovante que nous avons suggérée pour éviter les lectures perturbatrices et réduire la consommation d'énergie
The performance gaps in nowadays memory hierarchy on the first hand between processor and main memory, on the other hand between main memory and storage have become a bottleneck for system performances. Due to these limitations, many emerging memories have been proposed as alternative solutions to fill out such concerns. The emerging non-volatile resistive random-access memories (RRAM) are considered as strong candidates for storage class memory (SCM), embedded nonvolatile memories (eNVM), enhanced solid-state disks, and neuromorphic computing. However, reliability challenges such as RRAM thermal stability and resistance variability are still under improvement processes. In addition, to achieve high integration densities the RRAM needs two terminal selector devices in one-selector one-resistor (1S1R) serial cell. The BEOL selector device enables suppression of the parasitic leakage paths, which hinder memory array operation in crossbar and vertical 3D architectures.In this PhD, our main focus is to address and treat the above challenges. Here, the work can be divided into two main parts: i) the investigation of the reliability of HfO2 based RRAM cells and ii) the characterization of the basis memory operations and performances of HfO2 based RRAM cells co-integrated with two different back end of line (BEOL) selector technologies.For the reliability part, we have investigated the effects of aluminum (Al) doping on data retention of HfO2 based RRAM cells. Single and double layer devices with different aluminum concentration were fabricated and tested. From macroscopic electrical characteristics, like time dependent dielectric breakdown (TDDB) and ramped voltage forming, microscopic properties of the materials such as the activation energy to break a bond at zero field and the dipole moment of the bond were extracted. These parameters have been used to shed new light on the mechanisms governing the forming process by means of device level simulations. Second, we have addressed the radiation immunity of HfO2 based RRAM for possible space applications as well. Our RRAM devices were exposed to 266 MeV Iodine heavy ions energy. Pre- and post-exposure analysis were carried out on the memory states and the programming voltages to study the effects of the irradiation on the memory characteristics. Throughout this work, we have performed physics based simulations to understand the dynamics of the forming process as well as the physical mechanisms involved during the memory operations.For the access devices part, we have evaluated two different types of selectors. For accurate reading and low power writing a strong selectivity in the current/voltage characteristics is required. In the first studied device, the selectivity is introduced by adding an oxide tunnel barrier. The main advantage of this strategy is that it is easy to integrate, however it suffers of low selectivity (~10) and low programming current. Second, an OTS based selector co-integrated with HfO2 based RRAM was fully characterized. OTS selector provides higher selectivity compared to the oxide tunnel barrier with the possibilities to strongly increase this selectivity by material engineering. Over 106 read cycles have been achieved on our 1S1R devices using an innovative read strategy that we have suggested to prevent disruptive read and to reduce the power consumption

Aujourd'hui, le marché des mémoires non-volatile est dominé par la technologie Flash. Cependant, cette technologie est en passe d'atteindre ses limites de miniaturisation. Ainsi, dans le but de poursuivre la réduction des dimensions, de nouveaux concepts mémoires sont explorés. Parmi les technologies émergentes, la mémoire résistive OxRRAM basée sur la commutation de résistance d’une structure Métal/Isolant/Métal, cette technologie présente des performances prometteuses, supporte une réduction de ses dimensions critiques et offre une bonne compatibilité avec les filières CMOS. Toutefois, cette technologie mémoire n'en est qu'au stade du développement et se heurte à une compréhension que partielle des mécanismes de commutation de résistance.Ce travail de thèse s'intègre dans ce contexte et vise à apporter une contribution supplémentaire au développement de cette technologie. La première partie est consacrée à la sélection du meilleur couple électrodes/matériau actif. A l’aide d’une analyse des caractéristiques électriques de commutation, l’empilement TiNHfO2Ti est retenu pour être intégré dans une structure 1T1R. Une seconde partie présente la caractérisation électrique avancée de l’architecture mémoire 1T1R. L'influence des différents paramètres de programmation est analysée et les performances électriques sont évaluées. La dernière partie apporte des éléments d'analyse et de compréhension sur les mécanismes de commutation de résistance. La mesure, en fonction de la température, des caractéristiques électriques de commutation a permis d'analyser l'influence de la température et du champ électrique sur les mécanismes physiques à l'origine du changement de résistance
Today, non-volatile memory market is dominated by charge storage based technologies. However, this technology reaches his scaling limits and solutions to continue miniaturization meet important technological blocks. Thus, to continue scaling for advanced nodes, new non-volatile solutions are developed. Among them, oxide based resistive memories (OxRRAM) are intensively studied. Based on resistance switching of Metal/Isolator/Metal stack, this technology shows promising performances and scaling perspective but isn’t mature and still suffer from a lake of switching mechanism physical understanding.Results presented in this thesis aim to contribute to the development of OxRRAM technology. In a first part, an analysis of different materials constituting RRAM allow us to compare unipolar and bipolar switching modes and select the bipolar one that benefit from lower programming voltage and better performances. Then identified memory stack TiNHfO2Ti have been integrated in 1T1R structure in order to evaluate performances and limitation of this structure. Operating of 1T1R structure have been carefully studied and good endurance and retention performances are demonstrated. Finally, in the last part, thermal activation of switching characteristics have been studied in order to provide some understanding of the underling physical mechanisms. Reset operation is found to be triggered by local temperature while retention performances are dependent of Set temperature

Les limites rencontrées par les dernières générations de mémoires Flash et DRAM (Dynamic Random Access Memory) nécessitent la recherche de nouvelles variables physiques (autres que la charge et la tension), de nouveaux dispositifs ainsi que de nouvelles architectures de circuits. Plusieurs dispositifs à résistance variable sont très prometteurs. Parmi eux, les OxRRAMs (Oxide Resistive Random Access Memory) et les CBRAMs (Conductive Bridge Random Access Memory) sont de sérieux candidats pour la prochaine génération de mémoire dense. Ce travail se concentre donc sur le rôle des mémoires résistives (OxRRAM et CBRAM) dans les mémoires embarquées et plus particulièrement dans les FPGAs. Pour cela, nous avons développé un modèle compact, outil indispensable à la conception de circuits intégrés. Ensuite, nous avons conçus de nouveaux circuits non volatiles tels que des flips-flops (NVFF), des tables de correspondance (NVLUT), des commutateurs 2x2 ainsi que des SRAMs (NVSRAM). Ces structures ont finalement été simulées dans le cas d’un FPGA, afin de vérifier l’impact de celles-ci sur la surface, le délai ainsi que la puissance. Nous avons comparé les résultats pour un FPGA à base de NVLUTs utilisant une structure 1T-2R composée de CBRAMs par rapport à un FPGA plus classique utilisant des SRAMs. Nous réduisons ainsi la taille de 5%, la consommation de 18% et améliorons la vitesse de fonctionnement de 24%. La thèse aborde la modélisation compacte, la conception des circuits, et l’évaluation de systèmes incluant des mémoires résistives
The grave challenges to future of traditional memories (flash and DRAM) at 1X nm regime has resulted in increased quest for new physical state variables (other than charge or voltage), new devices and architectures offering memory and logic functions beyond traditional transistors. Many thin film devices with resistance change phenomena have been extensively reported as ’promising candidates’. Among them, Ox- ide Resistive Memory (OxRRAM) and Conductive Bridge Resistive Memory (CBRAM) are leading contenders for the next generation high density memories. In this work, we focus on the role of Resistive Memories in embedded memories and their impact on FPGAs in particular. We begin with the discussion on the compact modeling of resistive memory devices for design enabling, we have designed novel circuits of non- volatile flip-flop (NVFF), non-volatile look-up table (NVLUT), non-volatile 2x2 switch and non-volatile SRAM (NVSRAM) using Resistive Memories. We simulated the impact of these design structures on the FPGA system assessing the performance parameters of area, delay and power. By using the novel 1T-2R memory element concept of CBRAMs in FPGAs to implement Look-up Tables (NVLUT), we would scale down the area impact by 5%, enhance speed by 24% and reduce the power by 18% compared to SRAM based FPGAs. The thesis addresses aspects of compact modeling, circuit design and system evaluation using resistive memories

Les mémoires informatiques actuelles qui ne sont que l'extrême miniaturisation de la technologie développée dans les années 1960, atteignent des limites technologiques difficilement surmontables techniquement et très couteuses. Les mémoires doivent donc se réinventer par une modification profonde de leur forme, comme le développement de structures en 3 dimensions par exemple, ou par l'utilisation de technologies innovantes. C'est un phénomène récent dans le domaine des mémoires qui nous a intéressé au cours de cette thèse. Il consiste à maîtriser électriquement et de manière réversible la résistivité d'une structure pour coder de l'information de manière pérenne, d'où son nom de mémoires résistive non volatile. Un grand nombre de recherches sont menées pour comprendre et maîtriser cette technologie dont le principal défaut actuel est son manque de reproductibilité. Nous proposons une approche originale consistant à l'intégration de nanoparticules d'oxyde d'indium dans la structure d'une mémoire résistive qui est directement compatible avec les puces déjà existantes. L’intégration de particules a pour but d'aider à rendre ces mémoires plus homogènes par un contrôle du comportement électrique de la structure. L'étude menée porte dans un premier temps sur les défis liés à la fabrication de la mémoire et en particulier sur le dépôt de nanoparticules. Pour avoir un effet bénéfique, la fabrication de celles-ci doit être parfaitement maîtrisée. Nous détaillons ensuite à la caractérisation électrique des mémoires et à la compréhension des phénomènes qui sont à l’origine du changement de résistivité des matériaux afin de tenter de mieux les contrôler
The current computer memories are nothing more than the extreme miniaturization of the technology developed in the 1960s. These memories reached technological limits that are technically difficult and very costly to overcome. Memories must therefore be reinvented by a profound change in their shape, such as the development of three-dimensional structures for example, or by the use of innovative technologies. A new physical phenomenon in the field of memories interested us during this thesis. It consists in an electrically and reversibly control of the resistivity of a structure that can reach at least two level to code the information in a durable way. These memories are called non-volatile resistive memories. A lot of research is being carried out to understand and control this technology. The main current defect of this emerging technology is its lack of reproducibility. We propose an original approach consisting in the integration of indium oxide nanoparticles into the structure of a resistive memory that is directly compatible with existing chips. The purpose of particle integration is to increase the homogeneity of these memories by controlling the electrical behaviour of the structure. The study initially focused on the challenges of memory manufacturing and in particular on the deposition of nanoparticles. To have a beneficial effect, the manufacture of these products must be perfectly controlled. The study then details the electrical characterization of the memories. We discuss about the phenomena that are at the origin of the change in resistivity in order to try to better control them

Les mémoires vives à changement de résistance (ReRAM de l'anglais Resistive Random Access Memories) attirent fortement l'attention car elles sont considérées comme unes des plus prometteuses pour la prochaine génération de composants. Ceci est du à leurs basse consommation de puissance, leurs vitesse de commutation élevée et leurs potentiel pour devenir une mémoire à haute densité compatible avec la technologie CMOS. Ces mémoires se basent sur l'effet de commutation résistive (RS de l'anglais resistive switching) qui est un changement réversible de la résistivité contrôlé par un champ électrique externe. Il a été proposé que le RS soit couplé avec la migration de lacunes d'oxygène qui permet de générer, de façon réversible, un canal de conduction dans l'oxyde. Plusieurs expériences ont été menées pour élucider les mécanismes de la commutation pendant les dernières années sans aucune conclusion définitive sur le mécanisme sous jacent au RS. Le principal objectif de ce travail est de comprendre les mécanismes physiques qui contrôlent le RS et de pointer quels sont les paramètres clés qui pourraient améliorer la performance des dispositifs d'un point de vue technologique. Dans cette mémoire nous présentons des études de RS dans différentes interfaces métal/oxyde en utilisant de l'or, de l'argent et du platine comme métaux et des oxydes complexes : YBa2Cu3O7–δ (YBCO), La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO) et La0.7Sr0.3CoO3 (LSCO). Ces oxydes ont été choisis car ce sont des systèmes à électrons fortement corrélés ayant des propriétés physiques qui dépendent fortement de la Stœchiométrie d'oxygène. Ils ont une structure similaire (type pérovskite) et une haute mobilité d'oxygène. Nous avons réalisé la validation du principe de fonctionnement pour chaque type de jonction et expliqué le RS en utilisant un modèle de diffusion de lacunes d'oxygène assisté par champ électrique. Nous avons caractérisé ensuite le mécanisme de conduction des jonctions qui suit une conduction dominé par un effet Poole-Frenkel dans YBCO et par un mécanisme type SCLC dans LSCO. La faisabilité des dispositifs de mémoire dans ces jonctions a été testée atteignant des répétitivités élevées avec une consommation de puissance optimale avec plus de 103 commutations RS réussies. Nous avons également étudié l'effet d'accumulation d'impulsions électriques cycliques d'amplitude croissante sur l'état de résistance de la mémoire non-volatile de la jonction. On a trouvé une relation entre l'amplitude du RS et le nombre d'impulsions appliquées pour une amplitude et une température fixées. Cette relation est similaire à l'équation de Basquin qui décrit la loi d'endommagement dans les essais mécaniques de fatigue reliant la contrainte appliquée au nombre de répétitions de la sollicitation (temps de vie). Ceci fait ressortir la similarité de la physique du RS et de la propagation de défauts dans les matériaux soumis à des contraintes mécaniques cycliques. Finalement, nous avons analysé l'évolution temporelle de l'état résistif rémanent dans l'interface oxyde-métal. Le temps de relaxation peut se décrire par une loi exponentielle étendue qui est caractérisée par un exposant d'étirement près de 0.5. Nous trouvons que les temps caractéristiques augmentent avec la température et la puissance appliquée ce qui veut dire que ce n'est pas un phénomène classique d'activation thermique. Les résultats mettent clairement en évidence la relation entre le RS et la diffusion de lacunes d'oxygène dans une surface avec une densité de pièges dépendante de la température et qui peut correspondre physiquement à la diffusion aux joints de grains
Resistive Random Access Memories (RRAM) have attracted significant attention recently, as it is considered as one of the most promising candidates for the next generation of non-volatile memory devices. This is due to its low power consumption, fast switching speed and the ability to become a high density memory compatible with the conventional CMOS processes. The working principle of this kind of memories is the resistive switching (RS) which is simply the controlled reversible change in the resistivity of a junction generated by an external electric field. It has been proposed that the RS is coupled with the migration of oxygen vacancies generating a reversible conduction path inside the oxide. Many experiments have been done to address the switching mechanism during the last decade without any conclusive answer of what is the physical mechanism beneath the RS. The main goal of the present work it's to understand the physical mechanism that control the RS and to point out which are the key parameters that can help improve the performance of the memory devices from a technological point of view. In this dissertation we report on the studies of the RS in different interfaces metal/oxide where we have utilized gold, silver and platinum as metal and as complex oxides: YBa2Cu3O7–δ (YBCO), La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO) y La0.7Sr0.3CoO3 (LSCO). This oxides have been chosen because all of them are strongly correlated compounds with physical properties strongly dependent of their oxygen stoichiometry. They also have a similar crystalline structure (perovskite type) and a high oxygen mobility. We realized the proof of concept for each type of junction successfully and explain the RS effect and explained the RS utilizing an electric assisted diffusion of oxygen vacancies model. We characterized them the conduction mechanism of the junctures with a conduction dominated by the Poole-Frenkel effect in the YBCO and by the SCLC mechanism in the LSCO. The feasibility of the memory devices in this junctions have been tested reaching high repeatability with optimize power consumption with more than 103 successful switching events. We have also studied the effects of accumulating cyclic electrical pulses of increasing amplitude on the non-volatile resistance state of the junctions. We have found a relation between the RS amplitude and the number of applied pulses, at a fixed amplitude and temperature. This relation remains very similar to the Basquin equation use to describe the stress-fatigue lifetime curves in mechanical tests. This points out to the similarity between the physics of the RS and the propagation of defects in materials subjected to repeated mechanical stress. This relation can be used as the basis to build an error correction scheme. Finally, we have analyzed the time evolution of the remnant resistive state in the oxide-metal interfaces. The time relaxation can be described by a stretched exponential law that is characterized by a power exponent close to 0.5. We found that the characteristic time increases with increasing temperature and applied power which means that this is not a standard thermally activated process. The results are a clear evidence of the relation between RS and the diffusion of oxygen vacancies on a two-dimensional surface with a temperature-dependent density of trapping centers, which may correspond, physically, to the diffusion along grain boundaries
Las memorias resistivas están entre los principales candidatos a ser utilizados como elementos en una nueva generación de memorias no volátiles. Esto se debe a su bajo consumo energético, una alta velocidad de lectura/escritura y a la posibilidad de lograr memorias de alta densidad compatibles con los procesos de la tecnología CMOS actual (por sus siglas en inglés: Complementary Metal–Oxide–Semiconductor).El funcionamiento de estas memorias se basa en la conmutación resistiva (CR), que consiste en el cambio controlado de la resistencia de una interfase metal-óxido a través de estímulos eléctricos. Si bien hasta el presente no se ha podido determinar con certeza el mecanismo físico que controla la CR, se piensa que está basado en el movimiento de vacancias de oxígeno que formarían de manera reversible zonas de alta/baja conducción dentro del óxido.La presente tesis tiene como objetivo principal entender los mecanismos físicos que gobiernan a la CR y poner en evidencia algunos de los aspectos esenciales que pueden contribuir a lograr dispositivos útiles desde el punto de vista tecnológico.Para ello se han realizado estudios de las características principales de la CR para distintas interfases metal-óxido a distintas condiciones de temperatura. Se han utilizado Au, Pt y Ag como metales y los siguientes óxidos complejos YBa2Cu3O7–δ (YBCO), La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO) y La0.7Sr0.3CoO3 (LSCO). Se han elegido estos óxidos complejos debido a que presentan características similares, como ser materiales fuertemente correlacionados con una estructura cristalina tipo perovskita y una alta movilidad de oxígenos, lo que afecta muchas de sus propiedades físicas, ya que dependen fuertemente de la estequiometría.Nuestros resultados han demostrado la existencia de una CR bipolar en todos estos sistemas. Ésta es explicada satisfactoriamente a través de un modelo de difusión de vacancias de oxígeno asistidas por campo eléctrico.Se han caracterizado las interfases como dispositivos de memoria, estudiando sus mecanismos de conducción, encontrándose una conducción dominada por un mecanismo del tipo Poole-Frenkel para la muestra de YBCO y una conducción del tipo SCLC para el LSCO y el LSMO. Adicionalmente, se ha conseguido una alta durabilidad y repetitividad en el funcionamiento de estas junturas como dispositivos de memoria,vgracias a la optimización en el protocolo utilizado para escribir/borrar, lográndose más de 103 conmutaciones consecutivas sin fallas en dispositivos bulk.También se ha estudiado el efecto de la acumulación de pulsos idénticos en las interfases obteniéndose una relación entre la amplitud de la CR y el número de pulsos aplicado a amplitud y temperatura fijas. Luego de someter la interfase a ciclos de fatiga eléctrica, se ha encontrado una similitud entre la evolución de la resistencia remanente en esta con la propagación de defectos en un metal sometido a pruebas de fatiga mecánica. Esta relación puede ser usada como base para generar un algoritmo de corrección de errores y para mejorar la efectividad y el consumo de energía de estos dispositivos de memoria.Finalmente, se han realizado estudios sobre la evolución temporal de cada estado de resistencia. Hemos demostrado que sigue una ley exponencial estirada con un exponente cercano a 0.5 y un tiempo característico dado, que depende tanto de la temperatura como de la potencia utilizada. Estos resultados implican que la evolución temporal no está dominada por un proceso estándar de difusión térmicamente activado. La difusión de vacancias de oxígeno ocurre en una superficie con una densidad de trampas que depende de la temperatura, donde dicha superficie correspondería físicamente a los bordes de grano del óxido

La mémoire NAND Flash représente une part importante dans le marché des circuits intégrés et a bénéficié de la traditionnelle miniaturisation de l’industrie des sémiconducteurs lui permettant un niveau d’intégration élevé. Toutefois, cette miniaturisation semble poser des sérieux problèmes au-delà du noeud 22 nm. Dans un souci de dépasser cette limite, des solutions mémoires alternatives sont proposées parmi lesquelles la mémoire résistive (RRAM) se pose comme un sérieux candidat pour le remplacement de NAND Flash. Ainsi, dans cette thèse nous essayons de répondre à des nombreuses questions ouvertes sur les dispositifs RRAM à base d’oxyde d’hafnium (HfO2) en particulier en adressant le manque de compréhension physique détaillée sur leur fonctionnement et leur fiabilité. L’impact de la réduction de taille des RRAM, le rôle des électrodes et le processus de formation et de diffusion des défauts sont étudiés. L’impact de l’alliage/dopage de HfO2 avec d’autres matériaux pour l’optimisation des RRAM est aussi abordé. Enfin, notre étude tente de donner quelques réponses sur la formation du filament conducteur, sa stabilité et sa possible composition
Among non-volatile memory technologies, NAND Flash represents a significant portion in the IC market and has benefitted from the traditional scaling of semiconductor industry allowing its high density integration. However, this scaling seems to be problematic beyond the 22 nm node. In an effort to go beyond this scaling limitation, alternative memory solutions are proposed among which Resistive RAM (RRAM) stands out as a serious candidate for NAND Flash replacement. Hence, in this PhD thesis we try to respond to many open questions about RRAM devices based on hafnium oxide (HfO2), in particular, by addressing the lack of detailed physical comprehension about their operation and reliability. The impact of scaling, the role of electrodes, the process of defects formation and diffusion are investigated. The impact of alloying/doping HfO2 with other materials for improved RRAM performance is also studied. Finally, our study attempts to provide some answers on the conductive filament formation, its stability and possible composition

Les composés de la famille des spinelles lacunaires AM4X8 (A = Ga, Ge ; M = V, Ta, Nb ; X = S, Se) sont des isolants de Mott à faible gap dans lesquels l'application de pulses électriques induit une chute de résistance électrique. Cette "transition résistive" non-volatile et réversible, observée sur mono-cristaux, est potentiellement intéressante dans des applications de type mémoire RRAM. Pour cela, un des principaux challenges consiste à obtenir ces matériaux chalcogénures sous forme de couches minces. Dans ce travail, nous avons synthétisé, par pulvérisation RF magnétron et pour la première fois, des couches minces du composé GaV4S8. Cette technique, compatible avec les étapes technologiques de la microélectronique, a nécessité la réalisation de cibles de pulvérisation de compacité supérieure à 90%. L'étude paramétrique des conditions de dépôt et de recuit a permis d'obtenir des couches minces cristallines et stoechiométriques ayant des propriétés électroniques identiques à celles du matériau massif. À température ambiante, les couches minces présentent les propriétés de transition résistive et de cyclage induits par pulses électriques. L'étude de la transition résistive révèle l'existence d'un champ électrique seuil, ce qui suggère que celle-ci est liée à un effet de champ électrique. L'ensemble des études réalisées indique d'une part que le mécanisme de la transition résistive diffère de ceux répertoriés jusqu'ici dans la littérature et d'autre part que les principales caractéristiques du cyclage (amplitude, temps, tension de commutation) se comparent très favorablement à celles des autres types de mémoires non-volatiles émergentes
The compounds of the lacunar spinel family AM4X8 (A = Ga, Ge ; M = V, Ta, Nb ; X = S, Se) are small gap Mott insulators which undergo a resistive switching under electric pulses. This non-volatile and reversible switching, discovered on single crystals, has potential applications in the field of RRAM non-volatile memories. To unlock this potential, a major challenge, the deposition of these chalcogenide materials in thin layers, remains. In this work, GaV4S8 thin layers were synthesized for the first time, using RF magnetron sputtering. This technique is compatible with the current technological fabrication steps used in microelectronics. We first prepared sputtering targets with a compacity higher than 90%. Through a thorough parametric study of the deposition and annealing conditions, crystallized and stoichiometric thin layers have been obtained with electronic properties identical to the bulk material. At room temperature, the thin layers exhibit both the resistive switching and cycling property induced by electric pulses. The study on the resistive switching reveals the existence of a threshold electric field, which suggests that it is related to an electric field effect. Our entire study demonstrates, on the one hand, that the mechanism behind the resistive switching differs from those identified in other systems reported so far and, on the other hand, that the cycling characteristics (amplitude, switching time and voltage) of GaV4S8 are competitive with respect to those encountered in other kind of emerging non-volatile memories

Alors que les mémoires non-volatiles conventionnelles, telles que les mémoires flash à grille flottante, deviennent de plus en plus complexes à intégrer et souffrent de performances et d’une fiabilité de plus en plus réduite, les mémoires à variation de résistance (RRAM) telles que les OxRAM, CBRAM, MRAM ou PCM sont vues dans la communauté scientifique comme une alternative crédible. Cependant, les architectures de RRAM standard (telles que la 1Transistor-1RRAM) ne sont pas compétitives avec les mémoires flash sur le terrain de la densité. Ainsi, cette thèse se propose d’explorer le potentiel des architectures RRAM sans transistor que sont l’architecture Crosspoint et l’architecture VRRAM.Dans un premier temps, le positionnement des architectures Crosspoint et VRRAM dans la hiérarchie mémoire est étudié. De nouvelles problématiques, telles que les courant de sneakpath, la chute de tension dans les métaux ou la surface des circuits périphériques sont identifiées et modélisées. Dans un second temps, des solutions circuit répondant aux problématiques évoquées précédemment sont proposées. Finalement, cette thèse se propose d’explorer les opportunités ouvertes par l’utilisation de transistors innovants pour améliorer la densité ou les performances des architectures mémoires utilisant des RRAM
While conventional non-volatiles memories, such as floating gate Flash memories, are becoming more and more difficult and costly to integrate and suffer of reduced performances and reliability, emerging resistive switching memories (RRAM), such as OxRAM, CBRAM, MRAM or PCM, are seen in the scientific community as a good way for tomorrow’s high-density memories. However, standard RRAM architectures (such as 1 Transistor-1 RRAM) are not competitive with flash technology in terms of density. Thereby, this thesis proposes to explore the opportunities opened by transistor-less RRAM architectures: Crosspoint and Vertical RRAM (VRRAM) architectures.First, the positioning of Crosspoint and VRRAM architectures in the memory hierarchy is studied. New constraints such as the sneakpath currents, the voltage drop through the metal lines or the periphery area overhead are identified and modeled. In a second time, circuit solutions answering to previously mentioned effects are proposed. Finally, this thesis proposes to explore new opportunities opened by the use of innovative transistors to improve the density or the performances of RRAM-based memory architectures

Alors que les mémoires non-volatiles conventionnelles, telles que les mémoires flash à grille flottante, deviennent de plus en plus complexes à intégrer et souffrent de performances et d’une fiabilité de plus en plus réduite, les mémoires à variation de résistance (RRAM) telles que les OxRAM, CBRAM, MRAM ou PCM sont vues dans la communauté scientifique comme une alternative crédible. Cependant, les architectures de RRAM standard (telles que la 1Transistor-1RRAM) ne sont pas compétitives avec les mémoires flash sur le terrain de la densité. Ainsi, cette thèse se propose d’explorer le potentiel des architectures RRAM sans transistor que sont l’architecture Crosspoint et l’architecture VRRAM.Dans un premier temps, le positionnement des architectures Crosspoint et VRRAM dans la hiérarchie mémoire est étudié. De nouvelles problématiques, telles que les courant de sneakpath, la chute de tension dans les métaux ou la surface des circuits périphériques sont identifiées et modélisées. Dans un second temps, des solutions circuit répondant aux problématiques évoquées précédemment sont proposées. Finalement, cette thèse se propose d’explorer les opportunités ouvertes par l’utilisation de transistors innovants pour améliorer la densité ou les performances des architectures mémoires utilisant des RRAM
While conventional non-volatiles memories, such as floating gate Flash memories, are becoming more and more difficult and costly to integrate and suffer of reduced performances and reliability, emerging resistive switching memories (RRAM), such as OxRAM, CBRAM, MRAM or PCM, are seen in the scientific community as a good way for tomorrow’s high-density memories. However, standard RRAM architectures (such as 1 Transistor-1 RRAM) are not competitive with flash technology in terms of density. Thereby, this thesis proposes to explore the opportunities opened by transistor-less RRAM architectures: Crosspoint and Vertical RRAM (VRRAM) architectures.First, the positioning of Crosspoint and VRRAM architectures in the memory hierarchy is studied. New constraints such as the sneakpath currents, the voltage drop through the metal lines or the periphery area overhead are identified and modeled. In a second time, circuit solutions answering to previously mentioned effects are proposed. Finally, this thesis proposes to explore new opportunities opened by the use of innovative transistors to improve the density or the performances of RRAM-based memory architectures