Rozprawy doktorskie na temat „Mémoire à changement de phase GST”

Les mémoires à base de semi-conducteur sont indispensables pour les dispositifs électroniques actuels. La demande croissante pour des dispositifs mémoires fortement miniaturisées a entraîné le développement de mémoires non volatiles fiables qui sont utilisées dans des systèmes informatiques pour le stockage de données et qui sont capables d'atteindre des débits de données élevés, avec des niveaux de dissipation d'énergie équivalents voire moindres que ceux des technologies mémoires actuelles.Parmi les technologies de mémoires non-volatiles émergentes, les mémoires à changement de phase (PCM) sont le candidat le plus prometteur pour remplacer la technologie de mémoire Flash conventionnelle. Les PCM offrent une grande variété de fonctions, comme une lecture et une écriture rapide, un excellent potentiel de miniaturisation, une compatibilité CMOS et des performances élevées de rétention de données à haute température et d'endurance, et peuvent donc ouvrir la voie à des applications non seulement pour les dispositifs mémoires, mais également pour les systèmes informatiques à hautes performances. Cependant, certains problèmes de fiabilité doivent encore être résolus pour que les PCM se positionnent comme un remplacement concurrentiel de la mémoire Flash.Ce travail se concentre sur l'étude de mémoires à changement de phase intégrées afin d'optimiser leurs performances et de proposer des solutions pour surmonter les principaux points critiques de la technologie, ciblant des applications à hautes températures. Afin d'améliorer la fiabilité de la technologie, la stœchiométrie du matériau à changement de phase a été conçue de façon appropriée et des dopants ont été ajoutés, optimisant ainsi la stabilité thermique. Une diminution de la vitesse de programmation est également rapportée, ainsi qu'un drift résiduel de la résistance de l'état de faiblement résistif vers des valeurs de résistance plus élevées au cours du temps.Une nouvelle technique de programmation est introduite, permettant d'améliorer la vitesse de programmation des dispositifs et, dans le même temps, de réduire avec succès le phénomène de drift en résistance. Par ailleurs, un algorithme de programmation des PCM multi-bits est présenté. Un générateur d'impulsions fournissant des impulsions avec la tension souhaitée en sortie a été conçu et testé expérimentalement, répondant aux demandes de programmation d'une grande variété de matériaux innovants et en permettant la programmation précise et l’optimisation des performances des PCM
Semiconductor memory has always been an indispensable component of modern electronic systems. The increasing demand for highly scaled memory devices has led to the development of reliable non-volatile memories that are used in computing systems for permanent data storage and are capable of achieving high data rates, with the same or lower power dissipation levels as those of current advanced memory solutions.Among the emerging non-volatile memory technologies, Phase Change Memory (PCM) is the most promising candidate to replace conventional Flash memory technology. PCM offers a wide variety of features, such as fast read and write access, excellent scalability potential, baseline CMOS compatibility and exceptional high-temperature data retention and endurance performances, and can therefore pave the way for applications not only in memory devices, but also in energy demanding, high-performance computer systems. However, some reliability issues still need to be addressed in order for PCM to establish itself as a competitive Flash memory replacement.This work focuses on the study of embedded Phase Change Memory in order to optimize device performance and propose solutions to overcome the key bottlenecks of the technology, targeting high-temperature applications. In order to enhance the reliability of the technology, the stoichiometry of the phase change material was appropriately engineered and dopants were added, resulting in an optimized thermal stability of the device. A decrease in the programming speed of the memory technology was also reported, along with a residual resistivity drift of the low resistance state towards higher resistance values over time.A novel programming technique was introduced, thanks to which the programming speed of the devices was improved and, at the same time, the resistance drift phenomenon could be successfully addressed. Moreover, an algorithm for programming PCM devices to multiple bits per cell using a single-pulse procedure was also presented. A pulse generator dedicated to provide the desired voltage pulses at its output was designed and experimentally tested, fitting the programming demands of a wide variety of materials under study and enabling accurate programming targeting the performance optimization of the technology

La spectrométrie de masse d’ion secondaire (SIMS) est probablement la technique d'analyse chimique la plus largement utilisée en science des semi-conducteurs et en métallurgie en raison de sa sensibilité ultime à tous les éléments notamment au plus légers. Avec la réduction de la taille des systèmes, l'imagerie chimique 3D haute résolution devient une condition préalable au développement de nouveaux matériaux. Dans cette thèse, nous rapportons le développement et l’optimisation d'un SIMS innovant implémenté dans un microscope électronique à balayage. L'équipement permet d’obtenir une cartographie chimique élémentaire à très haute résolution (~25nm). La capacité de la technique est démontrée avec la caractérisation à l'échelle nanométrique d’une part de superalliages métalliques nécessaire à la fabrication de pièces moteurs pour l’aviation et d’autre part d’alliages chalcogénures utilisés dans les mémoires à changement de phase de dernière génération développées en microélectronique
Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) is probably the most widely used chemical analysis technique in semiconductor science and metallurgy because of its ultimate sensitivity to all elements, especially the lighter ones. With systems downsizing, high-resolution 3D chemical imaging is becoming a prerequisite for the development of new materials. In this thesis, we report the development and optimization of an innovative SIMS implemented in a scanning electron microscope. The equipment makes it possible to obtain elementary chemical mapping at very high resolution (~25nm). The capacity of the technique is demonstrated with the characterization at the nanometric scale on the one hand of metallic superalloys necessary for the manufacture of aircraft engine parts and on the other hand of chalcogenide alloys used in the latest generation phase change memories developed in microelectronics

La modelisation multi-echelles du comportement thermomecanique des alliages a memoire de forme constitue le cadre de la these. Trois echelles de description sont definies (micro, meso et macroscopique) et illustrees par des observations. L'objectif est de fournir des lois de comportement macroscopiques a l'ingenieur. Dans une partie bibliographique, nous rapportons des resultats de quasiconvexification, realisant le passage de l'echelle du reseau cristallin (microscopique) a celle d'un element de volume monocristallin (mesoscopique). De maniere alternative, nous realisons des experiences thermomecaniques sur une eprouvette monocristalline : le calcul des sources de chaleur, a partir des mesures de temperature par camera infrarouge, montre la propagation d'un front de changement de phase (localisation). Un modele meso-thermomecanique du comportement monocristallin, prenant en compte le type de symetrie de la martensite consideree, est propose dans le cadre des materiaux standards generalises. Le modele decrit la pseudoelasticite (a haute temperature) et l'apparition de deformations residuelles par reorientation de variantes de martensite (a basse temperature). L'evolution du polycristal est observee au travers d'experiences et de simulations numeriques par elements finis (en thermomecanique couplee, avec changement de phase) sur un volume elementaire representatif du materiau. Les couplages thermomecaniques (chaleur latente) et les irreversibilites mecaniques sont pris en compte dans les simulations numeriques. La definition exacte de l'etat thermodynamique d'un point macroscopique necessite la connaissance du champ de fractions volumiques de martensite dans le ver situe sous ce point. Les resultats numeriques sont alors utilises pour proposer un modele phenomenologique du comportement macroscopique polycristallin.

Les mémoires à changement de phase (PRAM) développées par l’industrie de la microélectronique utilisent la capacité d’un materiau chalcogénure à passer rapidement et de façon réversible d’une phase amorphe à une phase cristalline. Le passage de la phase amorphe à la phase cristalline s’accompagne d’un changement de la résistance électrique du matériau. La transition amorphe vers cristallin est obtenue par un chauffage qui porte la cellule mémoires au delà de la température de transition du verre. Le verre ternaire de chalcogène Ge2Sb2Te5 (GST-225) est probablement le matériau amené à être le plus utilisé dans la prochaine génération de dispositifs de stockage de masse. La thermoréflectométrie résolue en temps (TDTR) et la radiométrie photothermique modulée (MPTR) sont utilisées ici pour étudier les propriétés thermiques des constituants des PRAM déposés sous forme de couche mince sur des substrats de silicium. Les diffusivités thermiques et les résistances thermiques de contact des films PRAM sont estimées. Ces paramètres sont identifiés en utilisant un modèle d’étude des transferts de chaleur basé sur la loi de Fourier et utilisant le formalisme des impédances thermiques. Ces mesures ont été effectuées pour des températures allant de 25 à 400°C. Les modifications de structure et de compositions chimiques causées par les hautes températures au cours des expériences sont aussi étudiées via des analyses par les techniques de DRX, MEB, TOF-SIMS et ellipsométrie.Les propriétés thermiques des GST - 225, isolants, électrodes de chauffage et électrodes métalliques mise en œuvre dans ce type de dispositif de stockage sont ainsi mesuré a l’échelle submicrométrique
The Phase change Random Access Memories (PRAM), developed by semiconductor industry are based on rapid and reversible change from amorphous to crystalline stable phase of chalcogenide materials. The switching between the amorphous and the crystalline phase leads to change of the electrical resistance of material. The amorphous-to-crystalline transition is performed by heating the memory cell above the glass transition temperature (~130°C). The chalcogenide ternary compound glass Ge2Sb2Te5 (GST-225) is probably the candidate to become the most exploited material in the next generation of mass storage architectures. The Time Domain ThermoReflectance (TDTR) and the Modulated PhotoThermal Radiometry (MPTR) have been implemented to study the thermal properties of constituting element of PRAM deposited as thin layer (~100 nm) on silicon substrate. The thermal diffusivity and the Thermal Boundary Resistance of the PRAM film are retrieved. These parameters are identified using a model of heat transfer based on Fourier’s Law and the thermal impedance formalism. The measurements were performed in function of temperature from 25°C to 400°C. Structural and chemical changes due to the high temperature during the experimentation have been also investigated by using XRD, SEM, TOF-SIMS and ellipsometry techniques. The thermal properties of GST-225, insulator, heating and metallic electrode involved in these kind of storage devices were thus measured at a sub micrometric scale

La mémoire à changement de phase (ou PCM) est considérée actuellement comme la plus mature des technologies émergentes susceptibles de pallier les limitations de la mémoire Flash-NOR pour le futur des applications embarquées. Afin de permettre la conception de circuits à base de PCM, l’utilisation d’outils tels que la simulation SPICE est nécessaire, impliquant le besoin de modèles compacts de PCM. Ces modèles doivent être rapides, continus, et précis ; à ce jour aucun modèle de la littérature ne remplit l’ensemble de ces exigences.L’objectif de cette thèse est de proposer un nouveau modèle compact de PCM, permettant la conception de circuits à base de PCM. Le modèle que nous avons développé est entièrement continu, validé sur une large gamme de tension, courant, temps et température. Construit à partir de connaissances physiques sur le fonctionnement du dispositif, il utilise un emballement thermique dans le mécanisme de Poole-Frenkel pour modéliser le seuil de commutation de la phase amorphe. L’introduction d’une variable de fraction fondue, dépendante uniquement de la température, ainsi que d’une vitesse de cristallisation dépendante de la fraction amorphe, permet la bonne modélisation de l’ensemble des dynamiques temporelles de changement d’état. De plus, une méthodologie d’extraction optimisée de la carte modèle est proposée à la suite de la validation du modèle, reposant sur une étude de sensibilité des paramètres de la carte modèle et un ensemble simple de caractérisations électriques, autorisant l’adaptation du modèle à chaque variation des procédés de fabrication pour garantir l’utilité du modèle à toutes les étapes du développement des technologies PCM
Phase-change memory (PCM) is arguably the most mature emerging nonvolatile memory, foreseen for the replacement of the mainstream NOR-Flash memory for the future embedded applications. To allow the design of new PCM-based products, SPICE simulations, thus compact models, are needed. Those models need to be fast, robust and accurate; nowadays, no published model is able to fill all these requirements.The goal of this thesis is to propose a new compact model of PCM, enabling PCM-based circuit design. The model that we have developed is entirely continuous, and is validated on a wide range of voltage, current, time and temperature. Built on physical insights of the device, a thermal runaway in the Poole-Frenkel mechanism is used to model the threshold switching of the amorphous phase. Besides, the introduction of a new variable representing the melted fraction, depending only on the internal temperature, along with a crystallization speed depending on the amorphous fraction, allow the accurate modeling of all the temporal dynamics of the phase transitions. Moreover, an optimized model card extraction flow is proposed following the model validation, relying on a sensibility analysis of the model card parameters and a simple set of electrical characterizations. It enables the adjustment of the model to any process variation, and thus ensures its accuracy for the design modeling at every step of the technology development

La modélisation de certains matériaux solides nécessite la prise en compte des effets de changement de phase. Dans ce travail, un modèle d'un matériau solide présentant ce phénomène est proposé. Le changement de phase y est décrit par des variables internes qui représentent les proportions de phase. A partir de leur définition et du fait que ces variables ne sont pas indépendantes de la déformation macroscopique, le modèle considéré rentre dans le cadre des matériaux standards généralisés avec des variables d'état liées. Une extension de la méthode des deux potentiels en présence des liaisons internes est proposée. Par souci de clarté, la présentation est donnée suivant le formalisme des multiplicateurs de Lagrange. Les équations d'état sont écrites en fonction du lagrangien associé. L'évolution des variables internes irréversibles est obtenue par les lois complémentaires. La possibilité de considérer le changement de phase réversible ou irréversible est discutée d'une manière générale. Le problème de la stabilité du matériau est aussi examiné et met en lumière l'important rôle de l'énergie d'interaction entre les phases. Comme applications, le modèle en question est d'abord utilisé pour décrire le comportement des matériaux à mémoire de forme, ensuite il est appliqué comme un modèle d'endommagement fragile partiel quand l'endommagement est interprété comme étant un changement de phase irréversible. Enfin, un programme de calcul par éléments finis est écrit afin de simuler ce comportement.

Ces travaux de thèse portent sur la caractérisation thermique à l’échelle micrométrique d’un alliage à base de tellure lorsque ce matériau se trouve à l’état fondu, à haute température. À cette fin, une cellule innovante d’emprisonnement du matériau fondu a été conçue, et mise en place. Des structures de tellure au volume du microlitre ont été déposées sur un substrat de silicium et recouverts par la suite d’une couche de protection capable de les emprisonner dans une matrice : silice amorphe et alumine amorphe. La technique de la Radiométrie Photothermique Modulée a été utilisée pour étudier les propriétés thermiques de ce type de cellules et de ces constituants. La résistance thermique de dépôt a été ainsi estimée en utilisant un modèle d’étude des transferts de la chaleur utilisant le formalisme des impédances thermiques. Ceci nous a permit dans le cas de l’alumine amorphe de déterminer sa conductivité thermique et la résistance thermique de contact avec le substrat jusqu’à 600°C. Un long processus de conception, de mesure et d’analyse a été nécessaire afin d’obtenir une cellule capable de résister aux contraintes des hautes températures. À l’heure actuelle seule la caractérisation thermique jusqu’à 300°C a été possible à cause de l’instabilité mécanique de ce dépôt hétérogène. Ceci a été confirmé par des caractérisations physico-chimiques par techniques XRR, XRD et SEM
This thesis is devoted to the thermal characterization of molten materials, namely chalcogenide glass-type tellurium alloys, at the micrometer scale. An experimental setup of Photothermal Radiometry (PTR), formerly developed for solid state measurements, has been adapted for this purpose. Using MOCVD technique, a random lattice of sub-micrometric tellurium alloy structures is grown on a thermally oxidized silicon substrate. These structures are then embedded in a protective layer (silica or alumina) to prevent evaporation during melting. Measurements are then performed from room temperature up to 650°C. SEM and XRD measurements performed after annealing show that these samples withstand thermal stress only up to 300°C. The coating’s thermal boundary resistance is estimated by a heat transfer model based on the thermal impedance formalism. Moreover, the thermal conductivity and thermal boundary resistance of thin amorphous alumina by low temperature ALD are measured from the room temperature to 600°C

Les mémoires ont très largement gagné en notoriété ces dernières années et sont désormais incontournables dans tous les systèmes électroniques avec lesquels nous interagissons dans la vie quotidienne. Pour pallier les limitations technologiques des mémoires traditionnelles, de nombreux acteurs industriels ont orienté leur développement vers les Mémoires à Changement de Phase (PCM). Le fonctionnement de cette technologie émergente repose principalement sur les propriétés d’un alliage chalcogénure type Ge-Sb-Te (GST). Selon la composition chimique du matériau GST, les caractéristiques de la mémoire adressent différents marchés. Il est donc impératif que le matériau GST demeure intègre au cours des étapes d’élaboration de la cellule mémoire afin de satisfaire aux performances attendues. C’est un point critique à prendre en compte dans le procédé de fabrication du composant.L’objectif de cette thèse est de comprendre les interactions matériau – environnement susceptibles de menacer la stabilité chimique du GST et de proposer des solutions pour s’opposer aux effets les plus néfastes. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à l’impact de la gravure plasma sur le matériau GST par l’étude comparative de trois chimies halogènes à base de HBr, Cl2 et CF4. Grâce aux résultats complémentaires des techniques XPS, PP-TOFMS et AFM, nous avons montré que la gravure HBr permet de minimiser les modifications chimiques et morphologiques de la surface du GST. Dans un second temps, nous avons cherché à comprendre comment le matériau GST réagissait aux différents procédés intervenant après l’étape de gravure. Il a été démontré que l’exposition du GST à un environnement oxydant (plasma O2 ou air) induit une oxydation critique détériorant les propriétés de changement de phase du matériau. De plus, le traitement chimique utilisé pour nettoyer les flancs de la structure PCM élimine sélectivement l’oxyde de GST et peut, en conséquence, altérer la morphologie des cellules mémoires. Pour éviter ces effets, nous avons proposé plusieurs solutions de procédé plasma capables de préserver la composition chimique du GST au cours du procédé d’élaboration de la structure PCM. En particulier, nous avons pu tirer profit des avantages que constitue l’ajout de CH4 dans le plasma. Il contribue à créer une couche de passivation lors de la gravure du GST ou est utilisé comme précurseur d’un dépôt de protection. Le développement d’une chimie de gravure alternative en H2-N2-Ar a également été abordé et représente une perspective intéressante
Memories have gained a lot of influence through these last years and are present in all electronic systems used in our daily life. To address the limitations of the traditional memory technologies, many industries are dedicating their researches to the development of the Phase-Change Memories (PCM). This emerging technology mainly uses the properties of a Ge-Sb-Te based-chalcogenide alloy (GST). The memory characteristics may change according to the GST chemical composition. This is a critical point to carefully consider for the manufacturing process of the component. Indeed, it is crucial to preserve as much as possible the GST integrity all along the patterning steps of the memory cell in order to preserve the device performances.This thesis work aims at understanding the material – environment interactions likely to impact the GST chemical stability and propose some improvements to the processes that are detrimental for the material. Firstly, we have focused on the plasma etching effects on the GST alloy through the comparative study of three halogen chemistries, HBr, Cl2 et CF4. Thanks to the complementary results from XPS, PP-TOFMS and AFM measurements, the HBr chemistry was identified as the best etching strategy for limiting damages at the GST surface. Secondly, we have investigated the GST interactions with the different environments implemented during the subsequent fabrication processes. The GST exposition to an oxidizing environment (O2 based-plasma or air) induces a critical oxidation damaging the phase-change properties. Besides, the chemical treatment used to clean the PCM sidewalls removes selectively the GST oxide and, consequently, can modify the memory cell morphology. To prevent these effects, several plasma solutions are suggested in order to maintain the chemical stability of the GST material during the PCM patterning process. In particular, knowing the benefits of a CH4 plasma, we propose to either integrate it into a passivating etching process or to use it as a precursor promoting a protection layer. The development of an alternative etching chemistry in H2-N2-Ar has also been discussed and opens an interesting perspective

La recherche dans le domaine de l'informatique neuro-inspirée suscite beaucoup d'intérêt depuis quelques années. Avec des applications potentielles dans des domaines tels que le traitement de données à grande échelle, la robotique ou encore les systèmes autonomes intelligents pour ne citer qu'eux, des paradigmes de calcul bio-inspirés sont étudies pour la prochaine génération solutions informatiques (post-Moore, non-Von Neumann) ultra-basse consommation. Dans ce travail, nous discutons les rôles que les différentes technologies de mémoire résistive non-volatiles émergentes (RRAM), notamment (i) Phase Change Memory (PCM), (ii) Conductive-Bridge Memory (CBRAM) et de la mémoire basée sur une structure Metal-Oxide (OXRAM) peuvent jouer dans des dispositifs neuromorphiques dédies. Nous nous concentrons sur l'émulation des effets de plasticité synaptique comme la potentialisation à long terme (Long Term Potentiation, LTP), la dépression à long terme (Long Term Depression, LTD) et la théorie STDP (Spike-Timing Dependent Plasticity) avec des synapses RRAM. Nous avons développé à la fois de nouvelles architectures de faiblement énergivore, des méthodologies de programmation ainsi que des règles d'apprentissages simplifiées inspirées de la théorie STDP spécifiquement optimisées pour certaines technologies RRAM. Nous montrons l'implémentation de systèmes neuromorphiques a grande échelle et efficace énergétiquement selon deux approches différentes: (i) des synapses multi-niveaux déterministes et (ii) des synapses stochastiques binaires. Des prototypes d'applications telles que l'extraction de schéma visuel et auditif complexe sont également montres en utilisant des réseaux de neurones impulsionnels (Feed-forward Spiking Neural Network, SNN). Nous introduisons également une nouvelle méthodologie pour concevoir des neurones stochastiques très compacts qui exploitent les caractéristiques physiques intrinsèques des appareils CBRAM.

Les mémoires résistives PCRAM sont basées sur le passage rapide et réversible entre un état amorphe hautement résistif et un état cristallin faiblement résistif d’un matériau à changement de phase (PCM). Ces mémoires constituent un des candidats les plus prometteurs pour la nouvelle génération de mémoires non-volatiles grâce à un large éventail de propriétés uniques comme une vitesse de fonctionnement élevée, une capacité de stockage multi-niveaux sur plusieurs bits, une bonne endurance et une possibilité de miniaturisation poussée. Cependant, la nécessité d’utiliser des courants d’effacement (IRESET) importants pour l’étape d’amorphisation du PCM représente l’un des principaux freins à l’explosion de la technologie PCRAM sur le marché des mémoires non volatiles. Dans ce contexte, il a été démontré que le confinement du PCM dans des structures possédant des facteurs de forme élevés permet d’améliorer l’efficacité du chauffage nécessaire au changement de phase du PCM et donc de réduire les courants d’amorphisation. Afin d’incorporer des matériaux PCM dans de telles structures, il est alors nécessaire de développer un procédé de dépôt très conforme. C’est pourquoi un procédé de dépôt PE-MOCVD (Plasma Enhanced- Metal Organic Chemical Vapor deposition) à injection liquide pulsée a été développé dans ce travail. Dans un premier temps des films amorphes et homogènes du composé binaire GeTe ont été déposés à partir des précurseurs organométalliques TDMAGe et DIPTe. Les analyses XPS révèlent que les couches de GeTe déposées sont stoechiométriques mais présentent une forte contamination en carbone. Ainsi, un des objectifs de cette thèse a été de réduire le taux de carbone dans les couches afin d’optimiser leurs propriétés de changement de phase. Une étude de l’impact des paramètres de dépôt tel que la puissance, la pression, la nature et le débit des gaz utilisés est alors présentée. En étudiant et en optimisant les paramètres de dépôt, des couches de GeTe contenant seulement 2 % at. de carbone ont pu être obtenues. Dans un second temps, des films du composé ternaire GeSbTe ont été déposés en injectant simultanément les trois précurseurs TDMAGe, TDMASb et DIPTe dans le plasma de dépôt. Une large gamme de composition peut alors être obtenue en variant les paramètres d’injection et de dépôt. L’un des principaux avantages de ce procédé est la capacité de couvrir une large gamme de compositions permettant d’obtenir des films possédant des propriétés de changement de phase très variées. L’impact des paramètres plasma sur la conformité du dépôt a aussi été étudié. Il est montré que l’ajout d’une composante BF à la puissance RF du plasma permet d’améliorer le remplissage des structures possédant des facteurs de forme élevés. Enfin, l’intégration dans des dispositifs mémoires PCRAM tests de matériaux PCM obtenus par ce procédé PE-MOCVD a mis en évidence des propriétés électriques proches de celles obtenues avec des matériaux déposés par les procédés de dépôt conventionnels de type PVD
Phase change random access memories PCRAM are based on the fast and reversible switch between the high resistive amorphous state and the low resistive crystalline state of a phase change material (PCM). These memories are considered to be one of the most promising candidates for the next generation of non volatile memories thanks to their unique set of features such as fast programming speed, multi-level storage capability, good endurance and high scalability. However, high power consumption during the RESET operation (IRESET) is the main challenge that PCRAM has to face in order to explode the non volatile memory market. In this context, it has been demonstrated that by integrating the phase change material (PCM) in high aspect ratio lithographic structures, the heating efficiency is improved leading to a reduced reset current. In order to fill such confined structures with the phase change material, a highly conformal deposition process is required. Therefore, a pulsed liquid injection Plasma Enhanced-Metal Organic Chemical Vapor Deposition process (PE-MOCVD) was developed in this work. First, amorphous and homogeneous GeTe films were deposited using the organometallic precursors TDMAGe and DIPTe as Ge and Te precursors. XPS measurements revealed a stoichiometric composition of GeTe but with high carbon contamination. Thus, one of the objectives of this work was to reduce the carbon contamination and to optimize the phase change properties of the deposited PCMs. The effect of deposition parameters such as plasma power, pressure and gas rate on the carbon contamination is then presented. By tuning and optimizing deposition parameters, GeTe films with carbon level as low at 2 at. % were obtained. Thereafter, homogeneous films of GeSbTe were deposited by injecting simultaneously the organometallic precursors TDMAGe, TDMASb and DiPTe in the plasma. A wide range of compositions was obtained by varying the injection and deposition operating parameters. Indeed, one of the main advantages of this process is the ability of varying films composition, which results in varying phase change characteristics of the deposited PCM. The impact of plasma parameters on the conformity of the process was also studied. It was shown that by adding a low frequency power component to the radio frequency power of the plasma, structures with high aspect ratio were successfully filled with the phase change material. Finally, electrical characterization of PCRAM test devices integrating phase change materials deposited by PE-MOCVD as active material have presented electrical properties similar to the ones obtained for materials deposited by conventional physical vapor deposition (PVD) process

Le cerveau humain est composé d’un grand nombre de réseaux neuraux interconnectés, dont les neurones et les synapses en sont les briques constitutives. Caractérisé par une faible consommation de puissance, de quelques Watts seulement, le cerveau humain est capable d’accomplir des tâches qui sont inaccessibles aux systèmes de calcul actuels, basés sur une architecture de type Von Neumann. La conception de systèmes neuromorphiques vise à réaliser une nouvelle génération de systèmes de calcul qui ne soit pas de type Von Neumann. L’utilisation de mémoire non-volatile innovantes en tant que synapses artificielles, pour application aux systèmes neuromorphiques, est donc étudiée dans cette thèse. Deux types de technologies de mémoires sont examinés : les mémoires à changement de phase (Phase-Change Memory, PCM) et les mémoires résistives à base d’oxyde (Oxide-based resistive Random Access Memory, OxRAM). L’utilisation des dispositifs PCM en tant que synapses de type binaire et probabiliste est étudiée pour l’extraction de motifs visuels complexes, en évaluant l’impact des conditions de programmation sur la consommation de puissance au niveau du système. Une nouvelle stratégie de programmation, qui permet de réduire l’impact du problème de la dérive de la résistance des dispositifs PCM est ensuite proposée. Il est démontré qu’en utilisant des dispositifs de tailles réduites, il est possible de diminuer la consommation énergétique du système. La variabilité des dispositifs OxRAM est ensuite évaluée expérimentalement par caractérisation électrique, en utilisant des méthodes statistiques, à la fois sur des dispositifs isolés et dans une matrice complète de mémoire. Un modèle qui permets de reproduire la variabilité depuis le niveau faiblement résistif jusqu’au niveau hautement résistif est ainsi développé. Une architecture de réseau de neurones de type convolutionnel est ensuite proposée sur la base de ces travaux éxperimentaux. La tolérance du circuit neuromorphique à la variabilité des OxRAM est enfin démontrée grâce à des tâches de reconnaissance de motifs visuels complexes, comme par exemple des caractères manuscrits ou des panneaux de signalisations routières
The human brain is made of a large number of interconnected neural networks which are composed of neurons and synapses. With a low power consumption of only few Watts, the human brain is able to perform computational tasks that are out of reach for today’s computers, which are based on the Von Neumann architecture. Neuromorphic hardware design, taking inspiration from the human brain, aims to implement the next generation, non-Von Neumann computing systems. In this thesis, emerging non-volatile memory devices, specifically Phase-Change Memory (PCM) and Oxide-based resistive memory (OxRAM) devices, are studied as artificial synapses in neuromorphic systems. The use of PCM devices as binary probabilistic synapses is studied for complex visual pattern extraction applications, evaluating the impact of the PCM programming conditions on the system-level power consumption.A programming strategy is proposed to mitigate the impact of PCM resistance drift. It is shown that, using scaled devices, it is possible to reduce the synaptic power consumption. The OxRAM resistance variability is evaluated experimentally through electrical characterization, gathering statistics on both single memory cells and at array level. A model that allows to reproduce OxRAM variability from low to high resistance state is developed. An OxRAM-based convolutional neural network architecture is then proposed on the basis of this experimental work. By implementing the computation of convolution directly in memory, the Von Neumann bottleneck is avoided. Robustness to OxRAM variability is demonstrated with complex visual pattern recognition tasks such as handwritten characters and traffic signs recognition

Les matériaux à changement de phase (PCM) sont utilisés pour la réalisation de mémoire non volatile. Ces matériaux possèdent la particularité de passer d’un état cristallin à un état amorphe à l’aide d’une impulsion de chaleur, créant ainsi un processus propre au stockage de l’information. Les PCMs sont généralement basés sur des composés ternaires de type Ge-Sb-Te (GST) avec une température de transition de l’ordre de 125°C, rendent ces matériaux inutilisable dans le domaine de l’automobile et pour des applications militaires. Pour contourner cette limitation, le GST est remplacé par le composé In-Sb-Te (IST) possèdent une température de transition plus élevé et un temps de transition beaucoup plus rapide (nanoseconde). Les propriétés thermiques de l’IST et de ses interfaces au sein de la cellule PCM peuvent influencer la température de transition. C’est pourquoi la mesure de la conductivité thermique nous donnera une estimation de la valeur de cette transition.Différentes techniques ont été misent en oeuvre pour mesurer la conductivité thermique des couches minces d’IST en fonction de la concentration en Te, à savoir ; la radiométrie photo-thermique modulée (MPTR) et la méthode 3ω dans une gamme de température allant de l’ambiant jusqu'à 550°C.Les résultats obtenus par les deux techniques de caractérisation thermiques démontrent que la conductivité thermique de l'IST diminue lorsque l'on augmente la teneur en Te. L'augmentation de la teneur en Te pourrait donc conduire à un alliage thermiquement plus résistif, qui est censé apporter l'avantage d'un flux de chaleur plus confiné et limiter la cross-talk thermique dans le dispositif de mémoire à changement de phase
Phase change memories (PCM) are typically based on compounds of the Ge-Sb-Te (GST) ternary system. Nevertheless, a major drawback of PCM devices is the failure to fulfill automotive-level or military-grade requirements (125°C continuous operation), due to the low crystallization temperature of GST. To overcome this limitation, alloys belonging to the In-Sb-Te (IST) system have been proposed, which have demonstrated high crystallization temperature, and fast switching. Thermal properties of the chalcogenide alloy and of its interfaces within the PCM cell can influence the programming current, reliability and optimized scaling of PCM devices. The two methods, namely: 3ω and Modulated Photothermal Radiometry (MPTR) technique was implemented to measure the thermal conductivity of IST thin films as well as the thermal boundary resistance at the interface with other surrounding materials (a metal and a dielectric). The experiment was carried outin situ from room temperature up to 550oC in order to investigate the intrinsic thermal properties at different temperatures and the significant structural rearrangement upon the phase transition.The results obtained from the two thermal characterization techniques demonstrate that the thermal conductivity of IST decreases when increasing the Te content. Increasing the Te content could thus lead to a more thermally resistive alloy, which is expected to bring the advantage of a more confined heat flow and limiting the thermal cross-talk in the phase change memory device

La mémoire à changement de phase (PCM) s’inscrit dans la stratégie de développement de mémoires non-volatiles embarquées sur les nœuds technologiques avancés (sub 28nm). En effet, la mémoire Flash-NOR devient de plus en plus onéreuse à intégrer dans les technologies avec des diélectriques à forte permittivité et des grilles métalliques. Cette thèse a donc pour objectif principal de réaliser des véhicules de tests afin d’étudier un point mémoire novateur PCM + OTS et de proposer des solutions afin de combler ses lacunes et ses limites suivant les applications envisagées. L’étude a pour support deux technologies différentes le HCMOS9A et le P28FDSOI. La première sert de support pour le développement d’un véhicule de validation technologique du point mémoire OTS+PCM. La deuxième est, quant à elle, utilisée pour démontrer la surface obtenu avec un dimensionnement agressif du point mémoire. Enfin, un circuit de lecture optimisé pour ce point mémoire a été réalisé permettant la compensation des courants de fuites ainsi que la régulation des tensions de polarisations de la matrice au cours de la lecture
Phase change memory (PCM) is part of the strategy to develop non-volatiles memories embedded in advanced technology nodes (sub 28nm). Indeed, Flash-NOR memory is becoming more and more expensive to integrate in technologies with high permittivity dielectrics and metallic gates. The main objective of this thesis is therefore to realize tests vehicles in order to study an innovative PCM + OTS memory point and to propose solutions to fill its gaps and limitations according to the envisaged applications. The study is based on two different technologies: HCMOS9A and P28FDSOI. The first one is used as support for the development of a technological validation vehicle of the OTS+PCM memory point. The second one is used to demonstrate the surface obtained with an aggressive sizing of the memory point. Finally, an optimized readout circuit for this memory point has been realized allowing the compensation of leakage currents as well as the regulation of the bias voltages of the matrix during the reading

La diffraction électronique en mode précession (PED) est une méthode récente d’acquisition de clichésde diffraction permettant de minimiser les interactions dynamiques. L’objectif de cette thèse est dedévelopper une méthodologie d’acquisition et de traitement des clichés de diffraction en modeprécession afin de mesurer les champs de déformation en combinant une résolution spatialenanométrique et une sensibilité inférieure à 10-3 typiquement obtenues par d’autres techniques usuellesde microscopie, telle que l’imagerie haute-résolution. Les mesures ont été réalisées sur un JEOL 2010Aéquipé du module de précession Digistar produit par la société Nanomegas.Un système modèle constitué de multicouches Si/SiGe de concentrations connues en Ge a été utilisépour évaluer les performances de la méthodologie développée dans cette thèse. Les résultats indiquentune sensibilité sur la mesure de contraintes qui atteint, au mieux, 1x10-4 et un accord excellent avec lescontraintes simulées par éléments finis. Cette nouvelle méthode a pu ensuite être appliquée sur despuits quantique d’InGaAs et sur des transistors de type Ω−gate.La dernière partie traite d’un nouvel algorithme permettant d’évaluer de manière robuste et rapide lapolycristallinité des matériaux à partir d’une mesure PED. Nous donnons des exemples d’applicationde cette méthode sur divers dispositifs
Precession electron diffraction (PED) is a recent technique used to minimize acquired diffractionpatterns dynamic effects. The primary intention of this PhD work is to improve PED (PrecessionElectron Diffraction) data analysis and treatment methodologies in order to measure the strain at thenanoscale. The strain measurement is intended to reach a 10-3 strain precision as well as usualmicroscopy techniques like high-resolution imaging. To this end, measurements were made with aJEOL 2010A with a Digistar Nanomegas precession module.The approach developed has been used and tested by measuring the strain in a Si/SiGe multilayeredreference sample with a known Ge Content. Strain measurements reached 1x10-4 sensitivity withexcellent finite element strain simulation agreement. This process has been also applied to measure thestrain in microelectronic InGaAs Quantum Well and an "Ω-gate" experimental transistor devices.The second approach developed has been made to provide a robust means of studying electrontransparent nanomaterial polycrystallinity with precession. Examples of applications of this analysismethod are shown on different devices

La transformation martensitique thermoélastique apparaissant dans les alliages à mémoire de forme (AMF) de type Nickel-Titane (NiTi) est un mécanisme de déformation conférant à ces matériaux des propriétés remarquables de plus en plus utilisées. Les forts phénomènes de localisation des déformations lors d'essais de traction superélastique remettent en cause l'utilisation de cet essai pour bâtir des lois de comportement, alors que d'autres essais comme la torsion et le cisaillement apparaissent comme plus homogènes.
Ce travail de thèse est dédié à l'analyse des mécanismes de déformation des AMF NiTi. Les comportements homogènes et localisés ont été étudiés en fonction des géométries d'échantillons, des types de sollicitations et des conditions d'essais. L'originalité de cette étude est d'utiliser deux méthodes de mesures de champs : (i) la corrélation d'images afin d'obtenir les champs cinématiques et d'observer les localisations de déformation ; (ii) la thermographie infrarouge pour mesurer les champs de température et analyser les phénomènes de changement de phase. Afin d'utiliser ces techniques simultanément, des outils de recalage spatial et temporel des données ainsi que des techniques d'estimation de sources de chaleur ont été développés. Lors d'essais superélastiques, cette étude a permis d'une part de mettre en évidence la présence de changement(s) de phase homogène en début de charge et de décharge, d'autre part de caractériser de manière quantitative les différentes morphologies de localisation. Les outils développés sont une première tentative pour disposer, à l'issue de ce travail, d'une DSC locale sous chargements mécaniques.

La diffraction électronique en mode précession (PED) est une méthode récente d’acquisition de clichésde diffraction permettant de minimiser les interactions dynamiques. L’objectif de cette thèse est dedévelopper une méthodologie d’acquisition et de traitement des clichés de diffraction en modeprécession afin de mesurer les champs de déformation en combinant une résolution spatialenanométrique et une sensibilité inférieure à 10-3 typiquement obtenues par d’autres techniques usuellesde microscopie, telle que l’imagerie haute-résolution. Les mesures ont été réalisées sur un JEOL 2010Aéquipé du module de précession Digistar produit par la société Nanomegas.Un système modèle constitué de multicouches Si/SiGe de concentrations connues en Ge a été utilisépour évaluer les performances de la méthodologie développée dans cette thèse. Les résultats indiquentune sensibilité sur la mesure de contraintes qui atteint, au mieux, 1x10-4 et un accord excellent avec lescontraintes simulées par éléments finis. Cette nouvelle méthode a pu ensuite être appliquée sur despuits quantique d’InGaAs et sur des transistors de type Ω−gate.La dernière partie traite d’un nouvel algorithme permettant d’évaluer de manière robuste et rapide lapolycristallinité des matériaux à partir d’une mesure PED. Nous donnons des exemples d’applicationde cette méthode sur divers dispositifs
Precession electron diffraction (PED) is a recent technique used to minimize acquired diffractionpatterns dynamic effects. The primary intention of this PhD work is to improve PED (PrecessionElectron Diffraction) data analysis and treatment methodologies in order to measure the strain at thenanoscale. The strain measurement is intended to reach a 10-3 strain precision as well as usualmicroscopy techniques like high-resolution imaging. To this end, measurements were made with aJEOL 2010A with a Digistar Nanomegas precession module.The approach developed has been used and tested by measuring the strain in a Si/SiGe multilayeredreference sample with a known Ge Content. Strain measurements reached 1x10-4 sensitivity withexcellent finite element strain simulation agreement. This process has been also applied to measure thestrain in microelectronic InGaAs Quantum Well and an "Ω-gate" experimental transistor devices.The second approach developed has been made to provide a robust means of studying electrontransparent nanomaterial polycrystallinity with precession. Examples of applications of this analysismethod are shown on different devices