Analyse de la fiabilité de mémoires à changement de phase embarquées basées sur des matériaux innovants

par Gabriele Navarro

Thèse de doctorat en Sciences et technologie industrielles

Sous la direction de Gérard Ghibaudo.

Soutenue le 16-12-2013

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'Electronique, de Technologie et d'Instrumentation (équipe de recherche) .

Le président du jury était Yves Bréchet.

Le jury était composé de Paola Zuliani, Aurelie Bajolet, Augustin Cathignol, Dan Stefanoiu, Alexia Gouin, Stephane Richard.

Les rapporteurs étaient Daniele Ielmini, Matthias Wuttig, Moongyu Jang.


  • Résumé

    Les Mémoires ont de plus en plus importance à l'époque actuelle, et sont fondamentales pour la définition de tous les systèmes électroniques avec lesquels nous entrons en contact dans notre vie quotidienne. Les mémoires non-volatiles (NVM), représentées par la technologie Flash, ont pu suivre jusqu'à présent l'effort à la miniaturisation pour satisfaire la demande croissante de densité de mémoire exigée par le marché. Cependant, la réduction de la taille du dispositif de mémoire est de plus en plus difficile et la complexité technologique demandé a augmenté le coût par octet. Dans ce contexte, les technologies de mémoire innovantes deviennent non seulement une alternative, mais la seule solution possible pour fournir une densité plus élevée à moindre coût, une meilleure fonctionnalité et une faible consommation d'énergie. Les Mémoires à Changement de Phase (PCM) sont considérées comme la solution de pointe pour la future génération de mémoires non-volatiles, grâce à leur non-volatilité , scalabilité, "bit-alterability", grande vitesse de lecture et d'écriture, et cyclabilité élevée. Néanmoins, certains problèmes de fiabilité restent à surmonter afin de rendre cette technologie un remplacement valable de la technologie Flash dans toutes les applications. Plus en détail, la conservation des données à haute température, est l'une des principales exigences des applications embarquées industrielles et automobiles. Cette thèse se concentre sur l'étude des mémoires à changement de phase pour des applications embarquées, dans le but d'optimiser le dispositif de mémoire et enfin de proposer des solutions pour surmonter les principaux obstacles de cette technologie, en abordant notamment les applications automobiles. Nous avons conçu, fabriqué et testé des dispositifs PCM basés sur des structures reconnues et innovantes, en analysant leurs avantages et inconvénients, et en évaluant l'impact de la réduction de la taille. Notre analyse de fiabilité a conduit au développement d'un système de caractérisation dédié à caractériser nos cellules PCM avec des impulsions de l'ordre de la nanoseconde, et à la mise en oeuvre d'un outil de simulation basé sur un solveur thermoélectrique et sur l'approche numérique "Level Set", pour comprendre les différentes mécanismes qui ont lieu dans nos cellules pendant les opérations de programmation. Afin de répondre aux spécifications du marché des mémoires non-volatiles embarquées, nous avons conçu le matériau à changement de phase intégré dans le dispositif PCM avec deux principales approches: la variation de la stoechiométrie et l'ajout de dopants. Nous avons démontré et expliqué comment la rétention des données dans les dispositifs PCM à base de GeTe peut être améliorée avec l'augmentation de la concentration de Te, et comment les inclusions de SiO2 peuvent réduire les défauts causés par la tension de lecture à températures de fonctionnement élevées. En outre, nous avons présenté les avantages sur la réduction de la puissance de programmation du dopage de carbone dans les dispositifs à base de GST. Enfin, nous avons étudié les effets de l'enrichissement en Ge dans le GST, combiné avec le dopage N et C, intégré dans des cellules PCM à l'état de l'art. Grâce à l'introduction d'une nouvelle technique de programmation, nous avons démontré la possibilité d'augmenter la vitesse de programmation de ces dispositifs, caractérisés par des performances de rétention des données parmi les meilleurs rapportés dans la littérature, et de réduire le phénomène de la dérive de la résistance qui affecte la stabilité de l'état programmé des cellules PCM. Nous avons donc prouvé, avec ces derniers résultats, la validité de la technologie PCM pour les applications embarquées.

  • Titre traduit

    Reliability analysis of embedded Phase-Change Memories based on innovative materials


  • Résumé

    Memories are getting an exponential importance in our present era, and are fundamental in the definition of all the electronic systems with which we interact in our daily life. Non-volatile memory technology (NVM), represented by Flash technology, have been able to follow till now the miniaturization trend to fulfill the increasing memory density demanded by the market. However, the scaling is becoming increasingly difficult, rising their cost per byte due to the incoming technological complexity. In this context, innovative memory technologies are becoming not just an alternative, but the only possible solution to provide higher density at lower cost, better functionality and low power consumption. Phase-Change Memory (PCM) technology is considered the leading solution for the next NVM generation, combining non-volatility, scalability, bit-alterability, high write speed and read bandwidth and high cycle life endurance. However, some reliability issues remain to overcome, in order to be a valid Flash replacement in all the possible applications. In particular, retention of data at high temperature, is one of the main requirements of industrial and automotive embedded applications. This work focuses on the study of embedded Phase-Change Memories, in order to optimize the memory device and finally propose some solutions to overcome the main bottlenecks of this technology, in particular addressing automotive applications. We designed, fabricated, and tested PCM devices based on recognized and innovative structures, analyzing their advantages and disadvantages, and evaluating the scaling impact. Our reliability analysis led to the development of a characterization setup dedicated to characterize our PCM cells with pulses in the order of nanoseconds, and to the implementation of a simulation tool based on a thermoelectrical solver and on the Level Set numerical approach, to understand the different mechanisms taking place in our cells during the programming operations. In order to fulfill embedded NVM requirements, we engineered the phase-change material integrated in the PCM device with two main approaches: the stoichiometry variation and the dopants addition. We showed and explained how the data retention in GeTe based PCM devices can be enhanced increasing Te content, and how SiO2 inclusions can reduce the read voltage disturbs at high operating temperatures. Moreover, we reported the advantages on the programming power reduction of carbon doping in GST based devices. Finally, we studied the effects of Ge enrichment in GST, combined with N or C doping, integrated in state of the art PCM cells. Through the introduction of a new programming technique, we demonstrated the possibility to improve the programming speed of these devices, characterized by data retention performance among the best reported in the literature, and to reduce the drift phenomenon that affects the resistance state stability of PCM technology. We then proved, with these last results, the suitability of PCM for embedded applications.


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