Etude et optimisation des performances électriques et de la fiabilité de mémoires résistives à pont conducteur à base de chalcogénure/Ag ou d'oxyde métallique/Cu

par Florian Longnos

Thèse de doctorat en Nano électronique et nano technologies

Sous la direction de Barbara De Salvo et de Elisa Vianello.

Le président du jury était Gérard Ghibaudo.

Les rapporteurs étaient Abdelkader Souifi, Amara Amara.


  • Résumé

    Les mémoires non-volatiles sont devenues récemment un moteur clé de la croissance du secteur des semiconducteurs, et constituent un pivot pour les nouvelles applications et les nouveaux concepts dans le domaine des technologies de l'information et de la communication (TIC). Afin de surmonter les limites en termes de miniaturisation, de consommation électrique et de complexité de fabrication des mémoires non-volatiles à grille flottante (FLASH), l'industrie des semiconducteurs évalue actuellement des solutions alternatives. Parmi celles-ci, les mémoires résistives à pont conducteur ou CBRAM (Conductive Bridge Random Access Memory), qui reposent sur la commutation de résistance d'un électrolyte par migration et oxydo/réduction d'ions métalliques, semblent être des plus prometteuses. L'attractivité de cette technologie innovante vient d'une part de la simplicité de sa structure à deux terminaux et d'autre part de ses performances électriques très prometteuses en termes de consommation électrique et vitesse d'écriture/effacement. De surcroît la CBRAM is une technology mémoire qui s'intègre facilement dans le back end of line (BEOL) du procédé CMOS standard. Dans cette thèse, nous étudions les performances électriques et la fiabilité de deux technologies CBRAM, utilisant des chalcogénures (GeS2) ou un oxyde métallique pour l'électrolyte. Tout d'abord nous nous concentrons sur les CBRAM à base de GeS2, ou l'effet du dopage de l'électrolyte avec de l'argent (Ag) ou de l'antimoine (Sb) est étudié à la lumière d'une analyse des caractérisations électriques. Les mécanismes physiques gouvernant la cinétique de commutation et la stabilité thermique sont aussi discutés sur la base de mesures électrique, d'un modèle empirique et des résultats de calculs ab initio. L'influence des différentes conditions de set/reset est étudiée sur une CBRAM à base d'oxyde métallique. Grâce à cette analyse, les conditions permettant de maximiser la fenêtre mémoire, améliorer l'endurance et minimiser la variabilité sont déterminées.

  • Titre traduit

    Investigation and optimisation of electrical performances and reliability of Conductive Bridge Memory based on chalcogenide/Ag or metal oxide/Cu Technologies


  • Résumé

    Non-volatile memory technology has recently become the key driver for growth in the semiconductor business, and an enabler for new applications and concepts in the field of information and communication technologies (ICT). In order to overcome the limitations in terms of scalability, power consumption and fabrication complexity of Flash memory, semiconductor industry is currently assessing alternative solutions. Among them, Conductive Bridge Memories (CBRAM) rely on the resistance switching of a solid electrolyte induced by the migration and redox reactions of metallic ions. This technology is appealing due to its simple two-terminal structure, and its promising performances in terms of low power consumption, program/erase speed. Furthermore, the CBRAM is a memory technology that can be easily integrated with standard CMOS technology in the back end of line (BEOL). In this work we study the electrical performances and reliability of two different CBRAM technologies, specifically using chalcogenides (GeS2) and metal oxide as electrolyte. We first focus on GeS2-based CBRAM, where the effect of doping with Ag and Sb of GeS2 electrolyte is extensively investigated through electrical characterization analysis. The physical mechanisms governing the switching kinetics and the thermal stability are also addressed by means of electrical measurements, empirical model and 1st principle calculations. The influence of the different set/reset programming conditions is studied on a metal oxide based CBRAM technology. Based on this analysis, the programming conditions able to maximize the memory window, improve the endurance and minimize the variability are determined.



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