Caractérisation des Mémoires Non-Volatiles Résistives par Microscopie à Force Atomique en mode Conduction (C-AFM) sous Ultravide

par Amit Kumar Singh

Thèse de doctorat en Nanoélectronique et nanotechnologie

Sous la direction de Martin Kogelschatz.

Le président du jury était Alain Sylvestre.

Le jury était composé de Claudia Wiemer, Serge Blonkowski.

Les rapporteurs étaient Lambert Alff, Brice Gautier.


  • Résumé

    Les mémoires sont à la base de tout système électronique avec lequel nous interagissons dans notre vie quotidienne et deviennent de plus en plus important jour après jour à notre époque. Les fonctionnalités et les performances croissantes des produits électroniques tels que les appareils photo numériques, les téléphones cellulaires, les ordinateurs personnels, les disques durs, etc., nécessitent une amélioration continue de ses fonctionnalités. La technologie Flash à grille flottante est la principale technologie NVM utilisée sur le marché actuellement. Néanmoins, la technologie Flash pose de nombreux problèmes rendant tout redimensionnement impossible. Dans ce contexte, de nombreuses autres technologies de mémoire sont en train d'émerger et l'intérêt pour les nouveaux concepts et matériaux allant au-delà de la technologie Flash ne cesse de croître. Des mémoires résistives non volatiles basées sur deux types de dispositifs, dans lesquelles un matériau actif est pris en sandwich entre deux électrodes, ont été étudiées. L'idée principale d'utiliser ce type de structure et de matériau est d'utiliser un mécanisme physique spécifique permettant de le basculer entre deux états résistifs différents pour le stockage d'informations. Par exemple, dans la mémoire à base d’oxydes (OxRAM), un filament conducteur est développé à l’intérieur de la couche d’oxyde, reliant les deux électrodes. En créant et en interrompant ce filament, deux états de résistance différents peuvent être générés. Un autre exemple est la mémoire à changement de phase (PCRAM), dans laquelle un matériau à base de chalcogénure capable de changer de phase entre un état amorphe à haute résistance et un état cristallin à faible résistance est utilisé. Les mémoires OxRAM ont été largement étudiées au cours des dernières années en raison de leurs nombreux avantages, tels qu'une bonne évolutivité en matière de réduction de taille, une longue rétention, une vitesse de lecture et d'écriture rapide et une faible consommation d'énergie. Le principal avantage est leur compatibilité avec la fabrication en back end. Dans les structures MIM pour OxRAM, la formation et la rupture d’un filament conducteur de taille nanométrique sont communément acceptées comme étant le phénomène physique de la commutation, mais un débat est toujours en cours pour comprendre la nature et les caractéristiques du filament conducteur. De plus, de nombreuses études ont été réalisées pour évaluer le potentiel de réduction des dimensions des mémoires OxRAM et PCRAM. Par conséquent, dans cette thèse, nous étudions les mécanismes liés à la commutation résistive à base de filaments conducteurs à l’échelle nanométrique. Pour effectuer la caractérisation électrique, une nouvelle technique utilisant la microscopie à force atomique en mode conduction (C-AFM) sous ultravide est proposée. L’influence du matériau de la pointe AFM (utilisés comme électrode supérieure), du matériau de l’électrode inférieure et l’effet du courant limite dans deux régimes différents (en nA et en µA) sont étudiés. Il ressort de notre travail que dans les mémoires OxRAM à base de HfO2, le filament est créé par diffusion de Ti de l’électrode inférieure à travers l’oxyde. Les résultats sont en bon accord avec ceux obtenus sur des dispositifs et ont pu être reproduits par un modèle. En outre, la transition de phase dans les matériaux pour PCRAM est étudiée pour le GST riche en Ge et le GST-225. Il a été constaté que la transition de phase dans les matériaux à changement de phase est possible à l'échelle nanométrique. Enfin, le champ électrique de seuil observé dans le cas du GST-225 est bien plus proche des valeurs mesurées que celles obtenues avec un CAFM standard.

  • Titre traduit

    Resistive Non-Volatile Memories Characteri-zation by Conductive Atomic Force Micros-copy (C-AFM) in Ultra-High Vacuum Environment


  • Résumé

    Memories are the fundamental for any electronic system we interact with in our daily life and are getting more and more important day by day in our present era. The growing functionalities and performance of the electronic products such as digital cameras, smart phone, personal computer, solid state hard disk and many more, need continues improvement of its features. Floating gate-based Flash technology is the main NVM technology used extensively in market these days. Nevertheless, Flash technology presents many problems making further scaling impossible. In this context, there are many other memory technologies emerging and interest in new concepts and materials to go beyond the Flash technology is growing. Resistive non-volatile memories based on two terminal devices, in which an active material is sandwiched between two electrodes have been investigated. The main idea of using this kind of structure and material is to use a specific physical mechanism allowing to switch it between two different resistive states for information storage. For example, in oxide based random-access memory (OxRAM), a conductive filament is grown inside the oxide layer, linking the two electrodes. By creation and disruption of this filament, two different resistance states can be generated. Another example is the phase change random-access memory (PCRAM), in which a chalcogenide material with the ability to change its phase between a high resistive amorphous and a low resistive crystalline state is used. Over the last few years OxRAM has been widely investigated due to many advantages like good scalability, long data retention time, fast read & write speed and low power consumption. The main benefit is that it is compatible with Back-end of line fabrication. In MIM structures for OxRAM, forming and disruption of the nanometer sized conductive filament is commonly accepted as the physical phenomenon for the switching, but still a debate is going on to understand the nature and characteristics of the conductive filament. Also, many studies have been done to evaluate the scaling capability of OxRAM and PCRAM. Hence, in this thesis work we studied mechanisms related to the conductive filament based resistive switching at nanoscale. To do the electrical characterization, a new technique using conductive atomic force microscopy (C-AFM) in ultra-high vacuum is proposed. The impact of different AFM tip materials (which is used as top electrode), different bottom electrode materials and the compliance current effect in two different regimes (in nA and in µA) are investigated. It is found that in the case of HfO2 based OxRAM, the filament is formed by Ti diffusion from the bottom electrode through the oxide layer. The results are in good agreement with device characteristics and could be reproduced by modeling. Also, phase transition in phase change materials for PCRAM is investigated for Ge2Sb2Te5 (GST-225) and Ge rich GST. It was found that the phase transition from amorphous to crystalline is possible at nanoscale. Finally, the threshold for GST-225 is observed at values nearer to those observed on devices than former observations with standard C-AFM.


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