Caractérisation de la structure électronique d'interface des couches ultra-minces ferroélectriques HfZrO2 pour des mémoires non-volatiles à basse consommation d'énergie, CMOS-compatibles

par Wassim Hamouda

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Nicholas Barrett.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....) , en partenariat avec SPEC - Service de Physique de l'Etat Condensé (laboratoire) et de Faculté des sciences d'Orsay (référent) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    L'Internet of Things (IoT) ou « objets connectés » nécessite un traitement intelligent, rapide et peu gourmand en énergie des données inhomogènes. L'e-Flash est actuellement la mémoire non-volatile (NVM) standard. Cependant, il souffre d'une vitesse d'écriture très lente, est consommateur d'énergie, possède une endurance limitée et enfin n'est pas robuste en milieux hostiles. Les mémoires à base ferroélectriques (FeRAM) ont l'endurance la plus importante parmi tous les candidats de NVM, consomme peu d'énergie par bit. Cela fait d'eux d'excellents candidats pour remplacer Flash dans les applications embarquées. Dans le cadre du projet européen H2020 3eFERRO, coordonné par le CEA, nous utiliserons de nouveaux matériaux ferroélectriques à base de HfO2, pour développer une technologie FeRAMS compétitive et versatile pour les e-NVM. La formation d'une couche d'interface (CI) est d'une importance capitale dans la performance ultime des dispositifs et représente un défi majeur pour l'ingénierie de matériaux ferroélectriques HfO2. Nous utiliserons des techniques de caractérisation avancées, telles que la photoémission avec les rayons X tendres et durs du rayonnement synchrotron, pour décrire la formation de la CI et ses conséquences sur l'alignement des bandes, les courants de fuites et les niveaux électroniques des défauts dans la bande interdite. Les résultats des études sur la structure, la chimie et les niveaux électroniques permettront une meilleure compréhension de l'influence des défauts et de la CI sur les paramètres des matériaux et les éventuelles performances des dispositifs. L'imagerie des domaines ferroélectriques dans le HfO2 dopé et dans le HfZrO2 sera effectuée par la microscopie d'électrons à basse énergie et en photoémission (LEEM et PEEM) pour étudier la ferroélectricité à l'échelle nanométrique.

  • Titre traduit

    Characterizatrion of the interface electronic structure of ultra-thin ferroelectric HfZrO2 films for low power, CMOS-compatible, non-volatile memories


  • Résumé

    The Internet of Things (IoT) requires intelligent, fast and energy efficient handling of sensory inhomogeneous data. eFlash is the standard non-volatile memory (NVM), however, it suffers from low write speed, high power, low endurance and vulnerability to radiation. FeRAM has the highest endurance among all NVM candidates, low energy per bit and power consumption making it a candidate to replace Flash in embedded applications. Within the framework of the H2020 European project 3εFERRO, led by the CEA, we will use new ferroelectric HfO2-based materials to develop a competitve and versatile FeRAM technology for eNVM solutions. Synchrotron radiation induced photoemission using both soft and hard X-rays will be carried out. Structural defects induce energy levels in the band gap, specific techniques for investigation of electrically active defects will be employed to extract information on defect activation energy, concentration and trapping cross sections. Combining results of structural, chemistry and trap investigations will further understanding of how the defects and ILs affect the material parameters and device characteristics. Low energy and photoemission electron microscopy (LEEM and PEEM) will be employed to study domain configuration and to investigate the ferroelectricity and leakage at nanoscale.