Nanocaractérisation d'oxydes à changement de résistance pour les mémoires résistives

par Pauline Calka

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Cyril Guedj.

Soutenue le 17-10-2012

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Christophe Vallée.

Le jury était composé de Cyril Guedj, Genevieve Grenet, Philippe Boivin, Eugenie Martinez.

Les rapporteurs étaient Abdou Djouadi, Xavier Portier, Martine Soyer.

mots clés

• Mémoires résistives
• HfO2
• NiO
• Spectroscopie de pertes d'énergie
• Spectroscopie de photoélectrons

Résumé

En raison de leur faible consommation d'énergie, les mémoires non volatiles (MNV) sont En raison de leur faible consommation d'énergie, les mémoires non-volatiles sont particulièrement intéressantes pour l'électronique portative (clé USB, téléphone, ordinateur portable …). Les mémoires Flash, qui dominent le marché, atteignent leurs limites physiques et doivent être remplacées. L'introduction de nouveaux matériaux et architectures mémoire est proposée. Les mémoires OxRRAM (Oxide Resistive Random Access Memory) sont des candidats potentiels. Il s'agit de structures M-O-M (Métal-Oxyde-Métal). Le stockage de l'information est basé sur la modulation de la résistance de l'oxyde à l'application d'un champ électrique ou d'un courant. Une meilleure compréhension du mécanisme de changement de résistance de ces dispositifs est nécessaire pour contrôler leurs performances. Nous nous intéressons au claquage diélectrique de l'oxyde, qui initie le mécanisme de changement de résistance. Les mesures physico-chimiques à l'échelle nanométrique sont indispensables à sa compréhension et font défaut dans la littérature. Dans cette thèse, nous proposons des mesures physico-chimiques, des mesures électriques et des méthodes de préparation d'échantillon adaptées. Les oxydes de nickel et d'hafnium sont investigués. En plus de la dégradation électrique (chute de résistance), les modifications de ces deux oxydes sont investiguées à trois niveaux : la composition chimique, la morphologie et la structure électronique. Mots-clés : mémoire résistive, mécanisme de changement de résistance, claquage diélectrique, NiO, HfO2, spectroscopie de photoélectrons, microscopie électronique en transmission, microscopie à forme atomique, lacunes d'oxygène.

mots clés

• Resistive memories
• HfO2
• NiO
• Electron energy loss spectroscopy
• Photoelectron spectroscopy

Titre traduit

Nanocharacterization of resistance switching oxides for resistive memories

Résumé

With low energy consumption, non-volatile memories are interesting for portative applications (USB, mobile phone, laptop …). The Flash memory technology is reaching its physical boundaries and needs to be replaced. New materials and architectures are currently investigated. Oxide Resistive Random Access Memory (OxRRAM) is considered as a good candidate. It is based on a M-O-M (Metal-Oxide-Metal) stack. The information is stored using an electric field or a current that modulates the resistance of the oxide. A better understanding of the resistance switching mechanism is required in order to control the performances of the devices. We investigate the dielectric breakdown that activates the resistance switching properties. Physico-chemical characterization at the nanoscale is required. In this work, we propose proper physico-chemical and electrical measurements. Sample preparation is also considered. Nickel and hafnium oxide are investigated. Besides the evolution of the electrical properties, we analyze the oxide modification at three levels : the chemical composition, the morphology and the electronic structure. Keywords : resistive memory, resistance switching mechanism, dielectric breakdown, NiO, HfO2, photoelectron spectroscopy, electronic transmission microscopy, atomic force microscopy, oxygen vacancies.