Commutation de capacitance dans les mémoires résistives (ReRAM), application aux mémoires d’impédance (ZRAM ou mem-capacitors)

Capacitance switching in resistive memories (ReRAM), application to impedance memories (ZRAM or mem-capacitors)

• Auteur / Autrice : Tariq Wakrim
• Direction : Patrice Gonon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nano electronique et nano technologies
• Date : Soutenance le 15/11/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des technologies de la microélectronique (Grenoble) - Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Céline Darie
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Vallée, Alain Sylvestre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Martine Le Berre, Serge Agnel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ordinateurs -- Mémoires

Réseaux neuronaux (informatique)

Memristors

Mots clés libres

Mémoires résistives ReRAM

Commutation de capacitance

Mem-Capacitors

Mémoires d’impédance

Structures MIM

Stress en tension

Resistive memories ReRAM

Capacitance switching

Mem-Capacitors

Impedance memories

MIM structures

Voltage stress

Résumé

Les mémoires résistives ReRAM (ou memristors) sont destinées à remplacer les mémoires non volatiles Flash. Les ReRAM utilisent le changement de résistance d’une structure MIM (Métal-Isolant-Métal) soumise à un stress en tension. Jusqu’à présent, l’attention était focalisée sur les mécanismes qui régissent la commutation de résistance dans les dispositifs ReRAM. Moins d’attention a été accordée à la variation de capacitance, c'est-à-dire à la variation de capacité des structures MIM lorsque ces dernières sont soumises à un stress en tension. C’est sur ce dernier point que notre travail porte. Nous étudions la variation d’impédance (conductance et capacitance dans le domaine RF) dans des structures MIM à base de HfO2. Au-delà d’une tension seuil (Set) une diminution de la capacitance est observée, conjointement à une augmentation de conductance. Des cycles mémoires capacité-tension (C-V) et conductance-tension (G-V) sont obtenus de manière reproductible. Des caractérisations en fréquence (C-f et G-f), sous différentes polarisations continues, sont effectuées pour mieux comprendre les mécanismes de commutation de l’impédance. La diminution de capacitance dans l’état conducteur (ON) est attribuée au caractère inductif des filaments conducteurs formés pendant l’étape de Set. Les mécanismes de transport conduisant à l’apparition de ce caractère inductif sont discutés. Nous montrons également l’influence du procédé de dépôt (ALD) de HfO2 sur les caractéristiques C-V et G-V, ainsi que les modifications apportées par l’emploi d’une structure bicouche. Ce travail ouvre la voie à la réalisation de dispositifs à mémoire de capacitance (mem-capacitors), et plus généralement de composants à mémoire d’impédance (ZRAM). Le potentiel de ces dispositifs pour réaliser un filtre reconfigurable (programmable en tension) est démontré d’une manière pratique.

Resistive random access memories (ReRAM) hold great potential for replacing Flash memories. A ReRAM memory (or MEMRISTOR) uses a resistive switching phenomenon found in Metal-Insulator-Metal (MIM) structures under a voltage stress. Most researches were focused on the mechanisms governing the resistance switching in ReRAM devices and less attention has been paid to capacitance variation of MIM structures under a voltage stress. Our work is focused on that latter phenomenon. We study impedance variation (conductance and capacitance in the RF domain) in HfO2-based MIM structures. Above a threshold voltage (Set), concurrently to conductance increase, a decrease in the capacitance value is observed. Reproducible capacitance-voltage (C-V) and conductance-voltage (G-V) memory cycles are obtained. Frequency dependent characterizations (C-f and G-f), under different DC bias voltages, are performed with the aim of understanding the mechanisms of impedance switching. The capacitance decrease observed in the conducting (ON) state is attributed to the inductance of the filament created during the Set stage. Transport phenomena responsible for the filament inductive behavior are discussed. Impact of HfO2 deposition process (ALD), as well as the use of bi-layer structures, on C-V and G-V characteristics are shown. This work paves the way for the realization of new capacitance memory devices (mem-capacitors) and most generally for impedance memories (ZRAM). Potential of these devices to design reconfigurable filters (controlled by voltage bias) is demonstrated in a practical way.