Architectures de dispositifs de mémoire innovantes pour application en tant que mémoires non volatiles embarquées visant le nœud technologique 28 nm et au-delà

Innovative Memory Device targeting embedded Non Volatile Memory applications for the 28 nm node and beyond

• Auteur / Autrice : Julia Kluge
• Direction : Gérard Ghibaudo, Gabriele Navarro, Serge Blonkowski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 04/10/2018
• 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 : Institut de microélectronique, électromagnétisme et photonique - Laboratoire d'hyperfréquences et de caractérisation (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Abdelkader Souifi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Bocquet, Guido Torelli

Mots clés

Mots clés contrôlés

MOS complémentaires

Matériaux à changement de phase

Mémoires non-volatiles à accès sélectif

Mots clés libres

Memoires non-Volatiles

Applications embarquées

Architectures de mémoire innovantes

Non-Volatile memory

Embedded applications

Innovative memory architectures

Résumé

Aujourd'hui, la recherche d'une mémoire informatique et de stockage plus rapide, moins chère et plus dense est à la recherche de solutions innovantes, car les capacités de mise à l'échelle de Flash et des DRAM s'arrêtent. Les mémoires à changement de phase (PCM) constituent la solution la plus aboutie pour la prochaine génération de mémoire non volatile intégrée (NVM), grâce à son évolutivité, sa vitesse de lecture et d'écriture élevée et sa grande cyclabilité. Le mécanisme de changement de phase repose sur le commutateur réversible entre une phase cristalline fortement conductrice et une phase amorphe fortement résistive. Cette alternance peut être introduite par des impulsions de courant ou laser et peut être lue grâce au contraste élevé de conductivité et de réflectivité.Néanmoins, les PCM nécessitent un courant de programmation relativement élevé pour faire fondre le matériau afin de le transformer en phase amorphe. Ce travail vise à réduire le courant de programmation en faisant évoluer la technologie vers des tailles plus petites et par l'ingénierie des matériaux intégrés dans le but de passer à un nœud de 28 nm.Cette thèse est divisée en trois sections de recherche: (i) une étude de fiabilité à haute température de l'architecture des « Wall » à la fine pointe de la technologie avec du matériel GST riche en Ge incorporé pour l'application automobile; (ii) une évaluation des différentes approches de l'architecture innovante « Sidewall » pour réduire la taille de l'appareil et (iii) l'analyse d'une nouvelle composition de matériaux Sb2Te3 et GeS2 (GSST) pour améliorer le confinement électrique et thermique. Dans les trois sections, nous insistons sur la fonctionnalité du dispositif en étudiant les paramètres tels que le courant de programmation, la tension de seuil et la vitesse de programmation, en combinant la fiabilité thermique, l'endurance cyclique, la rétention des données à haute température et la résistance dérive.L'étude à haute température de l'architecture du « Wall » considère en outre la possibilité de programmer et de maintenir plusieurs niveaux de résistance intermédiaires en un seul dispositif en se concentrant sur l'analyse de l'énergie d'activation et de la dérive de résistance des différents états. Pour l'intégration innovante de Sidewall, nous rapportons une réduction de densité de courant par rapport à l'intégration comparable dans une architecture « Wall » de 48% pour la structure en "S" la plus avancée et une réduction supplémentaire de 80% en cas de changement de phase le matériau est encapsulé avec une couche GeN. L'introduction du nouveau matériel GSST réduit le courant de programmation de 95%. Nous supposons que cette réduction provient de la forte augmentation de la résistance thermique qui est 3 fois plus élevée par rapport à la GST standard.

Today, the race for faster, cheaper and denser storage and computing memory is searching for novel solutions, as the scaling capabilities of Flash and DRAMs are coming to a halt. Resistive memory technologies are one promising alternative and particularly Phase-Change Memories (PCMs) are the most mature solution for the next generation of embedded Non-Volatile Memory (NVM), thanks to its scalability, high read and write speed and high cyclability. The phase-change mechanism relies on the reversible switch between a high conductive crystalline and a high resistive amorphous phase. This alternation can be introduced through current or laser pulses and can be read thanks to the high contrast in conductivity and reflectivity.Nonetheless, PCMs require a relatively high programming current to melt the material in order to transform it into the amorphous phase. This work aims to reduce the programming current by scaling the technology to smaller sizes and by engineering of the integrated materials with the goal to move to 28 nm node.This thesis is divided in three research sections: (i) a high temperature reliability study of the state-of-the-art Wall architecture with incorporated Ge-rich GST material for automotive application; (ii) an evaluation of different approaches to the innovative Sidewall architecture to reduce the device size and (iii) the analysis of a novel material composition of Sb2Te3 and GeS2 (GSST) to improve both the electrical and thermal confinement. In all three sections, we emphasize on the device functionality by studying parameters like the programming current, threshold voltage and the programming speed, in combination with the device reliability through analysis of the thermal resistance, cycling endurance, the high temperature data retention and the resistance drift.The high temperature study of the Wall architecture considers moreover the possibility to program and sustain multiple intermediate resistance levels in one device focusing on the analysis of the activation energy and the resistance drift of the different states. For the innovative Sidewall integration, we report a current density reduction with regard to the comparable integration in a Wall-like architecture of up to 48 % for the most advanced "S" structure and a further reduction of up to 80 % when the phase change material is encapsulated with a GeN layer. The introduction of the novel GSST material reduces the programming current by 95 %. We assume this reduction comes from the strong increase in thermal resistance being 3 times higher with regard to the standard GST.