Hopping et Tunnelling assisté par pièges dans les mémoires non volatile à base d’oxyde métallique

Hopping and tunnelling trap assisted current in metallic oxide based non volatile memories

• Auteur / Autrice : Nazim Ait Abdelkader
• Direction : Quentin Rafhay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 21/06/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de radiofréquences, optique et micro-nanoélectronique des Alpes (Grenoble, Isère, France ; Chambéry ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Christophe Toussaint
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Damien Deleruyelle, Abdelkader Souifi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Bocquet, Damien Querlioz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxydes métalliques

Effet tunnel

Ordinateurs -- Mémoires

Mémoires non-volatiles à accès sélectif

Mots clés libres

Mémoire

Oxyde

OxRAM

Hopping

Tunnel

Memory

OxRAM

Oxide

Hopping

Tunnel

Résumé

Les ReRAM, en particulier l'OxRAM, sont reconnues comme des technologies essentielles pour les applications émergentes en raison de leur haute densité, de leur accès rapide, de leur endurance et de leur intégration dans le back-end-of-line. Toutefois, les modèles régissant le mécanisme de conduction dans les OxRAM ont suscité de nombreux débats au cours des quinze dernières années. Cette thèse présente un nouveau formalisme qui implique la résolution des niveaux de Fermi des pièges pour assurer un courant constant entre eux. Ce formalisme a permis d'explorer deux modèles de courant sans recourir à des approches d'identification du chemin le plus conducteur. Un modèle généralisé de Tsu-Esaki, basé sur une conduction entre un continuum d'états, a été exposé mais n'a cependant pas été en mesure de reproduire de manière précise le comportement électrique dans les deux états de résistance de l'OxRAM. En revanche, un deuxième modèle basé sur l'équation de Miller et Abrahams, impliquant une conduction entre états liés, a démontré sa capacité à fournir un excellent ajustement aux données expérimentales, tout en utilisant un nombre de pièges beaucoup plus raisonnable par rapport aux approches existantes. Des énergies d'activation thermique ont également été calculées pour étudier la possibilité d'identifier ces mécanismes de manière expérimentale. Enfin, une partie expérimentale a été intégrée à cette thèse, consistant en une tentative de caractérisation électrique en fonction de la température afin d'identifier le ou les mecanismes de conduction dans une OxRAM.

Resistive Random Acccess Memory, and more specifically Oxide RAM (OxRAM), are considered as key enabling technologies for emerging applications due to their high density, high speed, good endurance and integration in the back-end-of-line. However, the mechanisms that rule their conduction have been heavily debated in the last fifteen years. A new method, involving the solution of the traps Fermi levels is presented in this manuscript, to ensure constant current between traps, which allows to include two models for the conduction and avoid the identification of the most conducting path. A generalized Tsu-Esaki model is detailed, which is based on a conduction between continuum of states. It is found that this model is not able to provide a suitable fit of the current-voltages (I-V) curves in both resistance states of an OxRAM. A second model, based on Miller and Abrahams equation and hence on the conduction model between bound states has proved its ability to provide an excellent agreement with experimental data, employing a much more reasonable number of traps compared to already existing approaches. Thermal activation energy are finally computed to investigate the possibility to experimentally identify these mechanisms. Ultimately, an experimental component has been incorporated into this thesis. This involved an endeavor towards electrical characterization as a function of temperature, aiming to identify conduction mechansims involved in OxRAMs.