Etude des interactions matériaux et des mécanismes électrochimiques aux interfaces des électrodes d’un empilement mémoire à base d’oxydes métalliques

Study of materials interactions and electrochemical mechanisms at the interfaces of electrodes of a memory stack based on metal oxides

• Auteur / Autrice : Aurélie Marty
• Direction : Patrice Gonon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nano electronique et nano technologies
• Date : Soutenance le 30/05/2018
• 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)
• Jury : Président / Présidente : Elisabeth Blanquet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrice Gonon, Christophe Vallée
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Paule Besland, Abdelkader Souifi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électroformage

Memristors

Électrochimie

Mots clés libres

Dispositifs mémoires

Electrochimie des solides

Etude des matériaux et des interfaces

Memory devices

Electrochemistry of solids

Study of materials and interfaces

Résumé

Cette thèse porte sur la compréhension des mécanismes de forming dans les mémoires à pont conducteur (CBRAM) à base d’oxydes métalliques. Pour cela nous avons admis que l’empilement mémoire est une cellule électrochimique à l’échelle du nanomètre et considéré que les principaux mécanismes de forming sont basés sur des effets électrochimiques. Nous avons débuté nos études à partir d’un couple de référence CuxTey/Oxyde, analysé par HAXPES et ToF-SIMS avant et après l’electro-forming, dans le but d’observer les diffusions et les modifications de l’environnement chimique durant le forming. Ensuite, la couche fournissant les ions, basée sur un alliage CuxTey, ainsi que le diélectrique (Ta2O5, GdOx, or Al2O3) ont été modifiés étape par étape. Les résultats de leurs analyses ont été comparés avec ceux de l’empilement de référence dans le but de comprendre le rôle de chaque couche et des éléments présents dans l’empilement.Nous avons vu que les propriétés du diélectrique, telles que la force des liaisons métal-oxygène, l’hygroscopicité, ou l’éventuelle présence de défauts comme les lacunes d’oxygène, peuvent favoriser un comportement mémoire plutôt OXRAM, CBRAM ou hybride OXRAM/CBRAM. De plus, quand le cuivre diffuse durant le forming, une contre diffusion d’oxygène apparaît également dans le diélectrique. Ensuite, la présence de tellure dans la couche fournissant les ions est nécessaire pour permettre l’effacement de la mémoire, car il permet la re-dissolution du filament de cuivre dans la couche fournissant les ions. Nous avons également vu que le germanium amorphise l’alliage de CuxTeyGez et donc permet son intégration tout en le protégeant de l’oxydation. De plus, il est possible de remplacer le germanium par du zirconium, réduisant ainsi le diélectrique, ce qui facilite le forming.

This thesis focuses on the understanding of forming mechanisms in oxide-based conductive bridge memories (CBRAM), based on metallic oxides. For this purpose, we compared the memory stack to an electrochemical cell at nanometer scale and consider that the main mechanisms occurring in the memory rely on electrochemical effects. We started our studies from a reference couple CuxTey/Oxide, analyzed by HAXPES and ToF-SIMS before and after electro-forming, in order to observe the diffusions and the modifications of the chemical environment occurring during forming. Then, the ion source layer based on CuxTey alloy and the dielectric (Ta2O5, GdOx or Al2O3) were sequentially modified and results of their analyses were compared to the reference stack, in order to understand the role of each layer and chemical elements present in the memory stack.We evidenced that the properties of the dielectric, such as the strength of its oxygen-metal bonds, its hygroscopicity or the eventual presence of defects such as oxygen vacancies, can promote a given memory behavior from OXRAM to CBRAM or hybrid OXRAM/CBRAM behavior. Moreover, when copper diffuses during the forming, an oxygen counter diffusion also takes place in the dielectric. Also, the presence of tellurium in the ion source layer is required to reset the memory as it enables the dissolution of the copper filament in the ion source layer. We also show that germanium amorphizes the CuxTeyGez alloy, thus enables its integration, and protects it from oxidation. Moreover, it is possible to substitute germanium by zirconium resulting in the dielectric reduction, which eases the forming.