Caractérisation électrique et modélisation de la dynamique de commutation résistive dans des mémoires OxRAM à base de HfO2

Oxyde-based resistive memories OxRAM are a technology of emergent non-volatile memory, as phase-change memories (PCRAM) or magnetoresistive memories (MRAM). In the beginning OxRAM were very studied in order to compete with Flash memories, whose mechanism relies on the storage of electrical charges in a flotting gate. However, with the arising of 3D-NAND technology, it seems very difficult for OxRAM to reach the same storage capacities as Flash memories. But their impressive operating speed, far higher than NAND’s, and their cost far lower than DRAM’s, allow them to operate at the border of these two technologies, in a category called « Storage Class Memory ». Furthermore, the integration of OxRAM in the Back-End-Of-Line, just above CMOS circuits, makes this technology very attractive. On the other hand, OxRAM are known to have a very strong variability, which represents the main obstacle to their expansion.In this thesis, the dynamics of the resistive switching of hafnium oxyde based OxRAM has been investigated, with a desire to focus on very short times, as they are one of the main assets of this technology. To do so, our work first focuses on an experimental aspect, with electrical characterization. We were able to watch, with a dynamical monitoring, the resistive switching of the memories, at the scale of the dozen of nanoseconds, for writing and erasing operations, thanks to an entirely dedicated set-up. Then, the impacts that the time reduction, and the lowering of the voltage and current, can have on the reliability of OxRAM, were analysed, with variability measurements. The second part of this work concerns modelisation, with the elaboration of a physics-based, semi-analytical model, in order to understand the switching mechanisms. After the comparison of the results obtained by our model with the experimental ones, our model has been applied to statistical measurements. Electrical tests on OxRAM arrays have been performed, and fitted by the model. Finally, the low frequency noise (RTN) in OxRAM has been studied, as it stands as one of the main factors of degradation of OxRAM reliability. Ideas to improve the robustness of OxRAM against RTN are suggested.Les mémoires résistives à base d’oxyde OxRAM sont une technologie de mémoire non-volatile dite émergente, au même titre que les mémoires à changement de phase (PCRAM) ou les mémoires magnétorésistives (MRAM). A l’origine les OxRAM étaient très étudiées pour concurrencer les mémoires Flash, dont le fonctionnement est basé sur le stockage de charges dans une grille flottante. Cependant, avec l’avènement des technologies 3D-NAND, il semble très difficile pour les OxRAM d’atteindre les mêmes capacités de stockage que les flashs. Cependant, leur impressionnante vitesse de fonctionnement, bien supérieure à celle des NAND, et leur coût bien inférieur à celui des DRAM, leur permet de se situer à la frontière entre ces deux technologies, dans une catégorie qualifiée de « Storage Class Memory ». De plus, il s’agit d’une technologie dont l’intégration en Back-End-Of-Line, juste au-dessus des circuits CMOS, est très facile, ce qui la rend très attrayante. En revanche, les OxRAM sont connues pour présenter une forte variabilité, et cela représente le principal obstacle à leur démocratisation.Au cours de cette thèse, nous avons cherché à étudier en profondeur la dynamique de commutation résistive de mémoires OxRAM à base d’oxyde d’hafnium, avec une volonté de se concentrer sur des temps très courts, puisqu’ils représentent l’un des atouts majeurs de cette technologie. Pour cela, ces travaux de thèse se concentrent tout d’abord sur un aspect expérimental, de caractérisation électrique. Nous avons ainsi pu observer, avec un suivi dynamique, la commutation résistive des mémoires, sur des temps de l’ordre de la dizaine de nanoseconde, pour les opérations d’écriture et d’effacement, via la mise au point d’un banc de test entièrement dédié à cette tâche. Ensuite, nous avons analysé les impacts que la réduction du temps de pulse, ainsi que l’abaissement des courants et tensions mis en jeu, peuvent avoir sur la fiabilité des OxRAM, avec des mesures de variabilité. La seconde partie de ce travail de thèse est un travail de modélisation, avec la mise au point d’un modèle physique semi-analytique, dans le but de comprendre les mécanismes de commutation résistives. Après avoir comparé les résultats obtenus par notre modèle aux résultats expérimentaux précédents, nous avons cherché à appliquer notre modèle à des mesures de statistiques. Nous avons ainsi réalisé des tests électriques sur des matrices OxRAM, que nous avons tenté de reproduire avec le modèle. Enfin, nous avons étudié plus en profondeur le bruit à basse fréquence dans les OxRAM, qui constitue l’un des facteurs majeurs de dégradation de la fiabilité des OxRAM, tout en cherchant des pistes pour le diminuer