Study of metal oxides (HfO2) for resistive random access memories

Cette thèse se propose d'étudier les phénomènes de commutations d'états de résistance dans des structures Métal-Isolant-Métal (MIM) utilisant l'oxyde d'hafnium comme isolant. L'oxyde d'hafnium est un matériau mature de l'industrie de la microélectronique (procédés de dépôts et de mise en forme contrôlés). Les objectifs sont d'élucider les mécanismes à l'origine de ces phénomènes et d'identifier les différents paramètres des empilements MIM influant sur ces phénomènes. Dans l'introduction générale, il est présenté, en détail, le principe de fonctionnement de la commutation d'états résistifs, ainsi qu'une présentation des principales applications potentielles. Cette partie se termine par une brève revue des mécanismes de fonctionnement proposés dans la littérature et par une présentation détaillée des objectifs de la thèse. Les travaux de cette thèse s'articulent autour de deux parties distinctes, chacune composée de trois chapitres. La première partie de ce manuscrit traite principalement de l'étude de la commutation d'états résistifs par des mesures courant-tension (I-V) afin d'identifier l'effet des matériaux constitutifs de l'empilement MIM. Les deux premiers chapitres traitent de l'influence des électrodes supérieures sur les propriétés mémoires. L'influence de la morphologie et du dopage du métal d'électrode, dans le cas d'électrode en or, est présentée dans ce premier chapitre. Dans le deuxième chapitre, l'étude est étendue à différents métaux utilisés comme électrodes supérieures. Le troisième chapitre s'intéresse à suivre l'effet de traitements plasmas post dépôts appliqués à l'oxyde d'hafnium avant métallisation de l'électrode supérieure. La deuxième partie de cette thèse étudie la commutation d'états résistifs par des mesures de courant en fonction du temps (mesures I-t), dans le cas de l'application de tensions constantes. On s'attache plus particulièrement à la cinétique de transitions de résistance. Le premier chapitre de cette partie traite plus spécifiquement d'études I-t réalisées pour de faibles champs électriques afin de caractériser les propriétés des structures MIM avant changement d'état de résistance. Le deuxième chapitre propose une étude visant à modéliser la dégradation de l'oxyde par un modèle cinétique et analytique. Le dernier chapitre propose une caractérisation complémentaire de la transition résistive par des mesures de tension en fonction du temps (mesures V-t), dans le cas de l'application de courants constants. Pour conclure nous rappelons nos principaux résultats et concluons sur les nouveaux éléments de compréhension de la commutation d'états de résistance apportés dans ce manuscrit.This work deals with resistance switching in HfO2 based Metal-Insulator-Metal (MIM) devices. Hafnium oxide is a widely used material in microelectronics. The goals are to understand physical mechanisms underlying resistance switching phenomena and to identify MIM key parameters which control these phenomena. As a general introduction, the resistance switching principles and potential applications are presented. The different mechanisms proposed in the literature are briefly reviewed and the detailed objectives of this work are described. This work is divided in two parts; each one is composed of three chapters. The first part mainly deals with the study of resistance switching through I-V measurements in order to identify materials effects. The first two chapters study the impact of top electrode material on memory properties. In the first chapter, the influence of metal electrode doping and morphology are presented for the case of gold electrodes. In the second chapter, the study is enlarged to other metals. The third chapter studies the impact of post deposition plasma treatments applied to HfO2 before metallization of the top electrode. In the second part, the resistance switching properties of MIM stacks are studied using I-t measurements under constant voltage stress (CVS). This part focuses on resistance transition kinetics. In the first chapter, low electric field effect is studied to characterize insulating properties before resistance changes. The second chapter provides an analytical kinetic model for resistance degradation. The results presented in the last chapter confirm the model through V-t measurements under constant current stress (CCS). To conclude, key results are summarized and a better understanding of resistance switching is provided