Electrical characterization and technological optimization of Conductive Bridge RAM CBRAM devices to improve performance, speed and reliability

La technologie Flash arrive à ses limites de miniaturisation. Ainsi, la nécessité de nouvelles technologies mémoire augmente. Les candidats au remplacement des mémoires Flash sont les technologies non volatiles émergentes comme les mémoires à pont conducteur (CBRAM), résistives à base d'oxyde (RRAM), mémoires magnétiques (MRAM) et mémoires à changement de phase (PCRAM). En particulier, les mémoires CBRAM sont basées sur structure simple métal-isolant-métal (MIM) et présentent plusieurs avantages par rapport aux autres technologies. La CBRAM est non volatile, à savoir qu'elle garde l’information lorsque l'alimentation est coupée, ses dimensions peuvent être réduites jusqu'à nœud 10 nm, elle peut facilement être intégrée dans le Back-End d’une intégration CMOS, enfin, elle a une vitesse de fonctionnement élevée à basse tension et un faible coût de fabrication. Néanmoins, les spécifications pour l'industrialisation des CBRAM sont très strictes. Dans cette thèse, nous analysons deux générations de technologie CBRAM, chacune adressant un marché d'application spécifique. La première partie de la thèse est consacrée à l’étude électrique des structures à base de cuivre et de GdOX, qui présentent comme avantages une conservation des données très stable et une bonne résistance lors de la soudure des puces, et un bon comportement de l'endurance. Cette technologie adresse principalement les applications à haute température telle que l'automobile. Pour répondre aux spécifications, un oxyde métallique dopé ainsi que des bicouches sont intégrés pour réduire la tension de formation de la mémoire et augmenter la fenêtre de programmation. Les performances en endurance sont améliorées. La deuxième partie est dédiée à une nouvelle technologie de CBRAM, avec un empilement de type MIM. Dans ce cas, nous avons démontré des temps de commutation très rapides de 20ns à basses tensions (2V), combinés avec une endurance satisfaisante et une bonne rétention des données. Cette technologie semble être compatible avec les applications Internet des objets (IOT). En résumé, au cours de ce doctorat, l'objectif principal était d'étudier la fiabilité des dispositifs embarqués CBRAM en termes d’écriture des données, endurance et la conservation de l’information. Une méthodologie de test spécifique a été développée, afin d’évaluer les performances des technologies étudiées. Des modèles physiques ont été mis au point pour expliquer et analyser les résultats expérimentaux. Sur la base des résultats obtenus, nous démontrons que la technologie de CBRAM est très prometteuse pour les futures applications de mémoires non volatiles.Flash technology is approaching its scaling limits, so the demand for novel memory technologies is increasing. Promising replacing candidates are the emerging non volatile technologies such as Conductive Bridge Memory (CBRAM), Oxide based Resistive RAM (OXRAM), Magnetic Random Access Memory (MRAM) and Phase Change Memory (PCRAM). In particular, CBRAM is based on a simple Metal-Insulator-Metal (MIM) structure and presents several advantages compared to the other technologies. CBRAM is non volatile, i.e. it keeps the information when the power is off, it is scalable down to 10nm technology node, it can be easily integrated into the Back-End-of-Line (BEOL), finally, it has high operation speed at low voltages and low cost per bit. Nevertheless, demands for the industrialization of CBRAM are very stringent and issues related to device reliability are still to be faced. In this thesis we analyze two generations of CBRAM technology, each one addressing a specific application market. The first part of the PhD is dedicated to the electricalstudy of Cu-based/GdOx structures, which present the advantages of a very stable data retention and resistance to soldering reflow and also good endurance behavior. This CBRAM family addresses mainly the high temperature applications as automotive. To fulfill the specification requirements, doping of metal-oxide andbilayers are integrated to decrease the forming voltage and increase the programmingwindow. Better endurance performance is also achieved. The second part isdedicated to a new CBRAM technology, with a simple MIM structure. In this case, the device showsfast operation speed of 20ns at low voltages of 2V, combined with satisfying endurance and data retention. This technology seems to be compatible with the growing Internet of Things (IOT) market. In summary, during the PhD research, the main objective was to study the reliability of the embedded CBRAM devices in terms of forming, endurance and data retention. Some methodologies were developed and the electrical set-up was modified and adapted to specific measurements. Physical models were developed to explain and better fit the experimental results. Based on the obtained results, we demonstrate that the CBRAM technology is highly promising for future NVM applications