Caractérisation et conception d' architectures basées sur des mémoires à changement de phase

Semiconductor memory has always been an indispensable component of modern electronic systems. The increasing demand for highly scaled memory devices has led to the development of reliable non-volatile memories that are used in computing systems for permanent data storage and are capable of achieving high data rates, with the same or lower power dissipation levels as those of current advanced memory solutions.Among the emerging non-volatile memory technologies, Phase Change Memory (PCM) is the most promising candidate to replace conventional Flash memory technology. PCM offers a wide variety of features, such as fast read and write access, excellent scalability potential, baseline CMOS compatibility and exceptional high-temperature data retention and endurance performances, and can therefore pave the way for applications not only in memory devices, but also in energy demanding, high-performance computer systems. However, some reliability issues still need to be addressed in order for PCM to establish itself as a competitive Flash memory replacement.This work focuses on the study of embedded Phase Change Memory in order to optimize device performance and propose solutions to overcome the key bottlenecks of the technology, targeting high-temperature applications. In order to enhance the reliability of the technology, the stoichiometry of the phase change material was appropriately engineered and dopants were added, resulting in an optimized thermal stability of the device. A decrease in the programming speed of the memory technology was also reported, along with a residual resistivity drift of the low resistance state towards higher resistance values over time.A novel programming technique was introduced, thanks to which the programming speed of the devices was improved and, at the same time, the resistance drift phenomenon could be successfully addressed. Moreover, an algorithm for programming PCM devices to multiple bits per cell using a single-pulse procedure was also presented. A pulse generator dedicated to provide the desired voltage pulses at its output was designed and experimentally tested, fitting the programming demands of a wide variety of materials under study and enabling accurate programming targeting the performance optimization of the technology.Les mémoires à base de semi-conducteur sont indispensables pour les dispositifs électroniques actuels. La demande croissante pour des dispositifs mémoires fortement miniaturisées a entraîné le développement de mémoires non volatiles fiables qui sont utilisées dans des systèmes informatiques pour le stockage de données et qui sont capables d'atteindre des débits de données élevés, avec des niveaux de dissipation d'énergie équivalents voire moindres que ceux des technologies mémoires actuelles.Parmi les technologies de mémoires non-volatiles émergentes, les mémoires à changement de phase (PCM) sont le candidat le plus prometteur pour remplacer la technologie de mémoire Flash conventionnelle. Les PCM offrent une grande variété de fonctions, comme une lecture et une écriture rapide, un excellent potentiel de miniaturisation, une compatibilité CMOS et des performances élevées de rétention de données à haute température et d'endurance, et peuvent donc ouvrir la voie à des applications non seulement pour les dispositifs mémoires, mais également pour les systèmes informatiques à hautes performances. Cependant, certains problèmes de fiabilité doivent encore être résolus pour que les PCM se positionnent comme un remplacement concurrentiel de la mémoire Flash.Ce travail se concentre sur l'étude de mémoires à changement de phase intégrées afin d'optimiser leurs performances et de proposer des solutions pour surmonter les principaux points critiques de la technologie, ciblant des applications à hautes températures. Afin d'améliorer la fiabilité de la technologie, la stœchiométrie du matériau à changement de phase a été conçue de façon appropriée et des dopants ont été ajoutés, optimisant ainsi la stabilité thermique. Une diminution de la vitesse de programmation est également rapportée, ainsi qu'un drift résiduel de la résistance de l'état de faiblement résistif vers des valeurs de résistance plus élevées au cours du temps.Une nouvelle technique de programmation est introduite, permettant d'améliorer la vitesse de programmation des dispositifs et, dans le même temps, de réduire avec succès le phénomène de drift en résistance. Par ailleurs, un algorithme de programmation des PCM multi-bits est présenté. Un générateur d'impulsions fournissant des impulsions avec la tension souhaitée en sortie a été conçu et testé expérimentalement, répondant aux demandes de programmation d'une grande variété de matériaux innovants et en permettant la programmation précise et l’optimisation des performances des PCM