Mémoires à Changement de Phase (PCM) pour les applications de Mémoire de Classe de Stockage (SCM) à haute densité

The amount of data generated is increasing exponentially in the last years and is expected to reach 175 Zettabytes by 2025 [1]. This data explosion is pushing memory technologies to their performance and density limits. The access and writing speed of storage memory has emerged as the primary bottleneck of modern systems due the growing speed of data elaboration.The current memory hierarchy consists of a top layer, closest to the processor, which is faster and expensive, and by a bottom layer, that is more dense but slower. Storage Class Memory (SCM) was created to reduce the performance and cost barriers between storage and memory, in particular between DRAM and NAND Flash.PCMs are considered the best candidate for SCM thanks to the good scalability, the high endurance, fast switching time and multilevel cell capability [2].Material engineering becomes essential to meet the demand for low cost, high programming speed and endurance of SCM applications. In particular, it necessitates the investigation of novel alloys capable of rapid crystallization while maintaining the material stability during the multiple transitions between the amorphous and crystalline phases that occur during the device lifetime.The objective of this thesis is the investigation of innovative phase-change materials to target SCM applications, understanding the failure mechanisms and which parameters can limit the reliability of the device.[1] David Reinsel-John Gantz-John Rydning, J Reinsel, and J Gantz. The digitization of the world from edge to core. Framingham: International Data Corporation, 2018.[2] Scott W Fong, Christopher M Neumann, and H-S Philip Wong. Phase-change memory-towards a storage-class memory. IEEE Transactions on Electron Devices, 64(11):4374–4385, 2017.La quantité de données générées augmente de façon exponentielle ces dernières années et devrait atteindre 175 Zettabytes d'ici 2025 [1]. Cette explosion des données pousse les technologies de mémoire à leurs limites de performance et de densité. La vitesse d'accès et d'écriture de la mémoire de stockage est devenue le principal goulot d'étranglement des systèmes modernes en raison de la vitesse croissante d'élaboration des données.La hiérarchie mémoire actuelle est constituée d'une couche supérieure, la plus proche du processeur, plus rapide et coûteuse, et d'une couche inférieure, plus dense mais plus lente. La mémoire de classe de stockage (SCM) a été créée pour réduire les barrières de performances et de coûts entre le stockage et la mémoire, en particulier entre la DRAM et la NAND Flash.Les PCM sont considérés comme les meilleurs candidats pour le SCM grâce à leur bonne scalabilité, leur haute endurance, leur temps de commutation rapide et leur capacité multi-niveaux [2].L'ingénierie des matériaux devient essentielle pour répondre à la demande de faible coût, de vitesse de programmation élevée et d'endurance des applications SCM. En particulier, cela nécessite l'étude de nouveaux alliages capables de cristalliser rapidement tout en maintenant la stabilité du matériau lors des multiples transitions entre les phases amorphe et cristalline qui se produisent pendant la durée de vie du dispositif.L'objectif de cette thèse est l'étude de matériaux innovants à changement de phase pour cibler les applications SCM, en comprenant les mécanismes de défaillance et quels paramètres peuvent limiter la fiabilité du dispositif.[1] David Reinsel-John Gantz-John Rydning, J Reinsel, and J Gantz. The digitization of the world from edge to core. Framingham: International Data Corporation, 2018.[2] Scott W Fong, Christopher M Neumann, and H-S Philip Wong. Phase-change memory-towards a storage-class memory. IEEE Transactions on Electron Devices, 64(11):4374–4385, 2017