Soutenance de thèse de Marios BARLAS

ReRAM a la base des oxydes de transition metallique, est une classe de technologies de mémoire non volatile dans lesquelles la commutation entre états de mémoire est rendue possible par la décomposition réversible de l’oxyde au moyen de la création et de la dissolution d’un chemin de percolation (filament). Les principaux avantages de cette technologie résident dans l’évolutivité de la cellule de mémoire, principalement en raison de la dimension inférieure à 10 nm du filament, de sa faible consommation d’énergie (<300 pJ / commutateur) et de la compatibilité des matériaux avec la technologie CMOS avancée. Néanmoins, deux obstacles majeurs ont jusqu'à présent empêché la mise en œuvre de ReRAM dans les réseaux de grande taille: premièrement, la nécessité d'une tension de claquage initiale nettement supérieure à la plage de tension de fonctionnement et, deuxièmement, les composantes de variabilité intrinsèque et extrinsique résultant de l'interaction des matériaux. à son environnement ainsi qu’à la nature stochastique fondamentale de la conduction percolative. Ce travail est axé sur la technologie ReRAM à base de HfO2. Dans la première partie, nous étudions différents dopants pour concevoir les propriétés conductrices de HfO2 en combinant une approche de principes fondamentaux et des techniques de caractérisation de matériaux en profondeur. Dans la seconde partie, l’alliage HfSiOx proposé est intégré dans le BEOL d’un procédé de 130 nm et l’impact de l’intégration de la zone de commutation dans la formation, la commutation, l’évolution du taux d’erreur et la conservation des données est étudié. Dans la dernière partie, une intégration basée sur HfO2 dans le MOL ancien d’un processus CMOS FDSOI 300 mm avancé est étudiée, qui étudie les performances et les limitations standard de HfO2 ReRAM.

Transition Metal Oxide ReRAM is a class of non-volatile memory technologies where the switching between memory states is enabled by the reversible breakdown of the oxide by means of the creation and dissolution of a percolation path (filament). The main advantages of the technology lie in the scalability of the memory cell –mainly owed to the sub 10nm dimension of the filament, its low power consumption (< 300 pJ/ switch) and material compatibility to advanced CMOS. Nevertheless, there are two major roadblocks that have prevented so far the implementation of ReRAM in large arrays: First, the requirement for an initial breakdown happening voltages significantly higher than the operating voltage range and second, the intrinsic and extrinsic variability components arising from material interaction to its environment as well as the fundamental stochastic nature of percolative conduction. This work, is focused on HfO2 based ReRAM technology. In the first part, we investigate different dopants to engineer the conductive properties of HfO2 by combining a first-principles approach and in-depth material characterization techniques. In the second part, the proposed HfSiOx alloy is integrated in the BEOL of a 130nm process and the impact of the integration of the switching zone in forming, switching, error rate evolution and data retention is investigated. In the last part, a HfO2 based integration in the early MOL of an advanced FDSOI 300mm CMOS process is demonstrated investigating standard HfO2 ReRAM performances and limitations.