Quest for a solution to drift in phase change memory devices

The goal of this thesis is to gain new insights into the drift phenomenon and identify strategies to mitigate it. An extensive experimental characterization of PCM devices and in particular drift forms the foundation of each chapter. With respect to time-scales, ambient temperature, device dimensions, and combinations thereof, drift is studied under unprecedented conditions. In three studies, different aspects of drift are examined. (1) The origin of structural relaxation: Drift measurements over 9 orders of magnitude in time reveal the onset of relaxation in a melt-quenched state. The data is used to appraise two models, the Gibbs relaxation model and the collective relaxation model. Additionally, a refined version of the collective relaxation model is introduced and the consequences of a limited number of structural defects are discussed. (2) Exploiting nanoscale effects in phase change memories: Scaling devices to ever-smaller dimensions is incentivized by the requirement to achieve higher storage densities and less power consumption. Eventually, confinement and interfacial effects will govern the device characteristics. Anticipating these consequences, the feasibility to use a single element, Antimony, is assessed for the first time. The power efficiency, stability against crystallization, and drift are characterized under different degrees of confinement. (3) State-dependent drift in a projected memory cell: New device concepts are aiming to reduce drift by decoupling the cell resistance from the electronic properties of the amorphous phase. A shunt resistor scaling with the amount of amorphous material is added. Simulations and the drift characteristics of a projected device put the idealized concept to the test. The contact resistance between the phase change material and the shunt resistor is identified as a decisive parameter to achieve the desired device properties.Comment: PhD thesi

Etude de la fiabilité de mémoires PCRAM : analyse et optimisation de la stabilité des états programmés

Nowadays, new technologies are rising steadily and forming an integral part in the daily lives of everyone. They take advantage of the development of electronic systems for which the complexity requires the use of memory devices more and more efficient and with large storage capacities. Because of some performance degradation, the scaling of Flash technology who was so far predominant in the non-volatile memories market, is today reaching its limits. As a result, different emerging resistive memories are being developed. Among them, the phase-change memory technology PCRAM is very attractive because of its non-volatility, scalability, as well as reduced cost compared to standard Flash. Nevertheless, to compete with other technologies and to address the embedded applications market, PCRAM still face some challenges, such as decreasing the programming current densities, increasing the programming speed and increasing the thermal stability of the two memory states. For that purpose, different solutions have been tried in the literature, including using new device architectures and optimized phase-change materials. In this work, we are interested in investigating the failure mechanisms that affect thermal and temporal stability of phase change memories, in particular the retention of the RESET state and the stability of the programmed states disturbed by the drift phenomenon. The development of alternative materials using an optimized stoichiometry or incorporating doping allows us to achieve high electrical performance devices and to reach the required retention properties of embedded applications and particularly the automotive one. Moreover, thanks to the development of a new pre-coding procedure, these devices allow to keep stable the preprogrammed data on the memory chip during the soldering step of the latter on the electronic circuit. They represent a promising solution for Smart-Card applications. Finally, we have proposed an optimized programming procedure which enables to reduce the drift effect of the resistance of the SET state observed for optimized materials. This drift phenomenon was investigated by using low frequency noise measurements. Therefore, we have shown that this effect is due to the structural relaxation of amorphous parts in the active material. Besides, we highlighted for the first time the major influence of interface defects on the low-frequency noise of this state.De nos jours, les nouvelles technologies ne cessent d'évoluer et de former une partie intégrante dans la vie quotidienne de chacun. Ces dernières profitent du développement de systèmes électroniques complexes qui nécessitent l'utilisation de composants mémoires de plus en plus performants et présentant de grandes capacités de stockage. Ainsi, dans cette course à la miniaturisation, la technologie Flash jusqu'ici prépondérante sur le marché des mémoires non volatiles laisse aujourd'hui entrevoir ses limites. En conséquence, différentes mémoires émergentes résistives sont développées et parmi celles-ci se trouvent les mémoires à changement de phase PCRAM qui présentent un grand intérêt dans le monde des mémoires non volatiles grâce à leur bonne capacité de réduction d'échelle ainsi que leur coût réduit par rapport aux mémoires Flash. Cependant, pour être compétitives face aux autres technologies et pour prétendre à des applications embarquées, elles doivent répondre à plusieurs challenges tels que réduire leur courant de programmation, augmenter leur vitesse de programmation et améliorer leur stabilité thermique. Pour cela, différentes voies sont explorées dans la littérature, notamment l'utilisation d'architectures innovantes ou de matériaux à changement de phase alternatifs. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'investigation des mécanismes de défaillance qui affectent la stabilité thermique et temporelle des mémoires à changement de phase, plus précisément la rétention de l'état RESET et la stabilité des états programmés affectée par le phénomène de « drift ». Le développement de matériaux alternatifs utilisant une stoechiométrie optimisée ou incorporant un dopage nous permet d'obtenir des dispositifs performants d'un point de vue électrique et présentant des propriétés de rétention satisfaisant les spécifications des applications embarquées en particulier l'automobile. De plus, grâce au développement d'une nouvelle procédure de pré-codage, ces dispositifs permettent de conserver les données préprogrammées sur la puce mémoire au cours de l'étape de soudure de cette dernière sur le circuit électronique. Ils constituent une solution prometteuse pour les applications de cartes sécurisées. Enfin, nous avons proposé une procédure de programmation optimisée qui permet de diminuer l'effet du drift de la résistance de l'état SET observé pour les matériaux alternatifs. Ensuite, nous avons montré via des mesures de bruit à basses fréquences que cet effet est dû à la relaxation structurale des zones amorphes présentes dans ces matériaux actifs. De plus, nous avons mis en évidence pour la première fois la diminution du bruit normalisé de l'état SET ainsi que l'influence majeure des défauts d'interfaces sur le bruit à basses fréquences de cet état