Intégration 3D de mémoires résistives complémentaires dans le back-end-of-line du CMOS

Les dispositifs mémoires résistives, notamment ceux à base d’oxyde de commutation OxRRAM, se placent parmi les dispositifs mémoires émergentes les plus attractifs pour remplacer les technologies dynamic random acces memory (DRAM) et Flash grâce à leur faible coût de fabrication, les faibles tensions et courants nécessaires à leur fonctionnement, ainsi que leur fort potentiel d’intégration dans le back end of line (BEOL) de la technologie complementary metal oxyde semiconductor (CMOS). Ce dernier avantage réside dans le fait qu’il s’agit de dispositifs à deux terminaux facilement agençables en matrices crossbar. Cependant de gros problèmes de courant de fuite et de courants parasites entravent l’utilisation de ces matrices crossbar, et différentes options sont alors possibles dont le remplacement des dispositifs mémoires unitaires par des dispositifs mémoires résistives complémentaires (CRS). Les CRS ne sont autres que deux dispositifs oxide random access memory (OxRRAM) mis dos à dos et possèdent dans leur caractéristique électrique globale une non-linéarité intrinsèque pour les deux états de stockage ‘0’ et ‘1’ ainsi qu’un comportement auto-redresseur leur permettant de combiner à la fois les avantages d’un sélecteur et d’un transistor associé au point mémoire. Cette thèse porte alors sur les travaux de fabrication et caractérisations électriques de dispositifs OxRRAM et CRS sur substrats silicium (Si) et puces CMOS provenant de la technologie C040 de STMicroelectronics. Le procédé nanodamascène employé pour fabriquer les dispositifs offre deux avantages majeurs : il ne nécessite aucune étape supplémentaire dans la fabrication de CRS par rapport aux dispositifs OxRRAM et il permet d’envisager une intégration 3D monolithique agressive. Tout d’abord des caractérisations morphologiques de haute résolution ont permis de valider l’intégrité des dispositifs fabriqués. Ensuite, une étude étendue des caractérisations électriques en mode quasi-statique (QS) et configuration 1R des dispositifs OxRRAM a permis d’appréhender leur fonctionnement et d’étudier les mécanismes de conduction des différents états : Pristine, low resistance state (LRS) et high resistance state (HRS). Puis, la réalisation et la caractérisation en mode QS et pulsé de configurations 1T1R a permis de démontrer l’avantage du transistor de contrôle pour limiter le courant dans la cellule lors des opérations de FORMAGE et de SET, ce qui augmente considérablement le nombre de cycles tout en vérifiant la compatibilité BEOL du procédé. Enfin, la preuve de concept du fonctionnement de dispositifs CRS fabriqués en utilisant le procédé nanodamascène a été validée, et le potentiel d’intégration de tels dispositifs dans des matrices crossbar hautes densités pour de l’intégration 3D monolithique a été discuté. Les résultats de cette thèse ont permis d’apporter une preuve de concept de la fabrication de dispositifs CRS en utilisant le procédé nanodamascène, d’étudier en détails les caractéristiques des OxRRAM les constituant, et ainsi de pouvoir discuter et positionner la technologie CRS pour le stockage de masse de données dans le paysage actuel des technologies mémoires.Abstract: Oxide-based resistive random access memories (OxRRAM) are considered as promising candidates to replace dynamic random acces memory (DRAM) and Flash technologies. They are low cost to fabricate, they require low current and voltage operations, and are highly scalable into the complementary metal oxide semiconductor (CMOS) back end of line (BEOL). This last advantage, essentially due to the twoterminal device characteristic, is really interesting for high density data storage applications. However sneak paths issues need first to be solved to allow the development of these high density memories matrix. The use of complementary resistive switching devices (CRS) at each memory point, consisting in two resistive memories fabricated back-to-back, is proposed as an efficient solution to avoid sneak paths currents. CRS electrical characteristic exhibit intrinsic non linearity for the two memory states ‘0’ and ‘1’ along with an internal compliance when each OxRRAM is switching from the low resistance state (LRS) to the high resistance state (HRS). Thus, the CRS solution offers the electrical advantages of both selectors and MOS transistors devices, usually needed in series with an OxRRAM device at the memory point. This thesis is about the fabrication and the electrical characterization of OxRRAM and CRS devices on silicon (Si) and CMOS substrates. The nanodamascène process used to fabricate the devices allows to fabricate OxRRAM and CRS devices with the same number of process steps. It also leads to devices with sub micrometric dimensions (typically 30 X 80 nm²) fully buried in an oxide layer, paving the way for further 3D monolithic integration. In a first time, precise morphological analyses on OxRRAM devices allowed to validate the devices integrity. Electrical characterization in DC and 1R configuration allowed to study the memories devices general behavior and the conduction mechanisms inside the switching junction during the different resistive states: the Pristine (initial state), the low resistive state LRS and the high resistive state HRS. Then, OxRRAM devices were characterized in 1T1R configuration, using DC and AC measurement. The benefit of using a MOS transistor to accurately control the current inside the junction during the FORMING and SET operations was demonstrated and the devices endurance improved significantly. Finally the proof of concept of CRS devices fabrication using the nanodamascène process was validated through a functional CRS device obtained on Si substrate. The potential of integration of CRS devices inside high density BEOL memory matrix was then discussed and compared to others solutions (1T1R, 1S1R structures)