OXRAM memory developpement for system on chip on advanced CMOS technology

Les mémoires résistives non volatiles à bases d'oxydes métalliques suscitent un intérêt croissant chez les industriels. Plus particulièrement, les mémoires non volatiles à base d'oxydes (OxRRAM) offrent des temps de programmation et d'accès très court, une faible consommation énergétique, un coût par bit très concurrentiel et une facilité de co-intégration dans le back-end avec du CMOS avancé. Ce travail de thèse a pour objectif le développement d'une mémoire OxRRAM facilement intégrable dans une technologie de fabrication CMOS avancée afin de montrer les avantages en vue de leur application dans des SoC. Une première étape fut la fabrication et l'analyse des cellules mémoires OxRRAM intégrant différents oxydes métalliques afin de choisir la solution la plus adaptée à être intégrée dans une technologie CMOS 65nm et 28nm. Des techniques de mesures dédiées ont été mises en place afin d'établir l'impact du diélectrique sur le fonctionnement de la mémoire OxRRAM en termes de polarisation, de temps de programmation, de courant de programmation et de mécanismes de transition. Des études statistiques et de fiabilité des différents états du point mémoire ont été aussi réalisées. La modélisation associée a permis de mieux comprendre les mécanismes de vieillissements et prédire des lois de durée de vie sous champ et en température des état écrit et effacé de la cellule OxRRAM. Les données expérimentales obtenues sur les cellules ont ensuite permis de concevoir et d'optimiser un circuit d'évaluation statistique de 16 Kbit en technologie CMOS 28nm en tenant compte de toutes les contraintes de design analogique.Oxide-based Resistive Random Acces Memories (OxRRAM) are nowadays considered among the most promising solutions for future generation of low-cost embedded non-volatile memories. The advantages of these memories are the scalability, low power consumption, high speed, complementary metal oxide semiconductor technology (CMOS) compatibility and ease of fabrication (the memory cell consisting of a Metal–Insulator– Metal (MIM) structure integrated in the back-end-of-line, plus an addressing element, i.e. a transistor or a diode) . The potential applications range from consumer – communications to automotive – industrial. This work deals with the development of an OxRRAM demonstrator into an advanced CMOS technology for System on Chip (SoC) application. We discuss the impact of different dielectrics materials (Ta2O5, ZrO2 and HfO2) and electrodes (Pt, Ti, TiN) on the memory performances and reliability in order to choose the best couple dielectric/electrode. We focus on the understanding of the memory switching physics that is involved in the programming of OxRRAM bit-cells. The failure and transition mechanism are presented for lifetime prediction. Some methodologies are presented in this PhD thesis for the optimization of the OxRRAM bit-cell performances and sizes according to a targeted Mutliple Time Programmable (MTP) memory application. We developed analog block systems to control and address the OxRRAM bit-cell taking to account the bipolar switching characteristics of the devices. Finally, these solutions are to be validated using a 1-kb OxRRAM demonstrator yet designed and fabricated in a logic 28-nm node CMOS technology. Keywords: Oxide Resistive memory (OxRRAM), High-k, MIM, CMOS, Characterization, Reliability, Modeling, Analog Design, Simulation

Développement des technologies mémoires "back-end" résistives à base d'oxydes pour application dans des "Systems on Chip" avancés.

Les mémoires résistives non volatiles à bases d'oxydes métalliques suscitent un intérêt croissant chez les industriels. Plus particulièrement, les mémoires non volatiles à base d'oxydes (OxRRAM) offrent des temps de programmation et d'accès très court, une faible consommation énergétique, un coût par bit très concurrentiel et une facilité de co-intégration dans le back-end avec du CMOS avancé. Ce travail de thèse a pour objectif le développement d'une mémoire OxRRAM facilement intégrable dans une technologie de fabrication CMOS avancée afin de montrer les avantages en vue de leur application dans des SoC. Une première étape fut la fabrication et l'analyse des cellules mémoires OxRRAM intégrant différents oxydes métalliques afin de choisir la solution la plus adaptée à être intégrée dans une technologie CMOS 65nm et 28nm. Des techniques de mesures dédiées ont été mises en place afin d'établir l'impact du diélectrique sur le fonctionnement de la mémoire OxRRAM en termes de polarisation, de temps de programmation, de courant de programmation et de mécanismes de transition. Des études statistiques et de fiabilité des différents états du point mémoire ont été aussi réalisées. La modélisation associée a permis de mieux comprendre les mécanismes de vieillissements et prédire des lois de durée de vie sous champ et en température des état écrit et effacé de la cellule OxRRAM. Les données expérimentales obtenues sur les cellules ont ensuite permis de concevoir et d'optimiser un circuit d'évaluation statistique de 16 Kbit en technologie CMOS 28nm en tenant compte de toutes les contraintes de design analogique.Oxide-based Resistive Random Acces Memories (OxRRAM) are nowadays considered among the most promising solutions for future generation of low-cost embedded non-volatile memories. The advantages of these memories are the scalability, low power consumption, high speed, complementary metal oxide semiconductor technology (CMOS) compatibility and ease of fabrication (the memory cell consisting of a Metal Insulator Metal (MIM) structure integrated in the back-end-of-line, plus an addressing element, i.e. a transistor or a diode) . The potential applications range from consumer communications to automotive industrial. This work deals with the development of an OxRRAM demonstrator into an advanced CMOS technology for System on Chip (SoC) application. We discuss the impact of different dielectrics materials (Ta2O5, ZrO2 and HfO2) and electrodes (Pt, Ti, TiN) on the memory performances and reliability in order to choose the best couple dielectric/electrode. We focus on the understanding of the memory switching physics that is involved in the programming of OxRRAM bit-cells. The failure and transition mechanism are presented for lifetime prediction. Some methodologies are presented in this PhD thesis for the optimization of the OxRRAM bit-cell performances and sizes according to a targeted Mutliple Time Programmable (MTP) memory application. We developed analog block systems to control and address the OxRRAM bit-cell taking to account the bipolar switching characteristics of the devices. Finally, these solutions are to be validated using a 1-kb OxRRAM demonstrator yet designed and fabricated in a logic 28-nm node CMOS technology. Keywords: Oxide Resistive memory (OxRRAM), High-k, MIM, CMOS, Characterization, Reliability, Modeling, Analog Design, Simulation.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Temperature impact (up to 200°C) on performance and reliability of HfO2-based RRAMs

International audienceThis paper provides an overview of the temperature impact (up to 200 °C) on the electrical behavior of oxide-based RRAM, during forming, low-field resistance reading, SET/RESET, disturb, data retention and endurance. HfO 2-RRAM devices (in a 1T1R configuration) integrated in an advanced 65 nm technology are studied for this aim. We show that forming operation is strongly activated in temperature (i.e.-0.5 V per hundred Celsius degree), being much less for SET and RESET voltages (i.e. <-0.05 V per hundred Celsius degree); disturb of HRS at fixed voltage showed to be independent of temperature; endurance up to 3.10 6 cycles, with optimized set of stress parameters showed no significant variation; data retention at 150 °C up to 68 days showed stable programming window, after different initial programming algorithms

Temperature impact (up to 200 \ub0C) on performance and reliability of HfO2-based RRAMs

This paper provides an overview of the temperature impact (up to 200 \ub0C) on the electrical behavior of oxide-based RRAM, during forming, low-field resistance reading, SET/RESET, disturb, data retention and endurance. . HfO2-RRAM devices (in a 1T1R configuration) integrated in an advanced 65 nm technology are studied for this aim. We show that forming operation is strongly activated in temperature (i.e. -0.5 V per hundred Celsius degree), being much less for SET and RESET voltages (i.e. < -0.05 V per hundred Celsius degree); disturb of HRS at fixed voltage showed to be independent of temperature; endurance up to 3.106 cycles, with optimized set of stress parameters showed no significant variation; data retention at 150 \ub0C up to 68 days showed stable programming window, after different initial programming algorithms