Development, programming mechanism and reliability of non volatile resistance switching memory MRAM and OxRRAM
Développement, mécanismes de programmation et fiabilité de mémoires non volatiles à commutation de résistance MRAM et OxRRAM
Résumé
Microelectronics has shown a rapid development due to the improvement of performances and the cost reduction. The memory market is a key domain in this sector. The major stake is to accede to universal memory which will replace all the others, by associating the DRAM density and "unlimited" endurance, the SRAM rapidity and the Flash non volatility. We have focused on the MRAM and OxRRAM technologies, having the advantage of being, like the Flash technology, non volatile and compatible with MOS technology. They should also be, according to the architecture adopted, as rapid as a SRAM, as dense as a DRAM and have an almost unlimited endurance. These technologies are based on concepts in which the discrimination between the two states of the memory point is operated by a resistance change. The first part of this thesis has been dedicated to the MRAM technology and particularly to the reliability of the tunnel oxide integrated in the magnetic junction, basic element of MRAM memory cells. The second part has been centered on the development and the understanding of physical programming mechanisms of OxRRAM memory integrating a NiO binary oxide in the memorization element. A particular stress has been put on the development of a simple technological solution in its manufacturing process and permitting to obtain stacks with electrical performances conforming to specifications. Thus, it is possible to consider the nickel oxide integration in very small-sized dimension structures and to aim at a substantial reduction of the memory cell size.
La microélectronique a montré une évolution rapide motivée par l'accroissement des performances et par l'abaissement des coûts. Le marché des mémoires est un domaine clé de ce secteur. L'enjeu majeur est d'accéder à la mémoire universelle qui remplacera toutes les autres en associant la densité et l'endurance "illimitée" des DRAM, la rapidité des SRAM et la non-volatilité des Flash. Nous nous sommes intéressés aux technologies MRAM et OxRRAM possédant l'avantage d'être, comme la technologie Flash, non volatile et compatible avec la technologie MOS. Elles promettent également, suivant l'architecture adoptée, d'être aussi rapides qu'une SRAM, aussi dense qu'une DRAM et avoir une endurance quasi-illimitée. Ces technologies reposent sur des concepts dans lesquels la discrimination des deux états du point mémoire est assurée par un changement de résistance. La première partie de cette thèse a été consacrée à la technologie MRAM et notamment à la fiabilité de l'oxyde tunnel intégré dans la jonction magnétique, élément de base des cellules mémoires MRAM. La seconde partie a été axée sur le développement et la compréhension des mécanismes physiques de programmation des mémoires OxRRAM intégrant un oxyde binaire NiO dans l'élément de mémorisation. Un accent particulier a été porté sur le développement d'une solution technologique simple dans son mode de fabrication et permettant d'aboutir à un empilement présentant des performances électriques conformes aux spécifications. Il est alors possible d'envisager l'intégration de l'oxyde de nickel dans des structures de très faibles dimensions et de viser une réduction substantielle de la taille de la cellule mémoire
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