mémoire non-volatile

Procédés et matériaux en couches minces

2.3: Matériau à transition résistive

Participants:

Marie-Paule BESLAND (CR)
Etienne JANOD (CR) [PMN]
LaurentCARIO (CR) [PMN]
Benoît CORRAZE (MC) [PMN]

Doctorants:

Emeline SOUCHIER (BDI ST Micro 2006-2009)

Sommaire

Contexte
Objectifs
Collaborations industrielles
Publications
Brevet

Contexte

Avec un volume annuel de 200 Milliards de dollars^[1], le marché des mémoires (DRAM, SRAM et FLASH) est un domaine clé dans l’évolution de la microélectronique. Ce marché englobe l’électronique grand public, les transports, les applications médicales et spatiales et la robotique en général. L’enjeu majeur est d’accéder à la mémoire universelle qui remplacera toutes les autres. Elle doit être dense comme les DRAM, rapide comme les SRAM et non-volatile comme les "Flash" avec une cyclabilité jusqu’à 10¹⁵ cycles et avec, si possible, une limite de commutation indépendante du matériau.

La technologie actuelle des mémoires non-volatiles est dominée par les mémoires "flash" qui sont utilisées avec un grand succès commercial dans les applications portables (appareils photo numériques, clés USB,… etc). Cependant, la tenue limitée en cyclage, le temps d’écriture élevé (>10 µs) et les fortes tensions nécessaires (>10 V) sont autant d’obstacles à leur miniaturisation.

Récemment, une solution alternative est entrée en scène avec les mémoires RRAM (Resistive Random Access Memory), qui semblent réunir toutes les qualités pour devenir la "mémoire universelle" de demain. Dans ces systèmes, des impulsions électriques très courtes (100 ns) génèrent une énorme variation de la résistance (R_haut/R_bas>10³) d’un simple dispositif constitué de deux électrodes séparées par un matériau actif.

En d’autres termes, ce sont des dispositifs dont la résistance passe d’un état haut à un état bas sous pulses électriques.Ces deux états peuvent alors constituer des 0 et 1 logiques susceptibles d’être utilisés dans des mémoires non-volatiles. Le mécanisme à l’origine des transitions résistives induites par pulse électrique est actuellement loin d’être compris. Il est cependant assez clair qu’il est intimement lié au phénomène de percolation.

[1] Source: séminaire annuel de l’OMNT 6 février 2007.

Du concept au dispositif : Elaboration du matériau – Contrôle, maîtrise et Compréhension de ses propriétés – Transfert en couches minces – Réalisation de dispositif

Au sein de l’Institut des Matériaux Jean Rouxel, ce type d’effet a été mis en évidence dans un nouveau composé (dépôt d’un brevet^[2]). Les résultats de l’étude de la transition résistive non-volatile dans ce matériau (sous forme de monocristal)permettent d’envisager un gros potentiel en vue d’applications dans des mémoires RRAM (illustration). L’utilisation de ce nouveau matériau dans un dispositif passe par son dépôt en couche mince et par l’utilisation de techniques de dépôt compatibles avec les étapes technologiques de la microélectronique. De surcroît, la mise en couches minces permettra de valider les résultats trouvés sur monocristal et d’en vérifier la reproductibilité sur des couches inférieures au micron. La méthode de dépôt PVD (Physical Vapor Deposition) a été choisie car, couplée à des procédés lithographiques, elle permet la réalisation de dispositifs à l’échelle micro et nanométrique.

[2] L. Cario, B. Corraze, E. Janod, C. Vaju, M.-P. Besland, Patent n°07/01819 (2007)

Objectifs

Dans ce contexte, une thèse BDI cofinancée par ST Microelectronics a débuté en Octobre 2006 et concerne l’étude et l’optimisation du dépôt en couche mince du matériau présentant des propriétés en utilisant un procédé plasma basse pression, la pulvérisation RF magnétron.

Sur la base des résultats de l'étude réalisée sur le dépôt d’oxydes BLT et l’expérience acquise pour le dépôt par pulvérisation, la thèse va consister à

(i) synthétiser les poudres et réaliser les cibles des matériaux découverts à l’IMN et présentant l’effet mémoire,

(ii) déposer sous forme de couches minces ces matériaux,

(iii) fabriquer les dispositifs et caractériser leur propriétés essentielles en vue d’application pour mémoires RRAM.

Ce travail se déroule en collaboration avec les chimistes et physiciens de l’IMN déjà impliqués dans le projet "mémoires RRAM" soutenu par l’ANR et s’appuie sur le large éventail d’équipements disponibles à l’Institut des Matériaux Jean Rouxel.

Après la synthèse de poudre et la réalisation de la cible du matériau sur la plateforme PNF2 du CIRIMAT de Toulouse (http://pnf2.dr14.cnrs.fr/), l’étude du dépôt par PVD est en phase de lancement.

Collaborations industrielles

ST Microelectronics, Crolles : T. Skotnicki, A. Villaret, P. Cogez

Publications

M.P.BESLAND, H. DJANI-AIT AISSA, P.R.J. BARROY, S. LAFANE, P.Y. TESSIER, B. ANGLERAUD, M. RICHARD-PLOUET, L. BROHAN AND M. A. DJOUADI

Comparison of Lanthanum substituted Bismuth Titanate (BLT) thin films deposited by sputtering

and Pulsed Laser Deposition

Thin Solid Films, 495(1-2) 86-91 (2006).

M.P.BESLAND(communication orale) H. DJANI-AIT AISSA, P.R.J. BARROY, S. LAFANE,

P.Y. TESSIER, B. ANGLERAUD, M. RICHARD-PLOUET, L. BROHAN, M. A. DJOUADI

Comparison of Lanthanum substituted Bismuth Titanate (BLT) thin films deposited by sputtering and Pulsed Laser Deposition

E-MRS Spring Meeting, Strasbourg, may 31- june 3, 2005.

P.R.J. BARROY (communication orale), M.P. BESLAND,P.Y. TESSIER, A. GOULLET, B. ANGLERAUD, M. A. DJOUADI, M. RICHARD-PLOUET, L. BROHAN, H. GUNDEL

Dépôts plasmas et caractérisations d’oxydes ferroélectriques à forte permittivité

Colloque ”Nouveaux Oxydes à Forte Permittivité dans l’Intégration des Semi-Conducteurs », Autrans, Février 2005

M. RICHARD-PLOUET, M-P. BESLAND, P. BARROY, M.A. DJOUADI, P-Y TESSIER, L. BROHAN, C. BORDERON, D. AVERTY, C. ESTOURNES.

Réalisation de cible de titanate (Bi3,25La0,75Ti3O12) ferroélectrique par frittage flash et dépôt de couches minces d’oxydes par pulvérisation magnétron (PVD)

Matériaux 2006, 13-17 Novembre 2006, Dijon (FRANCE).

Brevet

New Materials for Non-Volatiles Memories
L. Cario, B. Corraze, E. Janod, C. Vaju, M.-P. Besland, Patent n°07/01819 (2007)