Etat de l’art des mémoires ReRAM

La mémoire ReRAM se base comme son nom l’indique sur la capacité du composant à pouvoir stocker une information logique par la variation de sa résistivité contrôlée
par l’application d’une tension : Ce composant est appelé switch résistif.

Découvertes

Ce phénomène de variation de résistivité est observé dès 1960 même s’il n’est alors pas bien compris selon Pierre Camille Lacaze [3]. D’importants travaux vont être menés sur le phénomène dans le but de concevoir un composant potentiel de la microélectronique qui émerge dans les mêmes moments. Ces travaux vont être abandonnés au profit du composant dont l’étude est plus avancée et dont nous entrevoyons déjà les spectaculaires capacités : le MOSFET 1967. Ce n’est que récemment que le phénomène retrouve sa place dans les laboratoires, surtout à partir de 2005, avec comme objectif de se substituer à la technologie flash dont les limites seront prochainement atteintes.
La structure du composant est très simple, elle n’est pas sans rappeler celle d’un condensateur c’est-à-dire un sandwich Métal/Isolant/Métal (MIM). Dès sa première observation, plusieurs théories tentent d’expliquer la variation réversible de la résistance de cette structure très simple [3] :
– La première théorie imagine un stockage massif de charges opposées à la surface de chaque électrode amenant à des courants de diffusion à travers l’isolant.
– La seconde théorie était basée sur la formation et rupture de filament de conduction entre les électrodes. C’est ce dernier modèle qui s’avèrera être le plus proche des observations expérimentales.

Principe de fonctionnement

La majorité des travaux effectués considèrent aujourd’hui que le mécanisme principal de variation de résistance du composant en fonction du potentiel appliqué est donc dû à la présence ou non d’un filament conducteur reliant entre elles les deux électrodes. Ainsi lorsque le filament est formé le composant a un état résistif bas soit un état logique ON et dans le cas d’une absence de filament un état résistif élevé soit un état logique OFF [4].
Il existe plusieurs phénomènes identifiés qui amènent à la commutation d’état de résistivité. Lorsque celui-ci dépend de l’amplitude de la tension appliqué quel que soit son signe nous parlons de commutation unipolaire et la caractéristique courant tension est asymétrique. Dans le cas où la commutation dépend également du signe de la tension appliquée nous parlons de commutation bipolaire avec une caractéristique courant-tension symétrique. Ces deux schémas de caractéristiques apparaissent dans la Figure 2 :
Figure 2:Schéma des caractéristiques courant-tension de mémoire ReRAM : a) unipolaire ; b) bipolaire [4]

Phénomènes de commutation filamentaire

L’un des phénomènes connu de formation du filament de métal est un mécanisme thermochimique dit de métallisation. Ce phénomène a lieu dans les structures ayant une électrode en métal actif, et la seconde en métal inerte. Le filament se forme alors à partir du métal actif qui s’ionise sous l’effet du champ électrique et forme petit à petit un filament conducteur en précipitant sur l’électrode inerte. L’état de résistivité basse est atteint lorsque le filament rejoint entre elles les deux électrodes. Il faut une polarisation inverse pour rompre le filament. Il est à noter que la première formation de filament laisse un grand nombre d’atome de l’électrode active au sein de l’isolant, ce qui facilitera la création des prochains filaments. La commutation a donc lieu par diffusion ionique dans l’isolant, processus que nous imaginons très long et dépendant en grande partie des défauts de l’isolant. Il se trouve que les besoins de miniaturisation font que ce problème est totalement transparent tellement les distances de diffusion dans l’isolant mince sont faibles.
Le temps de formage du filament lors du claquage est très long, mais il forme le chemin des futurs filaments dont le temps de formage sera extrêmement réduit et relativement reproductible. Le nombre de filament dans une même structure est souvent très limité car la formation d’un filament concentrera toutes les lignes de courant ce qui empêchera le formage d’autres filaments à proximité. Cependant il est à noter que ces formages de filaments sont totalement aléatoires et donc potentiellement non homogènes d’un composant à l’autre [5], [6], [7].

Amélioration des dispositifs

Un intérêt tout particulier, durant ce projet de fin d’étude, va être apporté au rôle de l’ajout de nanostructures dans l’oxyde de notre mémoire RRAM. Sujet de nombreuses études actuelles, celles-ci pourraient considérablement augmenter les caractéristiques de nos mémoires par plusieurs phénomènes. A l’origine, l’ajout de nanostructure a été imaginé pour améliorer la reproductibilité de formation de filament dans les structures. En effet, par soucis de répétabilité il est souhaitable d’avoir une même réponse à un même stimulus dans la totalité de nos composants car la fiabilité de cette réponse est prépondérante dans l’optique de commercialiser ces mémoires. Comme le filament est créé de manière aléatoire lors de sa première formation et que chacun des changements d’état de la mémoire est lié à ce phénomène, il est nécessaire de trouver un moyen de le contrôler. L’ajout de nanostructure est très vite apparu comme une des solutions les plus aisées et les plus efficaces: en faisant croître des nanostructures soit à la surface d’une des électrodes, soit au milieu de l’isolant comme schématisé sur la Figure 3, il se crée des chemins favorables à la réalisation du filament. De cette manière nous augmentons à la fois l’homogénéité de nos mémoires mais également nous réduisons leurs temps de commutation. De plus il a été constaté que grâce à la réduction de la longueur des filaments, ceux-ci étaient plus stables dans le temps et nous augmentions de surcroit le temps de rétention de l’information [8], [9].