FIche de proposition de stage - INL

Proposition de Thèse
Etude des interfaces métal / oxyde en vue de leurs applications aux mémoires résistives
Domaine : matériaux pour les technologies mémoires de la micro-électronique
Financement : acquis
Début : automne 2014
Laboratoires : LTM (CNRS-UJF) et CEA-LETI (Grenoble)
Cadre de la thèse
Afin d’offrir une alternative aux mémoires Flash, l’industrie des semi-conducteurs recherche et
développe actuellement des solutions innovantes de mémoires non volatiles basées sur un changement
d’état de résistance, aussi appelées "resistive RAM" (RRAM). Parmi celles-ci, on peut citer les OxRRAM qui
font usage d’un oxyde en couche mince (quelques nm) placé entre deux métaux (structure MIM MétalIsolant-Métal). Dans ces dispositifs, la résistance de la structure MIM est modulée via la création d’un
chemin conducteur entre les électrodes. L'état de résistance (élevé/faible) peut être utilisé pour la rétention
d’une information sous forme binaire (0/1).
Bien que des progrès significatifs aient été réalisés ces dernières années dans le développement
des OxRRAM, des défis existent toujours dans la maîtrise de leurs performances, notamment dans la
capacité à contrôler leurs caractéristiques (tensions de commutation, niveau de résistance…) et leur fiabilité
(cyclage, rétention…). Liée à ces défis technologiques, la compréhension des mécanismes physiques qui
président au fonctionnement des OxRRAM restent encore largement à développer.
Description de la thèse
Un des modèles pour décrire la formation d'un chemin conducteur dans l'oxyde est le suivant (voir
-*
figure). Sous polarisation, des électrons énergétiques (e ) sont injectés à la cathode. Ces électrons cèdent
leur énergie à l'oxyde (thermalisation, impact…), conduisant à la rupture de liaisons métal-oxyde. En
2+
conséquence, des lacunes d'oxygène sont créées (V O ). Un chemin de lacunes se forme dans l'oxyde, à
l'origine du passage vers l'état conducteur (conduction électronique par les lacunes). Dans le même temps,
2des ions oxygènes (O ) sont extraits à l'anode. Lorsque la polarité est inversée, les ions oxygène sont
réinjectés dans l'oxyde. Ils se recombinent avec les lacunes, détruisant ainsi le chemin conducteur (retour
vers l'état isolant).
Figure 1 – Formation et destruction d’un filament conducteur dans une structure MIM (passage d'un état isolant à un état conducteur, et
inversement, dans une mémoire RRAM)
Les interfaces métal/oxyde jouent un rôle déterminant dans ces mécanismes. L'interface
cathode/oxyde contrôle l'injection électronique, et donc la création du chemin conducteur, c'est-à-dire le
passage à l'état conducteur. L'anode et son interface contrôlent le stockage des ions oxygène, leur retour
dans l'oxyde, et donc le retour à l'état isolant.
Dans ce travail de thèse nous proposons d’étudier les interfaces métal/oxyde et leur influence sur
l'état de résistance du dispositif. Le choix judicieux des électrodes dépendra de l'oxyde utilisé. Nous
proposons dans ce travail de thèse de tester 4 oxydes (Ta 2O5, TiO2, HfO2 et ZrO2) couplés à leur métal (Ta,
Ti, Zr, Hf) ou non. Ces premiers tests se feront essentiellement via l’utilisation d’un réacteur PVD du LTM.
On pourra également adresser des oxydes ternaires (type HfxTi1-xO2). En fonction de l'oxyde, une étude de
la "bottom interface" sera conduite (interface constituée de l'oxyde et du métal sur lequel l'oxyde est
déposé). Il s'agira de corréler les caractéristiques de la transition isolant-conducteur aux propriétés de cette
interface, en particulier à la nature du métal (travail de sortie, réactions avec l'oxyde mais aussi conductivité
thermique…). Cette interface pourra être modifiée avant/après dépôt de l'oxyde par des traitements
appropriés (oxydation, nitruration HfON, TaON…), ou recuits sous atmosphères spécifiques. La physicochimie de la bottom interface sera étudiée (liaisons par spectrométrie de photoélectrons X, composition par
ToF-SIMS, structure par HRTEM…). Elle sera couplée à des caractérisations électriques permettant de
sonder l'injection électronique dans l'oxyde et la création de défauts qui en découle (mesures du courant en
fonction du temps, sous stress en tension). En parallèle, on mènera une étude de la "top interface" (métal
déposé sur l'oxyde). On s'attachera à relier la transition de l'état conducteur vers l'état isolant à l'affinité du
métal pour l'oxygène. La capacité à stocker l'oxygène sera modulée par la nature du métal (enthalpie de
formation de ses oxydes, solubilité de l'oxygène…) et en faisant varier les paramètres de la technique de
dépôt (pulvérisation, qui peut permettre par exemple d'introduire plus ou moins de porosité dans le métal).
Dans une deuxième partie, pour aller vers une intégration industrielle, nous comparerons les couples
oxyde/métal(top) déposés par PVD aux couples oxyde/métal(top) déposés par CVD/ALD. L’influence du gaz
réducteur amené lors du procédé CVD sera ainsi étudiée. Enfin, nous testerons la mémoire optimisée dans
une structure 3D.
Au final, ce travail de thèse permettra d’optimiser les mémoires OxRRAM ainsi que de comprendre
les mécanismes de transition entre états isolants et conducteurs dans ces dispositifs. Ce travail nécessitera
de développer des compétences matériaux, englobant les procédés d'élaboration de couches
nanométriques d'oxydes et de métaux d'électrodes, leurs caractérisations physico-chimiques et électriques.
Il se fera via une collaboration entre le LTM et le CEA-Leti. Le retour attendu en terme de résultats
scientifiques est important, tant en publications qu’en conférences ou brevets.
Le candidat recruté devra avoir suivi un parcours de formation en science et/ou physique des
matériaux. Par ailleurs le candidat doit avoir un goût prononcé pour le travail d’équipe et l’expérimentation
(thèse essentiellement expérimentale).
Laboratoires d’accueils
La thèse se déroulera au LTM et au CEA-Leti, dans le cadre d'un programme de recherche sur les
mémoires résistives.
- Laboratoire des Technologies de la Microélectronique (LTM), UMR UJF/CNRS 5129, 17 avenue
des Martyrs, 38054 Grenoble cedex 9, France
- CEA Leti, DTSI/SDEP/LDJ, Minatec Campus, 17 avenue des Martyrs, 38054 Grenoble cedex 9,
France
Responsables (directeur et co-encadrants) de la thèse
- Christophe Vallée (directeur, LTM)
- Patrice Gonon (co-encadrant, LTM)
- Rémy Gassilloud (co-encadrant, CEA Leti)
mail : [email protected]
mail : [email protected]
mail : [email protected]
tél : 04 38 78 17 23
tél : 04 38 78 64 41
tél : 04 38 78 11 28

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