Les mémoires vives à changement de résistance (ReRAM de l'anglais Resistive Random Access Memories) attirent fortement l'attention car elles sont considérées comme unes des plus prometteuses pour la prochaine génération de composants. Ceci est du à leurs basse consommation de puissance, leurs vitesse de commutation élevée et leurs potentiel pour devenir une mémoire à haute densité compatible avec la technologie CMOS. Ces mémoires se basent sur l'effet de commutation résistive (RS de l'anglais resistive switching) qui est un changement réversible de la résistivité contrôlé par un champ électrique externe. Il a été proposé que le RS soit couplé avec la migration de lacunes d'oxygène qui permet de générer, de façon réversible, un canal de conduction dans l'oxyde. Plusieurs expériences ont été menées pour élucider les mécanismes de la commutation pendant les dernières années sans aucune conclusion définitive sur le mécanisme sous jacent au RS. Le principal objectif de ce travail est de comprendre les mécanismes physiques qui contrôlent le RS et de pointer quels sont les paramètres clés qui pourraient améliorer la performance des dispositifs d'un point de vue technologique. Dans cette mémoire nous présentons des études de RS dans différentes interfaces métal/oxyde en utilisant de l'or, de l'argent et du platine comme métaux et des oxydes complexes : YBa2Cu3O7–δ (YBCO), La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO) et La0.7Sr0.3CoO3 (LSCO). Ces oxydes ont été choisis car ce sont des systèmes à électrons fortement corrélés ayant des propriétés physiques qui dépendent fortement de la Stœchiométrie d'oxygène. Ils ont une structure similaire (type pérovskite) et une haute mobilité d'oxygène. Nous avons réalisé la validation du principe de fonctionnement pour chaque type de jonction et expliqué le RS en utilisant un modèle de diffusion de lacunes d'oxygène assisté par champ électrique. Nous avons caractérisé ensuite le mécanisme de conduction des jonctions qui suit une conduction dominé par un effet Poole-Frenkel dans YBCO et par un mécanisme type SCLC dans LSCO. La faisabilité des dispositifs de mémoire dans ces jonctions a été testée atteignant des répétitivités élevées avec une consommation de puissance optimale avec plus de 103 commutations RS réussies. Nous avons également étudié l'effet d'accumulation d'impulsions électriques cycliques d'amplitude croissante sur l'état de résistance de la mémoire non-volatile de la jonction. On a trouvé une relation entre l'amplitude du RS et le nombre d'impulsions appliquées pour une amplitude et une température fixées. Cette relation est similaire à l'équation de Basquin qui décrit la loi d'endommagement dans les essais mécaniques de fatigue reliant la contrainte appliquée au nombre de répétitions de la sollicitation (temps de vie). Ceci fait ressortir la similarité de la physique du RS et de la propagation de défauts dans les matériaux soumis à des contraintes mécaniques cycliques. Finalement, nous avons analysé l'évolution temporelle de l'état résistif rémanent dans l'interface oxyde-métal. Le temps de relaxation peut se décrire par une loi exponentielle étendue qui est caractérisée par un exposant d'étirement près de 0.5. Nous trouvons que les temps caractéristiques augmentent avec la température et la puissance appliquée ce qui veut dire que ce n'est pas un phénomène classique d'activation thermique. Les résultats mettent clairement en évidence la relation entre le RS et la diffusion de lacunes d'oxygène dans une surface avec une densité de pièges dépendante de la température et qui peut correspondre physiquement à la diffusion aux joints de grains. / Resistive Random Access Memories (RRAM) have attracted significant attention recently, as it is considered as one of the most promising candidates for the next generation of non-volatile memory devices. This is due to its low power consumption, fast switching speed and the ability to become a high density memory compatible with the conventional CMOS processes. The working principle of this kind of memories is the resistive switching (RS) which is simply the controlled reversible change in the resistivity of a junction generated by an external electric field. It has been proposed that the RS is coupled with the migration of oxygen vacancies generating a reversible conduction path inside the oxide. Many experiments have been done to address the switching mechanism during the last decade without any conclusive answer of what is the physical mechanism beneath the RS. The main goal of the present work it's to understand the physical mechanism that control the RS and to point out which are the key parameters that can help improve the performance of the memory devices from a technological point of view. In this dissertation we report on the studies of the RS in different interfaces metal/oxide where we have utilized gold, silver and platinum as metal and as complex oxides: YBa2Cu3O7–δ (YBCO), La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO) y La0.7Sr0.3CoO3 (LSCO). This oxides have been chosen because all of them are strongly correlated compounds with physical properties strongly dependent of their oxygen stoichiometry. They also have a similar crystalline structure (perovskite type) and a high oxygen mobility. We realized the proof of concept for each type of junction successfully and explain the RS effect and explained the RS utilizing an electric assisted diffusion of oxygen vacancies model. We characterized them the conduction mechanism of the junctures with a conduction dominated by the Poole-Frenkel effect in the YBCO and by the SCLC mechanism in the LSCO. The feasibility of the memory devices in this junctions have been tested reaching high repeatability with optimize power consumption with more than 103 successful switching events. We have also studied the effects of accumulating cyclic electrical pulses of increasing amplitude on the non-volatile resistance state of the junctions. We have found a relation between the RS amplitude and the number of applied pulses, at a fixed amplitude and temperature. This relation remains very similar to the Basquin equation use to describe the stress-fatigue lifetime curves in mechanical tests. This points out to the similarity between the physics of the RS and the propagation of defects in materials subjected to repeated mechanical stress. This relation can be used as the basis to build an error correction scheme. Finally, we have analyzed the time evolution of the remnant resistive state in the oxide-metal interfaces. The time relaxation can be described by a stretched exponential law that is characterized by a power exponent close to 0.5. We found that the characteristic time increases with increasing temperature and applied power which means that this is not a standard thermally activated process. The results are a clear evidence of the relation between RS and the diffusion of oxygen vacancies on a two-dimensional surface with a temperature-dependent density of trapping centers, which may correspond, physically, to the diffusion along grain boundaries. / Las memorias resistivas están entre los principales candidatos a ser utilizados como elementos en una nueva generación de memorias no volátiles. Esto se debe a su bajo consumo energético, una alta velocidad de lectura/escritura y a la posibilidad de lograr memorias de alta densidad compatibles con los procesos de la tecnología CMOS actual (por sus siglas en inglés: Complementary Metal–Oxide–Semiconductor).El funcionamiento de estas memorias se basa en la conmutación resistiva (CR), que consiste en el cambio controlado de la resistencia de una interfase metal-óxido a través de estímulos eléctricos. Si bien hasta el presente no se ha podido determinar con certeza el mecanismo físico que controla la CR, se piensa que está basado en el movimiento de vacancias de oxígeno que formarían de manera reversible zonas de alta/baja conducción dentro del óxido.La presente tesis tiene como objetivo principal entender los mecanismos físicos que gobiernan a la CR y poner en evidencia algunos de los aspectos esenciales que pueden contribuir a lograr dispositivos útiles desde el punto de vista tecnológico.Para ello se han realizado estudios de las características principales de la CR para distintas interfases metal-óxido a distintas condiciones de temperatura. Se han utilizado Au, Pt y Ag como metales y los siguientes óxidos complejos YBa2Cu3O7–δ (YBCO), La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO) y La0.7Sr0.3CoO3 (LSCO). Se han elegido estos óxidos complejos debido a que presentan características similares, como ser materiales fuertemente correlacionados con una estructura cristalina tipo perovskita y una alta movilidad de oxígenos, lo que afecta muchas de sus propiedades físicas, ya que dependen fuertemente de la estequiometría.Nuestros resultados han demostrado la existencia de una CR bipolar en todos estos sistemas. Ésta es explicada satisfactoriamente a través de un modelo de difusión de vacancias de oxígeno asistidas por campo eléctrico.Se han caracterizado las interfases como dispositivos de memoria, estudiando sus mecanismos de conducción, encontrándose una conducción dominada por un mecanismo del tipo Poole-Frenkel para la muestra de YBCO y una conducción del tipo SCLC para el LSCO y el LSMO. Adicionalmente, se ha conseguido una alta durabilidad y repetitividad en el funcionamiento de estas junturas como dispositivos de memoria,vgracias a la optimización en el protocolo utilizado para escribir/borrar, lográndose más de 103 conmutaciones consecutivas sin fallas en dispositivos bulk.También se ha estudiado el efecto de la acumulación de pulsos idénticos en las interfases obteniéndose una relación entre la amplitud de la CR y el número de pulsos aplicado a amplitud y temperatura fijas. Luego de someter la interfase a ciclos de fatiga eléctrica, se ha encontrado una similitud entre la evolución de la resistencia remanente en esta con la propagación de defectos en un metal sometido a pruebas de fatiga mecánica. Esta relación puede ser usada como base para generar un algoritmo de corrección de errores y para mejorar la efectividad y el consumo de energía de estos dispositivos de memoria.Finalmente, se han realizado estudios sobre la evolución temporal de cada estado de resistencia. Hemos demostrado que sigue una ley exponencial estirada con un exponente cercano a 0.5 y un tiempo característico dado, que depende tanto de la temperatura como de la potencia utilizada. Estos resultados implican que la evolución temporal no está dominada por un proceso estándar de difusión térmicamente activado. La difusión de vacancias de oxígeno ocurre en una superficie con una densidad de trampas que depende de la temperatura, donde dicha superficie correspondería físicamente a los bordes de grano del óxido.

A l’ère du « big data » et de l’intelligence artificielle, les recherches pour trouver de nouvelles façons de stocker et traiter l’information se multiplient. Dans le domaine des mémoires non volatiles, cette émulation a conduit à l’émergence de nouveaux composants, dont les OxRAM (oxide-based resistive random access memories) auxquels nous nous sommes intéressés dans cette thèse. Il s’agit d’un empilement métal-oxyde-métal où la couche d’oxyde commute entre au moins deux états de résistance stables lorsqu’une tension est appliquée. Nos travaux ont porté sur l'étude électrique de dispositifs en croix, de dimensions submicroniques (500 x 500 nm2 ou 100 x 100 nm2) avec, comme oxyde diélectrique, le dioxyde d’hafnium HfO2 ou le dioxyde de titane TiO2. Pour l'élaboration des oxydes, nous avons mis en oeuvre le dépôt par jets moléculaires (ou MBE pour molecular beam epitaxy), technique très peu utilisée jusqu’ici dans la communauté des OxRAM. Cette technique d'ultravide permet d'obtenir des films très purs alors qu'avec l’ALD (pour atomic layer deposition), le précurseur employé induit une contamination en carbone, azote ou chlore. L'une des clés de l’optimisation des propriétés électriques se trouve dans le contrôle de la quantité et de la distribution des lacunes d’oxygène. A cet effet, nous avons exploré l’incorporation de divers éléments aux couches de HfO2 et TiO2. La microstructure et la composition des films d'oxyde ainsi dopés ont été analysées, puis les dispositifs OxRAM ont été fabriqués et leurs caractéristiques électriques (courant-tension) ont été étudiées. Pour les OxRAM à base de HfO2 (mettant en jeu un mécanisme filamentaire), nous avons tout d'abord optimisé l'élaboration de HfO2 par MBE. Nous avons obtenu des dispositifs dont les propriétés électriques se situent au niveau de l'état de l'art international, notamment pour la fenêtre mémoire. Grâce à la croissance par MBE, nous obtenons une plus petite tension de forming et une plus grande fenêtre mémoire que pour des composants similaires, que nous avons fabriqués à partir de films préparés par ALD. Nous suggérons un lien entre contaminants carbonés et largeur de la fenêtre mémoire. Par rapport à l'état de l'art, nos objectifs étaient d’abaisser les courants de fonctionnement et d’atténuer la variabilité entre nombreux cycles ainsi qu'entre composants. Nous avons pour cela examiné les effets de l'ajout dans HfO2 des éléments Al, La ou Ti (de quelques % jusqu'à 30 %), par co-dépôt avec Hf. Grâce à ces additions, nous parvenons à réduire le courant de reset, la tension de forming et la variabilité du courant de reset. De plus, les mesures XPS (pour X-ray photoelectron spectroscopy) montrent une augmentation du taux de lacunes dans les couches La-HfO2, Ti-HfO2 et Al-HfO2. Concernant les composants à base de TiO2 (impliquant des mécanismes de type interfacial à l'une des deux interfaces avec les électrodes, dite active), nos objectifs étaient de diminuer les courants de fonctionnement et d’augmenter le nombre d’états de résistance accessibles stables. A cette fin, nous avons privilégié, là aussi, des stratégies matériaux. Nous avons modifié l'interface active du dispositif en y incorporant des hétéroéléments (Ne, N et B) par implantation ionique. La teneur en lacunes d’oxygène a été analysée par XPS tandis que la mobilité des lacunes a été quantifiée via leur énergie d’activation de diffusion Ea. Afin de déterminer Ea, nous avons mis au point un protocole expérimental original. Ainsi, nous avons établi que l'azote, dopant de type p dans TiO2, accroît la mobilité des lacunes tandis que le bore, dopant de type n, l’entrave et le néon, inerte, n'a pas d'incidence. L'énergie d'activation est minimale (0,4 eV) pour une implantation en azote de 1018 ions/cm3. La mobilité des lacunes n'est cependant pas le seul paramètre à améliorer : le transport des électrons à travers la barrière Schottky TiO2/Pt joue également un rôle crucial. [...] / In the age of big data and artificial intelligence, researches to find new ways to process and store the information multiply. In the field of non-volatile memories, this emulation has led to the emergence of new components, such as OxRAM (for oxide-based random access memories) in which we have been interested in during this PhD. It is a metal-oxide-metal stack where the oxide layer is able to switch between at least two stable resistance states under an applied voltage. In this work, we have studied sub-micrometer cross-point devices (500 x 500 nm2 or 100 x 100 nm2) with hafnium dioxide (HfO2) or titanium dioxide (TiO2) as dielectric oxide. The oxides have been deposited by molecular beam epitaxy (MBE), a technique that has rarely been used so far in the OxRAM community. With this ultra-vide technique, we can obtain very pure films whereas with atomic layer deposition (ALD), precursors induce carbon, nitrogen or chlorine contaminations. For the electrical properties optimization, one of the keys is the concentration and distribution control of oxygen vacancies. Regarding that, we have explored the incorporation of various elements in HfO2 and TiO2 layers. The microstructure and the composition of these doped films have been analyzed, afterward OxRAM devices have been fabricated and their electrical characteristics (current-voltage) have been studied. For HfO2-based OxRAM (involving a filamentary mechanism), we have firstly optimized the MBE HfO2 deposition. The devices then obtained have electrical properties which are as good as those of the state-of-the-art components, in particular for the memory window. Moreover, these MBE deposited devices have a smaller forming voltage and a larger memory window than equivalent components that we have fabricated with ALD grown layers. So, we suggest a link between carbon impurities and memory width. In light of the state of the art, our objectives were to lower working currents and to reduce the variability between numerous cycles and between components too. To this end, we have examined the effects of adding Al, La or Ti elements in HfO2 (from few % to 30 %), by co-deposition with Hf. Thanks to these additions, we manage to decrease the reset current, the forming voltage and the variability of the reset current. Furthermore, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurements show an increase of vacancies amount in La-HfO2, Ti-HfO2 and Al-HfO2 layers. Concerning TiO2-based components (for which the mechanism is interfacial and takes place at one of the two electrode interfaces, said active), our goals were to diminish working currents and to augment the number of accessible stable resistance states. For this purpose, we have also focused on material strategies. We have modified the active interface by heteroelements ion implantation (Ne, N and B). The oxygen vacancies content has been analyzed by XPS while the vacancies mobility has been quantified via their activation energy diffusion Ea. In order to determine Ea, we have developed an original experimental protocol. In this way, we establish that nitrogen, which is a p-type dopant in TiO2, heightens the oxygen vacancies mobility, whereas boron, which is a n-dopant, hinders it and the neon, inert, does not have any effect on vacancies mobility. The activation energy is minimal (0.4 eV) for a nitrogen dose of 1018 ions/cm3. However, the oxygen vacancies mobility is not the only parameter that we have to improve: the electronic transport through the TiO2/Pt Schottky barrier plays also a crucial role. The results achieved during this PhD attest to the pertinence of the MBE utilization and of an analysis that combines ionic and electronic aspects in order to improve the resistive switching phenomenon understanding and the OxRAM performances.

Un modèle de commutation de mémoires résistives (ReRAM) est présenté. Celui-ci est basé sur deux hypothèses : (1) la commutation résistive est causée par des changements qui se produisent dans la zone étroite (région active) du filament conducteur sous l'influence du champ électrique et (2) la commutation résistive est un processus stochastique, donc régi par une probabilité. La région active est représentée par un réseau de connexions verticales, chacune composée de trois éléments électriques : deux d'entre eux sont de faible résistance tandis que le troisième agit comme un disjoncteur et peut être soit de résistance faible (LR) ou élevée (HR). Dans ce modèle, le changement d'état du disjoncteur est régi par une probabilité de commutation (P$_{s}$) qui est comparée à un nombre aléatoire « p ». P$_{s}$ dépend de la chute de tension le long du disjoncteur et de la tension de seuil, V$_{set}$ ou V$_{reset}$, pour définir les processus de « set » (HR à LR) et « reset » (LR à HR). Deux mécanismes de conduction ont été envisagés : ohmique pour un état LR et pour un état de résistance élevée l'effet tunnel facilité par un piège (TAT). Le modèle a été implémenté avec le langage de programmation Python et fonctionne avec une bibliothèque C externe qui optimise les calculs et le temps de traitement. Les résultats de la simulation ont été validés avec succès en les comparant avec des courbes courant-tension (IV) mesurées sur dispositifs ReRAM réels dont l'oxyde était fait de HfO$_{2}$ et pour neuf aires différentes. La flexibilité et la facilité de mise en œuvre de ce modèle de commutation résistive en font un outil puissant pour l'étude des ReRAM / A model for the switching of resistive random-access memories (ReRAM) is presented. This model is based on two hypotheses: (1) the resistive switching is caused by changes that occur in the narrow zone (active region) of the conductive filament under the influence of the electric field and (2) the resistive switching is a stochastic process governed by a switching probability. The active region is represented by a net of vertical connections, each one composed of three electrical elements: two of them are always low resistive (LR) while the third one acts as a breaker and can be low or high resistive (HR). In the model, the change of the breaker's state is governed by a switching probability (P$_{s}$) that is compared with a random number $p$. P$_{s}$ depend on the voltage drop along the breaker and the threshold voltage, V$_{set}$ or V$_{reset}$ for set (HR to LR) or reset (LR to HR) processes. Two conduction mechanism has been proposed: ohmic for the low resistive state and trap-assisted tunneling (TAT) for the high resistive state. The model has been implemented in Python and works with an external C-library that optimizes calculations and processing time. The simulation results have been successfully validated by comparing measured and modeled IV curves of HfO$_{2}$-based ReRAM devices of nine different areas. It is important to note that the flexibility and easy implementation of this resistive switching model allow it to be a powerful tool for the design and study of ReRAM memories