Les mémoires à changement de phase sont l'un des candidats les plus prometteurs pour la prochaine génération de mémoires non-volatiles. Un intense effort de recherche est requis pour optimiser les matériaux à changement de phase (PC) utilisés dans ces mémoires. En particulier, il a été démontré que le dopage améliore les propriétés de rétention des dispositifs. Par ailleurs, l'étude des effets de réduction de taille et des effets des matériaux d'interface sur les propriétés des matériaux à changement de phase est encore un sujet de recherche ouvert. Dans ce contexte, la première partie de la thèse est dédiée à l'investigation de la structure locale de GeTe amorphe dopé avec C ou N. L'effet du dopage sur la structure a été observé expérimentalement via l'apparition d'un nouveau pic dans la fonction de distribution de paires de GeTe dopé, ce qui montre la formation d'une nouvelle liaison interatomique absente dans le matériau non dopé. La présence de nouvelles configurations incluant le carbone et l'azote a été confirmée par des simulations ab initio. L'objet de la deuxième partie de la thèse est l'influence de la réduction de taille sur la cristallisation de Ge2Sb2Te5 (GST). Des agrégats nanométriques de GST ont été fabriqués par pulvérisation puis déposés et étudiés par diffraction des rayons X en utilisant le rayonnement synchrotron. Dans l'état cristallisé une très forte déformation positive des agrégats est observée et attribuée à la matrice d'Al2O3 qui entoure les agrégats. La température de cristallisation des agrégats est de 25°C plus élevée que celle d'un film de GST de 10 nm déposé dans les mêmes conditions. Ce résultat est encourageant pour les futurs développements des mémoires à changement de phase car il montre que l'effet de réduction de taille sur la température de cristallisation peut-être faible. La troisième et dernière partie de la thèse est dédiée à l'investigation des effets des matériaux d'interface sur la température de cristallisation de films minces de GeTe et GST par des mesures de réflectivité et de diffraction des rayons X. Pour les deux matériaux, la température de cristallisation de films de 100 nm est plus grande pour une interface avec du Ta que pour une interface avec du TiN ou du SiO2. Une différence aussi marquée n'était jamais montré auparavant. Les résultats suggèrent que l'interface SiO2/GeTe est énergétiquement favorable pour la nucléation et la croissance de grains avec une orientation préférentielle et que les mécanismes de nucléation et croissance sont différents pour différents matériaux d'interface. / Phase Change Memories (PCM) are one of the best candidates for the next generation of non volatile memories. A great research effort is still needed in order to optimize the properties of phase change (PC) materials which are used in PCM devices. In particular, doping has been demonstrated to improve retention in devices. Moreover, a study of the effect of scaling and interface material on PC materials properties is still an open research field. In this context, the first part of the thesis is dedicated to investigate the local structure of C or N doped amorphous GeTe. The impact of doping is observed experimentally with the appearance of a new peak in the pair distribution function of doped GeTe, indicating the formation of a bond at a new distance that is absent in the undoped amorphous material. The presence of new environments involving carbon and nitrogen is confirmed through ab initio simulations. The subject of the second part of this thesis is the impact of confinement on Ge2Sb2Te5 (GST) crystallization mechanism. Nano-sized clusters of GST have been made by sputtering, deposited and then studied through X-ray diffraction using synchrotron radiation. The crystalline clusters experience a tensile strain that can be ascribed to the effect of the embedding Al2O3 matrix. Their crystallization temperature has been found to be only 25°C higher than the one observed for a thin film of GST of 10 nm deposited under the same conditions. This result is positive for the future development PCM because it indicates that the scaling effect on the crystallization temperature in phase change material can be small. The third and last part of the thesis is dedicated to the investigation of the interface material effect on the crystallization temperature of GeTe and GST thin films through reflectivity and X-ray diffraction measurements. In both GeTe and GST film 100 nm thick interfaced with Ta the crystallization temperature is higher than in the case of TiN or SiO2 interface. Such an interface effect on relatively thick films was never reported before. The results suggest that the SiO2/GeTe interface is energetically favourable for the nucleation and growth of grains with a preferred orientation and that nucleation and growth mechanisms are different for different interface materials.

Les Mémoires ont de plus en plus importance à l'époque actuelle, et sont fondamentales pour la définition de tous les systèmes électroniques avec lesquels nous entrons en contact dans notre vie quotidienne. Les mémoires non-volatiles (NVM), représentées par la technologie Flash, ont pu suivre jusqu'à présent l'effort à la miniaturisation pour satisfaire la demande croissante de densité de mémoire exigée par le marché. Cependant, la réduction de la taille du dispositif de mémoire est de plus en plus difficile et la complexité technologique demandé a augmenté le coût par octet. Dans ce contexte, les technologies de mémoire innovantes deviennent non seulement une alternative, mais la seule solution possible pour fournir une densité plus élevée à moindre coût, une meilleure fonctionnalité et une faible consommation d'énergie. Les Mémoires à Changement de Phase (PCM) sont considérées comme la solution de pointe pour la future génération de mémoires non-volatiles, grâce à leur non-volatilité , scalabilité, "bit-alterability", grande vitesse de lecture et d'écriture, et cyclabilité élevée. Néanmoins, certains problèmes de fiabilité restent à surmonter afin de rendre cette technologie un remplacement valable de la technologie Flash dans toutes les applications. Plus en détail, la conservation des données à haute température, est l'une des principales exigences des applications embarquées industrielles et automobiles. Cette thèse se concentre sur l'étude des mémoires à changement de phase pour des applications embarquées, dans le but d'optimiser le dispositif de mémoire et enfin de proposer des solutions pour surmonter les principaux obstacles de cette technologie, en abordant notamment les applications automobiles. Nous avons conçu, fabriqué et testé des dispositifs PCM basés sur des structures reconnues et innovantes, en analysant leurs avantages et inconvénients, et en évaluant l'impact de la réduction de la taille. Notre analyse de fiabilité a conduit au développement d'un système de caractérisation dédié à caractériser nos cellules PCM avec des impulsions de l'ordre de la nanoseconde, et à la mise en oeuvre d'un outil de simulation basé sur un solveur thermoélectrique et sur l'approche numérique "Level Set", pour comprendre les différentes mécanismes qui ont lieu dans nos cellules pendant les opérations de programmation. Afin de répondre aux spécifications du marché des mémoires non-volatiles embarquées, nous avons conçu le matériau à changement de phase intégré dans le dispositif PCM avec deux principales approches: la variation de la stoechiométrie et l'ajout de dopants. Nous avons démontré et expliqué comment la rétention des données dans les dispositifs PCM à base de GeTe peut être améliorée avec l'augmentation de la concentration de Te, et comment les inclusions de SiO2 peuvent réduire les défauts causés par la tension de lecture à températures de fonctionnement élevées. En outre, nous avons présenté les avantages sur la réduction de la puissance de programmation du dopage de carbone dans les dispositifs à base de GST. Enfin, nous avons étudié les effets de l'enrichissement en Ge dans le GST, combiné avec le dopage N et C, intégré dans des cellules PCM à l'état de l'art. Grâce à l'introduction d'une nouvelle technique de programmation, nous avons démontré la possibilité d'augmenter la vitesse de programmation de ces dispositifs, caractérisés par des performances de rétention des données parmi les meilleurs rapportés dans la littérature, et de réduire le phénomène de la dérive de la résistance qui affecte la stabilité de l'état programmé des cellules PCM. Nous avons donc prouvé, avec ces derniers résultats, la validité de la technologie PCM pour les applications embarquées.

Les mémoires à changement de phase sont l'un des candidats les plus prometteurs pour la prochaine génération de mémoires non-volatiles. Un intense effort de recherche est requis pour optimiser les matériaux à changement de phase (PC) utilisés dans ces mémoires. En particulier, il a été démontré que le dopage améliore les propriétés de rétention des dispositifs. Par ailleurs, l'étude des effets de réduction de taille et des effets des matériaux d'interface sur les propriétés des matériaux à changement de phase est encore un sujet de recherche ouvert. Dans ce contexte, la première partie de la thèse est dédiée à l'investigation de la structure locale de GeTe amorphe dopé avec C ou N. L'effet du dopage sur la structure a été observé expérimentalement via l'apparition d'un nouveau pic dans la fonction de distribution de paires de GeTe dopé, ce qui montre la formation d'une nouvelle liaison interatomique absente dans le matériau non dopé. La présence de nouvelles configurations incluant le carbone et l'azote a été confirmée par des simulations ab initio. L'objet de la deuxième partie de la thèse est l'influence de la réduction de taille sur la cristallisation de Ge2Sb2Te5 (GST). Des agrégats nanométriques de GST ont été fabriqués par pulvérisation puis déposés et étudiés par diffraction des rayons X en utilisant le rayonnement synchrotron. Dans l'état cristallisé une très forte déformation positive des agrégats est observée et attribuée à la matrice d'Al2O3 qui entoure les agrégats. La température de cristallisation des agrégats est de 25°C plus élevée que celle d'un film de GST de 10 nm déposé dans les mêmes conditions. Ce résultat est encourageant pour les futurs développements des mémoires à changement de phase car il montre que l'effet de réduction de taille sur la température de cristallisation peut-être faible. La troisième et dernière partie de la thèse est dédiée à l'investigation des effets des matériaux d'interface sur la température de cristallisation de films minces de GeTe et GST par des mesures de réflectivité et de diffraction des rayons X. Pour les deux matériaux, la température de cristallisation de films de 100 nm est plus grande pour une interface avec du Ta que pour une interface avec du TiN ou du SiO2. Une différence aussi marquée n'était jamais montré auparavant. Les résultats suggèrent que l'interface SiO2/GeTe est énergétiquement favorable pour la nucléation et la croissance de grains avec une orientation préférentielle et que les mécanismes de nucléation et croissance sont différents pour différents matériaux d'interface.

Les Mémoires ont de plus en plus importance à l'époque actuelle, et sont fondamentales pour la définition de tous les systèmes électroniques avec lesquels nous entrons en contact dans notre vie quotidienne. Les mémoires non-volatiles (NVM), représentées par la technologie Flash, ont pu suivre jusqu'à présent l'effort à la miniaturisation pour satisfaire la demande croissante de densité de mémoire exigée par le marché. Cependant, la réduction de la taille du dispositif de mémoire est de plus en plus difficile et la complexité technologique demandé a augmenté le coût par octet. Dans ce contexte, les technologies de mémoire innovantes deviennent non seulement une alternative, mais la seule solution possible pour fournir une densité plus élevée à moindre coût, une meilleure fonctionnalité et une faible consommation d'énergie. Les Mémoires à Changement de Phase (PCM) sont considérées comme la solution de pointe pour la future génération de mémoires non-volatiles, grâce à leur non-volatilité , scalabilité, "bit-alterability", grande vitesse de lecture et d'écriture, et cyclabilité élevée. Néanmoins, certains problèmes de fiabilité restent à surmonter afin de rendre cette technologie un remplacement valable de la technologie Flash dans toutes les applications. Plus en détail, la conservation des données à haute température, est l'une des principales exigences des applications embarquées industrielles et automobiles. Cette thèse se concentre sur l'étude des mémoires à changement de phase pour des applications embarquées, dans le but d'optimiser le dispositif de mémoire et enfin de proposer des solutions pour surmonter les principaux obstacles de cette technologie, en abordant notamment les applications automobiles. Nous avons conçu, fabriqué et testé des dispositifs PCM basés sur des structures reconnues et innovantes, en analysant leurs avantages et inconvénients, et en évaluant l'impact de la réduction de la taille. Notre analyse de fiabilité a conduit au développement d'un système de caractérisation dédié à caractériser nos cellules PCM avec des impulsions de l'ordre de la nanoseconde, et à la mise en oeuvre d'un outil de simulation basé sur un solveur thermoélectrique et sur l'approche numérique "Level Set", pour comprendre les différentes mécanismes qui ont lieu dans nos cellules pendant les opérations de programmation. Afin de répondre aux spécifications du marché des mémoires non-volatiles embarquées, nous avons conçu le matériau à changement de phase intégré dans le dispositif PCM avec deux principales approches: la variation de la stoechiométrie et l'ajout de dopants. Nous avons démontré et expliqué comment la rétention des données dans les dispositifs PCM à base de GeTe peut être améliorée avec l'augmentation de la concentration de Te, et comment les inclusions de SiO2 peuvent réduire les défauts causés par la tension de lecture à températures de fonctionnement élevées. En outre, nous avons présenté les avantages sur la réduction de la puissance de programmation du dopage de carbone dans les dispositifs à base de GST. Enfin, nous avons étudié les effets de l'enrichissement en Ge dans le GST, combiné avec le dopage N et C, intégré dans des cellules PCM à l'état de l'art. Grâce à l'introduction d'une nouvelle technique de programmation, nous avons démontré la possibilité d'augmenter la vitesse de programmation de ces dispositifs, caractérisés par des performances de rétention des données parmi les meilleurs rapportés dans la littérature, et de réduire le phénomène de la dérive de la résistance qui affecte la stabilité de l'état programmé des cellules PCM. Nous avons donc prouvé, avec ces derniers résultats, la validité de la technologie PCM pour les applications embarquées. / Memories are getting an exponential importance in our present era, and are fundamental in the definition of all the electronic systems with which we interact in our daily life. Non-volatile memory technology (NVM), represented by Flash technology, have been able to follow till now the miniaturization trend to fulfill the increasing memory density demanded by the market. However, the scaling is becoming increasingly difficult, rising their cost per byte due to the incoming technological complexity. In this context, innovative memory technologies are becoming not just an alternative, but the only possible solution to provide higher density at lower cost, better functionality and low power consumption. Phase-Change Memory (PCM) technology is considered the leading solution for the next NVM generation, combining non-volatility, scalability, bit-alterability, high write speed and read bandwidth and high cycle life endurance. However, some reliability issues remain to overcome, in order to be a valid Flash replacement in all the possible applications. In particular, retention of data at high temperature, is one of the main requirements of industrial and automotive embedded applications. This work focuses on the study of embedded Phase-Change Memories, in order to optimize the memory device and finally propose some solutions to overcome the main bottlenecks of this technology, in particular addressing automotive applications. We designed, fabricated, and tested PCM devices based on recognized and innovative structures, analyzing their advantages and disadvantages, and evaluating the scaling impact. Our reliability analysis led to the development of a characterization setup dedicated to characterize our PCM cells with pulses in the order of nanoseconds, and to the implementation of a simulation tool based on a thermoelectrical solver and on the Level Set numerical approach, to understand the different mechanisms taking place in our cells during the programming operations. In order to fulfill embedded NVM requirements, we engineered the phase-change material integrated in the PCM device with two main approaches: the stoichiometry variation and the dopants addition. We showed and explained how the data retention in GeTe based PCM devices can be enhanced increasing Te content, and how SiO2 inclusions can reduce the read voltage disturbs at high operating temperatures. Moreover, we reported the advantages on the programming power reduction of carbon doping in GST based devices. Finally, we studied the effects of Ge enrichment in GST, combined with N or C doping, integrated in state of the art PCM cells. Through the introduction of a new programming technique, we demonstrated the possibility to improve the programming speed of these devices, characterized by data retention performance among the best reported in the literature, and to reduce the drift phenomenon that affects the resistance state stability of PCM technology. We then proved, with these last results, the suitability of PCM for embedded applications.

La thèse de Giovanni BETTI BENEVENTI portes sur la caractérisation électrique et la modélisationphysique de dispositifs de mémoire non-volatile à changement de phase. Cette thèse a été effectuée dans le cadre d'une cotutelle avec l'Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia (Italie).Le manuscrit en anglais comporte quatre chapitres précédés d'une introduction et terminés par uneconclusion générale.Le premier chapitre présent un résumé concernant l'état de l'art des mémoires a changement de phase. Le deuxième chapitre est consacré aux résultats de caractérisation matériau et électrique obtenus sur déposition blanket et dispositifs de mémoire à changement de phase (PCM) basées sur le nouveau matériau GeTe dopé carbone (GeTeC).Le chapitre trois s'intéresse à l'implémentation et à la caractérisation expérimentale d'un setup demesure de bruit a basse fréquence sur dispositifs électroniques a deux terminaux développé auxlaboratoires de l'Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia en Italie.Enfin, dans le dernier chapitre est présentée une analyse rigoureuse de l'effet d'auto-chauffage Joulesur la caractéristique I-V des mémoires a changement de phase intégrant le matériau dans la phase polycristalline.

Au cours des dernières années, la demande de plus en plus forte pour des mémoires non-volatiles performantes, a mené au développement des technologies NOR Flash et NAND Flash, qui dominent aujourd'hui le marché des mémoires non-volatiles. Cependant, la miniaturisation de ces technologies, qui permettait d'en réduire le coût, laisse aujourd'hui entrevoir ses limites. En conséquence, des mémoires alternatives et émergentes sont développées, et parmi celles-ci, la technologie des mémoires à changement de phase, ou PCRAM, est l'une des candidates les plus prometteuses tant pour remplacer les mémoires Flash, notamment de type NOR, que pour accéder à de nouveaux marchés tels que le marché des SCM. Toutefois, afin d'être pleinement compétitives avec les autres technologies mémoires, certaines performances de la technologie PCRAM doivent encore être améliorées. Au cours de cette thèse, nous cherchons donc à obtenir des dispositifs PCRAM plus performants. Parmi les résultats présentés, nous réduisons les courants de programmation et la consommation électrique des dispositifs tout en augmentant la rétention de l'information à haute température. Pour cela, nous modifions la structure du dispositif ou nous utilisons un matériau à changement de phase alternatif. De plus, à l'aide de solutions innovantes, nous permettons aux dispositifs PCRAM de conserver l'information pendant une éventuelle étape de soudure de la puce mémoire. Enfin, nous avons conçu, développé et validé un procédé de fabrication permettant d'intégrer une diode PN de sélection en Silicium en série avec un élément résistif PCRAM, démontrant l'intérêt de ce sélecteur vertical pour être utilisées comme élément de sélection d'une cellule PCRAM intégrée au sein d'une architecture crossbar.

De nos jours, les nouvelles technologies ne cessent d'évoluer et de former une partie intégrante dans la vie quotidienne de chacun. Ces dernières profitent du développement de systèmes électroniques complexes qui nécessitent l'utilisation de composants mémoires de plus en plus performants et présentant de grandes capacités de stockage. Ainsi, dans cette course à la miniaturisation, la technologie Flash jusqu'ici prépondérante sur le marché des mémoires non volatiles laisse aujourd'hui entrevoir ses limites. En conséquence, différentes mémoires émergentes résistives sont développées et parmi celles-ci se trouvent les mémoires à changement de phase PCRAM qui présentent un grand intérêt dans le monde des mémoires non volatiles grâce à leur bonne capacité de réduction d'échelle ainsi que leur coût réduit par rapport aux mémoires Flash. Cependant, pour être compétitives face aux autres technologies et pour prétendre à des applications embarquées, elles doivent répondre à plusieurs challenges tels que réduire leur courant de programmation, augmenter leur vitesse de programmation et améliorer leur stabilité thermique. Pour cela, différentes voies sont explorées dans la littérature, notamment l'utilisation d'architectures innovantes ou de matériaux à changement de phase alternatifs. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'investigation des mécanismes de défaillance qui affectent la stabilité thermique et temporelle des mémoires à changement de phase, plus précisément la rétention de l'état RESET et la stabilité des états programmés affectée par le phénomène de « drift ». Le développement de matériaux alternatifs utilisant une stoechiométrie optimisée ou incorporant un dopage nous permet d'obtenir des dispositifs performants d'un point de vue électrique et présentant des propriétés de rétention satisfaisant les spécifications des applications embarquées en particulier l'automobile. De plus, grâce au développement d'une nouvelle procédure de pré-codage, ces dispositifs permettent de conserver les données préprogrammées sur la puce mémoire au cours de l'étape de soudure de cette dernière sur le circuit électronique. Ils constituent une solution prometteuse pour les applications de cartes sécurisées. Enfin, nous avons proposé une procédure de programmation optimisée qui permet de diminuer l'effet du drift de la résistance de l'état SET observé pour les matériaux alternatifs. Ensuite, nous avons montré via des mesures de bruit à basses fréquences que cet effet est dû à la relaxation structurale des zones amorphes présentes dans ces matériaux actifs. De plus, nous avons mis en évidence pour la première fois la diminution du bruit normalisé de l'état SET ainsi que l'influence majeure des défauts d'interfaces sur le bruit à basses fréquences de cet état. / Nowadays, new technologies are rising steadily and forming an integral part in the daily lives of everyone. They take advantage of the development of electronic systems for which the complexity requires the use of memory devices more and more efficient and with large storage capacities. Because of some performance degradation, the scaling of Flash technology who was so far predominant in the non-volatile memories market, is today reaching its limits. As a result, different emerging resistive memories are being developed. Among them, the phase-change memory technology PCRAM is very attractive because of its non-volatility, scalability, as well as reduced cost compared to standard Flash. Nevertheless, to compete with other technologies and to address the embedded applications market, PCRAM still face some challenges, such as decreasing the programming current densities, increasing the programming speed and increasing the thermal stability of the two memory states. For that purpose, different solutions have been tried in the literature, including using new device architectures and optimized phase-change materials. In this work, we are interested in investigating the failure mechanisms that affect thermal and temporal stability of phase change memories, in particular the retention of the RESET state and the stability of the programmed states disturbed by the drift phenomenon. The development of alternative materials using an optimized stoichiometry or incorporating doping allows us to achieve high electrical performance devices and to reach the required retention properties of embedded applications and particularly the automotive one. Moreover, thanks to the development of a new pre-coding procedure, these devices allow to keep stable the preprogrammed data on the memory chip during the soldering step of the latter on the electronic circuit. They represent a promising solution for Smart-Card applications. Finally, we have proposed an optimized programming procedure which enables to reduce the drift effect of the resistance of the SET state observed for optimized materials. This drift phenomenon was investigated by using low frequency noise measurements. Therefore, we have shown that this effect is due to the structural relaxation of amorphous parts in the active material. Besides, we highlighted for the first time the major influence of interface defects on the low-frequency noise of this state.

Dans cette thèse, nous proposons une étude détaillée des mécanismes responsables de la perte de données dans les mémoires à changement de phase enrichies en germanium (Ge-rich PRAMs), à savoir la dérive de la résistance au cours du temps et la recristallisation de la phase amorphe. Nous commençons par une présentation du contexte dans lequel s'inscrit cette étude an donnant un aperçu rapide du marché des mémoires à semiconducteur et une comparaison des mémoires non volatiles émergentes. Les principes de fonctionnement de la technologie PRAM sont introduits, avec ses avantages, ses inconvénients, ainsi que la physique régissant le processus de cristallisation dans les matériaux à changement de phase, avant de décrire les problèmes de fiabilité qui nous intéressent.Une caractérisation électrique complète de dispositifs intégrant des alliages de GST enrichi en germanium est ensuite proposée, en commençant par la caractérisation des matériaux utilisés dans nos cellules, introduisant alors les avantages des alliages enrichis en Ge sur le GST standard. Les performances électriques des dispositifs intégrant ces matériaux sont analysées, avec une étude statistique des caractéristiques SET & RESET, de la fenêtre de programmation, de l'endurance et de la vitesse de cristallisation. Nous nous concentrons ensuite sur le thème principal de cette thèse en analysant la dérive en résistance de l'état SET de nos dispositifs Ge-rich, ainsi que les performances de rétention de l'état RESET.Dans la dernière partie, nous étudions les mécanismes physiques impliqués dans ces phénomènes en fournissant une étude détaillée de la structure des cellules, grâce à l'utilisation de la Microscopie Électronique en Transmission (MET). Les conditions et configurations expérimentales sont décrites, avant de présenter les résultats qui nous ont permis d'aller plus loin dans la compréhension de la dérive en résistance et de la recristallisation de la phase amorphe dans les dispositifs Ge-rich. Une discussion est finalement proposée, reliant les résultats des caractérisations électriques avec ceux des analyses TEM, conduisant à de nouvelles perspectives pour l'optimisation des dispositifs PRAMs. / In this thesis we provide a detailed study of the mechanisms responsible for data loss in Ge-rich Ge2Sb2Te5 Phase-Change Memories, namely resistance drift over time and recrystallization of the amorphous phase. The context of this work is first presented with a rapid overview of the semiconductor memory market and a comparison of emerging non-volatile memories. The working principles of PRAM technology are introduced, together with its advantages, its drawbacks, and the physics governing the crystallization process in phase-change materials, before describing the reliability issues in which we are interested.A full electrical characterization of devices integrating germanium-enriched GST alloys is then proposed, starting with the characterization of the materials used in our PCM cells and introducing the benefits of Ge-rich GST alloys over standard GST. The electrical performances of devices integrating those materials are analyzed, with a statistical study of the SET & RESET characteristics, programming window, endurance and crystallization speed. We then focus on the main topic of this thesis by analyzing the resistance drift of the SET state of our Ge-rich devices, as well as the retention performances of the RESET state.In the last part, we investigate on the physical mechanisms involved in these phenomena by providing a detailed study of the cells' structure, thanks to Transmission Electron Microscopy (TEM). The experimental conditions and setups are described before presenting the results which allowed us to go deeper into the comprehension of the resistance drift and the recrystallization of the amorphous phase in Ge-rich devices. A discussion is finally proposed, linking the results of the electrical characterizations with the TEM analyses, leading to new perspectives for the optimization of PRAM devices.

Au cours des dernières années, la demande de plus en plus forte pour des mémoires non-volatiles performantes, a mené au développement des technologies NOR Flash et NAND Flash, qui dominent aujourd'hui le marché des mémoires non-volatiles. Cependant, la miniaturisation de ces technologies, qui permettait d'en réduire le coût, laisse aujourd'hui entrevoir ses limites. En conséquence, des mémoires alternatives et émergentes sont développées, et parmi celles-ci, la technologie des mémoires à changement de phase, ou PCRAM, est l'une des candidates les plus prometteuses tant pour remplacer les mémoires Flash, notamment de type NOR, que pour accéder à de nouveaux marchés tels que le marché des SCM. Toutefois, afin d'être pleinement compétitives avec les autres technologies mémoires, certaines performances de la technologie PCRAM doivent encore être améliorées. Au cours de cette thèse, nous cherchons donc à obtenir des dispositifs PCRAM plus performants. Parmi les résultats présentés, nous réduisons les courants de programmation et la consommation électrique des dispositifs tout en augmentant la rétention de l'information à haute température. Pour cela, nous modifions la structure du dispositif ou nous utilisons un matériau à changement de phase alternatif. De plus, à l'aide de solutions innovantes, nous permettons aux dispositifs PCRAM de conserver l'information pendant une éventuelle étape de soudure de la puce mémoire. Enfin, nous avons conçu, développé et validé un procédé de fabrication permettant d'intégrer une diode PN de sélection en Silicium en série avec un élément résistif PCRAM, démontrant l'intérêt de ce sélecteur vertical pour être utilisées comme élément de sélection d'une cellule PCRAM intégrée au sein d'une architecture crossbar. / In the past few years, the increasing demand for high quality non-volatile memory (NVM) devices, leads to the developpment of NOR Flash and NAND Flash technologies, which are now the two main NVM players. However, because of some limitations such as performance degradation and limited cost reduction, the scaling of these technologies will reach in the next few years. Therefore, new NVM technologies are under development and among them, phase-change memory (PCM) technology has attracted strong interest and is now became one of the most promising candidates in order to replace Flash technologies, especially NOR Flash technology, and to address new memory markets, such as storage-class-memory market. However, in order to fully take their role in the memory arena, some performances of the PCM technology have to be improved. Therefore, during this PhD, we have tried to improve PCM devices electrical performances by reducing both programming currents and energy consumption while increasing high-temperature data-retention. To this extent, we have studied innovative device structure and alternative phasechange material. Moreover, using innovatives solutions, we show that our PCM devices could store data during the soldering step of the memory chipset. Finally, we have conceived, developed and validated, a process flow in order to make 1D1R PCM cell with Silicon-based vertical PN diodes, proving the relevance of this selector for PCRAM-based crossbar architecture.

La thèse de Giovanni BETTI BENEVENTI portes sur la caractérisation électrique et la modélisationphysique de dispositifs de mémoire non-volatile à changement de phase. Cette thèse a été effectuée dans le cadre d’une cotutelle avec l’Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia (Italie).Le manuscrit en anglais comporte quatre chapitres précédés d’une introduction et terminés par uneconclusion générale.Le premier chapitre présent un résumé concernant l’état de l’art des mémoires a changement de phase. Le deuxième chapitre est consacré aux résultats de caractérisation matériau et électrique obtenus sur déposition blanket et dispositifs de mémoire à changement de phase (PCM) basées sur le nouveau matériau GeTe dopé carbone (GeTeC).Le chapitre trois s’intéresse à l’implémentation et à la caractérisation expérimentale d’un setup demesure de bruit a basse fréquence sur dispositifs électroniques a deux terminaux développé auxlaboratoires de l’Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia en Italie.Enfin, dans le dernier chapitre est présentée une analyse rigoureuse de l’effet d’auto-chauffage Joulesur la caractéristique I-V des mémoires a changement de phase intégrant le matériau dans la phase polycristalline. / Within this Ph.D. thesis work new topics in the field of Non-Volatile Memories technologies have been investigated, with special emphasis on the study of novel materials to be integrated in Phase-Change Memory (PCM) devices, namely:(a) Investigation of new phase-change materialsWe have fabricated PCM devices integrating a novel chalcogenide material: Carbon-doped GeTe (or simply, GeTeC). We have shown that C doping leads to very good data retention performances: PCM cells integrating GeTeC10% can guarantee a 10 years fail temperature of about 127°C, compared to the 85°C of GST. Furthermore, C doping reduces also fail time dispersion. Then our analysis has pointed out the reduction of both RESET current and power for increasing carbon content. In particular, GeTeC10% PCM devices yield about a 30% of RESET current reduction in comparison to GST and GeTe ones, corresponding to about 50% of RESET energy decrease.Then, resistance window and programming time of GeTeC devices are comparable to those of GST.(b) Advanced electrical characterization techniquesWe have implemented, characterized and modeled a measurement setup for low-frequency noise characterization on two-terminal semiconductor devices.(c) Modeling for comprehension of physical phenomenaWe have studied the impact of Self-induced Joule-Heating (SJH) effect on the I-V characteristics of fcc polycrystalline-GST-based PCM cells in the memory readout region. The investigation has been carried out by means of electrical characterization and electro-thermal simulations.