Le système nerveux central humain est un système de traitement de l'information stupéfiant en termes de capacités, de polyvalence, d’adaptabilité et de faible consommation d'énergie. Sa structure complexe se compose de milliards de neurones, interconnectés par plusieurs trillions de synapses, formant des grappes spécialisées. Récemment, l'imitation de ces paradigmes a suscité un intérêt croissant en raison de la nécessité d'approches informatiques avancées pour s'attaquer aux défis liés à la génération de quantités massives de données complexes dans l'ère de l’Internet des Objets (IoT). Ceci a mené à un nouveau domaine de recherche, connu sous le nom d’informatique cognitive ou d'ingénierie neuromorphique, qui repose sur les architectures dites non-von-Neumann (inspirées du cerveau) en opposition aux architectures von-Neumann (ordinateurs classiques). Dans cette thèse, nous examinons l'utilisation des technologies de mémoire résistive telles que les mémoires à accès aléatoires à base de lacunes d’oxygène (OxRAM) et les mémoires à pont conducteur (CBRAM) pour la conception de synapses artificielles, composants de base indispensables des réseaux neuromorphiques. De plus, nous développons un réseau de neurones impulsionnels artificiel (SNN), utilisant des synapses OxRAM, pour l'analyse de données impulsionnelles provenant du cerveau humain en vue du traitement de troubles neurologiques, en connectant la sortie du SNN à une interface cerveau-ordinateur (BCI). L'impact des problèmes de fiabilité, caractéristiques des OxRAMs, sur les performances du système est étudié en détail et les moyens possibles pour atténuer les pénalités liées aux incertitudes des dispositifs seuls sont démontrés. En plus de l’implémentation avec des OxRAMs et CBRAMs de la bien connue plasticité fonction du temps d’occurrence des impulsions (STDP), qui constitue une forme de plasticité à long terme (LTP), les dispositifs OxRAM ont également été utilisés pour imiter la plasticité à court terme (STP). Les fonctionnalités fondamentalement différentes de la LTP et STP sont mises en évidence. / The central nervous system of humankind is an astonishing information processing system in terms of its capabilities, versatility, adaptability and low energy consumption. Its complex structure consists of billions of neurons interconnected by trillions of synapses forming specialized clusters. Recently, mimicking those paradigms has attracted a strongly growing interest, triggered by the need for advanced computing approaches to tackle challenges related to the generation of massive amounts of complex data in the Internet of Things (IoT) era. This has led to a new research field, known as cognitive computing or neuromorphic engineering, which relies on the so-called non-von-Neumann architectures (brain-inspired) in contrary to von-Neumann architectures (conventional computers). In this thesis, we explore the use of resistive memory technologies such as oxide vacancy based random access memory (OxRAM) and conductive bridge RAM (CBRAM) for the design of artificial synapses that are a basic building block for neuromorphic networks. Moreover, we develop an artificial spiking neural network (SNN) based on OxRAM synapses dedicated to the analysis of spiking data recorded from the human brain with the goal of using the output of the SNN in a brain-computer interface (BCI) for the treatment of neurological disorders. The impact of reliability issues characteristic to OxRAM on the system performance is studied in detail and potential ways to mitigate penalties related to single device uncertainties are demonstrated. Besides the already well-known spike-timing-dependent plasticity (STDP) implementation with OxRAM and CBRAM which constitutes a form of long term plasticity (LTP), OxRAM devices were also used to mimic short term plasticity (STP). The fundamentally different functionalities of LTP and STP are put in evidence.

Les nouvelles approches de technologies mémoires permettront une intégration dite back-end, où les cellules élémentaires de stockage seront fabriquées lors des dernières étapes de réalisation à grande échelle du circuit. Ces approches innovantes sont souvent basées sur l'utilisation de matériaux actifs présentant deux états de résistance distincts. Le passage d'un état à l'autre est contrôlé en courant ou en tension donnant lieu à une caractéristique I-V hystérétique. Nos mémoires résistives sont composées d'argent en métal électrochimiquement actif et de sulfure amorphe agissant comme électrolyte. Leur fonctionnement repose sur la formation réversible et la dissolution d'un filament conducteur. Le potentiel d'application de ces nouveaux dispositifs n'est pas limité aux mémoires ultra-haute densité mais aussi aux circuits embarqués. En empilant ces mémoires dans la troisième dimension au niveau des interconnections des circuits logiques CMOS, de nouvelles architectures hybrides et innovantes deviennent possibles. Il serait alors envisageable d'exploiter un fonctionnement à basse énergie, à haute vitesse d'écriture/lecture et de haute performance telles que l'endurance et la rétention. Dans cette thèse, en se concentrant sur les aspects de la technologie de mémoire en vue de développer de nouvelles architectures, l'introduction d'une fonctionnalité non-volatile au niveau logique est démontrée par trois circuits hybrides: commutateurs de routage non volatiles dans un Field Programmable Gate Arrays, un 6T-SRAM non volatile, et les neurones stochastiques pour un réseau neuronal. Pour améliorer les solutions existantes, les limitations de la performances des dispositifs mémoires sont identifiés et résolus avec des nouveaux empilements ou en fournissant des défauts de circuits tolérants.

Actuellement, l'étude et le développement d'oxydes à commutation de résistance pour des dispositifs mémoires (Resistive RAM, ou ReRAM) constituent un domaine d'activité intense sur le plan international. Les ReRAMs sont des structures MIM (Métal-Isolant-Métal) dont la résistance peut être modulée par l’application d’une tension. A ce jour, les mécanismes qui régissent la transition de résistance dans les dispositfs ReRAM sont toujours l’objet de débats. Le travail développé dans cette thèse représente une contribution au développement des mémoires ReRAM à base de HfO2. Nous nous intéressons plus particulièrement aux ReRAMs « à pont conducteur » (Conducting Bridge RAM, ou CBRAM) pour lesquelles la transition de résistance est provoquée par la diffusion du métal d’anode. Nous cherchons à améliorer la compréhension des phénomènes qui contrôlent le passage d’un état isolant à un état conducteur. Dans ce cadre, notre travail se focalise sur l’influence des métaux d'électrodes. Le rôle de l’anode et de la cathode sont précisés. Un modèle qualitatif est présenté permettant d’expliquer la commutation de résistance. Nous discutons également des mécanismes de conduction dans l’état de faible résistance. Enfin, l’impact de la structure de l’oxyde est étudié. / The Resistive Random Access Memory (ReRAM) technology is attracting growing interest as a potential candidate for the next generation of nonvolatile memories. ReRAMs are MIM (Metal-Insulator-Metal) devices whose resistance can be tuned by voltage bias. Today the physical mechanisms at the origin of resistance switching are not yet fully understood and are still under debate. In the present work, we are interested in HfO2-based ReRAMs, with a focus on Conducting Bridge RAM (CBRAM) devices in which resistance transition is ascribed to anode metal diffusion. Our goal is to better identify phenomena which govern the high to low resistance transition. In this context, we study the impact of different metal electrodes. The role played by the anode and the cathode is elucidated. A qualitative model describing resistance transition is proposed. Conduction mechanisms in the low resistive state are also discussed. Finally, the impact of oxide structure is studied.

Les nouvelles approches de technologies mémoires permettront une intégration dite back-end, où les cellules élémentaires de stockage seront fabriquées lors des dernières étapes de réalisation à grande échelle du circuit. Ces approches innovantes sont souvent basées sur l'utilisation de matériaux actifs présentant deux états de résistance distincts. Le passage d'un état à l'autre est contrôlé en courant ou en tension donnant lieu à une caractéristique I-V hystérétique. Nos mémoires résistives sont composées d'argent en métal électrochimiquement actif et de sulfure amorphe agissant comme électrolyte. Leur fonctionnement repose sur la formation réversible et la dissolution d'un filament conducteur. Le potentiel d'application de ces nouveaux dispositifs n'est pas limité aux mémoires ultra-haute densité mais aussi aux circuits embarqués. En empilant ces mémoires dans la troisième dimension au niveau des interconnections des circuits logiques CMOS, de nouvelles architectures hybrides et innovantes deviennent possibles. Il serait alors envisageable d'exploiter un fonctionnement à basse énergie, à haute vitesse d'écriture/lecture et de haute performance telles que l'endurance et la rétention. Dans cette thèse, en se concentrant sur les aspects de la technologie de mémoire en vue de développer de nouvelles architectures, l'introduction d'une fonctionnalité non-volatile au niveau logique est démontrée par trois circuits hybrides: commutateurs de routage non volatiles dans un Field Programmable Gate Arrays, un 6T-SRAM non volatile, et les neurones stochastiques pour un réseau neuronal. Pour améliorer les solutions existantes, les limitations de la performances des dispositifs mémoires sont identifiés et résolus avec des nouveaux empilements ou en fournissant des défauts de circuits tolérants. / Novel approaches in the field of memory technology should enable backend integration, where individual storage nodes will be fabricated during the last fabrication steps of the VLSI circuit. In this case, memory operation is often based upon the use of active materials with resistive switching properties. A topology of resistive memory consists of silver as electrochemically active metal and amorphous sulfide acting as electrolyte and relies on the reversible formation and dissolution of a conductive filament. The application potential of these new memories is not limited to stand-alone (ultra-high density), but is also suitable for embedded applications. By stacking these memories in the third dimension at the interconnection level of CMOS logic, new ultra-scalable hybrid architectures becomes possible which exploit low energy operation, fast write/read access and high performance with respect to endurance and retention. In this thesis, focusing on memory technology aspects in view of developing new architectures, the introduction of non-volatile functionality at the logic level is demonstrated through three hybrid (CMOS logic ReRAM devices) circuits: nonvolatile routing switches in a Field Programmable Gate Array, nonvolatile 6T-SRAMs, and stochastic neurons of an hardware neural network. To be competitive or even improve existing solutions, limitations on the memory devices performances are identified and solved by stack engineering of CBRAM devices or providing faults tolerant circuits.

Cette thèse s'inscrit dans le contexte de l'étude des circuits neuromorphiques utilisant des dispositifs memristifs comme synapses. Son objectif principal est d'évaluer les mérites d'une nouvelle classe de mémoires organiques développées au LICSEN (CEA Saclay/IRAMIS) et, plus particulièrement, leur adéquation avec les propositions d'implémentation et les règles d'apprentissage proposées par l'équipe NanoArchi de l'IEF (Univ. Paris-Sud, Orsay). Les memristors étudiés sont basés sur l'electro-greffage en films minces de complexes organiques redox pour la formation de jonctions métal/molécules/métal robustes et scalables. Outre la fabrication de memristors, le travail inclut d'importants efforts de caractérisation électrique (vitesse, non-volatilité, scalabilité, robustesse, etc.) visant d'une part à étudier les mécanismes de commutation dans ces nouveaux matériaux memristifs organiques, et d'autres part, à évaluer leur potentiel en tant que synapses. Cette thèse présente également une étude préparatoire à la réalisation d'un démonstrateur de circuit mixte de type réseaux de neurones combinant nano-memristors et électronique conventionnelle (programmabilité des dispositifs en mode impulsionnel, réalisation d'assemblées de dispositifs, variabilité). De plus, la démonstration de la compatibilité de ces memristors avec la propriété STDP (Spike Timing Dependent Plasticity) ainsi que de l’apprentissage d’un « réflexe conditionné » ouvrent la voie aux apprentissages non-supervisés. / This PhD project takes place in the context of the study of neuromorphic circuits using memristor devices as synapses. The main objective is to evaluate a new class of organic memories developed at LICSEN (CEA Saclay/IRAMIS) and particularly their compatibility with the learning rules and the implementation strategy proposed by the Nanoarchi group at IEF (Univ. Paris-Sud, Orsay). These new memristors are based on the electro-grafting of organic redox complexes thin films to form robust and scalable metal/molecules/metal junctions. In addition to memristor fabrication, this work includes detailed electrical characterization studies (speed, retention property, scalability, robustness, etc.) aiming at, on the one hand, establishing the commutation mechanism in these new memristors and, on the other hand, evaluating their potential as synapses. This work also proposes a preparatory study of a neural-network type mixed-circuit demonstrator combining nano-memristors and conventional electronic (programmability of devices by spikes, fabrication of assemblies of memristors, variability). Moreover the demonstration of the compatibility of such memristors with the STDP (Spike Timing Dependent Plasticity) property and of the learning of a “conditioned reflex” opens the way to future unsupervised learning studies.

Le numérique prend une place de plus en plus importante dans la vie de tous les jours et les quantités de données échangées explosent ce qui impose de développer des mémoires de plus en plus performantes, enjeu majeur du secteur de la microélectronique. Parmi les mémoires non-volatiles émergentes, les mémoires OxRRAM à base d'oxyde résistif sont particulièrement attrayantes et représentent un candidat potentiel au remplacement des mémoires FLASH (compatibles avec la technologie CMOS, faibles tensions de programmation). Leur structure est simple (Métal-Isolant-Métal) et leur fonctionnement est basé sur une commutation de résistance sous l'effet d'un champ électrique. Si le mécanisme de formation/dissolution d'un filament conducteur de taille nanométrique est reconnu par la communauté, un débat subsiste encore sur la nature et les caractéristiques du/des filaments dans le cas de l'oxyde HfO2 (lacunes d'oxygène, élément métallique). En nous appuyant sur des méthodes de la microscopie électronique en transmission - STEM-HAADF et STEM-EELS - cette thèse apporte des éléments de compréhension par rapport aux modifications d'état physico-chimique qui s'opèrent lors des différentes étapes du fonctionnement d'une mémoire (FORMING, RESET) et ceci à l'échelle nanométrique définie par la taille du filament conducteur. L'empilement TiN/Ti/HfO2/TiN, préparé selon les procédés de la microélectronique, a été intégré dans différentes architectures (1R, 1T1R) avec une électrode supérieure structurée (50 à 200 nm) pour confiner la zone de conduction dans un volume fini compatible avec la MET puis polarisé selon différentes méthodes (C-AFM, banc de mesure et TEM in-situ). Lorsque les effets thermiques sont contrôlés, l'analyse des cartographies chimiques élémentaires montre que le titane de l'électrode supérieure participe au mécanisme de commutation (migration localisée dans la couche HfO2) en plus de la déplétion en oxygène à l'interface HfO2/électrode inférieure et probablement aux joints de grains dans HfO2. / Digital technology is invading our day life and the amount of data is exploding. This implies to develop memories which perform better and better. This is a major issue in microelectronics. Among non-volatile memories, Oxide based resistive RAM are particularly attractive (compatible with CMOS technology, low programming voltage) and are considered as promising candidate for replacing FLASH memories. The stack is simple (M-I-M) and the switching is based on resistance changes under an applied electrical stress. If forming and breaking a nanometer-sized conductive area is commonly accepted as the physical phenomenon involved in the switching mechanism, a debate remains about the nature and the characteristics of the filamentary area (oxygen vacancies, metallic element). Based on transmission electron microscopy methods - STEM-HAADF and STEM-EELS - this thesis work provides, at the scale of the filament (nm), a further understanding about the physico-chemical modifications of the memory cell induced by the operating step (FORMING, RESET). The TiN/Ti/HfO2/TiN stack, processed with microelectronic techniques, was incorporated into different architectures (1R, 1T1R) with a shaped top electrode (diameter 50 to 200 nm) to confine the filament in a volume compatible with TEM and then biased with different methods (C-AFM, measuring bench, in-situ TEM). When thermal effects are under control, the analysis of the EELS elementary maps shows that titanium from the top electrode plays a role in the switching mechanism (local migration in the HfO2 layer) in addition to the oxygen depletion at the HfO2/bottom electrode interface and probably at grain boundaries in HfO2.

En raison de leur faible consommation d'énergie, les mémoires non volatiles (MNV) sont En raison de leur faible consommation d'énergie, les mémoires non-volatiles sont particulièrement intéressantes pour l'électronique portative (clé USB, téléphone, ordinateur portable ...). Les mémoires Flash, qui dominent le marché, atteignent leurs limites physiques et doivent être remplacées. L'introduction de nouveaux matériaux et architectures mémoire est proposée. Les mémoires OxRRAM (Oxide Resistive Random Access Memory) sont des candidats potentiels. Il s'agit de structures M-O-M (Métal-Oxyde-Métal). Le stockage de l'information est basé sur la modulation de la résistance de l'oxyde à l'application d'un champ électrique ou d'un courant. Une meilleure compréhension du mécanisme de changement de résistance de ces dispositifs est nécessaire pour contrôler leurs performances. Nous nous intéressons au claquage diélectrique de l'oxyde, qui initie le mécanisme de changement de résistance. Les mesures physico-chimiques à l'échelle nanométrique sont indispensables à sa compréhension et font défaut dans la littérature. Dans cette thèse, nous proposons des mesures physico-chimiques, des mesures électriques et des méthodes de préparation d'échantillon adaptées. Les oxydes de nickel et d'hafnium sont investigués. En plus de la dégradation électrique (chute de résistance), les modifications de ces deux oxydes sont investiguées à trois niveaux : la composition chimique, la morphologie et la structure électronique. Mots-clés : mémoire résistive, mécanisme de changement de résistance, claquage diélectrique, NiO, HfO2, spectroscopie de photoélectrons, microscopie électronique en transmission, microscopie à forme atomique, lacunes d'oxygène.

En raison de leur faible consommation d'énergie, les mémoires non volatiles (MNV) sont En raison de leur faible consommation d'énergie, les mémoires non-volatiles sont particulièrement intéressantes pour l'électronique portative (clé USB, téléphone, ordinateur portable …). Les mémoires Flash, qui dominent le marché, atteignent leurs limites physiques et doivent être remplacées. L'introduction de nouveaux matériaux et architectures mémoire est proposée. Les mémoires OxRRAM (Oxide Resistive Random Access Memory) sont des candidats potentiels. Il s'agit de structures M-O-M (Métal-Oxyde-Métal). Le stockage de l'information est basé sur la modulation de la résistance de l'oxyde à l'application d'un champ électrique ou d'un courant. Une meilleure compréhension du mécanisme de changement de résistance de ces dispositifs est nécessaire pour contrôler leurs performances. Nous nous intéressons au claquage diélectrique de l'oxyde, qui initie le mécanisme de changement de résistance. Les mesures physico-chimiques à l'échelle nanométrique sont indispensables à sa compréhension et font défaut dans la littérature. Dans cette thèse, nous proposons des mesures physico-chimiques, des mesures électriques et des méthodes de préparation d'échantillon adaptées. Les oxydes de nickel et d'hafnium sont investigués. En plus de la dégradation électrique (chute de résistance), les modifications de ces deux oxydes sont investiguées à trois niveaux : la composition chimique, la morphologie et la structure électronique. Mots-clés : mémoire résistive, mécanisme de changement de résistance, claquage diélectrique, NiO, HfO2, spectroscopie de photoélectrons, microscopie électronique en transmission, microscopie à forme atomique, lacunes d'oxygène. / With low energy consumption, non-volatile memories are interesting for portative applications (USB, mobile phone, laptop …). The Flash memory technology is reaching its physical boundaries and needs to be replaced. New materials and architectures are currently investigated. Oxide Resistive Random Access Memory (OxRRAM) is considered as a good candidate. It is based on a M-O-M (Metal-Oxide-Metal) stack. The information is stored using an electric field or a current that modulates the resistance of the oxide. A better understanding of the resistance switching mechanism is required in order to control the performances of the devices. We investigate the dielectric breakdown that activates the resistance switching properties. Physico-chemical characterization at the nanoscale is required. In this work, we propose proper physico-chemical and electrical measurements. Sample preparation is also considered. Nickel and hafnium oxide are investigated. Besides the evolution of the electrical properties, we analyze the oxide modification at three levels : the chemical composition, the morphology and the electronic structure. Keywords : resistive memory, resistance switching mechanism, dielectric breakdown, NiO, HfO2, photoelectron spectroscopy, electronic transmission microscopy, atomic force microscopy, oxygen vacancies.

De nos jours, la conception des systèmes sur puce devient de plus en plus complexe, et requiert des densités de mémoire sans cesse grandissantes. Pour ce faire, une forte miniaturisation des nœuds technologiques s’opère. Les mémoires non-volatiles résistives, tels que les RRAM, PC-RAM ou MRAM se présentent comme des alternatives technologiques afin d'assurer à la fois une densité suffisante et des faibles contraintes en surface, en latence, et en consommation à l’échelle nanométrique. Cependant, la variabilité croissante de ces cellules mémoires ainsi que des circuits en périphérie, tels que des circuits de lecture, est un problème majeur à prendre en considération. Cette thèse consiste en une étude détaillée et une aide à la compréhension de la problématique de variabilité appliquée aux circuits de lecture pour mémoires résistives. Elle propose des solutions d’amélioration de la fiabilité de lecture de ces mémoires. Pour ce faire, diverses études ont été réalisées : revue générale des solutions existantes d’amélioration du rendement de lecture, au niveau circuit et système ; développement d’un modèle statistique évaluant la contribution à la marge de lecture de la variabilité de chaque composante du chemin de lecture de la mémoire résistive ; analyse, caractérisation, modélisation et optimisation de l’offset d’un amplificateur de lecture dynamique pour mémoires résistives ; proposition d’architecture d’amplificateur de lecture permettant un rapport signal à offset optimum. / Nowadays, Systems on chip (SoCs) conception is becoming more and more complex and demand an ever-increasing amount of memory capacity. This leads to aggressive bit cell technology scaling. Nonvolatile resistive memories (PC-RAM, RRAM, MRAM) are promising technologic alternatives to ensure both high density, low power consumption, low area and low latencies. However, scaling lead to significant memory cell and/or memory periphery variability. This thesis aims to address variability issues in read circuitries of resistive memories and propose solutions for read yield enhancement of these memories. To this end, several sub-studies were achieved: overall review of the existing solutions for read yield enhancement, at both circuit and system level; development of a statistical model evaluating the contributions to read margin of the variability of each component of the resistive memory sensing path; analysis, characterization modelling and optimization of the offset of one particular dynamic sense amplifier for resistive memories; proposal of a sense amplifier architecture that features an optimum signal to offset ratio.

Alors que les mémoires non-volatiles conventionnelles, telles que les mémoires flash à grille flottante, deviennent de plus en plus complexes à intégrer et souffrent de performances et d’une fiabilité de plus en plus réduite, les mémoires à variation de résistance (RRAM) telles que les OxRAM, CBRAM, MRAM ou PCM sont vues dans la communauté scientifique comme une alternative crédible. Cependant, les architectures de RRAM standard (telles que la 1Transistor-1RRAM) ne sont pas compétitives avec les mémoires flash sur le terrain de la densité. Ainsi, cette thèse se propose d’explorer le potentiel des architectures RRAM sans transistor que sont l’architecture Crosspoint et l’architecture VRRAM.Dans un premier temps, le positionnement des architectures Crosspoint et VRRAM dans la hiérarchie mémoire est étudié. De nouvelles problématiques, telles que les courant de sneakpath, la chute de tension dans les métaux ou la surface des circuits périphériques sont identifiées et modélisées. Dans un second temps, des solutions circuit répondant aux problématiques évoquées précédemment sont proposées. Finalement, cette thèse se propose d’explorer les opportunités ouvertes par l’utilisation de transistors innovants pour améliorer la densité ou les performances des architectures mémoires utilisant des RRAM. / While conventional non-volatiles memories, such as floating gate Flash memories, are becoming more and more difficult and costly to integrate and suffer of reduced performances and reliability, emerging resistive switching memories (RRAM), such as OxRAM, CBRAM, MRAM or PCM, are seen in the scientific community as a good way for tomorrow’s high-density memories. However, standard RRAM architectures (such as 1 Transistor-1 RRAM) are not competitive with flash technology in terms of density. Thereby, this thesis proposes to explore the opportunities opened by transistor-less RRAM architectures: Crosspoint and Vertical RRAM (VRRAM) architectures.First, the positioning of Crosspoint and VRRAM architectures in the memory hierarchy is studied. New constraints such as the sneakpath currents, the voltage drop through the metal lines or the periphery area overhead are identified and modeled. In a second time, circuit solutions answering to previously mentioned effects are proposed. Finally, this thesis proposes to explore new opportunities opened by the use of innovative transistors to improve the density or the performances of RRAM-based memory architectures.