Aujourd'hui, le marché des mémoires non-volatile est dominé par la technologie Flash. Cependant, cette technologie est en passe d'atteindre ses limites de miniaturisation. Ainsi, dans le but de poursuivre la réduction des dimensions, de nouveaux concepts mémoires sont explorés. Parmi les technologies émergentes, la mémoire résistive OxRRAM basée sur la commutation de résistance d’une structure Métal/Isolant/Métal, cette technologie présente des performances prometteuses, supporte une réduction de ses dimensions critiques et offre une bonne compatibilité avec les filières CMOS. Toutefois, cette technologie mémoire n'en est qu'au stade du développement et se heurte à une compréhension que partielle des mécanismes de commutation de résistance.Ce travail de thèse s'intègre dans ce contexte et vise à apporter une contribution supplémentaire au développement de cette technologie. La première partie est consacrée à la sélection du meilleur couple électrodes/matériau actif. A l’aide d’une analyse des caractéristiques électriques de commutation, l’empilement TiNHfO2Ti est retenu pour être intégré dans une structure 1T1R. Une seconde partie présente la caractérisation électrique avancée de l’architecture mémoire 1T1R. L'influence des différents paramètres de programmation est analysée et les performances électriques sont évaluées. La dernière partie apporte des éléments d'analyse et de compréhension sur les mécanismes de commutation de résistance. La mesure, en fonction de la température, des caractéristiques électriques de commutation a permis d'analyser l'influence de la température et du champ électrique sur les mécanismes physiques à l'origine du changement de résistance. / Today, non-volatile memory market is dominated by charge storage based technologies. However, this technology reaches his scaling limits and solutions to continue miniaturization meet important technological blocks. Thus, to continue scaling for advanced nodes, new non-volatile solutions are developed. Among them, oxide based resistive memories (OxRRAM) are intensively studied. Based on resistance switching of Metal/Isolator/Metal stack, this technology shows promising performances and scaling perspective but isn’t mature and still suffer from a lake of switching mechanism physical understanding.Results presented in this thesis aim to contribute to the development of OxRRAM technology. In a first part, an analysis of different materials constituting RRAM allow us to compare unipolar and bipolar switching modes and select the bipolar one that benefit from lower programming voltage and better performances. Then identified memory stack TiNHfO2Ti have been integrated in 1T1R structure in order to evaluate performances and limitation of this structure. Operating of 1T1R structure have been carefully studied and good endurance and retention performances are demonstrated. Finally, in the last part, thermal activation of switching characteristics have been studied in order to provide some understanding of the underling physical mechanisms. Reset operation is found to be triggered by local temperature while retention performances are dependent of Set temperature.

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.

Les limites rencontrées par les dernières générations de mémoires Flash et DRAM (Dynamic Random Access Memory) nécessitent la recherche de nouvelles variables physiques (autres que la charge et la tension), de nouveaux dispositifs ainsi que de nouvelles architectures de circuits. Plusieurs dispositifs à résistance variable sont très prometteurs. Parmi eux, les OxRRAMs (Oxide Resistive Random Access Memory) et les CBRAMs (Conductive Bridge Random Access Memory) sont de sérieux candidats pour la prochaine génération de mémoire dense. Ce travail se concentre donc sur le rôle des mémoires résistives (OxRRAM et CBRAM) dans les mémoires embarquées et plus particulièrement dans les FPGAs. Pour cela, nous avons développé un modèle compact, outil indispensable à la conception de circuits intégrés. Ensuite, nous avons conçus de nouveaux circuits non volatiles tels que des flips-flops (NVFF), des tables de correspondance (NVLUT), des commutateurs 2x2 ainsi que des SRAMs (NVSRAM). Ces structures ont finalement été simulées dans le cas d’un FPGA, afin de vérifier l’impact de celles-ci sur la surface, le délai ainsi que la puissance. Nous avons comparé les résultats pour un FPGA à base de NVLUTs utilisant une structure 1T-2R composée de CBRAMs par rapport à un FPGA plus classique utilisant des SRAMs. Nous réduisons ainsi la taille de 5%, la consommation de 18% et améliorons la vitesse de fonctionnement de 24%. La thèse aborde la modélisation compacte, la conception des circuits, et l’évaluation de systèmes incluant des mémoires résistives. / The grave challenges to future of traditional memories (flash and DRAM) at 1X nm regime has resulted in increased quest for new physical state variables (other than charge or voltage), new devices and architectures offering memory and logic functions beyond traditional transistors. Many thin film devices with resistance change phenomena have been extensively reported as ’promising candidates’. Among them, Ox- ide Resistive Memory (OxRRAM) and Conductive Bridge Resistive Memory (CBRAM) are leading contenders for the next generation high density memories. In this work, we focus on the role of Resistive Memories in embedded memories and their impact on FPGAs in particular. We begin with the discussion on the compact modeling of resistive memory devices for design enabling, we have designed novel circuits of non- volatile flip-flop (NVFF), non-volatile look-up table (NVLUT), non-volatile 2x2 switch and non-volatile SRAM (NVSRAM) using Resistive Memories. We simulated the impact of these design structures on the FPGA system assessing the performance parameters of area, delay and power. By using the novel 1T-2R memory element concept of CBRAMs in FPGAs to implement Look-up Tables (NVLUT), we would scale down the area impact by 5%, enhance speed by 24% and reduce the power by 18% compared to SRAM based FPGAs. The thesis addresses aspects of compact modeling, circuit design and system evaluation using resistive memories.

Depuis les premières mémoires à semi-conducteurs, les mémoires intégrées sur les circuits électroniques ont beaucoup évolué. Celles-ci deviennent de plus en plus petites sans pour autant conserver moins de données. Cependant, la technologie mémoire non-volatile la plus répandue, la Flash, fait face à des problèmes de miniaturisation et de consommation. Plusieurs solutions alternatives ont donc émergé pour remplacer la Flash, ou pour être intégrées dans les objets connectés. Dans quelques années, des milliards d’appareils échangeront des données parfois personnelles qui ont donc besoin d’être sécurisées. La technologie Flash a déjà été l’objet de nombreuses études, permettant de la rendre sécurisée. Néanmoins, rien n’a été fait en ce qui concerne les technologies mémoires émergentes. Cette thèse propose donc d’évaluer le caractère sécuritaire d’une de ces technologies, particulièrement prometteuse par ses performances : l’OxRRAM. Le premier chapitre de ce manuscrit fera l’état de l’art des différents types de mémoires existant ainsi que des moyens utilisés pour évaluer la sécurité d’une technologie mémoire.Cela a permis de réaliser une première approche d’attaque sur un circuit embarquant de l’OxRRAM, mais les résultats montrent que des études plus fines sont nécessaires pour parvenir à comprendre de quoi il en retourne. Les chapitres 3 et 4 montrent les différentes vulnérabilités obtenues dans des cellules mémoires OxRRAM grâce à différent types d’attaques LASER.La source de ces vulnérabilités a également été identifiée, ce qui a permis par la suite de proposer des premières pistes de contre-mesures afin de protéger les circuits devant embarquer ce type de mémoires. / The first semi-conductor memories appeared in the 1960s. Since then,memories that are embedded on integrated circuits have evolved significantly. An important downsizing of these memories has been performed and they are still able to store more and more data. However, Flash technology-which is the most spread NVM technology nowadays - is facing scaling and power consumption issues. Numerous alternative solutions have emerged (emerging technologies) to replace Flash or to be integrated in smart objects, whose one of the main features is low power consumption. In the years to come, billions of devices connected to each other will exchange personal data that need to be secured. Flash technology has already been the subject of many studies, allowing it to be considered secured. Nevertheless, nothing has been performed yet on emerging NVM.This thesis proposes an evaluation of the secure character of one of these technologies, whose performances are promising: OxRAM. The first chapter of this manuscript deals with the state of the art of the different kind of existing memory technologies. It lists the different means that can be used to assess the security of a memory technology. This allowed to experiment attacks on an integrated circuit which embeds OxRAM. However, the results showed that more accurate studies are necessary to understand the observed effects. Chapters 3 and 4 will then demonstrate the vulnerabilities noticed on OxRAM memory cells through different LASER attacks. The source of these vulnerabilities has also been investigated, which allowed to propose tracks for countermeasures in order to protect integrated circuits that are to embed such memories.

Cette thèse porte principalement sur la caractérisation électrique et la modélisation physique d'éléments mémoires émergents de type OxRRAM (Oxide Resistive Random Access Memory) intégrant soit un oxyde de nickel, soit un oxyde de hafnium. Une fois la maturité technologique atteinte, ce concept de mémoire est susceptible de remplacer la technologie Flash qui fait encore figure de référence. Les principaux avantages de la technologie OxRRAM reposent sur une très bonne compatibilité avec les filières CMOS, un faible nombre d'étapes de fabrication, une grande densité d'intégration et des performances attractives en termes de fonctionnement. Le premier objectif de ce travail concerne le diélectrique employé dans les cellules. Il s'agit d'apporter des éléments factuels permettant d'orienter un choix technologique sur la méthode d'élaboration de l'oxyde de nickel (oxydation thermique ou pulvérisation cathodique réactive) puis d'évaluer les performances de cellules à base d'oyxde de hafnium. Le second objectif est d'approfondir la compréhension des mécanismes physiques responsables du changement de résistance des dispositifs mémoire par une approche de modélisation physique des phénomènes opérant lors des phases d'écriture et d'effacement, sujet encore largement débattu dans la communauté scientifique. Le troisième objectif de cette thèse est d'évaluer, par le biais de caractérisations électriques, les phénomènes parasites intervenant dans les éléments mémoires de type 1R (élément résistif sans dispositif d'adressage) et, en particulier, la décharge capacitive apparaissant lors de leur programmation (opérations d'écriture). / This work is focused on the electrical characterization and physical modeling of emerging OxRRAM memories (Oxide Resistive Random Access Memory) integrating nickel or hafnium oxide. After reaching maturity, this memory concept is likely to replace the Flash technology which is still a standard in the CMOS industry. The main advantages of resistive memories technology is their good compatibility with CMOS processes, a small number of manufacturing steps, a high integration density and their attractive performances in terms of memory operation. The first objective of this thesis is to provide enough informations allowing to orientate the elaboration process of the active nickel oxide layer (thermal oxidation, reactive sputtering) then to compare the performances of the fabricated cells with devices featuring a hafnium oxide layer. The second objective is to understand the physical mechanisms responsible of the device resistance change. A physical model is proposed allowing to apprehend SET and RESET phenomenon in memory devices, subject which is still widely debated in the scientific community. The third objective of this thesis is to evaluate electrical parasitic phenomenon observed in 1R-type memory elements (resistive element without addressing device), in particular the parasitic capacitance appearing during cell programming (writing operation).

La microélectronique a montré une évolution rapide motivée par l'accroissement des performances et par l'abaissement des coûts. Le marché des mémoires est un domaine clé de ce secteur. L'enjeu majeur est d'accéder à la mémoire universelle qui remplacera toutes les autres en associant la densité et l'endurance "illimitée" des DRAM, la rapidité des SRAM et la non-volatilité des Flash. Nous nous sommes intéressés aux technologies MRAM et OxRRAM possédant l'avantage d'être, comme la technologie Flash, non volatile et compatible avec la technologie MOS. Elles promettent également, suivant l'architecture adoptée, d'être aussi rapides qu'une SRAM, aussi dense qu'une DRAM et avoir une endurance quasi-illimitée. Ces technologies reposent sur des concepts dans lesquels la discrimination des deux états du point mémoire est assurée par un changement de résistance. La première partie de cette thèse a été consacrée à la technologie MRAM et notamment à la fiabilité de l'oxyde tunnel intégré dans la jonction magnétique, élément de base des cellules mémoires MRAM. La seconde partie a été axée sur le développement et la compréhension des mécanismes physiques de programmation des mémoires OxRRAM intégrant un oxyde binaire NiO dans l'élément de mémorisation. Un accent particulier a été porté sur le développement d'une solution technologique simple dans son mode de fabrication et permettant d'aboutir à un empilement présentant des performances électriques conformes aux spécifications. Il est alors possible d'envisager l'intégration de l'oxyde de nickel dans des structures de très faibles dimensions et de viser une réduction substantielle de la taille de la cellule mémoire

Les mémoires résistives non volatiles à bases d'oxydes métalliques suscitent un intérêt croissant chez les industriels. Plus particulièrement, les mémoires non volatiles à base d'oxydes (OxRRAM) offrent des temps de programmation et d'accès très court, une faible consommation énergétique, un coût par bit très concurrentiel et une facilité de co-intégration dans le back-end avec du CMOS avancé. Ce travail de thèse a pour objectif le développement d'une mémoire OxRRAM facilement intégrable dans une technologie de fabrication CMOS avancée afin de montrer les avantages en vue de leur application dans des SoC. Une première étape fut la fabrication et l'analyse des cellules mémoires OxRRAM intégrant différents oxydes métalliques afin de choisir la solution la plus adaptée à être intégrée dans une technologie CMOS 65nm et 28nm. Des techniques de mesures dédiées ont été mises en place afin d'établir l'impact du diélectrique sur le fonctionnement de la mémoire OxRRAM en termes de polarisation, de temps de programmation, de courant de programmation et de mécanismes de transition. Des études statistiques et de fiabilité des différents états du point mémoire ont été aussi réalisées. La modélisation associée a permis de mieux comprendre les mécanismes de vieillissements et prédire des lois de durée de vie sous champ et en température des état écrit et effacé de la cellule OxRRAM. Les données expérimentales obtenues sur les cellules ont ensuite permis de concevoir et d'optimiser un circuit d'évaluation statistique de 16 Kbit en technologie CMOS 28nm en tenant compte de toutes les contraintes de design analogique. / Oxide-based Resistive Random Acces Memories (OxRRAM) are nowadays considered among the most promising solutions for future generation of low-cost embedded non-volatile memories. The advantages of these memories are the scalability, low power consumption, high speed, complementary metal oxide semiconductor technology (CMOS) compatibility and ease of fabrication (the memory cell consisting of a Metal–Insulator– Metal (MIM) structure integrated in the back-end-of-line, plus an addressing element, i.e. a transistor or a diode) . The potential applications range from consumer – communications to automotive – industrial. This work deals with the development of an OxRRAM demonstrator into an advanced CMOS technology for System on Chip (SoC) application. We discuss the impact of different dielectrics materials (Ta2O5, ZrO2 and HfO2) and electrodes (Pt, Ti, TiN) on the memory performances and reliability in order to choose the best couple dielectric/electrode. We focus on the understanding of the memory switching physics that is involved in the programming of OxRRAM bit-cells. The failure and transition mechanism are presented for lifetime prediction. Some methodologies are presented in this PhD thesis for the optimization of the OxRRAM bit-cell performances and sizes according to a targeted Mutliple Time Programmable (MTP) memory application. We developed analog block systems to control and address the OxRRAM bit-cell taking to account the bipolar switching characteristics of the devices. Finally, these solutions are to be validated using a 1-kb OxRRAM demonstrator yet designed and fabricated in a logic 28-nm node CMOS technology. Keywords: Oxide Resistive memory (OxRRAM), High-k, MIM, CMOS, Characterization, Reliability, Modeling, Analog Design, Simulation.

La gestion, la manipulation et le stockage de données sont aujourd’hui de réels challenges. Pour supporter cette réalité, le besoin de technologies mémoires plus efficaces, moins énergivores, moins coûteuses à fabriquer et plus denses que les technologies actuelles s’intensifie. Parmi les technologies mémoires émergentes se trouve la technologie mémoire résistive, dans laquelle l’information est stockée sous forme de résistance électrique au sein d’une couche d’oxyde entre deux électrodes conductrices. Le plus gros frein à l’émergence de tels dispositifs mémoires résistives en matrices passives à deux terminaux est l’existence d’importants courants de fuites (ou sneak paths) venant perturber l’adressage individuel de chaque point de la matrice. Les dispositifs complementary resistive switching (CRS), consistant en deux dispositifs OxRRAM agencés dos à dos, constituent une solution performante à ces courants de fuites et sont facilement intégrables dans le back-end-of-line (BEOL) de la technologie CMOS. Cette thèse a permis d’apporter la preuve de concept de la fabrication et de l’intégration de dispositifs CRS de façon 3D monolithique dans le BEOL du CMOS. / In our digital era, management, manipulation and data storage are real challenges. To support this reality the need for more efficient, less energy and money consuming memory technologies is drastically increasing. Among those emerging memory technologies we find the oxide resistive memory technology (OxRRAM), where the information is stored as the electrical resistance of a switching oxide in sandwich between two metallic electrodes. Resistive memories are really interested if used inside passive memory matrix. However the main drawback of this architecture remains related to sneak path currents occurring when addressing any point in the passive matrix. To face this problem complementary resistive switching devices (CRS), consisting in two OxRRAM back to back, have been proposed as efficient and costless BEOL CMOS compatible solution. This thesis brought the proof of concept of fabrication and 3D monolithic integration of CRS devices in CMOS BEOL.