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.

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.

Ces dix dernières années, les technologies de stockage non-volatile Flash ont joué un rôle majeur dans le développement des appareils électroniques mobiles et multimedia (MP3, Smartphone, clés USB, ordinateurs ultraportables…). Afin d’améliorer davantage les performances, augmenter les capacités et diminuer les coûts de fabrication, de nouvelles solutions technologiques sont aujourd’hui étudiées pour pouvoir compléter ou remplacer la technologie Flash. Citées par l’ITRS, les mémoires résistives polymères présentent des caractéristiques très prometteuses : procédés de fabrication à faible coût et possibilité d’intégration haute densité au dessus des niveaux d’interconnexions CMOS ou sur substrat souple. Ce travail de thèse a été consacré au développement et à l'étude des mémoires résistifs organiques à base de polymère de poly-méthyl-méthacrylate (PMMA) et de molécules de fullerènes (C60). Trois axes de recherche ont été menés en parallèle: le développement et la caractérisation physico-chimique de matériaux composites, l’intégration du matériau organique dans des structures de test spécifiques et la caractérisation détaillée du fonctionnement électrique des dispositifs et des performances mémoires. / Over the past decade, non-volatile Flash storage technologies have played a major role in the development of mobile electronics and multimedia (MP3, Smartphone, USB, ultraportable computers ...). To further enhance performances, increase the capacity and reduce manufacturing costs, new technological solutions are now studied to provide complementary solutions or replace Flash technology. Cited by ITRS, the polymer resistive memories present very promising characteristics: low cost processing and ability for integration at high densities above CMOS interconnections or on flexible substrate. This PhD specifically focused on the development and study of composite material made of Poly-Methyl-Methacrylate (PMMA) polymer resist doped with C60 fullerene molecules. Studies were carried out on three different axes in parallel: Composite materials development & characterization, integration of the organic material in specific test structure and advanced devices and finally detailed electrical characterization of memory cells and performances analysis.