À mesure que les technologies de l'information (IT) continuent de croître, les dispositifs mémoires doivent évoluer pour répondre aux exigences du marché informatique. De nos jours, de nouvelles technologies émergent et entrent sur le marché. La mémoire Resistive Random Access Memory (RRAM) fait partie de ces dispositifs émergents et offre de grands avantages en termes de consommation d'énergie, de performances, de densité et la possibilité d'être intégrés en back-end. Cependant, pour être compétitif, certains problèmes doivent encore être surmontés en particulier en ce qui concerne la variabilité, la fiabilité et la stabilité thermique de la technologie. Leur place sur le marché des mémoires est encore indéfinie. En outre, comme le principe de fonctionnement des RRAM dépend des matériaux utilisés et doit être observé à la résolution nanométrique, la compréhension du mécanisme de commutation est encore difficile. Cette thèse propose une analyse du principe de fonctionnement microscopique des CBRAM à base d'oxyde basé sur des résultats de caractérisation électrique et de simulation atomistique. Une interdépendance entre les performances électriques des RRAM et certains paramètres matériaux est étudiée, indiquant de nouveaux paramètres à prendre en compte pour atteindre les spécifications d'une application donnée. / As Information Technologies (IT) are still growing, memory devices need to evolve to answer IT market demands. Nowadays, new technologies are emerging and are entering the market. Resistive Random Access Memory (RRAM) are part of these emerging devices and offer great advantages in terms of power consumption, performances, density and the possibility to be integrated in the back end of line. However, to be competitive, some roadblocks still have to be overcome especially regarding technology variability, reliability and thermal stability. Their place on memory market is then still undefined. Moreover, as RRAM working principle depends on stack materials and has to be observed at nanometer resolution, switching mechanism understanding is still challenging. This thesis proposes an analysis of oxide-based CBRAM microscopic working principle based on electrical characterization results and atomistic simulation. Then, an interdependence between RRAM electrical performances as well as material parameters is studied to point out new parameters that can be taken into account to target specific memory applications.

La portabilité des mémoires Flash embarquées sur les nœuds CMOS technologiques avancés tel que le 28nm pose de nombreux problèmes de compatibilité avec les nouvelles étapes de fabrication telles que le diélectrique de grille haute permittivité, l’utilisation de grille métallique, les stresseurs et tenseurs utilisés pour piloter la performance du transistor élémentaire. L’ajout d’un dispositif à double grille classique tel que celui de la Flash apparait comme très couteux en termes de nombre de masques et d’étapes de fabrication additionnelles. De nombreuses alternatives ont vu le jour : les mémoires à changement de phase, les mémoires magnétiques et les mémoires resistives. Ce dernier type de mémoire est particulièrement attrayant pour une intégration en tant que mémoire « embarquée » sur technologie CMOS. Les matériaux utilisés (diélectrique à base d’oxyde métallique tel que le HfO₂ ou le Ta₂O₅) sont compatibles avec le procédé de fabrication CMOS comparés à ceux utilisés pour les mémoires magnétiques (risques de contamination). Les mémoires résistives sont par ailleurs basées sur une conduction filamentaire qui s’avère également particulièrement économe en énergie et adaptée aux faibles géométries quand elles sont comparées aux mémoires à changement de phase (changement d’état volumique du matériau). De nombreux industriels ont focalisé leurs efforts sur les matériaux de type HfO₂ et Ta₂O₅. Le sujet proposé fait suite à trois années de collaboration intensive entre ST Microelectronics et le CEA-LETI qui ont permis d’établir les bases d’un cellule mémoire de type Oxram fonctionnelle et facilement intégrable facilement sur une technologie CMOS. Il aura pour objectifs d’analyser les paramètres responsables des instabilités des états résistifs observés et de rechercher les différents moyens susceptibles de mieux contrôler la dispersion de ces états. Les études réalisées pourront porter sur les matériaux (diélectrique et électrodes), la technologie mise en œuvre, les conditions électriques de formation du filament [20]. La consolidation du choix du matériau et l’analyse des modes de défaillance et de la fiabilité du plan mémoire feront également partie du travail de cette première année. Ce travail sera orienté par les résultats statistiques obtenus par le biais de test à plus grande échelle (circuit de plusieurs Kbits). / Embedded Flash memories integration on advanced CMOS technological nodes such as the 28nm leads to serious compatibility problems with the new manufacturing steps such as the high-permittivity gate dielectric, the use of metal gate, etc. The addition of a conventional double-grid device such as the one for Flash appears to be very expensive in terms of number of masks and additional manufacturing steps. Many alternatives have emerged: phase change memories PCRAM, magnetic memories MRAM and resistive memories OxRAM. However, the high programming current of the PCRAM memories and the risks associated to the contamination of the materials used for the MRAM memories represent the weak points of these technologies. On the other hand, OxRAM memories are particularly attractive for integration as CMOS embedded memory. The materials used (metal oxide dielectric such as HfO₂ or Ta₂O₅) compatible with the CMOS manufacturing process and their low programming voltages due to filament conduction are an advantage for OxRAM memories.In this thesis, an in depth memory stack optimization is done to make up the OxRAM memory cell in order to be integrated into a matrix of memories. Thus, various top and bottom electrodes and various switching oxides have been studied in order to better control and improve the variability of the resistive states of the OxRAM memory cell. An evaluation of the reliability and the main memory performances in terms of Forming voltage, memory window, endurance and thermal stability were performed for each memory stack through electrical characterizations. These assessments highlighted efficient memory stacks which have been integrated into a 16Kb demonstrator. Finally, a study of the variability of the resistive states as well as their degradation mechanisms during the endurance and thermal stability were carried out through simples models and atomistic simulations (ab-initio calculations).

Les mémoires résistives à base d’oxyde OxRAM sont une technologie de mémoire non-volatile dite émergente, au même titre que les mémoires à changement de phase (PCRAM) ou les mémoires magnétorésistives (MRAM). A l’origine les OxRAM étaient très étudiées pour concurrencer les mémoires Flash, dont le fonctionnement est basé sur le stockage de charges dans une grille flottante. Cependant, avec l’avènement des technologies 3D-NAND, il semble très difficile pour les OxRAM d’atteindre les mêmes capacités de stockage que les flashs. Cependant, leur impressionnante vitesse de fonctionnement, bien supérieure à celle des NAND, et leur coût bien inférieur à celui des DRAM, leur permet de se situer à la frontière entre ces deux technologies, dans une catégorie qualifiée de « Storage Class Memory ». De plus, il s’agit d’une technologie dont l’intégration en Back-End-Of-Line, juste au-dessus des circuits CMOS, est très facile, ce qui la rend très attrayante. En revanche, les OxRAM sont connues pour présenter une forte variabilité, et cela représente le principal obstacle à leur démocratisation.Au cours de cette thèse, nous avons cherché à étudier en profondeur la dynamique de commutation résistive de mémoires OxRAM à base d’oxyde d’hafnium, avec une volonté de se concentrer sur des temps très courts, puisqu’ils représentent l’un des atouts majeurs de cette technologie. Pour cela, ces travaux de thèse se concentrent tout d’abord sur un aspect expérimental, de caractérisation électrique. Nous avons ainsi pu observer, avec un suivi dynamique, la commutation résistive des mémoires, sur des temps de l’ordre de la dizaine de nanoseconde, pour les opérations d’écriture et d’effacement, via la mise au point d’un banc de test entièrement dédié à cette tâche. Ensuite, nous avons analysé les impacts que la réduction du temps de pulse, ainsi que l’abaissement des courants et tensions mis en jeu, peuvent avoir sur la fiabilité des OxRAM, avec des mesures de variabilité. La seconde partie de ce travail de thèse est un travail de modélisation, avec la mise au point d’un modèle physique semi-analytique, dans le but de comprendre les mécanismes de commutation résistives. Après avoir comparé les résultats obtenus par notre modèle aux résultats expérimentaux précédents, nous avons cherché à appliquer notre modèle à des mesures de statistiques. Nous avons ainsi réalisé des tests électriques sur des matrices OxRAM, que nous avons tenté de reproduire avec le modèle. Enfin, nous avons étudié plus en profondeur le bruit à basse fréquence dans les OxRAM, qui constitue l’un des facteurs majeurs de dégradation de la fiabilité des OxRAM, tout en cherchant des pistes pour le diminuer. / Oxyde-based resistive memories OxRAM are a technology of emergent non-volatile memory, as phase-change memories (PCRAM) or magnetoresistive memories (MRAM). In the beginning OxRAM were very studied in order to compete with Flash memories, whose mechanism relies on the storage of electrical charges in a flotting gate. However, with the arising of 3D-NAND technology, it seems very difficult for OxRAM to reach the same storage capacities as Flash memories. But their impressive operating speed, far higher than NAND’s, and their cost far lower than DRAM’s, allow them to operate at the border of these two technologies, in a category called « Storage Class Memory ». Furthermore, the integration of OxRAM in the Back-End-Of-Line, just above CMOS circuits, makes this technology very attractive. On the other hand, OxRAM are known to have a very strong variability, which represents the main obstacle to their expansion.In this thesis, the dynamics of the resistive switching of hafnium oxyde based OxRAM has been investigated, with a desire to focus on very short times, as they are one of the main assets of this technology. To do so, our work first focuses on an experimental aspect, with electrical characterization. We were able to watch, with a dynamical monitoring, the resistive switching of the memories, at the scale of the dozen of nanoseconds, for writing and erasing operations, thanks to an entirely dedicated set-up. Then, the impacts that the time reduction, and the lowering of the voltage and current, can have on the reliability of OxRAM, were analysed, with variability measurements. The second part of this work concerns modelisation, with the elaboration of a physics-based, semi-analytical model, in order to understand the switching mechanisms. After the comparison of the results obtained by our model with the experimental ones, our model has been applied to statistical measurements. Electrical tests on OxRAM arrays have been performed, and fitted by the model. Finally, the low frequency noise (RTN) in OxRAM has been studied, as it stands as one of the main factors of degradation of OxRAM reliability. Ideas to improve the robustness of OxRAM against RTN are suggested.

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.

Le cerveau humain est composé d’un grand nombre de réseaux neuraux interconnectés, dont les neurones et les synapses en sont les briques constitutives. Caractérisé par une faible consommation de puissance, de quelques Watts seulement, le cerveau humain est capable d’accomplir des tâches qui sont inaccessibles aux systèmes de calcul actuels, basés sur une architecture de type Von Neumann. La conception de systèmes neuromorphiques vise à réaliser une nouvelle génération de systèmes de calcul qui ne soit pas de type Von Neumann. L’utilisation de mémoire non-volatile innovantes en tant que synapses artificielles, pour application aux systèmes neuromorphiques, est donc étudiée dans cette thèse. Deux types de technologies de mémoires sont examinés : les mémoires à changement de phase (Phase-Change Memory, PCM) et les mémoires résistives à base d’oxyde (Oxide-based resistive Random Access Memory, OxRAM). L’utilisation des dispositifs PCM en tant que synapses de type binaire et probabiliste est étudiée pour l’extraction de motifs visuels complexes, en évaluant l’impact des conditions de programmation sur la consommation de puissance au niveau du système. Une nouvelle stratégie de programmation, qui permet de réduire l’impact du problème de la dérive de la résistance des dispositifs PCM est ensuite proposée. Il est démontré qu’en utilisant des dispositifs de tailles réduites, il est possible de diminuer la consommation énergétique du système. La variabilité des dispositifs OxRAM est ensuite évaluée expérimentalement par caractérisation électrique, en utilisant des méthodes statistiques, à la fois sur des dispositifs isolés et dans une matrice complète de mémoire. Un modèle qui permets de reproduire la variabilité depuis le niveau faiblement résistif jusqu’au niveau hautement résistif est ainsi développé. Une architecture de réseau de neurones de type convolutionnel est ensuite proposée sur la base de ces travaux éxperimentaux. La tolérance du circuit neuromorphique à la variabilité des OxRAM est enfin démontrée grâce à des tâches de reconnaissance de motifs visuels complexes, comme par exemple des caractères manuscrits ou des panneaux de signalisations routières. / The human brain is made of a large number of interconnected neural networks which are composed of neurons and synapses. With a low power consumption of only few Watts, the human brain is able to perform computational tasks that are out of reach for today’s computers, which are based on the Von Neumann architecture. Neuromorphic hardware design, taking inspiration from the human brain, aims to implement the next generation, non-Von Neumann computing systems. In this thesis, emerging non-volatile memory devices, specifically Phase-Change Memory (PCM) and Oxide-based resistive memory (OxRAM) devices, are studied as artificial synapses in neuromorphic systems. The use of PCM devices as binary probabilistic synapses is studied for complex visual pattern extraction applications, evaluating the impact of the PCM programming conditions on the system-level power consumption.A programming strategy is proposed to mitigate the impact of PCM resistance drift. It is shown that, using scaled devices, it is possible to reduce the synaptic power consumption. The OxRAM resistance variability is evaluated experimentally through electrical characterization, gathering statistics on both single memory cells and at array level. A model that allows to reproduce OxRAM variability from low to high resistance state is developed. An OxRAM-based convolutional neural network architecture is then proposed on the basis of this experimental work. By implementing the computation of convolution directly in memory, the Von Neumann bottleneck is avoided. Robustness to OxRAM variability is demonstrated with complex visual pattern recognition tasks such as handwritten characters and traffic signs recognition.

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.

Les mémoires non volatiles intégrées représentent une part importante du marché des semi-conducteurs. Bien qu'il s'adresse à de nombreuses applications différentes, ce type de mémoire fait face à des problèmes pour poursuivre la réduction continue de la résolution des technologies CMOS. En effet, l'introduction récente de high-k et de métal pour la grille des transistors menace la compétitivité de la solution Flash. En conséquence, de nombreuses solutions émergentes sont étudiées. L'Antifuse dans le cadre des mémoires OTP est utilisée pour l'identification de puces, la configuration de circuits, la réparation de système ou le stockage de données sécurisées. La programmation Antifuse repose sur la dégradation de l'oxyde de grille de son condensateur sous haute tension. Des travaux antérieurs ont déjà apporté quelques connaissances sur les mécanismes physiques impliqués sur des technologies à oxyde de grille SiO2. De nouveaux défis découlent de l'introduction des nouveaux matériaux de grille. Un examen complet est nécessaire sur les mécanismes de dégradation des oxydes impliqués dans la programmation Antifuse. L'utilisation intensive de la haute tension suggère également d'étendre notre connaissance sur la fiabilité dans cette gamme de tension. Les états pré et post-claquage de l'oxyde de grille sous des mécanismes à haute tension sont donc étudiés dans ce manuscrit se concentrant sur les technologies CMOS les plus avancées. Une loi en puissance type TDDB a été étendue vers les hautes tensions pour être utilisée comme un modèle de temps de programmation Antifuse. L'extension de la fiabilité TDDB nous donne également un élément clé pour modéliser la durée de vie du transistor de sélection. Des paramètres de programmation tels que l'amplitude de la tension, la compliance du courant ou la température sont également étudiés et leur impact sur le rendement en courant de lecture est abordé. Cette étude nous permet de rétrécir agressivement la surface globale de la cellule sans perte de performance ni de dégradation de la fiabilité. Un processus de caractérisation Antifuse est proposé pour être retravaillé et un modèle de programmation de tension-température-dépendante est inventé. Ce manuscrit a également mis l'accent sur la modélisation de courant de cellule programmée comme la fuite d’un oxyde de grille post-claquage. Un modèle compact MOSFET dégradé est proposé et comparé à l'état de l’art. Un bon accord est trouvé pour s'adapter à la large gamme de caractérisations I (V) de la cellule programmée. L'activation de ce modèle dans un environnement de design nous a permis de simuler la dispersion des distributions de courants de cellules programmées au niveau de la taille du produit à l'aide de runs Monte-Carlo. Enfin, cette thèse s'achève autour d'une étude d'investigation OxRAM comme une solution émergente. En combinant le dispositif Antifuse avec le mécanisme de commutation résistif de l'OxRAM, une solution hybride est proposée en perspective. / Embedded Non Volatile Memories represent a significant part of the semiconductor market. While it addresses many different applications, this type of memory faces issues to keep the CMOS scaling down roadmap. Indeed, the recent introduction of high-k and metal for the CMOS gate is threatening the Flash’s competitiveness. As a consequence many emerging solutions are being. The Antifuse as part of the OTP memories is fully CMOS compliant, Antifuse memories are used for Chip ID, chip configuration, system repairing or secured data storage to say the least. The Antifuse programming relies on the gate oxide breakdown of its capacitor under high voltage. Previous work already brought some knowledge about the physical mechanisms involved but mainly on SiO2 gate oxide technologies. New challenges arise from the introduction of the new gate materials. A full review is needed about the oxide breakdown mechanisms involved in the Antifuse programming. The extensive use of high voltage also suggests to extend our knowledge about reliability within this voltage range. Pre and post gate oxide breakdown under high voltage mechanisms are then deeply investigated in this manuscript focusing on the most advanced CMOS technologies. Fowler Nordheim Tunneling has been confirmed as the main mechanism responsible for the gate oxide leakage conduction under high voltage during the wearout phase even-though defect contribution has been evidenced to mainly contribute under low voltage , e.g. the virgin Antifuse leakage current. A TDDB based power law has been extended toward high voltage to be used as a robust Antifuse programming time model. Extending the TDDB reliability under high electric field also gives us key element to model the selection MOSFET time to failure. Programming parameters such as voltage amplitude, current compliance or temperature are also investigated and their impact on the Read Current Yield are tackled. This study allows us to aggressively shrink the bitcell overall area without losing performance nor degrading the reliability. This study also reveals a worst case scenario for the programming parameters when temperature is very low. As a consequence, the early Antifuse characterization process is proposed to be rework and a programming voltage-temperature-dependent solution is invented. This manuscript also focused on the Antifuse programmed cell current modeling as gate oxide post-breakdown conduction. A remaining MOSFET compact model is proposed and compared to the state of the art. Good agreement is found to fit the wide range of read current. Enabling this model within a CAD environment has allowed us to simulate the Read Current Yield dispersion at product size level using Monte-Carlo runs. Finally, this thesis wraps up around an OxRAM investigation study as a serious emerging eNVM solution. Combining the Antifuse device with the resistive switching mechanism of the OxRAM, a hybrid solution is proposed as a perspective.

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