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 non-volatiles sont devenues récemment un moteur clé de la croissance du secteur des semiconducteurs, et constituent un pivot pour les nouvelles applications et les nouveaux concepts dans le domaine des technologies de l'information et de la communication (TIC). Afin de surmonter les limites en termes de miniaturisation, de consommation électrique et de complexité de fabrication des mémoires non-volatiles à grille flottante (FLASH), l'industrie des semiconducteurs évalue actuellement des solutions alternatives. Parmi celles-ci, les mémoires résistives à pont conducteur ou CBRAM (Conductive Bridge Random Access Memory), qui reposent sur la commutation de résistance d'un électrolyte par migration et oxydo/réduction d'ions métalliques, semblent être des plus prometteuses. L'attractivité de cette technologie innovante vient d'une part de la simplicité de sa structure à deux terminaux et d'autre part de ses performances électriques très prometteuses en termes de consommation électrique et vitesse d'écriture/effacement. De surcroît la CBRAM is une technology mémoire qui s'intègre facilement dans le back end of line (BEOL) du procédé CMOS standard. Dans cette thèse, nous étudions les performances électriques et la fiabilité de deux technologies CBRAM, utilisant des chalcogénures (GeS2) ou un oxyde métallique pour l'électrolyte. Tout d'abord nous nous concentrons sur les CBRAM à base de GeS2, ou l'effet du dopage de l'électrolyte avec de l'argent (Ag) ou de l'antimoine (Sb) est étudié à la lumière d'une analyse des caractérisations électriques. Les mécanismes physiques gouvernant la cinétique de commutation et la stabilité thermique sont aussi discutés sur la base de mesures électrique, d'un modèle empirique et des résultats de calculs ab initio. L'influence des différentes conditions de set/reset est étudiée sur une CBRAM à base d'oxyde métallique. Grâce à cette analyse, les conditions permettant de maximiser la fenêtre mémoire, améliorer l'endurance et minimiser la variabilité sont déterminées. / Non-volatile memory technology has recently become the key driver for growth in the semiconductor business, and an enabler for new applications and concepts in the field of information and communication technologies (ICT). In order to overcome the limitations in terms of scalability, power consumption and fabrication complexity of Flash memory, semiconductor industry is currently assessing alternative solutions. Among them, Conductive Bridge Memories (CBRAM) rely on the resistance switching of a solid electrolyte induced by the migration and redox reactions of metallic ions. This technology is appealing due to its simple two-terminal structure, and its promising performances in terms of low power consumption, program/erase speed. Furthermore, the CBRAM is a memory technology that can be easily integrated with standard CMOS technology in the back end of line (BEOL). In this work we study the electrical performances and reliability of two different CBRAM technologies, specifically using chalcogenides (GeS2) and metal oxide as electrolyte. We first focus on GeS2-based CBRAM, where the effect of doping with Ag and Sb of GeS2 electrolyte is extensively investigated through electrical characterization analysis. The physical mechanisms governing the switching kinetics and the thermal stability are also addressed by means of electrical measurements, empirical model and 1st principle calculations. The influence of the different set/reset programming conditions is studied on a metal oxide based CBRAM technology. Based on this analysis, the programming conditions able to maximize the memory window, improve the endurance and minimize the variability are determined.

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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.

La mémoire Flash est célèbre dans le domaine des mémoires non volatiles ; elle est actuellement extrêmement utilisée pour le stockage des données numériques dans presque tous type d'appareil électronique nomade (ordinateur portable, téléphone mobile, tablette, …). Pour dépasser ses limites actuelles (densité d'informations, rapidité d'accès, endurance), un grand nombre de recherches se développent, explorant notamment le concept de mémoires résistives (Re-RAM), qui repose sur la commutation entre deux états de résistance (ou plus) via l'application d'une tension. Les mémoires Re-RAM dont la variation de résistance dépend de réactions électrochimiques sont potentiellement de bonnes candidates ; les mécanismes d'oxydo-réduction impliqués sont cependant souvent de type filamentaire, mettant notamment en jeu des migrations de cations d’éléments métalliques (provenant des électrodes), ou de lacunes d’oxygène. Ce caractère filamentaire rend difficilement atteignable la miniaturisation extrême, à l’échelle nanométrique.Dans ce but, une classe de matériaux complètement différente -utilisée dans le domaine du stockage d'énergie- est explorée. L’objectif de cette thèse est ainsi d’approfondir l’étude des phénomènes de commutation de résistance observés sur des films de LixCoO2. Nous caractérisons d'abord les propriétés structurales et électriques, à l'échelle nanométrique, de tels films déposés sur divers types de substrats. Nous cherchons ensuite à déterminer les mécanismes électrochimiques à l’origine des modifications : celles-ci vont en effet en sens inverse pour un même signe de tension, selon que l’on se trouve dans la configuration d’un contact nanométrique pointe AFM/film, ou dans la configuration d’un contact micrométrique électrode/film/électrode. Dans la première configuration nous déterminons les réactions électrochimiques impliquées. Dans la deuxième, nous proposons un mécanisme radicalement différent, corroboré par plusieurs résultats convergents. Enfin, nous exposons de premiers résultats prometteurs, relatifs à l’applicabilité potentielle de ces films aux mémoires Re-RAM, et au-delà, aux circuits neuromorphiques (états multiples de résistance – phénomènes d'additivité). / Flash memory has been famous in the field of non-volatile memory; currently it is extremely used for digital data storage in almost type of mobile electronic device (laptop, mobile phone, tablet ...). To overcome its current limitations (information density, access speed, endurance), a large number of research develop, especially exploring the concept of resistive memory (Re- RAM), which is based on switching between two resistance states (or more) via the application of a voltage.The Re-RAM whose resistance change depends on electrochemical reactions are potentially good candidates; the involved redox mechanisms are often, with particular cations migration of metal elements (between the electrodes), or oxygen deficiencies. This filamentary nature makes difficult to achieve extreme miniaturization at the nanoscale.For this purpose, a completely different class of materials - used in the field of energy storage - is explored. The objective of this thesis is thus to deepen the study of resistance switching phenomena observed in films LixCoO2. We first characterize the structural and electrical properties at the nanoscale, such films deposited on various types of substrates. We then seek to determine the electrochemical mechanisms underlying modification: they are in effect in reverse for the same sign of potential, as it is in the configuration of a contact nanoscale AFM tip / film, or in the configuration of a micrometer contact electrode / film / electrode. In the first configuration we determine the electrochemical reactions involved. In the second, we propose a radically different mechanism, supported by several converging results. Finally, we present promising first results regarding the potential applicability of these films to Re - RAM, and beyond, the neuromorphic circuits (multiple resistance states - additivity phenomena).

La mémoire NAND Flash représente une part importante dans le marché des circuits intégrés et a bénéficié de la traditionnelle miniaturisation de l’industrie des sémiconducteurs lui permettant un niveau d’intégration élevé. Toutefois, cette miniaturisation semble poser des sérieux problèmes au-delà du noeud 22 nm. Dans un souci de dépasser cette limite, des solutions mémoires alternatives sont proposées parmi lesquelles la mémoire résistive (RRAM) se pose comme un sérieux candidat pour le remplacement de NAND Flash. Ainsi, dans cette thèse nous essayons de répondre à des nombreuses questions ouvertes sur les dispositifs RRAM à base d’oxyde d’hafnium (HfO2) en particulier en adressant le manque de compréhension physique détaillée sur leur fonctionnement et leur fiabilité. L’impact de la réduction de taille des RRAM, le rôle des électrodes et le processus de formation et de diffusion des défauts sont étudiés. L’impact de l’alliage/dopage de HfO2 avec d’autres matériaux pour l’optimisation des RRAM est aussi abordé. Enfin, notre étude tente de donner quelques réponses sur la formation du filament conducteur, sa stabilité et sa possible composition. / Among non-volatile memory technologies, NAND Flash represents a significant portion in the IC market and has benefitted from the traditional scaling of semiconductor industry allowing its high density integration. However, this scaling seems to be problematic beyond the 22 nm node. In an effort to go beyond this scaling limitation, alternative memory solutions are proposed among which Resistive RAM (RRAM) stands out as a serious candidate for NAND Flash replacement. Hence, in this PhD thesis we try to respond to many open questions about RRAM devices based on hafnium oxide (HfO2), in particular, by addressing the lack of detailed physical comprehension about their operation and reliability. The impact of scaling, the role of electrodes, the process of defects formation and diffusion are investigated. The impact of alloying/doping HfO2 with other materials for improved RRAM performance is also studied. Finally, our study attempts to provide some answers on the conductive filament formation, its stability and possible composition.

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.