Les RRAMs jouissent de nombreuses caractéristiques détaillées précédemment leur permettant de potentiellement remplacer les mémoires à transistor. Elles sont plus rapides et plus endurantes que les flashs et ont des performances en lecture/écriture similaires au DRAM tout en étant non volatiles et avec de plus grandes densités surfaciques. Cependant force est de constater que ces performances sont insuffisantes et qu’aucune cellule n’est mature aujourd’hui. De plus il existe encore de nombreuses zones d’ombres concernant les mécanismes exacts mis à l’œuvre dans ces différents types de mémoire et sur la manière de les contrôler. L’inconvénient majeur des RRAM est leur inhomogénéité d’un cycle à l’autre mais également d’un composant à l’autre [56]. Enfin le dernier enjeu est la sélection de la mémoire. N’ayant que deux bornes, ce composant nécessite un sélectionneur type diode,
transistor ou une architecture particulière pour éviter d’écrire par erreur des cellules non sélectionnées à cause de fuites de courant.
• Amélioration des performances
Afin d’améliorer les performances, on va chercher à mieux comprendre et contrôler les phénomènes responsables des commutations résistives. Chacune de ces améliorations est donc directement liée au phénomène responsable de cette commutation.
• Favoriser la formation/destruction des filaments
L’un des problèmes majeurs des mémoires à filament est le caractère stochastique de la formation de ce dernier. Deux mémoires de même technologie peuvent avoir des réponses électriques différentes en fonction de la manière dont le filament s’est formé :
différents états LRS et HRS, ou encore des tensions Vset et Vreset variables. Le manque
d’homogénéité des réponses peut être diminué en facilitant la formation et la destruction du chemin de conduction ainsi qu’en contrôlant la position de celui-ci. Ces améliorations
pourront avoir des conséquences sur les tensions Vset et Vreset, sur le rapport ION/IOFF, sur
l’électroformage mais aussi sur l’endurance et la reproductibilité des mémoires [52][57][58].
• Gestion de l’oxygène dans le diélectrique
On peut dans un premier temps favoriser le phénomène de formation du filament par la modification des matériaux de la structure MIM de la mémoire. Comme indiqué précédemment aussi bien les CBRAM que les OxRAM profitent de la présence de lacunes au sein de leur diélectrique. Afin de forcer la présence de nombreuses lacunes d’oxygènes dans ces mémoires est introduite délibérément une couche riche en lacunes d’oxygènes par exemple un oxyde sous stœchiométrique de titane [46][47] ou encore une électrode possédant une forte affinité avec l’oxygène [45]. Ces ajouts ont pour but de favoriser l’apparition d’un filament conducteur au sein du diélectrique et donc de diminuer les tensions de formage et de commutation de HRS vers LRS et augmenter l’endurance du composant. Chang et al. [59] proposent de modifier leur électrode de la même manière. Ils montrent le cas d’une électrode en ITO qu’ils dopent en oxygène pour diminuer le courant de commutation.
Un soin tout particulier doit être apporté à l’épaisseur des électrodes et aux natures des matériaux du dispositif pour gérer au mieux ces déplacements d’oxygène [60]. Si celui-ci
migre sans pouvoir être stocké, il pourra se former un gaz au sein du diélectrique ou au contact de l’électrode active allant jusqu’à la détruire [61].
• Nanostructures comme sites de nucléation des chemins de conduction
Nous avons déjà vu que la formation d’un filament conducteur est un phénomène stochastique. Sa variabilité peut conduire à des inhomogénéités entre les différentes mémoires et au cours de la vie de celle-ci. Dans l’objectif d’améliorer les performances des OxRAM ou CBRAM, il est utile de pouvoir contrôler le lieu et la croissance du filament au sein du diélectrique. Par exemple Liu et al. [62] ont cherché à contrôler précisément le lieu de formation des filaments de conduction en ajoutant des nanocristaux métalliques non jointifs
sur l’électrode inerte de leur CBRAM (Ag/ZrO2/NC Cu/Pt). Par coupe FIB puis observation au
TEM, ils ont démontré une localisation des filaments de conduction allant de l’électrode d’argent vers les nanostructures de cuivre. Une cartographie des éléments composant le diélectrique par une observation EDS au MEB a permis de déterminer la composition du filament composé majoritairement d’argent et d’un peu de cuivre, preuve d’une diffusion de
ces éléments dans le diélectrique ZrO2 d’une épaisseur de 40 nm. L’auteur note qu’après
commutation de LRS vers HRS, le filament disparait complètement, signe d’une dissolution de celui-ci dans l’électrode et dans le diélectrique. L’ajout de nanoparticules rend le dispositif exempt de formage.
Selon Tsai et al. [63] il est même possible de faire commuter des dispositifs avec une
grande épaisseur de diélectrique, 35nm de SiO2 dans leur cas, en y ajoutant des inclusions de
nickel servant de défauts. Ceci est expliqué par une facilité à former le filament en passant par ces inclusions qui agissent comme des chemins de formation préférentiels.
En associant les deux dernières idées, Liu et al. [58] proposent de complexifier leurs structures en ajoutant des dopants du cuivre dans le diélectrique en plus des nanostructures métalliques non jointives sur l’électrode inerte. Ils constatent alors une homogénéité encore
meilleure au niveau de la formation du filament ainsi qu’une nette baisse de la tension Vset
nécessaire à commuter de HRS vers LRS.
Il est également possible d’utiliser une couche de nanostructures jointives déposée à partir d’une solution colloïdale comme isolant de la structure MIM. La formation et la destruction des filaments sont ainsi contrôlées par la fabrication de chemins de conductions préférentiels au niveau des joints de grains, appelés « espaces entre nanoparticules » par Ju et al [64].
Plusieurs auteurs attribuent cette facilité à fabriquer un filament à une modification du champ électrique au sein de la mémoire liée à la présence des nanoparticules. Très localement le champ électrique bien plus important amorce les réactions à l’origine de la
formation des filaments conducteurs qui va s’emballer jusqu’à la formation complète du chemin de conduction[62][65][66].
• Nanostructures ou dopage du diélectrique pour favoriser le piégeage des charges
Dans les cellules fonctionnant sans filament, l’ajout de nanoparticules ou le dopage de diélectrique peut également améliorer les performances des cellules mémoires en apportant un meilleur contrôle au piégeage des charges [67].
Choi et al. [68] proposent une cellule fonctionnant sur le même principe qu’une mémoire à piégeage de charge, dont le fonctionnement a été présenté plus tôt. Pour favoriser les modulations de barrières électriques, ces auteurs dopent le diélectrique de leur mémoire afin de créer volontairement des pièges pouvant par la suite être chargés et
déchargés électriquement. En faisant diffuser du platine dans du SiO2 ils observent des
caractéristiques électriques différentes en fonction du taux de platine. Ils considèrent que la
commutation résistive est principalement due aux piégeages de charges à l’intérieur du SiO2
dopé, n’observant aucune structure de platine. Comme preuve ils avancent que l’état de haute résistivité peut être diminué petit à petit soit par un courant inverse, soit par une exposition à la lumière UV, signe d’une évacuation progressive des charges. De la même manière, on observe le phénomène dans des mémoires où ont été intégrées au sein du diélectrique des nanoparticules qui peuvent agir comme des pièges [69]. L’avantage de cette approche non filamentaire est un très grand contrôle des paramètres de commutation et une grande homogénéité des composants grâce au phénomène de piégeage non aléatoire. De plus ces composants ne nécessitent pas de formage.
I. 6. Architectures des RRAM
Comme nous l’avons démontré précédemment, la mémoire RRAM intéresse pour ses performances électriques mais également pour sa compacité qui permettrait théoriquement de grandes capacités d’intégration. Cependant, cette mémoire pose de lourds défis d’organisation, car les mémoires ne sont ni plus ni moins que des résistances variables. Les architectures imaginées qui seraient les plus efficaces tel que les organisations crossbar se heurtent à un problème de sélection des cellules. Cette architecture permet la sélection d’un point mémoire par la mise sous tension d’une ligne de « mot » (word line) et d’une ligne de lecture (bit line) qui sont perpendiculaires et dont l’intersection correspond à la location d’un point mémoire [24]. Si la cellule mémoire sélectionnée est à l’état résistif haut alors que toutes les cellules autour sont à l’état résistif bas, le courant passera par des cellules non sélectionnées provoquant un risque d’écriture non désiré ou de lecture erronée. Ce problème est un problème de courant de fuite appelée sneak path et est d’autant plus
important que le ratio HRS/LRS est élevé et la matrice crossbar de grande dimension. Par exemple on peut voir dans la Figure I-9 que le courant de fuite en gris passe par toutes les cellules à l’état LRS en vert plutôt que par l’élément sélectionné à l’état HRS en rouge. Pour résoudre ce problème, on cherche à sélectionner une cellule sans équivoque possible en ajoutant un sélectionneur tel qu’une diode, un transistor ou en réalisant de l’ingénierie de cellule [3].
Figure I-9 : Schéma d'une structure crossbar 2D montrant la cellule sélectionnée à l’état HRS en rouge. Le passage du courant espéré en jaune n’est pas préférentiel, car les cellules autour en vert sont à l’état LRS. Un chemin possible de
courant de fuite est montré en gris [70].
Architecture 1S1R, 1D1R ou 1T1R
La méthode la plus simple qui a été adoptée est d’empêcher le courant de passer dans les cellules non sélectionnées en les couplant à un composant servant de sélectionneur tel qu’une diode ou un transistor. La diode est réalisable avec les mêmes matériaux que la mémoire et peut donc y être intégrée verticalement sans perte de place, cependant elle ne fonctionne que pour des mémoires unipolaires. Le transistor est plus performant mais demande beaucoup plus de place, ce qui diminue grandement l’intérêt de ces mémoires. La 3D pourrait minimiser ce problème en proposant une architecture 1TnR avec n le nombre de couche de mémoire. Enfin des recherches se sont portées sur des sélecteurs pouvant faire office de diode aussi bien pour les cellules unipolaires que bipolaire. Un exemple de ce type de sélectionneur est un isolant de Mott [27] [71].