Mémoires à changement de phase

II.1 Bref historique de la technologie PCRAM

Les mémoires à changement de phases ont été décrites pour la première fois à la fin des années soixante par Ovshinsky. Après avoir observé une transition de phase réversible de certains alliages entre un état cristallin faiblement résistif et un état amorphe fortement résistif, il a proposé d’utiliser cet effet comme mode de stockage d’information en intégrant ces matériaux dans des dispositifs mémoires. [10]

Ces alliages qui existent sous deux formes structurelles, amorphe et cristalline, sont à base de verres de chalcogénures. Les deux phases sont caractérisées par des propriétés de résistivité électrique et de réflectivité optique différentes.

En 1970, les matériaux à changement de phase (nommés PCM) ont été utilisés comme matériaux actifs dans des dispositifs mémoires rassemblés dans une matrice 256-bit fabriquée par Energy Conversion Devices en collaboration avec Intel. [11]

En 1990, les matériaux à changement de phase ont connu un grand succès suite à leur utilisation dans les disques optiques réinscriptibles (CD-RW) notamment avec la découverte de l’alliage Ge2Sb2Te5 qui est devenu le matériau de référence. Cette technologie qui utilise la variation de réflectivité des matériaux à changement de phase a mis fin à l’ère des supports multimédia d’enregistrement magnétique (i.e. cassettes audio et vidéo).

La transition entre les deux phases des matériaux chalcogénures se produit lorsqu’on fournit au système l’énergie nécessaire au franchissement de la barrière énergétique qui sépare ces deux phases. En pratique, deux méthodes sont utilisées pour initier le changement de phase :

- L’envoi d’impulsions laser sur des zones précises du matériau afin de chauffer localement ces zones et les porter dans un état amorphe ou cristallin. Cette technique est utilisée dans les disques de stockage optique qui utilisent l’écart de réflectivité optique entre les états amorphes et cristallins comme mode de stockage. [12]

- L’application d’impulsions électriques sur le matériau à changement de phase afin de provoquer un échauffement thermique par effet Joule qui va initier la transition de phase. Cette technique est utilisée dans les mémoires à changement de phase. [13]

II.2 Description et fonctionnement d’une cellule PCRAM

Le principe de fonctionnement des dispositifs PCRAM est basé sur la transition de phase du matériau chalcogénure qu’ils comportent, induite par l’échauffement de ce matériau sous l’effet d’impulsions électriques spécifiques. Cette transition se fait entre une phase cristalline, ordonnée, de faible résistance et thermodynamiquement stable et une phase amorphe, désordonnée, de résistance élevée et thermodynamiquement instable.

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II.2.1 Ecriture et effacement d’une cellule PCRAM

Les procédures de programmation des opérations d’écriture (Set) et d’effacement (Reset) sont différentes.

En effet, la transition Reset nécessite le passage du matériau à changement de phase de son état cristallin vers son état amorphe. Pour cela, il est nécessaire de lui appliquer une impulsion de courant (ou de tension) de courte durée et de forte amplitude, dans le but de le chauffer suffisamment jusqu’à ce que sa température dépasse la température de fusion et qu’il forme une phase fondue. Puis une trempe est appliquée lors du temps de descente très rapide, ce qui bloque le matériau dans un état amorphe sans possibilité de recristalliser.

Pour permettre la transition inverse de recristallisation, transition dite de Set, une nouvelle impulsion de courant (ou de tension) doit être appliquée. Celle-ci doit être plus longue et moins intense. Pour cette transition, il n’est pas nécessaire de fondre le matériau, il suffit simplement de dépasser la température de transition vitreuse pour permettre la réorganisation à l’échelle atomique du cristal. [14]

Les conditions thermiques ainsi que les impulsions électriques à appliquer au matériau à changement de phase lors des opérations de programmation Set et Reset sont schématisées sur la Figure 2 et la Figure 3.

Figure 2 : Schéma des conditions thermiques des transitions de phase du matériau à changement de phase.

Figure 3 : Forme schématique des impulsions électriques à appliquer lors des opérations de

Set et de Reset.

De plus, les deux transitions Set et Reset sont caractérisées par des courbes de programmation différentes, qui sont obtenues par la lecture de l’état de la cellule au cours de sa programmation.

II.2.2 Lecture d’une cellule PCRAM

La phase amorphe du matériau à chalcogénure est semi-conductrice et présente donc une forte résistivité électrique, alors que la phase cristalline est semi-métallique et présente donc une faible résistivité électrique. Le procédé de lecture consiste à utiliser une impulsion de faible tension pendant un temps quelconque, afin de lire la résistance du point mémoire. Si cette résistance est forte, le point est amorphe et le bit est à 0, alors que si la résistance est faible, le point est cristallisé et le bit est à 1.

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Cette lecture est d’autant plus facile que le contraste de résistivité électrique entre la phase amorphe et la phase cristalline est grand (2 à 3 ordres de grandeurs, comme indiqué sur la Figure 4).

Figure 4 : Représentation de la résistivité électrique du Ge2Sb2Te5 en fonction de la température. Le point d’inflexion

marque la température de cristallisation. [15]

Par ailleurs, les différences cristallographiques entre les phases amorphes et cristallines engendrent des différences remarquables au niveau de la structure électronique de ces deux phases et par conséquent des différences de conduction électrique et de conduction thermique.

II.2.3 Caractéristiques I-V et R-I d’une cellule PCRAM

Une cellule PCRAM est caractérisée par l’évolution du courant qui la traverse en fonction de la tension qui lui est appliquée I-V ainsi que l’évolution de sa résistance en fonction de ce courant R-I.

La Figure 5 et la Figure 6 représentent respectivement les caractéristiques I-V et R-I de dispositifs PCRAM initialement présents dans un état SET ou RESET.

Figure 5 : Caractéristiques I-V d’une cellule PCRAM dans ses états SET et RESET. [16]

Figure 6 : Transitions caractéristiques d’une cellule PCRAM initialement dans un état SET ou RESET. [17]

On constate que la caractéristique I-V du dispositif à l’état SET est composée de deux parties linéaires donc le régime de conduction est ohmique. En effet, la phase cristalline est considérée comme un semi-métal.

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Concernant l’état RESET, on constate que le courant est quasi nul jusqu’à ce que la tension atteigne une valeur critique VTH, à partir de laquelle il commence à augmenter. Pour des tensions justes supérieures à VTH, la tension aux bornes de la cellule diminue tandis que l’intensité la traversant augmente ; ceci indique que la résistance de la cellule a fortement diminué : on parle de transition électronique. Ensuite, pour des tensions de valeurs supérieures à 1V, la caractéristique I-V se confond avec celle de la phase cristalline.

Ce basculement d’un état faiblement conducteur vers un état fortement conducteur à partir de VTH (« electronic switch ») correspond à la transition d’un état amorphe résistif vers un état amorphe conducteur.

Cette commutation joue un rôle fondamental dans le fonctionnement des mémoires PCRAM. En effet, en partant de l’état RESET, cette dernière permet d’atteindre les courants nécessaires à la cristallisation du matériau amorphe avec l’application de tensions de seulement quelques volts, alors qu’il serait nécessaire d’appliquer des tensions beaucoup plus élevées en son absence.

Malgré le rôle fondamental de cette transition électronique, son interprétation physique reste à ce jour discutée. [18]

D’abord attribuée à un claquage thermique du matériau amorphe, la transition électronique a ensuite été considérée comme un phénomène purement électronique. Ainsi, le mécanisme le plus communément admis est la compétition entre un mécanisme de recombinaison de type Shockley Hall Reed (SHR) et un mécanisme de génération par ionisation par impact contrôlé par le champ électrique et la densité des porteurs. Lorsque l’ionisation par impact dépasse la recombinaison, on a un phénomène d’avalanche dans le matériau amorphe qui entraîne l’augmentation de sa conductivité électrique. [19] [20]

Les courbes de programmation R-I des dispositifs initialement dans un état SET ou RESET permettent de déterminer les courants nécessaires pour leur programmation. Ainsi, en appliquant ces courants ISet ou IReset à un dispositif présent dans un état résistif quelconque, on peut le programmer dans l’état souhaité (SET ou RESET).

Les propriétés électroniques de la phase amorphe et de la phase cristalline qui sont responsables de la conduction de l’état SET et de l’état RESET des dispositifs PCRAM seront décrites dans le chapitre IV.

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II.3 Description des dispositifs PCRAM et optimisation

Il existe plusieurs architectures de dispositifs PCRAM regroupées dans deux catégories : les structures planaires et les structures confinées.

II.3.1 Structures planaires

II.3.1.1 Structure « PLUG »