Performances mémoires de démonstrateurs ReRAM à base d’isolants de Mott GaV 4 S 8

d’isolants de Mott GaV

S

La possibilité d’induire une transition résistive non-volatile dans des structures MIM à base d’isolant de Mott GaV4S8, et surtout la possibilité de contrôler efficacement cette transition

ainsi que sa réversibilité à l’aide d’un protocole d’impulsions électriques déterminé (figure I.39) permet d’envisager l’utilisation de ce types de dispositifs à base d’isolants de Mott pour des applications mémoires de type ReRAM. Cependant, ces mémoires doivent atteindre différents critères inhérents aux mémoires émergentes. Ces objectifs sont définis par l’ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors). Les principaux critères à respecter sont :

• Le contrôle de la transition résistive,

• L’identification précise des paramètres de contrôle de la transition,

• La transition résistive avec des pulses de courte durée (<µs) et de faible tension (<1V), • L’endurance du matériau sur 106

cycles minimum, • Une amplitude de transition résistive ROFF / RON > 10,

• L’extrapolation de la rétention à 10 ans, en accord avec les objectifs ITRS.

Les mesures sur les structures MIM à base de GaV4S8 ont permis de déterminer les propriétés

d’endurance de tels dispositifs et excèdent 65000 cycles, avec un taux d’erreur inférieur à 0.01% [125]. Les propriétés liées à la diminution de taille de cellules ont aussi été étudiées pour des tailles d’électrodes allant de 50µm*50µm jusqu’à 150nm*150nm. Comme on peut le voir figure I.40, le ratio ROFF/RON augmente de façon importante lorsque la surface

d’électrode diminue, jusqu’à atteindre des valeurs ROFF/RON>1000 pour des tailles de cellules

de 150nm*150nm [125]. Ce résultat peut facilement être expliqué en considérant le modèle filamentaire décrit en partie I.2.2.2. Si l’on considère que les cycles de transitions correspondent à la création puis à la dissolution totale d’un unique filament, alors l’évolution de ROFF est fonction de 1/S, l’inverse de la surface d’électrode. La valeur de RON dépend, elle,

uniquement de la résistance du filament conducteur (qui correspond à une surface négligeable par rapport à celle de l’électrode). En conséquence, le ratio ROFF/RON devrait augmenter en

fonction de 1/S et notamment de façon importante pour des surfaces d’électrodes de petite taille. Comme on peut le voir dans la figure I.40, les valeurs expérimentales suivent bien les

valeurs attendues par le modèle (trait bleu pointillé). La valeur du ratio ROFF/RON augmente

significativement pour des surfaces d’électrodes inférieures à 5µm² et en théorie le ratio devrait pouvoir augmenter pour des tailles de pads encore plus petites jusqu’à ce que la surface d’électrode soit équivalente à la taille du filament conducteur (valeur théorique limite). Par extrapolation, de tels dispositifs à base de GaV4S8 pourraient atteindre des ratios

ROFF/RON supérieurs à 104.

figure I.40 Variation du ratio ROFF/RON en fonction de la surface d’électrode. La ligne en pointillés

correspond à la modélisation de la dépendance attendue dans le cas d’un modèle simple de formation/dissolution totale d’un filament unique par cellule mémoire. L’encart correspond aux cycles de transitions résistives obtenus sur des dispositifs de 150nm*150nm avec un ratio ROFF/RON >1000. [111]

figure I.41 Evolution des valeurs de (a) RON et de (b) ROFF en fonction du temps pour deux structures

MIM de taille de cellule de 2µm*2µm à température ambiante, avec extrapolation du temps de rétention à 10 ans (objectifs ITRS).[111]

Les temps de rétention de ces dispositifs MIM ont aussi été étudiés. Le temps de rétention correspond à la stabilité, dans le temps, des différents états de résistances. Dans le cas des dispositifs à base de GaV4S8, le temps de rétention des états de haute (ROFF) et de basse

résistance (RON) ont été mesurés à température ambiante. L’extrapolation à 10 ans des valeurs

de ROFF et RON sont visibles figure I.41. Comme on peut le voir, la valeur de RON diminue

légèrement au cours du temps tandis que la valeur de ROFF, elle, augmente. Le ratio ROFF/RON

est donc conservé, voire, légèrement augmenté avec le temps. Les deux états de résistances présentent donc une bonne stabilité dans le temps, ce qui est très prometteur en vue d’applications mémoires.

Une autre caractéristique très intéressante de ce nouveau mécanisme de transition résistive observé dans les isolants de Mott à faible gap, et primordiale pour des applications, est la valeur de tension pour l’écriture/effacement de la mémoire (SET et RESET). L’ITRS fixe des objectifs en termes de tension d’écriture/effacement inférieurs à 1V pour les mémoires émergentes. Le mécanisme d’avalanche électronique lié à la transition résistive dans les isolants de Mott à faible gap est purement de nature électronique et est directement piloté par le champ électrique. La transition résistive a lieu pour des valeurs de champ de l’ordre du kV/cm. Les tensions appliquées pour le SET dans les monocristaux sont relativement élevées (typiquement 30-50V) cependant elles sont dépendantes de la distance inter-électrode, très élevée dans le cas des monocristaux (10-30µm). Il a été possible dans les dispositifs MIM à base de GaV4S8 de diminuer fortement cette valeur. Par exemple, la tension appliquée pour le

SET n’était plus que 1.5V pour des couches de 150nm d’épaisseur. Par extrapolation, pour des dispositifs mémoires où l’épaisseur de couche sera nécessairement inférieure à 100 nm, les tensions d’écritures devraient être inférieures à 1V et donc atteindre les objectifs fixés par l’ITRS. Enfin, des temps d’écriture (transition de SET) de 7*15ns et d’effacement (transition de RESET) de 500ns ont été obtenus sur des structures planaires à base de GaV4S8, ce qui

laisse espérer une optimisation possible de ces temps dans les structures MIM [125].

Pour résumer les performances obtenues jusqu’à maintenant dans ces dispositifs mémoires à base de GaV4S8, l’endurance des premiers dispositifs ReRAM à base d’isolants de Mott est

très prometteuse comparativement aux valeurs actuellement obtenues pour la technologie Flash (103-107 cycles) [109]. Les temps obtenus, 7*15ns en écriture et 500ns en effacement, sont très intéressants par rapport aux objectifs ITRS et à ce qui existe actuellement avec les mémoires Flash (où les temps d’écriture sont de l’ordre de 1µs et ceux d’effacement très longs de l’ordre de 10ms). De plus, les tensions d’écriture/effacement inférieurs à 1V dans les futurs dispositifs sont un énorme avantage par rapport à la technologie Flash où les tensions sont de l’ordre de 12-15V. L’ensemble de ces résultats est résumé dans le tableau I.1. Il est important de noter que toutes ces caractéristiques ont été obtenues sur des dispositifs expérimentaux relativement basiques. Ceci rend difficile la comparaison avec les autres technologies ReRAM développées par ailleurs (VCM, ECM…) et qui en sont déjà à l’étape de pré-industrialisation. Cependant les caractéristiques obtenues permettent de considérer ces

mémoires ReRAM à base d’isolants de Mott comme des candidats très prometteurs au sein des mémoires émergentes dans le but de remplacer les mémoires Flash.

tableau I.1 Liste des différentes caractéristiques techniques mémoires pour la technologie Flash, objectifs techniques pour les mémoires émergentes en remplacement des mémoires Flashs selon l’ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors), Caractéristiques actuelles pour des mémoires ReRAMs à base d’isolants de Mott GaV4S8. [124]