CHAPITRE 6 Dispositifs à commutations résistives
6.1.2 Simulation du comportement d’un dispositif CRS lors de l’application d’un balayage de
Impact de la résistance série
Pour être adapté au cas de la CRS, le modèle à nanofil métallique doit prendre en compte deux dispositifs Ti/HfOx/TiN/Ti accolés qui partagent leur électrode active en
Ti et qui ont tous les deux été préalablement électroformés. De ce fait il y a deux filaments de conduction au sein de la structure globale, dont leur zone de contention se trouve en vis-à-vis des électrodes du haut et du bas en TiN/Ti.
6.1 Caractérisations électriques et simulations 93 En reprenant exactement le même système d’équation que dans [6] mais en l’appliquant à la CRS, on peut résoudre de manière auto-cohérente les équations des variables d’états P et Q qui correspondent aux probabilités d’occupation des zones de contention pour chacun des deux dispositifs, tout en tenant compte de la continuité du courant au sein de la structure CRS.
La figure 6-3 (a) ci-dessous illustre les quatre états théoriquement possibles de la CRS selon que les zones P et Q sont occupées ou non. On notera que l’état (4) n’est jamais observé dans les caractéristiques I-V expérimentales des dispositifs, et lors des calculs numériques on observe que cet état est instable. Nous pouvons l’expliquer par le fait qu’il est impossible d’engendrer deux RESET d’affilés dans les deux dispositifs accolés, puisqu’ils ont des polarités de SET et RESET opposées et que la tension est toujours majoritairement répartie aux bornes du dispositif en HRS. Le modèle à nanofil métallique décrit donc correctement le comportement que l’on observe empiriquement.
La figure 6-3 (b) est le résultat de la simulation retraçant le courant aux bornes de la CRS lors de l’application d’une rampe de tension positive puis négative de 0 V-> +3 V -> 0 V-> -3 V -> 0 V et en considérant des résistances série é de 50 Ω
(en rouge) et 5 kΩ (en bleu).
L’influence de la résistance série est alors évaluée grâce au modèle et on constate qu’une résistance série 100 fois plus faible améliore le ratio de non-linéarité d’un facteur 8 environ. D’après la figure 6-3 on a des ratios pour une R de 50 Ω de 500/3 et pour une R de 5 kΩ de 200/10.
On constate également qu’une grande é augmente la différences des tensions
de seuil ∆ . Il faut alors appliquer des tensions ∆ et ∆ plus importantes sur l’ensemble CRS + é pour engendrer une commutation de l’état ON (les deux
OxRRAM sont en LRS) vers les états ‘0’ ou ‘1’. Une fois la commutation faite cette forte tension se retrouve principalement aux bornes de la CRS ce qui est susceptible de favoriser l’effet de PSI.
Finalement, on peut conclure qu’une résistance série la plus faible possible est souhaitable pour obtenir un ratio de non-linéarité le plus élevé possible ainsi que pour limiter la gamme de tensions à appliquer pour engendrer les opérations de SET et RESET des deux OxRRAMs.
Grâce à ces caractéristiques électriques on observe expérimentalement que la CRS est un dispositif auto-limité puisqu’il n’a pas besoin de compliance en courant suite au SET de chaque jonction OxRRAM. L’opération de RESET de l’autre joue en effet le rôle de limiteur de courant pour contrôler le SET venant de se produire.
Figure 6-3 (a) Représentation schématique des quatre états théoriquement possibles pour un dispositif CRS. Les variables P et Q représentent les probabilités d’occupation de la zone de contention et valent 0 lorsque le filament est rompu et 1 lorsqu’il est continu. L’état (4) correspondant à P=Q=0 est numériquement impossible et expérimentalement jamais observé. (b) Table répertoriant les différents états possibles pour un dispositif CRS. (c) Courbe du courant en fonction de la tension appliquée aux bornes de l’ensemble CRS + é issue de la simulation du comportement d’un dispositif CRS lors de
l’application d’une rampe de tension et en utilisant le modèle à nanofil métallique [6]. Les données sont tracées pour deux valeurs de é : 50 Ω (trait rouge) et 5 kΩ (trait bleu).
Simulation du comportement CRS de nos dispositif sur Si
Le modèle à nanofil métallique est utilisé pour reproduire les courbes obtenues lors des caractérisations électriques expérimentales sur un dispositif Ti/TiN/HfOx/Ti/HfOx/TiN/Ti . Afin de mieux comparer la simulation avec les valeurs
expérimentales, les courbes I-V de la figure 6-1 sont retracées en utilisant la tension appliquée aux bornes de l’ensemble CRS + é . La figure 6-4 représente les résultats
de la simulation qui décrivent fidèlement les résultats expérimentaux. On retrouve les mêmes tensions , , et avec un léger écart pour les
6.1 Caractérisations électriques et simulations 95 tensions et qui sont plus élevées d’environ 0.2 V pour les résultats de simulations (courbes d’ajustement).
Figure 6-4 (a) Courbe du courant en fonction de la tension appliquée aux bornes de l’ensemble CRS + é obtenue expérimentalement sur un dispositif
Ti/TiN/HfOx/Ti/HfOx/TiN/Ti du lot B fabriqué sur substrat Si. (b) Le modèle à nanofil
métallique de S. Blonkowski et al. est utilisé pour reproduire le comportement du courant
en fonction de la tension appliquée aux bornes du même dispositif CRS du lot B. La courbe d’ajustement reproduit fidèlement la courbe obtenue expérimentalement en utilisant une
é de 5.5 kΩ ce qui est très proche des 6 kΩ que l’on avait précédemment évalué pour
les échantillons du lot B.
Les paramètres physiques utilisés pour réaliser ces simulations sont les mêmes que ceux utilisés pour un dispositif OxRRAM isolé. La seule différence est pour les valeurs et des puits de potentiels des zones 1 et 2 qui ont dû être abaissées de 0.2 eV pour des raisons numériques (pour que le modèle converge vers un état stable). Elles valent donc respectivement 2.8 eV et 2.2 eV au lieu de 3 eV et 2.4 eV. La résistance série considérée lors de la simulation pour reproduire au mieux les données expérimentales est de 5.5 kΩ ce qui est très proche des ≈ 6 kΩ évalués expérimentalement.
Lors des caractérisations électriques de dispositifs OxRRAM il nous est arrivé d’observer des comportements de type CRS alors que le dispositif ne contenait pas d’électrode centrale. Nous n’étions pas en mesure de provoquer ce comportement volontairement, ce n’était pas non plus notre objectif. Dans la littérature on trouve de nombreux exemples d’OxRRAM dont le comportement « dévie » vers un comportement de commutations complémentaires (CS pour complementary switching). Il ressort que ce comportement est favorisé lorsque l’empilement est symétrique et que le filament de conduction est en mesure de se rompre et de se restituer des deux côtés des électrodes métalliques. L’annexe G donne plus de détails.