Soutenance mémoire
Vers une mémoire universelle ?
Le marché des mémoires non volatiles est très lucratif pour l’industrie de la microélectronique. Cependant, les mémoires Flash ou EEPROM, aujourd’hui vendues en masse, commencent à montrer leurs limites physiques en terme de réduction de taille. Ainsi, depuis quelques années, les grands groupes industriels se sont lancés à la recherche d’une mémoire dite “universelle” qui associerait non volatilité de l’information stockée, faible consommation d’énergie, faibles temps d’accès en écriture/lecture, miniaturisation croissante des technologies silicium (loi de Moore) et bien sûr faible coût de production. Deux grandes orientations ont été prises pour développer des mémoires innovantes : la première vise, sur la base de la technologie silicium standard, à développer de nouveaux concepts de mémoires non volatiles (mémoires à nanocristaux, SONOS…). La seconde approche, radicalement opposée, vise à intégrer dans des composants microélectroniques, des matériaux fonctionnels. Cette approche est risquée de part les complications qu’elle engendre dans une ligne de production industrielle (contamination par des matériaux “exotiques”, nouvelles étapes de gravure, température de recuit élevée…) mais n’en reste pas moins prometteuse dans les possibilités qu’elle offre. Dans ce cadre, trois grands types de mémoires ont vu le jour : la FeRAM ou mémoire ferroélectrique basée sur la propriété d’un matériau ferroélectrique à stocker des informations sous la forme de deux états de polarisation distincts ; la MRAM ou mémoire magnétorésistive basée sur l’aptitude d’un matériau magnétique à conserver des données sous la forme de deux aimantations parallèles ou antiparallèles ; enfin, la PCRAM (ou PCM) ou mémoire à changement de phase basée sur la propriété de certains alliages ternaires (chalcogénures) à stocker l’information sous la forme de deux états “microstructuraux ” différents (amorphe ou cristallisé).
Nouveau développement technologique : vers un condensateur 3D
Comme cela a été mentionné dans les sections précédentes, la réduction des dimensions entraîne un certain nombre de contraintes quant au choix du matériau ferroélectrique en couche mince. Cependant, un autre point de très grande importance est à prendre en compte pour assurer la pérennité de la technologie FeRAM à l’échelle nanométrique. En effet, pour lire correctement une information stockée, il est nécessaire de distinguer clairement les courants de switching (j1) et de non switching (j0) (section 1.1.2.3). Ceci ne pose pas de problème pour des matériaux tels que les PZT actuellement utilisés car leur polarisation rémanente est très importante. Il en va autrement pour le composé SBT destiné à être déposé sous forme de couches très minces et dont la polarisation rémanente relativement faible ne garantira pas une lecture fiable de l’information. La principale solution envisagée pour résoudre ce problème est de passer d’une structure “planaire” standard (ou structure 2D) à une structure à “trois dimensions” (3D) dont un exemple est présenté dans la Figure 1-7-b. Par ce biais, la surface “réelle” du condensateur est augmentée par l’apport des “bords” sans toutefois modifier la surface occupée par un point mémoire sur le wafer de silicium. Ainsi, la polarisation effective d’une cellule mémoire est augmentée.
Modification du processus de renversement de polarisation
Dans la section précédente, nous avons pu voir que deux grands scénarii sont envisagés pour interpréter le phénomène de “switching”, i.e. déplacement des parois de domaines et processus de nucléation/croissance de domaines. Les défauts présents dans le matériau ont une influence différente sur chacun de ces modes de renversement de polarisation. Dès lors, on distingue deux catégories de mécanismes de modification du caractère ferroélectrique d’un matériau : scénario de “bulk” (matériau massif) et scénario d’interface. La Figure 1 16 résume ces deux scénarii :
– Dans l’épaisseur du matériau, le renversement de polarisation s’opère, principalement, par mouvement des parois de domaines. Dans ce cas, les défauts structuraux interagissent avec les parois de domaines et les empêchent de retourner dans leur état initial après annulation du champ électrique appliquée : c’est le phénomène d’ancrage ou de “pinning”. Pour une faible concentration de défauts au niveau des parois de domaines, il est possible de renverser la polarisation grâce à l’application d’un champ électrique dans la direction opposée (phénomène de désancrage). Cependant, si la concentration de défauts au niveau des parois de domaines devient trop importante, certains domaines restent figés et ne sont plus sensibles au champ électrique appliqué. Ainsi, l’augmentation du nombre de défauts aux parois de domaines favorise le phénomène d’ancrage et modifie ainsi le caractère ferroélectrique du matériau. Différents défauts peuvent provoquer ce genre de modifications : lacunes d’oxygène, électrons, trous… (Scott et al., 1991; Desu & Yoo, 1993, Al-Shareef et al., 1997, Damjanovic, 1998).
– Dans un matériau ferroélectrique en couche mince, le renversement de polarisation peut aussi avoir lieu par nucléation croissance de domaines dont la polarisation spontanée est opposée à la polarisation initiale. L’énergie requise pour activer le phénomène de nucléation étant importante, seules certaines zones du matériau y sont propices (Tagantsev et al., 2001). En particulier, à l’interface entre le matériau ferroélectrique et l’électrode, la forte concentration de défauts et la rugosité de l’interface créent des conditions favorables à la germination de domaines. Cependant, sous l’effet de différentes sollicitations (cyclage électrique par exemple), la migration et l’accumulation de défauts électroniques et/ou ioniques aux interfaces peut empêcher la croissance de ces germes, réduisant ainsi la capacité du matériau à switcher.
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Table des matières
Introduction générale
1. Chapitre FeRAM : la nouvelle mémoire universelle ?
1.1 Technologie FeRAM : état de l’art
1.1.1 Vers une mémoire universelle ?
1.1.2 Mémoire ferroélectrique : principe de fonctionnement, avantages et limitations
1.1.2.1 Architecture
1.1.2.2 Stockage de l’information
1.1.2.3 Principe d’écriture et de lecture
1.1.2.4 Choix du matériau ferroélectrique
1.1.2.5 Limitations
1.1.2.6 Nouveau développement technologique : vers un condensateur 3D
1.1.3 Conclusion : développement de la FeRAM dans l’industrie microélectronique
1.2 Fiabilité du matériau ferroélectrique
1.2.1 La ferroélectricité à l’ère des mémoires
1.2.1.1 Domaines ferroélectriques et polarisation spontanée
1.2.1.2 Nature de la réponse électrique sous différentes sollicitations
1.2.1.2.1 Cinétique de switching : réponse à une tension de grande amplitude
1.2.1.2.2 Contribution réversible et irréversible de la polarisation
1.2.1.3 Paramètres perturbant la mobilité des parois de domaines
1.2.1.3.1 Modification du processus de renversement de polarisation
1.2.1.3.2 Présence d’une “couche passive”
1.2.1.3.3 Champ local
1.2.2 Mécanismes de défaillance
1.2.2.1 Fatigue
1.2.2.1.1 Quelle est la manifestation de la fatigue ?
1.2.2.1.2 Modèles physiques à l’origine de la fatigue
1.2.2.2 Imprint
1.2.2.2.1 Comment se manifeste le phénomène d’imprint ?
1.2.2.2.2 Modèles physiques à l’origine de l’imprint
1.2.2.3 Rétention
1.3 Une approche “bottom-up”
2. Chapitre 2 Etudes “amont” sur condensateurs ferroélectriques élémentaires : comportement électrique et microstructural
2.1 Condensateurs élémentaires à base de SBT
2.1.1 Nature des échantillons
2.1.1.1 Etapes de fabrication des condensateurs
2.1.1.2 Caractérisation microstructurale
2.1.2 Réponse électrique sous différentes sollicitations
2.1.2.1 Influence de la tension de mesure sur la réponse ferroélectrique
2.1.2.1.1 Influence de l’amplitude de la tension
2.1.2.1.2 Influence de la fréquence
2.1.2.2 Résistance à la fatigue
2.1.2.2.1 Influence du cyclage
2.1.2.2.2 Paramètres électriques influant sur la fatigue
2.1.2.3 Résistance à l’imprint
2.1.2.4 Bilan des tests électriques effectués sur des condensateurs élémentaires à base de SBT
2.1.3 Relation entre les propriétés électrique et microstructurale
2.1.3.1 Effet de l’état de polarisation rémanente sur les intensités diffractées
2.1.3.2 Corrélation entre fatigue électrique et changements microstructuraux
2.1.4 Influence de l’irradiation X sur la structure en domaines
2.1.4.1 Impact de l’état de polarisation : expérience ex situ
2.1.4.1.1 Etats de polarisation rémanents
2.1.4.1.2 Etat non polarisé
2.1.4.1.3 Discussion des modèles
2.1.4.1.4 Conclusion
2.1.4.2 Dégradation et restauration des propriétés de switching sous irradiation : expérience in situ
2.1.4.2.1 Cinétique de dégradation sous irradiation
2.1.4.2.2 Restauration de la polarisation par cyclage sous irradiation
2.1.4.3 Conclusion
2.1.5 Bilan de l’étude des films minces de SBT
2.2 Condensateurs élémentaires à base de PZT
2.2.1 Nature des échantillons
2.2.1.1 Caractérisation structurale
2.2.1.2 Caractérisation électrique
2.2.2 Relation entre la fatigue électrique et les modifications microstructurales
2.2.2.1 Expérience ex situ
2.2.2.1.1 Etude des condensateurs Pt/PbZr0,3Ti0,7O3/Pt
2.2.2.1.2 Etude des condensateurs Pt/PbZr0,45Ti0,55O3/Pt
2.2.2.2 Expériences in situ
2.2.2.3 Conclusion
2.2.3 Impact de l’irradiation X
2.2.3.1 Effet du cyclage
2.2.3.1.1 Expériences ex situ : étude des condensateurs fatigués puis irradiés
2.2.3.1.2 Expériences in situ : effet du cyclage sous irradiation
2.2.3.2 Effet de la tension continue
2.2.4 Bilan des études sur les condensateurs de PZT
2.3 Synthèse du chapitre
3. Chapitre 3 Vers l’intégration de condensateurs à trois dimensions
3.1 Nature des échantillons analysés
3.2 Caractérisations structurales et chimiques des réseaux de condensateurs
3.2.1 Méthodologie
3.2.2 Périodicités chimiques et modélisations associées
3.2.3 Périodicité cristallographique et modélisations associées
3.2.4 Conclusion
3.3 Contribution des bords dans les condensateurs 3D
3.3.1 Modèles électrique et microstructural
3.3.2 Contribution des bords à la réponse électrique des condensateurs 3D
3.3.2.1 Méthode d’extraction de la contribution électrique des bords de condensateurs 3D
3.3.2.2 Comportement électrique des bords de condensateurs 3D
3.3.2.3 Résistance à la fatigue
3.3.2.4 Résistance à l’imprint
3.3.2.5 Contribution électrique des bords de condensateur 3D : bilan et conclusions
3.3.3 Comportement microstructural des bords de condensateur
3.3.3.1 Etude locale par microscopie électronique à transmission
3.3.3.2 Etude par diffraction de rayons X à haute résolution
3.3.3.3 Bilan sur le comportement microstructural des bords de condensateur
3.3.4 Bilan sur l’apport des “side walls” dans la géométrie 3D
3.4 Discussion générale sur la géométrie 3D
4. Chapitre 4 Du condensateur élémentaire à la mémoire non volatile : qualification de la technologie Fujitsu 0,35 µm
4.1 Présentation de la technologie et approche de qualification
4.2 Caractérisation des condensateurs élémentaires
4.2.1 Nature des échantillons
4.2.2 Comportement électrique et uniformité sur le wafer
4.2.3 Résistance à la fatigue
4.2.4 Résistance à l’imprint
4.2.5 Bilan des études sur condensateurs élémentaires IrO2/PZT/Pt
4.3 Condensateurs intégrés : comparaison entre un condensateur unique et un réseau de condensateurs
4.3.1 Comportement électrique et uniformité sur le wafer
4.3.2 Résistance à la fatigue
4.3.3 Résistance à l’imprint
4.3.4 Bilan sur l’analyse des structures de test et comparaison avec la technologie d’un autre fabricant
4.4 Etude microstructurale de composants
4.4.1 Etude par microfluorescence X de la coupe A-A’
4.4.2 Etude couplée par microfluorescence X et microdiffraction X de la coupe B-B’
4.4.3 Bilan des caractérisations microstructurales de composants
4.5 Bilan sur la technologie Fujitsu 0,35 µm
5. Synthèse générale
5.1 Préambule
5.2 Mécanismes de dégradation des propriétés électriques des condensateurs ferroélectriques : relation avec la microstructure
5.2.1 Nature du matériau ferroélectrique
5.2.2 Composition et texture du matériau ferroélectrique
5.2.3 Influence des électrodes
5.3 Impact de l’irradiation X
5.3.1 L’irradiation X comme révélateur de la structure en domaines ferroélectriques : rôle des charges photo-induites
5.3.2 Un avenir dans les applications aérospatiales ?
5.4 Intégration des condensateurs ferroélectriques : impact sur leur fiabilité
5.4.1 Condensateurs 2D IrO2/PZT/Pt et Pt/SBT/Pt : influence de la séquence des étapes de gravure
5.4.2 Impact de la géométrie du condensateur
5.5 Bilan et protocole de qualification
Conclusion et perspectives
Références
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