Principe de fonctionnement et fiabilité des technologies mémoires moires émergentes

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1 Atelier "Mémoires du futur" du CCT 16 janvier 2008, IAS, Toulouse Principe de fonctionnement et fiabilité des technologies mémoires moires émergentes Ch. Muller Institut Matériaux, Microélectronique et Nanosciences de Provence IM2NP UMR CNRS 6242 Equipe "Mémoires" Polytech' ' Marseille, Université de Provence Technopôle de Château-Gombert Gombert,, Marseille Cedex 20 christophe.muller@l2mp.fr

2 Vers une mémoire m moire idéale Densité (Gbyte) Endurance (10 15 ) Faible tension (1 V) Vitesse de lecture/écriture criture (ns) "Scalabilité" et fiabilité Faible consommation

3 Classification Mémoires Volatiles Non volatiles DRAM (Micron) Stockage de charge Résistances R ON / R OFF Flash (Intel) MRAM (Freescale( Freescale) SRAM DRAM EEPROM, Flash SONOS, Nano Si FeRAM MRAM PCM ReRAM

4 Panorama généralg

5 Taille de la cellule (F 2 ) Vue d'ensemble 40 MRAM > FeRAM Technologie (nm) Flash NOR Flash NAND PCM ReRAM? Van Houdt and Wouters, Semiconductor International, 12/1/2006

6 FeRAM Ferroelectric RAM

7 Architecture Architecture similaire à celle d'une DRAM Condensateur ferroélectrique = élément de stockage Deux états de polarisation : "0" = + P R et "1" = P R Métal 3 BL WL Métal 2 Métal 1 "1" "0" 1 µm PL Transistors Condensateur ferroélectrique Comparateur

8 Lecture du "1" Lecture du "0" Q Grande variation de charge V Faible variation de charge Principe de lecture V Lecture "1" Lecture "0" Ecriture t I Courant fort Courant faible Problème majeur : Destructive Read Out (DRO) Lecture "1" Ecriture "0" t

9 Réduction de taille 1 50 µm 50 µm P/S = 0, µm 1,5 µm P/S = 3,33 Distribution de champ interne due aux défauts induits par la gravure Muller et al.,, J. Appl.. Phys., vol. 99, no.. 5, (1 5) 5),, 2006

10 Modes de défaillanced 2.P R Sollicitations électriques V Shift C Effet des irradiations (rayons X et γ) ) sur la fiabilité des condensateurs Hors tension En fonctionnement Cyclage bipolaire ( fatigue) Cyclage unipolaire ( imprint) Impact sur la fiabilité du composant Analyses in situ

11 Rétention Samsung 32 Mbits CMOS 0,25 µm m (PZT) Distribution de charge de cellules FeRAM (taille : 0,92 0,44 µm 2 ) Process optimisé 150 C "Sensing margin" suffisante pour garantir une rétention r de C "0" "1" Sensing margin Song et al., Int. Conf. on Microelectronics (MIEL 2004), p. 393, 2004

12 Planaire (2D) Evolution de la cellule mémoirem moire Stack Intégration d'une cellule mémoire m moire FeRAM 3D Géométrie tridimensionnelle permettant le "scaling"" de la technologie FeRAM

13 "Vertical" capacitors (PZT) Infineon/Toshiba 1,2 Plusieurs alternatives PZT IrO 2 PZT IrO 2 PZT "Pin-shaped" capacitors (SBT) IMEC/STMicroelectronics/L2MP 4,5 "Trenched" capacitors (PZT) Samsung/TIT 3 Pt SBT Pt IrO 2 Ir 0,2 µm 1 Patent WO 2005/ (Infineon( Infineon) 2 Nagel et al., VLSI Tech. Dig., p. 146, Funakubo et al., Integr.. Ferroelectrics, vol. 81, p. 219, Goux et al.,, IEEE Trans. Elec. Dev., vol. 52, no.. 4, p. 447, Menou et al., Appl.. Phys. Lett., vol. 87, no.. 7, p , 2005

14 Influence du process T = 405 C T = 440 C TEM L2MP T = 405 C T = 440 C 0.2 µm SEM IMEC T = 440 C Variations chimiques locales (sidewalls( SW) Polarisation Courants de fuite Court-circuits T = 405 C Menou et al., Appl.. Phys. Lett., vol. 87, no.. 7, p , 2005 Goux et al.,, J. Appl.. Phys., vol. 98, no.. 5, p (1 7) 7),, 2005

15 Fiabilité sous irradiation X Analyse de la fiabilité de véhicules de test Sollicitations électriques Environnements radiatifs Irradiation combinée aux sollicitations électriques

16 Irradiation X Condensateurs 3D Réseaux de condensateurs en boîtier DIL Connecteurs SMB Mesure Cyclage Bias

17 Réseau de type " mémoire" m moire" 1 µm SW Modèle microstructural 1 Partie plane SW Conditions expérimentales Rayons X : KαK Cu (E = 8,05 kev) Débit de dose 100 rad/s Réseaux de condensateurs Géométrie 3D (surface : 0,81 µm 2 ) 1 Menou et al., Appl.. Phys. Lett., vol. 87, no.. 7, p (1 3), 3), 2005

18 Application d'un bias Dégradation naturelle et spontanée sous irradiation ("no bias") Champ externe = "driving" force" du déplacement de charges Piégeage de charges libres aux interfaces Déplacement en tension par application d'un bias Dégradation de polarisation par application d'un bias 3 V Dépiégeage des parois de domaines Charges initialement piégées dans les SW Recombination des charges photoinduites avec les charges piégées initiales

19 Cyclage sous irradiation X Cyclage bipolaire 500 khz et ± 5 V Avec ou sans irradiation X Cyclage hors irradiation X Phénom nomène ne de "wake" wake-up" " activé par le champ électrique Pas de dégradation d jusqu'à cycles Cyclage sous irradiation X Forte décroissance d de P R + déplacement d en tension du cycle Accélération du mécanisme m de fatigue sous rayons X Courtade et al., Appl.. Phys. Lett., vol. 89, no.. 11, p (1 3), 3), 2006 Muller et al., IEEE Proceedings of NVMTS, p , 99, 2006

20 MRAM Magnetoresistive RAM

21 Electronique de spin e : charge + spin Intégration de couches ferromagnétiques Aimantation rémanente r (à( champ magnétique nul) Jonction = couches magnétiques + oxyde tunnel Métal 5 Métal 4 Architecture Via 3 Métal 3 Via 2 Al Cu JMT Cu Métal 2 Al Via 1 Métal 1 Al Contact Cellule 4 Mbit MRAM Tehrani et al. (Freescale), IEDM 2006

22 Jonction magnétique tunnel Jonction Magnétique Tunnel (JMT) Ferromagnétique doux (stockage) Oxyde tunnel (AlO( x, MgO ) Ferromagnétique dur (référence) rence) Couches d'ancrage Métal 5 JMT Métal 4 25 TMR (%) R High Champ magnétique (Oe( Oe) R Low "Tunnel Magneto-resistance resistance" TMR = R R R Tehrani et al. (Freescale), IEDM 2006

23 Les innovations? Toggle MRAM 1 Spin Torque Transfer STT-MRAM 2 1 Mbit STT-RAM test chip node 45 nm node 65 nm Cellule TA-MRAM 3 1 Nahas et al.,, IEEE J. Solid State Circuits, vol. 40, no. 1, Association Renesas Technology et Grandis technology.com "ON"

24 Stoner-Wohlfarth switching I bit Réduction du "bit fail" Toggle MRAM Avantages Grande immunité aux perturbations en écriture (réduction du "bit fail") TMR : AlO x (50%) MgO (200%) Bonnes performances en température R/ R/σ = 25 C R/ R/σ = 150 C "0" "1" Savtchenko switching ("toggle toggle") I bit I digit Nombre de bits 25 C 150 C σ R 150 C 25 C I digit Résistance du bit

25 TA-MRAM vs. MRAM "0" "1" OFF ON OFF Injection d'un courant dans la jonction pendant l'écriture Amélioration de l'immunité au "bit fail" Renversement magnétique par une seule ligne de métalm Plus faible consommation Problèmes de fiabilité inhérents au mode d'écriture Claquage diélectrique de l'oxyde tunnel par injection du courant

26 Tests de claquage AlO x Bit Line Injection d'un courant durant l'écriture Echauffement local Performances en endurance de la JMT? Tests de claquage Statique (CVS) et dynamique (DVS) Test de claquage statique d'une barrière re AlO x Word Line Référence Stockage Stockage

27 Passage AlO x MgO Films continus Jonction gravée 20 nm Oxyde tunnel MgO 100 nm 2 nm FFT TMR AlO x (50%) MgO (200%) Couche de MgO cristallisée Texture dans la direction [001] Epaisseur : 1,43 ± 0,16 (1σ) ) nm

28 Intégration de barrières res thermiques Barrière re thermique supérieure Barrière re thermique inférieure BTS BTI MgO Mode d'écriture TA requiert le contrôle Température effective ambiante Cinétique de chauffage Intégration de barrières res thermiques Faible conductivité thermique Forte conductivité électrique Confinement de la chaleur Quid de la fiabilité? 20 nm TIMI, "Thermally" Insulating MRAM Interconnects", no.. EUR (EURIPIDES)

29 PCM Phase Change RAM

30 Phase Change RAM Alliage GST Electrode Alliage GST : Ge 2 Sb 2 Te 5 Transition réversible r entre un état cristallisé et un état amorphe Deux états de résistancer R Low R High Heater I Volume programmable Samsung : 512 Mbit PCM Technologie CMOS 90 nm Electrode R Low R High Cho et al.,, IEEE J. Solid State Circuits, vol. 40, p. 293, 2005

31 Maîtrise de profils de température Set Reset Simulation de la distribution de température pendant la programmation (effet Joule) Reset Set Problèmes Evolution vers un état métastablem Contrôle des rampes en T T Confinement de la chaleur Bez et al. (STMicroelectronics), Workshop NEMESYS, 2006

32 Architectures Transistor BJT µtrench PCM (STMicroelectronics) Transistor MOS Test chip 64 Mbit (Samsung)

33 Vers des "PCM nanowires" 2D PCM 1D PCM Film Nanofil Avantages Température de fusion en 1D Volume programmable "Scalabilité" Jusqu'à W = 3 nm (S = 60 nm 2 ) Courant/tension/puissance Immunité aux perturbations W 200 nm 20 nm Chen et al. (IBM Qimonda Qimonda Macronix), IEDM 2006

34 Promesses des mémoires m moires ReRAM Resistive RAM

35 Enjeu des mémoires m moires ReRAM = cellule mémoirem moire Configuration planaire Configuration 3D

36 Mémoires à commutation de résistancer 10 Courant ( (ma ma) reset set Tension (V) "Emerging Materials for Mass-storage storage Architectures", FP6 IST no Partenaires : IMEC (B, leader), STMicroelectronics (I), MDM (I), RWTH Aachen (D), IUNET (I), L2MP (F)

37 Bipolaire vs. unipolaire Commutation unipolaire I Commutation unipolaire I V V Matériaux à commutation de résistancer Oxydes bi-stables : NiO, CuO x, TiO x OxRRAM Composés s organométalliques : CuTCNQ Composés s d'intercalation : chalcogénures PMC, CBRAM Waser and Aono,, Nature Materials,, vol. 6, p. 833, 2007

38 "Plug contact bottom electrode" Mémoires OxRRAM 50 nm Structure Métal/Oxyde/MM tal/oxyde/métal Oxyde bi-stable obtenu par dépôtd Architectures possibles Electrode inférieure plane (a) Contact inférieur à l'aide d'un plug qui délimite d la zone active (b) Baek et al.,, IEEE Proceedings of IEDM conference,, 2005

39 Multi-layer layer cross point structure Optical micrograph SEM Samsung : Multi-layer layer cross-point structure Solution pour repousser la densité au-del delà des limites des mémoires m moires Flash NAND Baek et al.,, IEEE Proceedings of IEDM conference, 2005

40 Mémoires à base de CuTCNQ Complexe organométallique à transfert de charge CuTCNQ = Cuivre tétracyanoquinodiméthanethane 500 nm CuTCNQ "nanowires" SiO 2 CuTCNQ SiC Cu SiO 2 50 nm Réaction entre Cu et TCNQ gazeux 500 nm Si Turquat et al.,, IEEE Proceedings of NVMTS, p , 47, 2007 Müller et al., Appl.. Phys. Lett., vol. 90, p , 2007

41 Caractéristiques ristiques I(V) Structures crossbar Au\CuTCNQ CuTCNQ\Al I Commutation de résistancer Switching "bipolaire" entre Etat forte résistance r (OFF) Etat faible résistance r (ON) Tension de Set/Reset autour de ± 5V V Appl CuTCNQ R Load V Device (= V Appl R Load Load I) Turquat et al.,, IEEE Proceedings of NVMTS, p , 47, 2007

42 Commutation "locale" Conductive-AFM Pointe en métal m noble Mode contact Rampes de tension W : 0 8 V R : 0 4 V E : V Pointe PtIr CuTCNQ Source de tension Au (BE) Commutation locale des nanofils de CuTCNQ Effet intrinsèque (pas de couche d'interface)

43 Conductive Bridge RAM Atomes d'argent provenant d'une électrode de Ag 2 S Croissance/dissolution de dendrites d'argent Formation d'un pont dans un vide de 1 nm entre les deux électrodes Terabe et al.,, Nature, vol. 433, p , 2005

44 Conclusion

45 Conclusion Paramètres de process Technologies mémoires m moires émergentes FeRAM MRAM ReRAM Caractéristiques ristiques microstructurales Mécanismes de défaillance (géométrie 3D) Intégration et fiabilité de jonctions tunnel magnétiques Dispositifs intégrés Intégration d'oxydes bi-stables Performances Fiabilité

46 Remerciements L2MP N. Menou (Ph.D.( FeRAM), L. Courtade (Ph.D.( OxRRAM), A. Demolliens (Ph.D. MRAM), Ch. Turquat, D. Goguenheim, D. Deleruyelle IMEC (Leuven( Belgique) L. Goux, J.G. Lisoni,, R. Müller, M D.J. Wouters Crocus Technology L. Prejbeanu, J-P. Nozières res,, Y. Conraux,, K. MacKay

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