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A CMOS compatible ferroelectric tunnel junction memory device.

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Ambriz Vargas, Fabian (2018). A CMOS compatible ferroelectric tunnel junction memory device. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 153 p.

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Résumé

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L’industrie des semi-conducteurs est à la recherche d’une mémoire universelle combinant la vitesse de lecture et d’écriture des mémoires statiques (SRAM – Static Random Access Memory) ; la non-volatilité des mémoires flash ; et la haute densité d’informations ainsi que l’endurance des mémoires statiques (DRAM – Dynamic Random Access Memory). À ce jour, aucune solution disponible commercialement remplis ces critères ambitieux. Parmi les différentes solutions émergentes, les mémoires ferroélectriques à jonction tunnel (FTJ – Ferroelectric Tunnel Junction) sont les candidates les plus prometteuses au titre de mémoire universelle. La FTJ est une mémoire utilisant le changement de sa résistance électrique pour stocker l’information qui allie une grande vitesse d’opération (temps d’écriture : ~10 ns) avec une faible volatilité, une haute densité d’informations (1 bit est composé uniquement d’une capacité et d’un transistor) et une haute endurance (106 cycles) ; le tout ne nécessitant qu’une faible quantité d’énergie. En 2009, la fabrication de la première mémoire ferroélectrique à jonction tunnel, basée sur une barrière tunnel composée d’un matériau de la famille des pérovskites, le titanate de baryum, a été annoncée. Cependant, intégrer les pérovskites dans les procédés conventionnels de la technologie du silicium reste un défi causé par la faible compatibilité des méthodes de croissance des pérovskites avec les procédés de fabrication des composants électroniques (CMOS – Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Dans ce contexte, cette thèse présente la première fabrication et caractérisation d’un dispositif mémoire FTJ utilisant des matériaux compatibles avec le procédé CMOS. La déposition de couches ferroélectrique ultraminces est un défi majeur dans le développement des dispositifs mémoire FTJ. Ainsi, l’effet de l’épaisseur de la couche sur les propriétés du titanate de baryum, l’un des matériaux ferroélectriques les mieux connus, a été étudié en détail en premier lieu. Cette étude, présentée dans le chapitre 4, explore le mécanisme de croissance du titanate de baryum (BaTiO3) sur un substrat de titanate de strontium dopé avec du niobium (Nb:SrTiO3). Le titanate de baryum comme barrière ferroélectrique ultramince a déjà été utilisé dans d’autres dispositifs mémoire FTJ. Dans la plupart des cas, les méthodes utilisée pour la croissance du titanate de baryum sont le dépôt atomique de couches (ALD – Atomic layer deposition) et l’ablation par laser pulsée (PLD – Pulsed laser deposition). Dans le cas de l’ALD, le dépôt s’effectue en deux étapes. D’abord, une couche amorphe de titanate de baryum est déposée sur le substrat chauffé à 280°C. Ensuite, un recuit de la couche permet la cristallisation. Dans le cas de la PLD, la déposition du titanate de baryum cristallin est effectuée en une seule étape en chauffant le substrat à 900°C. Bien que la PLD permette d’obtenir titanate de baryum cristallin avec la même stoechiométrie que la cible de déposition, ce procédé ne peut pas être utilisé à l’échelle industrielle. Cependant, le dépôt par pulvérisation cathodique est une méthode répandue pour la production à grande échelle. Par conséquent, dans cette thèse le titanate de baryum cristallin est déposé en une étape avec un substrat à une température relativement faible (650°C) en utilisant le dépôt par pulvérisation cathodique magnétron. Néanmoins, cette température reste trop élevée pour les procédés de l’industrie des semi-conducteurs. Il a donc été nécessaire de chercher d’autres matériaux ferroélectrique et compatible avec procédés industriels. La découverte récente de la ferroélectricité dans les couches minces d’oxyde d’hafnium (HfO2) et d’oxyde d’hafnium-zirconium (Hf0.5Zr0.5O2) a renouvelé l’intérêt dans la réalisation de dispositifs mémoire FTJ puisque cette famille de matériaux est déjà utilisée par l’industrie du silicium. Ainsi, l’oxyde d’hafnium-zirconium est étudié dans le chapitre 5 comme candidat possible pour les dispositifs mémoire FTJ. Deux types de dispositifs (le FTJ-symétrique et le FTJ-asymétrique), compatibles avec la technologie CMOS ont été fabriqués en utilisant l’oxyde d’hafnium-zirconium comme barrière tunnel ferroélectrique et le nitrure de titane (TiN) comme électrodes. Pour chaque dispositif, le transport des charges à travers les interfaces ferroélectrique/semi-conducteur sont étudiées en utilisant la spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS – X-ray photoelectron spectrometry) et spectroscopie UV-Visible. La combinaison des données expérimentales, obtenue par microscopie à force atomique en mode conduction de courant (C-AFM – Conductive-Atomic Force Microscopy), et des modèles théoriques décrits par Simmons (FTJ-symétrique) et par Brinkman (FTJ-asymétrique) démontre la présence d’électrorésistance à effet tunnel (TER – Tunneling ElectroResistance) dans les deux types de dispositifs mémoire FTJ. De plus, la caractérisation de nos dispositifs démontre d’excellentes propriétés de mémoire semi-conductrice (bonne endurance et rétention de l’information, grand ratio TER à faibles tensions et un procédé de fabrication reproductible).

Abstract

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The semiconductor electronic industry has been searching for a universal memory that combines fast write/read access with non-volatility and excellent scalability. To realize such an ambitious task, the following is required: Non-volatility like FLASH memory, scalability to high density like dynamic random access memory (DRAM) and FLASH, high speed like static random access memory (SRAM) and high endurance like DRAM and SRAM. To date, none of the commercially available solutions responds to all of those requirements. Among the different emerging semiconductor memories, ferroelectric tunnel junctions (FTJs) are the most promising candidates to become a universal memory. An FTJ device is a resistance-based memory that combines good scalability (simple cell size: 1 capacitor-1transistor) with low operating energy, non-volatility, high operation speed (write time, <10 ns) and high endurance (>106 cycles). In 2009, the fabrication of the first FTJ memory device based on a perovskite tunnel barrier (BaTiO3) was reported. However, the integration of perovskite materials into the conventional silicon technology remains challenging due to their lack of compatibility with the complementary metal oxide semiconductor process (CMOS). In this context, the present thesis reports on; the fabrication and evaluation of the first FTJ memory device based on CMOS-compatible materials and deposition processes. The deposition of ferroelectric ultrathin films with only a few unit cells thickness is a crucial challenge in the development of FTJ memory devices. As such, the effect of the layer thickness on the ferroelectric properties of BaTiO3 was studied first. Chapter four presents a detailed study of the growth mechanism of BaTiO3 on Nb:SrTiO3 substrates for on-axis RF-magnetron sputtering. The optimization of the deposition parameters to prevent substrate re-sputtering in order to allow the transfer of the correct stoichiometry from the target to the Nb:SrTiO3 substrate surface is reported. In most cases, literature reports the use of atomic layer deposition (ALD) and pulsed laser deposition (PLD) to grow ultrathin BaTiO3 films. In the case of ALD, the deposition process of BaTiO3 occurred in two steps: First, a non-crystalline BaTiO3 film is deposited at a substrate temperature of 280oC while the second step consists in the annealing of the as-deposited film (at a relative high temperatures 900oC) to allow its crystallization. In the case of PLD, it achieves the deposition of crystalline BaTiO3 in a single step, at a substrate temperature of 900oC. Although PLD is well suited for maintaining the stoichiometry of crystalline BaTiO3, this process is not scalable. On the other hand, sputtering is a widely used deposition technique for large-scale production. Thus, in this thesis, crystalline BaTiO3 was deposited in a single step at a relative low substrate temperature (650oC). However, this substrate temperature is still too high to be compatible with the semiconductor industry process. Therefore, it was necessary to search for new material candidates. The recent discovery of ferroelectricity in Si-doped HfO2 and Hf0.5Zr0.5O2 films has renewed the interest for realizing ferroelectric tunnel junction devices, since ZrO2 and HfO2 are familiar to the semiconductor industry. Thus, in chapter five, Hf0.5Zr0.5O2 was evaluated as a possible candidate for an FTJ memory device. The fabrication of two types of FTJ memories (nominally symmetric-FTJ and asymmetric-FTJ) made of CMOS compatible materials (Hf0.5Zr0.5O2 as ferroelectric tunnel barrier and TiN as an electrode) is reported. In both types of FTJ memories, the electronic charge transport across the semiconductor/ferroelectric interfaces was studied by current-voltage curves. X-ray photoelectron and UV-VIS spectroscopies established a quantitative model for the band diagram. The combination of experimental data obtained from conductive-atomic force microscopy with theoretical models described by Simmons (nominally symmetric-FTJs) and Brinkman (asymmetric-FTJs) attested to the presence of the “tunneling electroresistance effect (TER effect)” in both FTJ memory devices. Furthermore, an evaluation of our FTJ memory device was performed, demonstrating excellent semiconductor memory properties (good endurance, good data-retention, large TER ratio at low voltages combined with a reproducible deposition process).

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Ruediger, Andreas Peter
Co-directeurs de mémoire/thèse: Gauthier, Marc-André
Mots-clés libres: mémoires ferroélectriques à jonction tunnel; matériaux ferroélectriques; couches minces; ferroelectric tunnel junction memory; ferroelectrics; thin films
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 04 mars 2019 16:06
Dernière modification: 04 mars 2019 16:06
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/7874

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