FR2998704A1 - Dispositif electronique de type memoire - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif électronique (100) comportant : - une première électrode (103) en matériau inerte ; - une deuxième électrode (104) en matériau soluble ; - un électrolyte solide (112) à base d'un matériau conducteur ionique, les première et deuxième électrodes étant respectivement en contact avec l'une des faces de l'électrolyte de part et d'autre de l'électrolyte, la deuxième électrode étant apte à fournir des ions mobiles circulant dans l'électrolyte vers la première électrode pour former un filament conducteur entre la première électrode et la deuxième électrode lorsqu'une tension est appliquée entre la première et la deuxième électrodes. Le volume de l'électrolyte (112) est choisi de sorte que la surface (113) de la première extrémité de l'électrolyte en contact avec la première électrode (103) est strictement inférieure à la surface (114) de la deuxième extrémité de l'électrolyte en vis-à-vis de la première extrémité.

Description

Dispositif électronique de type mémoire La présente invention concerne un dispositif électronique de type mémoire ; l'invention concerne plus particulièrement le domaine des mémoires réinscriptibles, et plus spécifiquement celui des mémoires réinscriptibles non volatiles résistive à conduction ionique (mémoires CBRAM ou « Conductive Bridging RAM »). En fonction des applications et des performances visées, différents types de mémoires sont utilisées. Ainsi, les mémoires de type SRAM, ou mémoires vives statiques, offrent des temps d'écriture ultra-rapides, requis par exemple lors de calculs par un micro-processeur. L'inconvénient majeur de ces mémoires est qu'elles sont volatiles et que la taille du point mémoire relativement grande ne permet pas d'obtenir une grande capacité de stockage dans un volume raisonnable. Les mémoires de type DRAM, ou mémoires vives dynamiques, réalisant le stockage de charges électriques dans des capacités, offrent une grande capacité de stockage. Ces mémoires possèdent toutefois des temps d'écriture plus élevés (quelques dizaines de nanosecondes) que ceux des mémoires de type SRAM et sont elles-aussi volatiles, le temps de rétention de l'information étant de l'ordre de quelques dizaines de millisecondes.
A l'inverse, pour des applications qui nécessitent un stockage de l'information même lorsque la tension est coupée, on connait également des dispositifs mémoire à l'état solide qui conservent l'information en l'absence d'alimentation : ces dispositifs sont appelés mémoires non volatiles. Ainsi, depuis de nombreuses années, différentes solutions technologiques ont été développées, et ont conduit à la disponibilité de mémoires non volatiles pouvant être écrites et effacées électriquement. On peut citer par exemple : - les EPROMs (« Erasable Programmable Read Only Memories » en anglais, ou mémoires mortes effaçables et programmables), dont le contenu peut être écrit électriquement, mais qui doivent être sou- mises à un rayonnement UV pour effacer les informations mémori- sées ; - les EEPROMs (« Electrically Erasable Programmable ROMs » en anglais, ou mémoires mortes effaçables et programmables électriquement), dont le contenu peut être écrit et effacé électriquement, mais qui requièrent, pour leur réalisation, des surfaces de semi-conducteur plus importantes que les mémoires de type EPROM, et qui sont donc plus coûteuses à réaliser. Les deux solutions mentionnées ci-dessus présentant des limites dans leur application, les fabricants se sont mis à la recherche d'une mémoire non volatile idéale, qui combinerait les caractéristiques suivantes : écriture et effacement électrique, haute densité et faible coût par bit, accès aléatoire, temps d'écriture et de lecture courts, bonne endurance, mais aussi faible consommation et faible tension d'alimentation. Il existe également des mémoires non volatiles, appelées mémoires Flash, qui ne présentent pas les inconvénients des mémoires EPROMs ou EEPROMs mentionnés ci-dessus. En effet, une mémoire Flash est formée d'une pluralité de cellules mémoires pouvant être programmées électriquement de manière individuelle, un grand nombre de cellules, appelé bloc, secteur ou page, pouvant être effacées simultanément et électriquement. Les mémoires Flash combinent à la fois l'avantage des mémoires EPROMs en termes de densité d'intégration et l'avantage des mémoires EEPROMs en termes d'effacement électrique. De plus, la durabilité et la faible consommation électrique des mé- moires Flash les rendent intéressantes pour de nombreuses applications : appareils photos numériques, téléphones cellulaires, imprimantes, assis- tants personnels, ordinateurs portables, ou encore dispositifs portables de lecture et d'enregistrement sonore, clés USB, etc. De plus, les mémoires Flash ne possèdent pas d'éléments mécaniques, ce qui leurs confère une assez grande résistance aux chocs. A l'ère du 'tout numérique', ces produits se sont grandement développés, permettant une explosion du marché des mémoires Flash. La plupart des mémoires Flash non-volatiles du commerce utilisent le stockage de charges comme principe de codage de l'information. En pratique, une couche de piégeage de charge (généralement du polysilicium, ou un diélectrique comme le SiN) est encapsulée entre deux diélectriques dans l'empilement de grille d'un transistor MOS. La présence ou l'absence de charge dans ce medium modifie la conduction du transistor MOS et permet de coder l'état de la mémoire.
Plus récemment, d'autres types de mémoires non volatiles réinscrip- tibles sont apparus pour réduire les tensions et temps de programmation des mémoires Flash ; on peut notamment citer les mémoires ferroélectriques (mémoires FeRAM ou « Ferroelectric RAM »), basées sur le basculement de la polarisation, ou les mémoires magnétiques (mémoires MRAM ou « Ma- gnetic RAM) qui utilisent la direction du champ magnétique rémanent dans le matériau actif. Cependant, les mémoires FeRAM et MRAM présentent des difficultés qui limitent leur réduction d'échelle. Afin de surmonter ces difficultés, on connait les mémoires à résistance variable (appelées mémoires RRAM ou « Resistive RAM ») ; ces dernières sont aujourd'hui le sujet d'une grande attention. Les mémoires de type résistive peuvent présenter au moins deux états « off » ou « on » correspondant au passage d'un état résistif (état « OFF ») à un état moins résistif (état « ON »)). On peut distinguer trois types de mémoires résistives : les mémoires à base de mécanisme thermochimique, les mémoires à base de change- ment de valence, et les mémoires à base de métallisation électrochimique. Le domaine de la présente invention concerne cette dernière catégorie basée sur des matériaux actifs tels que des matériaux à conduction ionique que nous appellerons mémoires CBRAM ou « Conductive Bridging RAM » (ou PMC pour Programmable Metallization Cell) et dont le fonction- nement réside sur la formation et la rupture réversibles d'un filament conducteur dans un électrolyte solide, par dissolution d'une électrode soluble. Ces mémoires sont extrêmement prometteuses de par leur faibles tensions de programmation (de l'ordre du Volt), leur temps courts de programmation (<l µs), leur faible consommation, et leur faible coût d'intégration. De plus, ces mémoires peuvent être intégrées dans les niveaux de métallisation de la logique du circuit (« above IC »), ce qui permet d'augmenter la densité. Du point de vue de l'architecture, ces mémoires nécessitent généralement un dispositif de sélection pouvant être par exemple un transistor ou une diode. Le fonctionnement des dispositifs de type CBRAM est basé sur la formation, au sein d'un électrolyte solide, d'un ou plusieurs filaments métalliques (appelés également « dendrite ») entre deux électrodes, lorsque ces électrodes sont portées à des potentiels respectifs appropriés. La formation du filament permet d'obtenir une conduction électrique donnée entre les deux électrodes. En modifiant les potentiels respectifs appliqués aux électrodes, il est possible de modifier la répartition du filament, et de modifier ainsi la conduction électrique entre les deux électrodes. En inversant par exemple le potentiel entre les électrodes, il est possible de faire disparaître ou de réduire le filament métallique, de manière à supprimer ou à réduire considérablement la conduction électrique due à la présence du filament. Les dispositifs CBRAM peuvent ainsi avoir un fonctionnement à deux états : un état dit « ON » et un état dit « OFF » et jouer ainsi le rôle de cellules mémoires. La figure 1 représente un schéma de principe d'un dispositif électronique 1 de type CBRAM. Ce dispositif 1 est formé par un empilement de type Métal/Conducteur ionique / Métal. Il comporte un électrolyte solide 2, par exemple à base de chalcogénure dopé tel que du GeS disposé entre une électrode inférieure 3, par exemple en Pt, formant une cathode inerte, et une électrode supérieure 4 comportant une portion de métal ionisable, par exemple à base d'Ag ou de Cu, c'est-à-dire une portion de métal pouvant facilement former des ions métalliques (ici des ions argent Ag+ ou Cu2+), et formant une anode. Le dispositif 1 représenté sur la figure 1 forme typiquement un point mémoire, c'est-à-dire une cellule mémoire unitaire, d'une mémoire comportant une multitude de ces dispositifs mémoires : dans ce cas, l'électrolyte est généralement intégré en « point contact », entre les deux électrodes qui sont organisées en ligne dans des directions perpendiculaires entre elles. L'état mémoire d'un dispositif mémoire CBRAM résulte de la différence de résistivité électrique entre deux états : ON et OFF. A l'état OFF, les ions métalliques (par exemple ici des ions Ag+ pour une électrode soluble en Ag) issus de la portion de métal ionisable sont dispersés dans tout l'électrolyte solide. Ainsi, aucun contact électrique n'est établi entre l'anode et la cathode, c'est-à-dire entre la portion de métal ionisable et l'électrode inférieure. L'électrolyte solide forme une zone électriquement isolante de grande résistivité entre l'anode et la cathode. Lorsqu'un potentiel V positif est appliqué sur l'électrode soluble supérieure (l'anode) 4, une réaction d'oxydo-réduction a lieu à cette électrode, créant des ions mobiles 5 (Figure 2). Dans le cas d'une électrode 4 d'Argent, la réaction suivante a lieu : Ag Ag+ + e-. Il faut pour cela que le potentiel V appliqué à l'électrode soluble 4 soit suffisant pour que la réaction redox ait lieu. Les ions 5 se déplacent alors dans l'électrolyte 2 sous l'effet du champ électrique appliqué. La vitesse de déplacement dépend de la mobilité de l'ion dans l'électrolyte en question, ce qui guide le choix du couple élec- trode soluble / électrolyte (exemples : Ag/GeS ; Cu/Si02...). Les vitesses de déplacement des ions sont de l'ordre du nm/ns. Arrivés à l'électrode inerte 3 (la cathode), les ions 5 sont réduits de par la présence d'électrons fournis par l'électrode, entraînant la croissance d'un filament métallique 6 selon la réaction suivante : Ag+ + e- Ag Ce filament croit préférentiellement dans la direction de l'électrode soluble 4. La mémoire 1 passe alors dans l'état ON (figure 3) lorsque le filament 6 permet le contact entre les deux électrodes 3 et 4, rendant l'empilement conducteur. Cette phase est appelé SET de la mémoire. Pour passer à l'état OFF (phase de RESET de la mémoire), une tension V négative est appliquée sur l'électrode supérieure 4, entrainant la dissolution du filament conducteur. Pour justifier cette dissolution, des mécanismes thermiques (échauffement) et d'oxydoréduction sont généralement invoqués. De nombreuses études portent sur ces mémoires CBRAM pour améliorer leur fiabilité et leurs performances. Parmi les solutions proposées, on peut notamment citer : l'ingénierie de l'électrolyte (ajout de dopants, choix de nouveaux matériaux, recuits, traitements UV...), l'ingénierie de l'électrode soluble et de l'électrode inerte ou l'ajout d'interface(s) entre les électrodes et l'électrolyte.
Afin de réduire les dimensions des mémoires CBRAM, une architecture à base d'électrode conductrice en anneau a été proposée dans le brevet US8022547. Cette solution permet de réduire les dimensions de la zone active sans faire appel à des étapes de photolithographie critique. Les solutions connues et mentionnées ci-dessus présentent toutefois certains inconvénients. Ainsi, une des difficultés des mémoires filamentaires telles que les CBRAM concerne la forte dispersion de certaines caractéristiques électriques. En particulier, de fortes dispersions des tensions de SET et RESET sont mesurées au niveau des matrices mémoires, mais également sur un même dispositif, lors du cyclage de la cellule (mesure d'endurance). Cette dispersion est critique pour la fiabilité de ces dispositifs et limite leur intégration à grande échelle. On retrouve également ces limitations dans les mémoires de type OXRRAM (mémoires résistives à base d'oxyde) où le changement d'état résistif est lié à la formation d'un filament de lacunes d'oxygène. Une des origines invoquée pour expliquer cette dispersion porte sur la difficulté à contrôler la taille et la position du filament, qui peut varier d'un cycle à l'autre sur la cellule mémoire. Le document US2011/0120856 décrit une mémoire CBRAM permettant de contrôler la forme du filament ; pour ce faire, l'électrolyte possède une forme asymétrique de sorte que la section de contact de l'électrolyte avec l'électrode soluble est inférieure à la section de contact de l'électrolyte avec l'électrode inerte. La forme des espaceurs entourant l'électrolyte combinée avec la forme de l'électrolyte permettent de bien définir la région active et donc la forme du filament conducteur.
Cette solution présente toutefois également certains inconvénients. Ainsi, la réduction de la taille de l'électrolyte peut entraîner une dégradation des performances lorsque la taille de l'électrolyte au niveau de l'électrode soluble est proche ou égale à celle du filament que l'on souhaite créer. Par exemple pour l'effacement, il reste alors peu d'espace disponible dans l'électrolyte pour dissoudre le filament formé. Dans ce contexte, la présente invention vise à fournir un dispositif électronique comportant : - une première électrode en matériau inerte ; - une deuxième électrode en matériau soluble ; - un électrolyte solide à base d'un matériau conducteur ionique, les première et deuxième électrodes étant respectivement en contact avec l'une des faces de l'électrolyte de part et d'autre dudit électrolyte, la deuxième électrode étant apte à fournir des ions mobiles circulant dans l'électrolyte vers la première électrode pour former un filament conducteur entre la première électrode et la deuxième électrode lorsqu'une tension est appliquée entre la première et la deuxième électrode ; le volume dudit électrolyte étant choisi de sorte que la surface de la première extrémité de l'électrolyte en contact avec la première électrode est strictement inférieure à la surface de la deuxième extrémité de l'électrolyte en vis-à-vis de la première extrémité. On entend par filament conducteur au moins un nanofil ou dendrite (par exemple métallique) formé par la croissance d'ions (par exemple métalliques) au sein de l'électrolyte. Grâce à l'invention, on utilise avantageusement un volume asymétrique pour l'électrolyte de façon à bénéficier d'un volume réduit du côté de l'électrode inerte et d'un volume plus important du côté de l'électrode soluble. On notera que cette configuration est exactement inverse de la configuration présentée dans le document US2011 /0120856. En d'autres termes, l'invention propose d'ajuster avantageusement la forme de l'électrolyte afin de diminuer la surface de contact avec l'électrode inerte tout en conservant un volume d'électrolyte suffisant, notamment pour l'effacement. En choisissant une telle configuration, on utilise à la fois le confinement de l'électrolyte au niveau de l'électrode inerte qui permet de contrôler la formation du filament conducteur (i.e. plus le volume de l'électrolyte est petit, plus le filament sera guidé dans sa croissance, et donc plus les caractéristiques électriques seront reproductibles) mais on conserve également un volume suffisant d'électrolyte (notamment au niveau de l'électrode soluble) pour ne pas dégrader les performances du dispositif (la taille de l'électrolyte reste supérieure à celle du filament au niveau de l'électrode soluble) ; ainsi, pour l'effacement, il reste suffisamment d'espace disponible lorsqu'on se rapproche de l'électrode soluble dans l'électrolyte pour dissoudre le filament formé. Le dispositif selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - la section de l'électrolyte mesurée parallèlement au plan de contact de l'électrolyte avec la première électrode croit continument depuis le plan de contact sur au moins une partie de la hauteur dudit électrolyte ; - l'électrolyte présente un première partie de section constante en contact avec la première électrode poursuivie par une deuxième partie de section constante, la section constante de la première partie étant inférieure à la section constante de la deuxième partie, lesdites sections constantes étant mesurées parallèlement aux plans de contact de l'électrolyte avec les première et deuxième électrodes ; - le dispositif selon l'invention comporte au moins une électrode de confinement, ladite électrode de confinement comportant une surface d'extrémité en contact avec l'électrolyte inférieure à la surface disponible de l'électrolyte de sorte qu'on obtient un confinement de la zone de contact de l'électrode de confinement sur l'électrolyte solide ; - l'électrode de confinement est l'électrode soluble ; - la section de l'électrode de confinement mesurée parallèlement au plan de contact de l'électrolyte avec l'électrode de confinement croit continument depuis le plan de contact sur au moins une partie de la hauteur de l'électrode de confinement ; - le dispositif selon l'invention comporte des moyens isolants entourant l'électrolyte sur au moins une partie de sa hauteur ; 2 998 704 9 - l'électrolyte solide est réalisé à partir d'un matériau chalcogénure tel qu'un séléniure ou un tellurure, de certains oxydes tels que SiO2, Hf02, Ta205, TiO2, GdOx, CuOx, WOx, ou de sulfures tels que GeSx, CuxS ou AgS. 5 La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication du dispositif selon l'invention comportant : - une étape de réalisation d'une ouverture dans un matériau isolant, ladite ouverture ayant la forme dudit électrolyte ; - une étape de remplissage de ladite ouverture par un matériau formant 10 ledit électrolyte. Selon un premier mode de réalisation, ladite ouverture est obtenue par gravure anisotrope du matériau isolant. Selon un second mode de réalisation, ladite ouverture est obtenue par transfert d'un motif de résine fluée dans ledit matériau isolant. 15 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - les figures 1 à 4 représentent schématiquement un dispositif à conduction ionique du type CBRAM selon l'état de la technique; 20 - la figure 5 représente schématiquement un dispositif électronique du type CBRAM à zone active réduite ; - la figure 6 représente schématiquement un dispositif électronique selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - les figures 7a et 7b illustrent le fonctionnement du dispositif de la 25 figure 5 ; - les figures 8a et 8b illustrent le fonctionnement du dispositif de la figure 6 ; - les figures 9 à 12 représentent schématiquement quatre autres modes de réalisation du dispositif selon l'invention ; 30 - les figures 13 à 17 illustrent un exemple de réalisation d'un procédé de fabrication du dispositif de la figure 12 ; - la figure 18 représente schématiquement un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention ; - les figures 19 à 26 illustrent un exemple de réalisation d'un procédé de fabrication du dispositif de la figure 18. Dans toutes les figures, les éléments communs portent les mêmes numéros de référence.
Les figures 1 à 3 ont déjà été décrites en référence à l'état de la technique. La figure 4 représente schématiquement un dispositif 1 identique à celui décrit en figure 1. De façon connue, ce dispositif comporte en outre des portions diélectriques latérales 7 disposées autour de l'électrolyte 2.
Une première solution pour contrôler la formation du filament conducteur au sein de l'électrolyte serait de réduire uniformément la taille de l'électrolyte. Cette solution est illustrée en figure 5 qui représente un dispositif 10 de type CBRAM ayant une structure quasi identique à celle du dispositif 1 de la figure 4, la seule différence consistant à réduire la taille de son électrolyte 12 par rapport à l'électrolyte 2 du dispositif 1. Par souci de simplification, nous avons conservé les mêmes références pour les éléments communs aux dispositifs 1 et 10. Plus le volume de l'électrolyte 12 est petit, plus le filament est guidé dans sa croissance, et donc plus les caractéristiques électriques seront reproductibles. Ce phénomène est illustré en figure 7a : la formation du filament 16 est contrainte par la taille réduite de l'électrolyte 12 proche de la taille du filament 16. Cependant, la réduction de la taille de l'électrolyte 12 peut entraîner une dégradation des performances lorsque la taille de l'électrolyte est proche ou égale à celle du filament que l'on souhaite créer. Par exemple pour l'opération d'effacement illustrée en figure 7b, il reste peu d'espace disponible dans l'électrolyte 12 pour dissoudre le filament 16 formé. Le dispositif selon l'invention permet de résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus. Un premier mode de réalisation d'un dispositif 100 selon l'invention est illustré en figure 6.
Comme précédemment, le dispositif 100 est formé par un empilement de type Métal/Conducteur ionique / Métal. Il comporte un électrolyte solide 112, par exemple à base de chalcogénure dopé tel que du GeS disposé entre une électrode inférieure 103, par exemple en Pt, formant une cathode inerte, et une électrode supérieure 104 comportant une portion de métal ionisable, par exemple à base d'Ag, c'est-à-dire une portion de métal pouvant facilement former des ions métalliques (ici des ions argent Ag+), et formant une anode. Ce dispositif 100 comporte en outre des portions diélectriques latérales 107 disposées autour de l'électrolyte 112. Avantageusement, la forme de l'électrolyte 112 est choisie afin de diminuer la surface 113 du contact entre l'électrolyte 112 et l'électrode inerte 103 tout en conservant un volume d'électrolyte suffisant. En d'autres termes, le volume de l'électrolyte 112 est asymétrique et choisi de sorte que la surface 113 de contact de l'électrolyte avec l'électrode inerte 103 soit strictement inférieure à la surface 114 de l'électrolyte 112 du côté de l'électrode soluble 104. La forme générale de l'électrolyte 112 est ici globalement pyramidale avec une section de l'électrolyte mesurée parallèlement au plan des couche de l'empilement (et donc parallèlement aux plans de contact des électrodes 103 et 104) qui croit continument et linéairement depuis la surface 113 de contact de l'électrolyte 112 avec l'électrode inerte 103 jusqu'à la surface 114 de l'électrolyte 112 du côté de l'électrode soluble 104. En choisissant une telle géométrie pour l'électrolyte 112, le dispositif CBRAM 100 selon l'invention permet non seulement d'obtenir un filament localisé mais également de conserver un volume d'électrolyte suffisant pour faciliter l'effacement. Ces deux phénomènes sont respectivement illustrés aux figures 8a et 8b. Le filament 116 est ainsi guidé dans sa croissance de par le confinement de la zone 113 de contact avec l'électrode inerte 103, les caractéristiques électriques étant ainsi reproductibles. L'état mémoire du dispositif mémoire CBRAM 100 résulte de la différence de résistivité électrique entre deux états : ON et OFF. A l'état OFF, les ions métalliques (par exemple ici des ions Ag+ pour une électrode soluble en Ag) issus de la portion de métal ionisable sont dispersés dans tout l'électrolyte solide 112. Ainsi, aucun contact électrique n'est établi entre l'électrode soluble 104 et l'électrode inerte 103, c'est-à-dire entre la portion de métal ionisable et l'électrode inférieure. L'électrolyte solide 112 forme une zone électriquement isolante de grande résistivité entre l'anode 104 et la cathode 103. Lorsqu'un potentiel V positif est appliqué sur l'électrode soluble supérieure 104, une réaction d'oxydo-réduction a lieu à cette électrode, créant des ions mobiles. Dans le cas d'une électrode 104 d'Argent, la réaction suivante a lieu : Ag Ag+ + e-. Il faut pour cela que le potentiel V appliqué à l'électrode soluble 104 soit supérieur au potentiel redox de l'électrode 104 en question (générale- ment de l'ordre de plusieurs centaines de mV). Les ions Ag+ se déplacent alors dans l'électrolyte 112 sous l'effet du champ électrique appliqué. Arrivés à l'électrode inerte 103, les ions Ag+ sont réduits de par la présence d'électrons fournis par l'électrode, entraînant la croissance d'un filament métallique 116 selon la réaction suivante : Ag+ + e- Ag Ce filament croit préférentiellement dans la direction de l'électrode soluble 104. De par le rétrécissement (ou confinement) de l'électrolyte 112 à me- sure que l'on se rapproche de l'électrode inerte 103, les ions Ag+ sont con- traints dans leur déplacement de sorte que la formation du filament 116 (cf. figure 8a) est parfaitement contrôlée. C'est notamment l'amorce de création du filament 116 au niveau de l'électrode inerte 103 qui est contrôlée grâce à la taille réduite de la surface de contact 113 entre l'électrolyte 112 et la cathode 103.
La mémoire 100 passe alors dans l'état ON (figure 8a) lorsque le filament 116 permet le contact entre les deux électrodes 103 et 104, rendant l'empilement conducteur. Cette phase est appelé SET de la mémoire. Pour passer à l'état OFF (phase de RESET de la mémoire), une tension V négative est appliquée sur l'électrode supérieure 104, entrainant la dissolution (figure 8b) du filament conducteur sous forme d'ions Ag+ (référence 105). Grâce au dispositif 100 selon l'invention et à la forme évasée de l'électrolyte 112, on conserve un volume suffisant dans la partie supérieure de l'électrolyte (i.e. du côté de l'électrode soluble 104) vers laquelle se dirigent les ions 105 lors de la dissolution de façon à faciliter l'effacement, les ions 105 se redéposant sur l'électrode soluble 104. La forme pyramidale de l'électrolyte 112 est donnée à titre purement illustratif étant entendu que d'autres formes d'électrolytes sont parfaitement envisageables ; ainsi, trois autres exemples d'électrolytes sont illustrés sur les figures 9 à 11. Comme pour l'électrolyte 112 du dispositif 100, les électrolytes 212 et 312 appartenant respectivement aux dispositifs CBRAM 200 et 300 des figures 9 et 10 présentent une forme choisie de sorte que la section de l'électrolyte mesurée parallèlement au plan des couche de l'empilement (et donc parallèlement aux plans de contact des électrodes 103 et 104) croit continument depuis la surface 213 (respectivement 313) de contact de l'électrolyte 212 (respectivement 312) avec l'électrode inerte 103 jusqu'à la surface 214 (respectivement 314) de contact de l'électrolyte 212 (respectivement 312) avec l'électrode soluble 104. L'électrolyte 212 présente des flancs de forme arrondie concave tandis que l'électrolyte 312 présente des flancs de forme arrondie convexe. Le principe demeure que la forme la plus efficace est celle qui combine une faible surface d'électrolyte du côté de l'électrode inerte et un fort volume d'électrolyte du côté de l'électrode soluble. Selon un autre mode de réalisation illustré en figure 11, le dispositif CBRAM selon l'invention comporte un électrolyte 412 présentant un première partie 412B de section constante en contact avec l'électrode inerte 103 et une deuxième partie 412A de section constante en contact avec l'électrode soluble 104, lesdites sections étant mesurées parallèlement au plan des couche de l'empilement (et donc parallèlement aux plans de contact des électrodes 103 et 104). La section constante de la première partie 412B est choisie inférieure à la section constante de la deuxième partie 412A.
Les formes des électrolytes (cf. notamment figures 6, 9 et 10) peuvent être obtenues par la réalisation d'espaceur dans un via de dimensions relâchées (donc compatible avec une technologie standard). La forme de l'espaceur obtenue dépend des conditions de gravure (connues par l'homme du métier) qui permettent de contrôler la pente de l'électrolyte dans le diélectrique. Les formes des électrolytes (cf. notamment figure 11) peuvent également être obtenues par réalisation de lithographies successives ou par gravure auto-alignée de matériaux montrant une vitesse de gravure différente pour élargir le volume de l'électrolyte au niveau de l'électrode soluble, tout en gardant une zone de contact réduite entre l'électrolyte et l'électrode inerte. On notera que dans chacun des cas, les espaceurs diélectriques 107 (respectivement 207, 307 et 407) ont des flancs qui s'adaptent aux flancs de l'électrolyte. En d'autres termes, il n'y a pas de discontinuité de matériau. En pratique, l'électrolyte est déposé dans la cavité formée par les espaceurs. La figure 12 illustre un autre mode de réalisation d'un dispositif 500 selon l'invention.
Comme précédemment, le dispositif 500 comporte un électrolyte solide 512 disposé entre une électrode inférieure inerte 503 et une électrode supérieure 504. Ce dispositif 500 comporte en outre des portions diélectriques latérales 507 disposées autour de l'électrolyte 512 sur une partie h de la hauteur dudit électrolyte 512. Ces espaceurs diélectriques 507 sont eux-mêmes entourés de portions diélectriques 517. L'électrode inerte 503 est isolée latéralement par des espaceurs ou zones diélectriques 515 et repose sur une ligne métallique 516 ; cette ligne métallique peut par exemple faire partie d'une ligne d'accès (ligne de bits ou ligne de mots) dans le cas où le dispositif de mémoire résistive 500 selon l'invention est intégré dans une architecture de type « cross-bar ». L'électrolyte 512 comporte une première partie inférieure 512A sensiblement identique à l'électrolyte 212 illustré en figure 9 et une seconde partie supérieure 512B. Les flancs de la partie inférieure 512A sont concave arrondis avec une section mesurée parallèlement au plan des couche de l'empilement (et donc parallèlement aux plans de contact des électrodes 503 et 504) qui croit continument depuis la surface 513 de contact de l'électrolyte 512 avec l'électrode inerte 503 sur la hauteur h des espaceurs 507.
La partie supérieure 512B située au-dessus des espaceurs 507 présente une section constante sensiblement perpendiculaire ; cette partie supérieure 512B assure la transition et le contact par sa surface supérieure avec l'électrode soluble 504. Nous verrons en référence aux figures 13 à 17 que la présence de cette partie supérieure 5128 est facultative (on retrouve e l'absence de cette partie 5128 la configuration du dispositif de la figure 9), cette partie pouvant être retirée par polissage mécano-chimique CMP (« Chemical Mechanical Polishing »). Les figures 13 à 17 illustrent les étapes principales d'un procédé de fabrication du dispositif 500 de la figure 12. Selon l'étape 601 représentée en figure 13, on commence par réaliser une ligne métallique 516, par exemple sur un substrat en Si ou sur des transistors MOS d'un niveau logique inférieur non représenté. Comme mentionné plus haut, cette ligne métallique peut faire office de ligne de mots ou de bits dans une structure matricielle de type « cross-bar » intégrant plusieurs dispositifs mémoire selon l'invention. Cette ligne 516 peut être réalisée de façon connue par une étape de gravure après photolithographie et formée par exemple à partir de Cu ou d'un alliage AICu ou AlSi. Selon cette étape 601, on réalise également l'électrode métallique inerte inférieure 503. Cette électrode 503 est par exemple obtenue par un procédé de type damascène qui consiste à graver au travers d'un masque en résine, un VIA dans un diélectrique 515. Le VIA est ensuite recouvert par le métal puis on retire l'excédent de métal par un polissage mécano-chimique CMP pour obtenir l'électrode inerte 503. Le diélectrique 515 isolant le VIA peut être par exemple du SiO2, déposé sur le substrat dont l'épaisseur peut être comprise entre 50 et 100nm. L'électrode inerte 503 est par exemple réalisée en Pt, TiN ou W. Selon l'étape 602 représentée en figure 14, on dépose une couche de diélectrique (par exemple une couche de Si3N4 présentant une épaisseur comprise entre 50nm 100nm). Cette couche diélectrique est ensuite gravée après photolithographie de manière à réaliser une seconde cavité 518 entourée par des portions diélectriques 517. La cavité présente ici une largeur c inférieure à celle du VIA métallique 503 ; on notera toutefois que les dimensions de cette seconde cavité ne sont pas critiques pour la mise en oeuvre du procédé. Selon l'étape 603 représentée en figure 15, on dépose un diélectrique dans la cavité 518. Ce diélectrique est gravé (par exemple par une gravure anisotrope) de manière à réaliser les espaceurs 507 localisés sur les flancs de la seconde cavité 518. La forme des espaceurs 507 (et notamment les flancs des espaceurs 507) obtenue dépend des conditions de gravure (connues par l'homme du métier) et va permettre par la suite de définir la forme complémentaire de l'électrolyte déposé dans le diélectrique. La largeur t de chacun des espaceurs 507 est égale à la largeur du diélectrique déposé ; cette largeur t est choisie par rapport à la largeur c de la seconde cavité 518 de manière à laisser un espace 519 de largeur g dans la seconde cavité 518 formant une ouverture sur l'électrode métallique soluble inférieure 503. Ainsi, les dimensions t, c et g sont choisies de manière à avoir un espace 519 à la dimension la plus faible possible, de l'ordre de quelques nm : cet espace 519 définit la surface de contact entre l'électrolyte et l'électrode inerte. A titre d'exemple, on pourra prendre le triplet suivant : c=100nm ; t=45nm ; g=10nm. Comme mentionné plus haut, la dimension du diélectrique 517 peut être relâchée : la longueur de la deuxième cavité 518 n'est pas critique et peut être de plus grande dimension. Le matériau diélectrique formant les espaceurs 507 est choisi de manière à ce que l'électrode métallique soluble ait un faible coefficient de diffusion dans ce matériau diélectrique. En effet, ces espaceurs 507 ne doivent pas agir comme un électrolyte. A titre d'exemple, dans le cas d'une électrode soluble d'Ag, on pourra choisir des espaceurs 507 en SiO2. Selon l'étape 604 représentée en figure 16, on dépose l'électrolyte solide 512 ainsi que l'électrode soluble 504 (par exemple un couple GeS2(50nm) + Ag(10-50nm), ou Si02(10nm) + Cu(10-50nm)...). On notera que, conformément à la figure 12, l'électrolyte solide 512 est ici en deux parties : une première partie 512A dont la forme est complémentaire de celle de l'ouverture 519 formée par les espaceurs 507 et une seconde partie 512B dont les dimensions sont non contraintes et qui assurent la transition et le contact avec l'électrode soluble 504. Comme nous l'avons mentionné plus haut, il est également possible de procéder à un polissage mécano-chimique CMP de la partie 512B de façon à obtenir un électrolyte 512 de volume plus réduit.
Selon l'étape 605 représentée en figure 17, l'électrode soluble 504 ainsi que la partie supérieure 512B de l'électrolyte sont gravées après une étape de photolithographie de manière à former l'électrode de contact supérieure. Le dispositif obtenu selon l'étape 605 est identique au dispositif 500 tel que représenté en figure 12.
Selon une alternative non représentée, il est également possible d'obtenir une ouverture telle que l'ouverture 519 en n'utilisant pas d'espaceurs 507 et en passant par d'autres méthodes telles que le fluage de résine. Selon cette dernière technique, on conserve une couche de matériau diélectrique 517 (figure 14) sans réaliser d'ouverture 518. On réalise un motif de résine fluée au niveau de la zone de réalisation de l'électrolyte. Ce motif de résine présente sensiblement la même forme que la partie inférieure 512A de l'électrolyte. Ce type de motif peut être notamment obtenu en utilisant une résine de type « Deep UV » étalée puis lithographiée. On insole (par exemple par des rayonnements UV) une fraction de la résine au-travers d'un masque comportant une partie transparente aux rayonnements UV à longueurs d'onde courtes (typiquement comprises entre 150 et 300nm) et une partie opaque aux rayonnements UV (absorbant les rayonnements UV) ; il se créé alors, par réaction photochimique, une image latente dans l'épaisseur de la résine photosensible. La résine est ensuite « développée ». Un recuit final est appliqué pour durcir le motif de résine ainsi formé. Après ces étapes de développement et de recuit, une température au-dessus de la température de transition vitreuse est appliquée afin de faire « fluer » la résine. On transfère ensuite la forme du motif de résine dans la couche diélectrique de manière à obtenir une ouverture présentant sensiblement la forme de la partie inférieure de l'électrolyte. Ce transfert est par exemple obtenu en effectuant une gravure plasma.
La figure 18 illustre un autre mode de réalisation d'un dispositif 700 selon l'invention. Comme précédemment, le dispositif 700 comporte un électrolyte solide 712 disposé entre une électrode inférieure inerte 703 et une électrode supérieure 704. Ce dispositif 700 comporte en outre des portions diélectriques latérales 707 disposées autour de l'électrolyte 712. Ces espaceurs diélectriques 707 sont eux-mêmes entourés de portions diélectriques 717. L'électrode inerte 703 est isolée latéralement (par exemple par des espaceurs diélectriques 715) et repose sur une ligne métallique 716. Les flancs de l'électrolyte 712 sont concave arrondis avec une section mesurée parallèlement au plan des couche de l'empilement (et donc parallèlement aux plans de contact des électrodes 703 et 704) qui croit continument depuis la surface 713 de contact de l'électrolyte 712 avec l'électrode inerte 703 jusqu'à la surface 714 de contact de l'électrolyte 712 avec l'électrode soluble 704. A la différence des dispositifs tels que décrit précédemment, l'électrode soluble 704 est ici une électrode dont l'extrémité en contact avec la surface 714 de l'électrolyte 712 est réduite. En d'autres termes, la surface de l'extrémité de l'électrode soluble 704 en contact avec l'électrolyte 712 est inférieure à la surface disponible de l'électrolyte 712 de sorte qu'on obtient un confinement de la zone de contact de l'électrode soluble 704 sur l'électrolyte solide 712. Tout comme pour l'électrolyte 712, les flancs de l'électrode soluble 704 sont concave arrondis.
Le dispositif 700 comporte en outre des portions diélectriques latérales 718 disposées autour de l'électrode soluble 704. Ces espaceurs diélectriques 718 sont eux-mêmes entourés de portions diélectriques 719. Le confinement de l'électrode supérieure soluble 704 permet de contrôler la formation du filament conducteur. Plus le volume de l'électrode inerte est petit, plus le filament sera guidé dans sa croissance, et donc plus les caractéristiques électriques seront reproductibles. Selon ce mode de réalisation, on confine à la fois l'électrolyte 712 et l'électrode supérieure soluble 704. Ce double confinement permet de contrôler la taille et la position du filament en le guidant dans sa croissance lors de l'opération de SET de la mémoire CBRAM. Le confinement de l'électrolyte permet de réduire l'espace disponible pour le filament (et donc de guider le filament) et le confinement de l'électrode supérieure permet de générer un pic de champ électrique pendant l'opération de SET assurant une croissance préférentielle verticale du filament. Les figures 19 à 26 illustrent les étapes principales d'un procédé de fabrication du dispositif 700 de la figure 12. Selon l'étape 801 représentée en figure 19, on commence par réaliser une ligne métallique 716, par exemple sur un substrat en Si ou sur des transistors MOS d'un niveau logique inférieur non représenté. Cette ligne 716 peut être réalisée de façon connue par une étape de gravure après photolithographie et formée par exemple à partir de Cu ou d'un alliage AICu ou AlSi.
Selon cette étape 801, on réalise également l'électrode métallique inerte inférieure 703. Cette électrode 703 est par exemple obtenue par un procédé de type damascène qui consiste à graver au travers d'un masque en résine, un VIA dans un diélectrique 715. Le VIA est ensuite recouvert par le métal puis on retire l'excédent de métal par un polissage mécano- chimique CMP pour obtenir l'électrode inerte 703. Le diélectrique 715 isolant le VIA peut être par exemple du SiO2, déposé sur le substrat dont l'épaisseur peut être comprise entre 50 et 100nm. L'électrode inerte 703 est par exemple réalisée en Pt, TiN ou W. Selon l'étape 802 représentée en figure 20, on dépose une couche de diélectrique (par exemple une couche de Si3N4 présentant une épaisseur comprise entre 50nm 100nm). Cette couche diélectrique est ensuite gravée après photolithographie de manière à réaliser une seconde cavité 722 entourée par des portions diélectriques 717. La cavité 722 présente ici une largeur c inférieure à celle du VIA métallique 703 ; on notera toutefois que les dimensions de cette seconde cavité ne sont pas critiques pour la mise en oeuvre du procédé. Selon l'étape 803 représentée en figure 21, on dépose un diélectrique dans la cavité 722. Ce diélectrique est gravé (par exemple par une gravure anisotrope) de manière à réaliser les espaceurs 707 localisés sur les flancs de la seconde cavité 722. La forme des espaceurs 707 (et notamment les flancs des espaceurs 707) obtenue dépend des conditions de gravure (connues par l'homme du métier) et va permettre par la suite de définir la forme complémentaire de l'électrolyte déposé dans le diélectrique. La largeur t de chacun des espaceurs 707 est égale à la largeur du diélectrique déposé ; cette largeur t est choisie par rapport à la largeur c de la seconde cavité 722 de manière à laisser un espace 723 de largeur g dans la seconde cavité 722 formant une ouverture sur l'électrode métallique soluble inférieure 703. Ainsi, les dimensions t, c et g sont choisies de manière à avoir un espace 723 à la dimension la plus faible possible, de l'ordre de quelques nm : cet espace 723 définit la surface de contact entre l'électrolyte et l'électrode inerte. Le matériau diélectrique formant les espaceurs 707 est choisi de manière à ce que l'électrode métallique soluble ait un faible coefficient de diffusion dans ce matériau diélectrique. En effet, ces espaceurs 707 ne doivent pas agir comme un électrolyte. A titre d'exemple, dans le cas d'une électrode soluble d'Ag, on pourra choisir des espaceurs 707 en SiO2.
Selon l'étape 804 représentée en figure 22, on dépose l'électrolyte solide 712 (par exemple GeS2(50nm) ou Si02(10nm) ...). Selon l'étape 805 représentée en figure 23, on procède à un polissage mécano-chimique CMP de la partie supérieure de l'électrolyte 712 (i.e. la partie localisée au-dessus de la cavité 723) de façon à obtenir un électrolyte 712 de volume plus réduit. Selon l'étape 806 représentée en figure 24, on dépose une couche de diélectrique (par exemple une couche de SiO2 présentant une épaisseur comprise entre 50nm 100nm). Cette couche diélectrique est ensuite gravée après photolithographie de manière à réaliser une cavité 720 entourée par des portions diélectriques 719. La cavité 720 présente ici une largeur c'. Selon l'étape 807 représentée en figure 25, on dépose un diélectrique dans la cavité 720. Ce diélectrique est gravé (par exemple par une gravure anisotrope) de manière à réaliser les espaceurs 718 localisés sur les flancs de la cavité 720. La forme des espaceurs 718 obtenue dépend des conditions de gravure et va permettre par la suite de définir la forme complémentaire de l'électrode soluble déposée dans le diélectrique. La largeur t' de chacun des espaceurs 718 est égale à la largeur du diélectrique déposé ; cette largeur t' est choisie par rapport à la largeur c' de la cavité 720 de manière à laisser un espace 721 de largeur g' dans la cavité 720 formant une ouverture réduite sur la surface de l'électrolyte solide 712.
Ainsi, les dimensions t', c' et g' sont choisies de manière à avoir un espace 720 à la dimension la plus faible possible, de l'ordre de quelques nm : cet espace 720 définit la surface de contact entre l'électrode soluble et l'électrolyte. Le matériau diélectrique formant les espaceurs 718 est choisi de manière à ce que l'électrode métallique soluble ait un faible coefficient de diffusion dans ce matériau diélectrique. En effet, ces espaceurs 718 ne doivent pas agir comme un électrolyte. A titre d'exemple, dans le cas d'une électrode soluble d'Ag, on pourra choisir des espaceurs 718 en Si3N4. Selon l'étape 808 illustrée en figure 26, l'électrode soluble supérieure 704 est déposée et gravée après photolithographie (par exemple, une épaisseur comprise entre 10nm et 50nm de Cu ou d'Ag) de sorte qu'on obtient le dispositif 700 tel que représenté en figure 18. L'effet de pointe ainsi réalisé au niveau de l'électrode supérieure entraîne une augmentation locale du champ électrique lors de l'opération de SET, ce qui permet de guider le filament et de contrôler sa position. Dans le cas du confinement de l'électrode supérieure, un effet de pointe sur cette électrode entraîne une augmentation locale du champ électrique lors de l'opération de SET de la mémoire, ce qui permet de guider le filament dans sa formation et donc de réduire les dispersions de taille et position du filament. Bien entendu, le dispositif et le procédé selon l'invention ne sont pas limités aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits à titre indicatif et nullement limitatif en référence aux figures 1 à 26.
Ainsi, même si l'invention a été décrite de manière illustrative à l'aide d'un filament, il est entendu que le dispositif selon l'invention peut comporter une pluralité de filaments répartis au sein de l'électrolyte. On notera en outre que le dispositif doit contenir une électrode soluble et une électrode inerte, chacune de ces électrodes pourra indifféremment être positionnée comme électrode supérieure ou inférieure à condition que l'électrode inerte soit disposée du côté de la zone la plus étroite de l'électrolyte et que l'électrode soluble soit positionnée du côté du grand volume de l'électrolyte solide.10

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif électronique (100, 200, 300, 400, 500, 700) comportant : une première électrode (103, 503, 703) en matériau inerte ; une deuxième électrode (104, 504, 704) en matériau soluble ; un électrolyte solide (112, 212, 312, 412, 512, 712) à base d'un matériau conducteur ionique, les première et deuxième électrodes étant respectivement en contact avec l'une des faces de l'électrolyte de part et d'autre dudit électrolyte, la deuxième électrode étant apte à fournir des ions mobiles circulant dans l'électrolyte vers la première électrode pour former un filament conducteur entre la première électrode et la deuxième électrode lorsqu'une tension est appliquée entre la première et la deuxième électrodes ; ledit dispositif (100, 200, 300, 400, 500, 700) étant caractérisé en ce que le volume de l'électrolyte (112, 212, 312, 412, 512, 712) est choisi de sorte que la surface (113, 213, 313, 413, 513) de la première extrémité de l'électrolyte en contact avec la première électrode (103, 503, 703) est strictement inférieure à la surface (114, 214, 314, 414, 514) de la deuxième extrémité de l'électrolyte en vis-à-vis de la première extrémité.
  2. 2. Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce que la section de l'électrolyte mesurée parallèlement au plan de contact dudit électrolyte avec la première électrode croit continument depuis le plan de contact sur au moins une partie de la hauteur de l'électrolyte.
  3. 3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'électrolyte présente un première partie de section constante en contact avec la première électrode poursuivie par une deuxième partie de section constante, la section constante de la première partie étant inférieure à la section constante de la deuxième partie, lesdites sections constantes étant mesurées parallèlement aux plans de contact de l'électrolyte avec les première et deuxième électrodes.
  4. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte au moins une électrode de confinement, ladite électrode de confinement comportant une surface d'extrémité en contact avec l'électrolyte inférieure à la surface disponible de l'électrolyte de sorte qu'on obtient un confinement de la zone de contact de ladite électrode de confinement sur l'électrolyte solide.
  5. 5. Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'électrode de confinement est l'électrode soluble. 10
  6. 6. Dispositif selon l'une des revendications 4 ou 5 caractérisé en ce que la section de l'électrode de confinement mesurée parallèlement au plan de contact de l'électrolyte avec l'électrode de confinement croit continument depuis le plan de contact sur au moins une partie de la hauteur de ladite 15 électrode de confinement.
  7. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte des moyens isolants entourant l'électrolyte sur au moins une partie de sa hauteur. 20
  8. 8. Procédé de fabrication du dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'il comporte : - une étape de réalisation d'une ouverture dans un matériau isolant, ladite ouverture ayant la forme dudit électrolyte ; 25 - une étape de remplissage de ladite ouverture par un matériau formant ledit électrolyte.
  9. 9. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite ouverture est obtenue par gravure anisotrope du matériau isolant. 30
  10. 10. Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que ladite ouverture est obtenue par transfert d'un motif de résine fluée dans ledit matériau isolant
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