FR3097368A1

FR3097368A1 - Procédé de détermination d’un paramètre de fabrication d’une cellule de mémoire vive résistive

Info

Publication number: FR3097368A1
Application number: FR1906259A
Authority: FR
Inventors: Gabriel Molas; Guiseppe Piccolboni; Amir REGEV; Gaël CASTELLAN; Jean-François NODIN
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA; Weebit Nano Ltd
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA; Weebit Nano Ltd
Priority date: 2019-06-12
Filing date: 2019-06-12
Publication date: 2020-12-18
Anticipated expiration: 2039-06-12
Also published as: FR3097368B1; US20220336017A1; WO2020249697A1; EP3984072A1

Abstract

PROCÉDÉ DE DÉTERMINATION D’UN PARAMÈTRE DE FABRICATION D’UNE CELLULE DE MÉMOIRE VIVE RÉSISTIVE L’invention concerne un procédé pour déterminer au moins une valeur (tTE_opt , tOX_opt, xopt) d’au moins un paramètre de fabrication (tTE , tOX, x) d’une cellule mémoire résistive, la cellule mémoire résistive comprenant un empilement de couches minces, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : fournir (S1) plusieurs cellules mémoire de référence (10) correspondant à plusieurs variantes technologiques de l’empilement de couches minces ; mesurer (S2) pour chaque cellule mémoire de référence une valeur de résistance initiale (Ri) ; déterminer (S3, S4) pour chaque cellule mémoire de référence (10) une valeur d’un paramètre de programmation choisi parmi la résistance dans un état fortement résistif (RHRS) et la fenêtre de programmation ; établir (S5) une relation entre le paramètre de programmation et la résistance initiale (Ri) à partir des valeurs de résistance initiale (Ri) et des valeurs du paramètre de programmation ; et déterminer ladite au moins une valeur (tTE_opt , tOX_opt, xopt) dudit au moins un paramètre de fabrication (tTE , tOX, x) pour laquelle le paramètre de programmation est supérieur ou égal à une valeur cible (RHRS_tg), à partir de ladite relation entre le paramètre de programmation et la résistance initiale (Ri) et d’au moins une relation de dépendance entre la résistance initiale (Ri) et ledit au moins un paramètre de fabrication (tTE , tOX, x). Figure de l’abrégé : Figure 1

Description

PROCÉDÉ DE DÉTERMINATION D’UN PARAMÈTRE DE FABRICATION D’UNE CELLULE DE MÉMOIRE VIVE RÉSISTIVE

La présente invention est relative au domaine des mémoires résistives à accès aléatoire RRAM (pour « Resistive Random Access Memories » en anglais). L’invention concerne un procédé pour déterminer une valeur d’un ou plusieurs paramètres de fabrication d’une cellule mémoire résistive, dans le but d’améliorer la fenêtre de programmation de la cellule mémoire résistive. L’invention concerne également un procédé de fabrication d’une cellule mémoire résistive ayant une fenêtre de programmation élevée.

Les mémoires résistives, en particulier les mémoires résistives à base d’oxyde (OxRAM, pour « Oxyde-based Random Access Memories »), sont des mémoires non-volatiles ayant pour but de remplacer les mémoires de type Flash. En plus d’une forte densité d’intégration, elles présentent une vitesse de fonctionnement élevée, une grande endurance et une bonne compatibilité avec les procédés de fabrication utilisés actuellement dans l’industrie microélectrique, en particulier avec le procédé de fin de ligne (BEOL, pour « Back-End Of Line » en anglais) de la technologie CMOS.

Les mémoires résistives OxRAM comprennent une multitude de cellules mémoire, appelées également points mémoire. Chaque cellule mémoire OxRAM est constituée d’une capacité M-I-M (Métal-Isolant-Métal) comprenant un matériau actif de résistance électrique variable, en général un oxyde de métal de transition (ex. HfO₂, Ta₂O₅, TiO₂...), disposé entre deux électrodes métalliques. La cellule mémoire commute de manière réversible entre deux états de résistance, qui correspondent à des valeurs logiques « 0 » et « 1 » utilisées pour coder un bit d’information. Dans certains cas, plus de deux états de résistance peuvent être générés, ce qui permet de stocker plusieurs bits d’information dans une même cellule mémoire.

L’information est écrite dans la cellule mémoire en la basculant d’un état fortement résistif (ou « HRS », pour « High Resistance State » en anglais), appelé également état « OFF », à un état faiblement résistif (« LRS », pour « Low Resistance State »), ou état « ON ». À l’inverse, pour effacer l’information de la cellule mémoire, celle-ci est basculée de l’état faiblement résistif (« OFF ») vers l’état fortement résistif (« ON »).

Le changement de résistance de la cellule mémoire est gouverné par la formation et la rupture d’un filament conducteur de section nanométrique entre les deux électrodes.

Immédiatement après sa fabrication, la cellule mémoire résistive est dans un état vierge caractérisé par une résistance (dite initiale) très élevée, bien supérieure à la résistance de la cellule lorsqu’elle est dans l’état fortement résistif. La couche d’oxyde est en effet isolante dans son état initial. Pour que la cellule mémoire puisse être utilisée, il est nécessaire d’accomplir une étape dite de « forming ». Cette étape consiste en un claquage partiellement réversible de l’oxyde afin de générer pour la première fois le filament conducteur (et donc placer la cellule mémoire dans l’état faiblement résistif). Après ce claquage, la couche d’oxyde initialement isolante devient active et la cellule peut commuter entre l’état faiblement résistif et l’état fortement résistif par des opérations d’effacement et d’écriture.

L’étape de forming est accomplie en appliquant entre les deux électrodes de la cellule mémoire une tension (dite de « forming ») de valeur bien supérieure à la tension nominale de fonctionnement de la cellule mémoire (utilisée lors des cycles d’écriture-effacement suivants), par exemple une tension de l’ordre de 2,5 V pour une tension nominale de l’ordre de 1,5 V. Pour obtenir une tension de forming compatible avec la tension d’alimentation du circuit auquel appartient la cellule mémoire, une solution consiste à ajuster certains paramètres de fabrication de la cellule mémoire. Par exemple, la tension de forming peut être augmentée en augmentant l’épaisseur de la couche d’oxyde ou en diminuant l’épaisseur des électrodes.

Un inconvénient des mémoires résistives OxRAM est la grande variabilité de la résistance électrique d’une cellule mémoire à l’état fortement résistif. Cette variabilité s’observe non seulement au fur et à mesure des cycles d’écriture-effacement sur une même cellule, mais également de cellule à cellule.

Ce problème de variabilité de la résistance électrique est un réel frein à l’industrialisation, car il induit une diminution de la fenêtre de programmation, définie comme le rapport entre la résistance dans l’état fortement résistif et la résistance dans l’état faiblement résistif. Il existe par conséquent un risque de perdre l’information stockée dans la cellule mémoire. Ce souci demeure malgré de nombreux efforts réalisés dans les domaines de la programmation des mémoires résistives OxRAM. En effet, la forme, la durée et l’amplitude maximale des impulsions de programmation peuvent être choisies dans le but de maximiser la fenêtre de programmation sur un nombre de cycles d’écriture-effacement le plus élevé possible.

Par ailleurs, des études ont été menées récemment afin de remplacer les oxydes de métal de transition par des matériaux moins coûteux et plus facilement industrialisables : les oxydes de silicium. Le document US2016/276411 décrit une matrice de cellules mémoire comprenant chacune une couche de matériau résistif à base d’oxyde de silicium sous-stœchiométrique (SiO_x, avec x compris entre 1 et 2) disposée entre deux électrodes, par exemple en titane.

L’invention a pour but de fournir un moyen supplémentaire d’optimiser la fenêtre de programmation d’une cellule mémoire résistive, par exemple d’une cellule à base d’oxyde de silicium.

Selon un premier aspect de l’invention, on tend vers cet objectif en prévoyant un procédé pour déterminer au moins une valeur d’au moins un paramètre de fabrication d’une cellule mémoire résistive, la cellule mémoire résistive comprenant un empilement de couches minces, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :

fournir plusieurs cellules mémoire de référence correspondant à plusieurs variantes technologiques de l’empilement de couches minces ;
mesurer pour chaque cellule mémoire de référence une valeur de résistance initiale ;
déterminer pour chaque cellule mémoire de référence une valeur d’un paramètre de programmation choisi parmi la résistance dans un état fortement résistif et la fenêtre de programmation ;
établir une relation entre le paramètre de programmation et la résistance initiale à partir des valeurs de résistance initiale et des valeurs du paramètre de programmation ;
déterminer ladite au moins une valeur dudit au moins un paramètre de fabrication pour laquelle le paramètre de programmation est supérieur ou égal à une valeur cible, à partir de ladite relation entre le paramètre de programmation et la résistance initiale et d’au moins une relation de dépendance entre la résistance initiale et ledit au moins un paramètre de fabrication.

Le procédé de détermination selon le premier aspect de l’invention permet de mettre en évidence la relation qui existe entre la résistance initiale de la cellule mémoire et la résistance de la cellule mémoire dans l’état fortement résistif ou la fenêtre de programmation. Connaissant cette relation et la dépendance entre résistance initiale et paramètre(s) de fabrication, il est possible de déterminer au moins une valeur optimale d’un ou plusieurs paramètres de fabrication de la cellule mémoire.

La fenêtre de programmation d’une cellule mémoire résistive peut donc dorénavant être optimisée en ajustant un ou plusieurs paramètres de fabrication de la cellule mémoire, en plus des conditions de programmation ou du choix des matériaux.

Les paramètres de fabrication ne sont donc plus ajustés en fonction d’une valeur cible de la tension de forming, mais en fonction d’une valeur cible de la résistance dans l’état fortement résistif ou (directement) une valeur cible de la fenêtre de programmation.

De préférence, le procédé de détermination comprend les étapes suivantes :

déterminer, à partir de ladite relation entre le paramètre de programmation et la résistance initiale, au moins une valeur de la résistance initiale pour laquelle le paramètre de programmation est supérieur ou égal à la valeur cible ; et
déterminer ladite au moins une valeur dudit au moins un paramètre de fabrication à partir de ladite au moins une valeur de la résistance initiale.

Dans un premier mode de mise en œuvre du procédé de détermination, le paramètre de programmation est la résistance dans l’état fortement résistif et l’étape de détermination des valeurs du paramètre de programmation comporte les opérations suivantes :

programmer les cellules mémoire de référence dans l’état fortement résistif ;
mesurer pour chaque cellule mémoire de référence une valeur de résistance dans l’état fortement résistif.

La résistance dans l’état fortement résistif est de préférence une fonction polynomiale du second degré du logarithme de la résistance initiale.

Dans un deuxième mode de mise en œuvre du procédé de détermination, le paramètre de programmation est la fenêtre de programmation et l’étape de détermination des valeurs du paramètre de programmation comporte les opérations suivantes :

programmer les cellules mémoire de référence dans un état faiblement résistif ;
mesurer pour chaque cellule mémoire de référence une valeur de résistance dans l’état faiblement résistif ;
programmer les cellules mémoire de référence dans l’état fortement résistif ;
mesurer pour chaque cellule mémoire de référence une valeur de résistance dans l’état fortement résistif ; et
calculer pour chaque cellule mémoire de référence une valeur de la fenêtre de programmation à partir des valeurs mesurées de résistance dans l’état faiblement résistif et de résistance dans l’état fortement résistif.

De préférence, l’empilement de couches minces comporte une première électrode disposée sur un substrat, une couche d’oxyde disposée sur la première électrode et une deuxième électrode disposée sur la couche d’oxyde.

Dans un mode de mise en œuvre préférentiel du procédé de détermination, ledit au moins un paramètre de fabrication est choisi parmi l’épaisseur de la deuxième électrode, l’épaisseur de la couche d’oxyde et la proportion en oxygène dans la couche d’oxyde.

Un deuxième aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication d’une cellule mémoire résistive. Ce procédé de fabrication comprend les étapes suivantes :

déterminer une valeur d’au moins un paramètre de fabrication, en suivant un procédé de détermination selon le premier aspect de l’invention ;
former sur un substrat un empilement comprenant successivement une première électrode, une couche d’oxyde et une deuxième électrode, en appliquant la valeur dudit au moins un paramètre de fabrication.

La couche d’oxyde est de préférence formée d’un oxyde de silicium sous-stœchiométrique (SiO_x) ou d’un oxyde de silicium poreux. Dans un oxyde de silicium sous-stœchiométrique, le coefficient stœchiométrique (x) de l’oxygène (i.e. la proportion en oxygène) est strictement inférieur à 2.

La première électrode est par exemple en nitrure de titane et la deuxième électrode est par exemple en titane.

L’invention a également pour but de fabriquer une cellule mémoire résistive de type OxRAM ayant une fenêtre de programmation élevée, la cellule mémoire comprenant une couche en oxyde de silicium.

Selon un troisième aspect de l’invention, on tend vers cet objectif en prévoyant un procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes :

déterminer des valeurs de paramètres de fabrication permettant à la cellule mémoire résistive d’avoir une résistance initiale comprise entre 10⁷Ω et 3.10⁹Ω, de préférence entre 3.10⁷Ω et 10⁹Ω ;
former sur un substrat un empilement comprenant successivement une première électrode, la couche en oxyde de silicium et une deuxième électrode, en appliquant lesdites valeurs de paramètres de fabrication.

Le procédé de fabrication selon le troisième aspect de l’invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

les paramètres de fabrication sont l’épaisseur de la deuxième électrode, l’épaisseur de la couche d’oxyde et la proportion en oxygène dans la couche d’oxyde ;
l’oxyde de silicium est poreux et la proportion en oxygène dans la couche en oxyde de silicium est comprise entre 1,6 et 2, de préférence entre 1,8 et 1,9 ;
l’oxyde de silicium est poreux et l’épaisseur de la couche en oxyde de silicium est comprise entre 4 nm et 7 nm ;
l’oxyde de silicium est poreux et l’épaisseur de la deuxième électrode est comprise entre 3 nm et 7 nm ;
l’oxyde de silicium est non-poreux et la proportion en oxygène dans la couche en oxyde de silicium est comprise entre 1 et 1,6, de préférence entre 1,2 et 1,4 ;
l’oxyde de silicium est non-poreux et l’épaisseur de la couche en oxyde de silicium est comprise entre 3 nm et 4 nm ;
l’oxyde de silicium est non-poreux et l’épaisseur de la deuxième électrode est comprise entre 4 nm et 6 nm ;
la couche en oxyde de silicium est formée par pulvérisation cathodique ;
les première et deuxième électrodes sont formées par pulvérisation cathodique; et
la première électrode est en nitrure de titane et la deuxième électrode est en titane.

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 :

la figure 1 représente schématiquement un premier mode de mise en œuvre d’un procédé pour déterminer une valeur de paramètre de fabrication d’une cellule mémoire résistive ;
la figure 2 illustre différents régimes de dépôt lors de la pulvérisation d’une source de silicium en présence d’oxygène ;
la figure 3 représente, pour une pluralité de cellules mémoire de référence TiN/SiO_x/Ti_,la résistance dans l’état fortement résistif en fonction de la résistance initiale ;
la figure 4 représente, pour les mêmes cellules mémoire de référence, la résistance dans l’état fortement résistif en fonction de la tension de forming.

Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l’ensemble des figures.

: La figure 1 représente des étapes S1 à S7 d’un procédé pour déterminer une valeur d’au moins un paramètre de fabrication d’une cellule mémoire résistive, selon un premier mode de mise en œuvre de l’invention. Lorsque la cellule mémoire résistive est fabriquée en suivant cette valeur de paramètre, la fenêtre de programmation de la cellule mémoire atteint une valeur maximale ou une valeur proche de la valeur maximale. La fenêtre de programmation PW (aussi appelée « fenêtre mémoire ») d’une cellule mémoire résistive est égale à la résistance de la cellule dans l’état fortement résistif (ou « HRS », pour « High Resistance State » en anglais), notée ci-après RHRS, divisée par la résistance de la même cellule dans l’état faiblement résistif (ou « LRS », pour « Low Resistance State » en anglais), notée ci-après RLRS (PW = RHRS/RLRS).

La cellule mémoire résistive dont on cherche à améliorer la fenêtre de programmation comprend un empilement de couches minces (< 100 nm d’épaisseur chacune). De façon classique, cet empilement est formé sur un substrat, par exemple en silicium, et comporte :

une première électrode 11 disposée sur le substrat et appelée ci-après « électrode inférieure » ;
une couche de matériau à résistance électrique variable 12, aussi appelé « matériau résistif », disposée sur la première électrode 11; et
une deuxième électrode 13 disposée sur la couche de matériau résistif et appelée ci-après « électrode supérieure ».

La cellule mémoire résistive est de préférence une cellule de mémoire vive à base d’oxyde, communément appelée « OxRAM » (pour « Oxyde-based Random Access Memory » en anglais). Le matériau résistif est alors un oxyde, par exemple un oxyde de métal de transition (ex. HfO₂, Ta₂O₅, TiO₂...) ou un oxyde de silicium. Les électrodes peuvent être formées de silicium dopé, d’un siliciure, d’un métal (ex. titane, tantale, tungstène...) ou d’un matériau à caractère métallique, tel que le nitrure de titane (TiN) ou le nitrure de tantale (TaN).

La première étape S1 du procédé consiste à fournir un nombrende cellules mémoire de référence 10, oùnest en entier naturel supérieur ou égal à 2, de préférence supérieur ou égale à 20. Plus le nombrende cellule mémoire de référence 10 est important, plus le procédé de détermination sera précis. Pour ne pas alourdir inutilement la figure 1, seules trois cellules mémoire de référence 10 ont été représentées. Les cellules mémoire de référence 10 et la cellule mémoire résistive à fabriquer comprennent un même type d’empilement de couches minces. Les empilements sont dits de même type lorsque le nombre de couches actives est identique et les matériaux utilisés sont de même nature. Par exemple, l’empilement des cellules mémoire de référence 10 (et de la cellule mémoire résistive à fabriquer) comporte une électrode inférieure 11 en nitrure de titane, une couche de matériau résistif 12 en oxyde de silicium (SiO_x) et une électrode supérieure 13 en titane (empilement de type TiN/SiO_x/Ti).

Les cellules mémoire de référence 10 diffèrent dans les valeurs de leurs paramètres de fabrication. Parmi ces paramètres de fabrication, on peut citer à titre d’exemple l’épaisseur t_OXde la couche d’oxyde 12, l’épaisseur t_TEde l’électrode supérieure 13 et le coefficient stœchiométrique x de la couche d’oxyde 12 (correspondant à une proportion en oxygène par rapport aux autres éléments formant le matériau résistif). Les cellules mémoire de référence 10 peuvent présenter différentes valeurs d’un même paramètre de fabrication (par exemple l’épaisseur t_TEde l’électrode supérieure) ou différentes valeurs de plusieurs paramètres de fabrication. Chaque cellule mémoire de référence 10 est fabriquée suivant un ensemble de paramètres de fabrication et au moins un paramètre de fabrication de chaque ensemble diffère des autres ensembles de paramètres. En ce sens, les cellules mémoire de référence 10 représentent des variantes technologiques d’un même empilement de couches minces.

Dans le cas d’un empilement de type TiN/SiO_x/Ti, les paramètres de fabrication qui varient entre lesncellules mémoire de référence 10 sont de préférence l’épaisseur t_OXde la couche de SiO_x12, l’épaisseur t_TEde l’électrode supérieure 13 en titane et la proportion en oxygène x du SiO_x(l’épaisseur de l’électrode inférieure n’a pas d’influence sur la résistance initiale, son épaisseur est par exemple de l’ordre de 40 nm). Par exemple, l’épaisseur t_OXde la couche de SiO_x12 varie entre 1 nm et 20 nm, l’épaisseur t_TEde l’électrode supérieure 13 en titane varie entre 1 nm et 20 nm et la proportion en oxygène x du SiO_xvarie entre 1 et 2. L’oxyde de silicium peut donc être sous-stœchiométrique (x<2) ou être du dioxyde de silicium (x = 2). Le dioxyde de silicium est de préférence poreux, tandis que l’oxyde de silicium sous-stœchiométrique peut être poreux ou non-poreux (i.e. dépourvu de pores).

Dans le cas d’un empilement métal/matériau diélectrique « high-k »/métal, où le métal de l’électrode supérieure (ex. Hf, Ti, Ta…) joue le rôle du guetteur d’oxygène pour le matériau diélectrique « high-k » (i.e. de haute permittivité diélectrique, ex. HfO₂, TiO₂, Ta₂O₅…), l’épaisseur de la couche de matériau diélectrique « high-k » peut varier entre 1 nm et 20 nm et l’épaisseur de l’électrode supérieure (couche de guetteur de l’oxygène) peut varier entre 1 nm et 20 nm. Dans le cas d’un matériau diélectrique « high-k » de type oxyde métallique « MO_x», où M est un métal de transition (ex. Hf, Ti, Ta…), la proportion en oxygène x peut en outre varier entre 1 et une valeur correspondant à l’oxyde stœchiométrique (x = 2 pour le HfO₂ou le TiO₂, x = 2,5 pour le Ta₂O₅…).

La résistance initiale R_ide chaque cellule mémoire de référence 10 est ensuite mesurée lors d’une étape S2. La résistance initiale est la résistance électrique obtenue à l’issue de la fabrication de la cellule mémoire, avant que ne soit formé pour la première fois le filament conducteur (autrement dit, avant l’étape de « forming »). La résistance initiale R_ipeut être mesurée en appliquant une tension de mesure U₁(par exemple 100 mV) entre les électrodes 11 et 13 de la cellule mémoire 10, en mesurant le courant I₁de la cellule (à travers la couche d’oxyde 12) soumise à cette tension U₁puis en calculant le rapport de la tension de mesure U₁sur le courant I₁mesuré (R_i= U₁/I₁).

Les cellules mémoire de référence 10 sont ensuite programmées dans l’état fortement résistif (« HRS ») lors d’une étape S3. Une première tension dite de « forming » (par exemple de l’ordre de 3 V) est appliquée entre les électrodes des cellules mémoire 10 pour activer le matériau résistif et placer les cellules mémoire 10 dans l’état faiblement résistif (« LRS »), puis une deuxième tension dite d’effacement, de valeur absolue plus faible que la première tension est appliquée pour basculer les cellules mémoire de référence 10 de l’état faiblement résistif à l’état fortement résistif (la tension d’effacement est généralement négative, par exemple comprise entre -1 V et -2 V).

Puis, la résistance dans l’état fortement résistif R_HRSest mesurée pour chaque cellule mémoire de référence 10 lors d’une étape S4. De façon analogue à la résistance initiale R_i, la résistance R_HRSpeut être mesurée en appliquant une tension de mesure U₂(par exemple 100 mV) entre les électrodes de la cellule mémoire 10 (à l’état fortement résistif), en mesurant le courant I₂de la cellule soumise à cette tension U₂puis en calculant le rapport de la tension de mesure U₂sur le courant I₂mesuré (R_HRS= U₂/I₂).

À l’étape S5, une relation R_HRS(R_i) entre la résistance dans l’état fortement résistif R_HRSet la résistance initiale R_iest établie à partir des valeurs de résistance R_iet des valeurs de résistance R_HRSmesurées respectivement lors des étapes S2 et S4. Par exemple, les valeurs de résistances R_HRSet R_ides cellules mémoirede référence 10 peuvent être reportées sur un graphique. Chaque point du graphique correspond à une cellule mémoire de référence 10 et donc à une variante technologique de l’empilement (i.e. une combinaison de paramètres technologiques). Les points du graphique sont ensuite décrits, lors d’une opération dite d’ajustement (« fit » en anglais), par une courbe ou une équation du type R_HRS= f(R_i). La relation R_HRS(R_i) peut donc prendre la forme d’une courbe ou d’une équation. La relation entre la résistance dans l’état fortement résistif R_HRSet la résistance initiale R_is’écrit de préférence sous la forme d’un polynôme du second degré, avec comme variable le logarithme de la résistance initiale R_i.

L’étape S6 consiste à déterminer, à l’aide de la relation R_HRS(R_i), au moins une valeur R_i _{_opt}de la résistance initiale R_ipour laquelle la résistance dans l’état fortement résistif R_HRSest supérieure ou égale à une valeur cible R_{HRS_tg}prédéterminée. Cette valeur cible R_{HRS_tg}peut être définie en fonction d’une valeur cible de la fenêtre de programmation (de préférence le maximum) ou peut être égale à un pourcentage du maximum de la résistance dans l’état fortement résistif R_HRS(par exemple 90% du maximum de la résistance R_HRS). Le maximum de la résistance R_HRSpeut être déduit de la relation R_HRS(R_i) établie à l’étape S5.

Dans ce premier mode de mise en œuvre du procédé, la résistance dans l’état faiblement résistif R_LRSdes cellules mémoire de référence 10 est supposée constante (et donc indépendante des paramètres technologiques). En effet, la résistance R_LRSdes cellules OXRAM programmées dans l’état faiblement résistif est contrôlée par le courant de programmation dans l’état faiblement résistif. Par exemple, pour un empilement de type TiN/SiO_x/Ti, la résistance R_LRSvaut environ 10⁴Ω lorsque le courant de programmation est environ égal à 100 µA. Un maximum de la résistance dans l’état fortement résistif R_HRScorrespond alors à un maximum de la fenêtre de programmation.

Une valeur, plusieurs valeurs distinctes ou une plage (continue) de valeurs de la résistance initiale R_ipeuvent être ainsi obtenues à l’issue de l’étape S6, suivant la valeur cible choisie ou les valeurs de résistance R_HRSprises en considération (supérieures à la valeur cible R_{HRS_tg}et/ou égales à la valeur cible R_{HRS_tg}). Toutes ces valeurs peuvent être qualifiées de « optimales » ou « optimisées » dans la mesure où elles permettent d’approcher voire d’atteindre un maximum de la fenêtre de programmation.

Enfin, à l’étape S7, au moins une valeur optimale t_{TE_opt}/ t_{OX_opt}/ x_optd’un ou plusieurs paramètres de fabrication est déterminée à partir de la valeur optimale R_{i_opt}(ou des valeurs optimales) de résistance initiale. Ces paramètres de fabrication ne sont pas nécessairement les mêmes que ceux qui différencient les cellules mémoire de référence 10. Ils sont de préférence choisis parmi l’épaisseur t_OXde la couche d’oxyde 12, l’épaisseur t_TEde l’électrode supérieure 13 et la proportion en oxygène x dans la couche d’oxyde 12.

Dans un mode de mise en œuvre préférentiel de l’étape S7, des valeurs de tous les paramètres de fabrication ayant une influence sur la résistance initiale R_isont déterminées à partir de la valeur optimale R_{i_opt}de résistance initiale. Dans une variante de mise en œuvre, des valeurs d’une partie seulement de ces paramètres de fabrication sont déterminées à partir de la valeur optimale R_{i_opt}de résistance initiale. Les valeurs des autres paramètres de fabrication (y compris ceux n’ayant pas d’influence sur la résistance initiale, par exemple l’épaisseur t_BEde l’électrode inférieure 11 dont le rôle est d’assurer un bon contact électrique) peuvent être déterminées d’une autre façon. Elles peuvent notamment être imposées par des contraintes d’intégration.

La valeur optimale d’un paramètre de fabrication peut être déterminée à partir d’une valeur optimale R_{i_opt}de résistance initiale connaissant la dépendance de ce paramètre sur la résistance initiale R_i. Par exemple, la résistance initiale R_id’une cellule mémoire résistive augmente avec l’épaisseur t_OXde la couche d’oxyde 12 et avec la proportion en oxygène x. Par contre, elle diminue lorsque l’épaisseur t_TEde l’électrode supérieure 13 augmente (jusqu’à un certain seuil).

Un plan d’expérience peut être mis en œuvre afin d’établir des relations de dépendance entre la résistance initiale R_iet les différents paramètres de fabrication. Ce plan d’expérience peut notamment consister à faire varier les trois paramètres de fabrication susmentionnés (épaisseur t_OXde la couche d’oxyde 12, épaisseur t_TEde l’électrode supérieure 13 et proportion en oxygène x dans la couche d’oxyde 12), de préférence en croisant toutes les valeurs de paramètres, et à mesurer la résistance initiale correspondant à chaque ensemble de valeurs.

Dans le cas de l’empilement TiN/SiO_x/Ti, les relations suivantes ont été obtenues en fixant deux paramètres puis en faisant varier le dernier paramètre (avec R_ien Ω, x sans unité, t_OXet t_TEen nm) :

avec t_OX= t_TE=5 nm.

Ainsi, l’équation Math 1 ci-dessus exprime la variation de la résistance initiale R_ien fonction du coefficient stœchiométrique x de l’oxygène et où les épaisseurs t_oxde la couche d’oxyde 12 et t_TEde l’électrode supérieure 13 ont été fixées à 5 nm.

avec t_TE=5 nm et x = 1,8.

Ainsi, l’équation Math 2 ci-dessus exprime la variation de la résistance initiale R_ien fonction de l’épaisseur t_oxde la couche d’oxyde 12 et où le coefficient stœchiométrique x de l’oxygène a été fixé à 1,8 et l’épaisseur t_TEde l’électrode supérieure 13 a été fixée à 5 nm.

avec t_OX= 5 nm et x = 1,9.

Ainsi, l’équation Math 3 ci-dessus exprime la variation de la résistance initiale Ri en fonction de l’épaisseur t_TEde l’électrode supérieure 13 et où l’épaisseur t_oxde la couche d’oxyde 12 a été fixée à 5 nm et où le coefficient stœchiométrique x de l’oxygène a été fixé à 1,9.

Les équations ci-dessus ont été obtenues à partir de valeurs expérimentales et sont dépendantes de l’équipement de dépôt utilisé.

Lorsqu’on dispose de plusieurs valeurs optimales R_{i_opt}de la résistance initiale, plusieurs valeurs optimales du ou des paramètres de fabrication peuvent être obtenues.

Dans un deuxième mode de mise en œuvre du procédé, non représenté par les figures, on suppose que la résistance dans l’état faiblement résistif R_LRSdes cellules mémoire de référence 10 varie. Le procédé comprend alors, en plus des étapes S1-S4 décrites précédemment, une étape de programmation des cellules mémoire de référence 10 dans l’état faiblement résistif, une étape de mesure de la résistance R_LRSdes cellules mémoire de référence 10 dans l’état faiblement résistif et une étape de calcul des fenêtres de programmation des cellules mémoire de référence 10 à partir des valeurs mesurées des résistances R_LRSet R_HRS. La résistance R_LRSdes cellules mémoire de référence 10 à l’état faiblement résistif est avantageusement mesurée avant l’étape S3 de programmation des cellules mémoire de référence 10 dans l’état fortement résistif, après l’étape de forming (qui constitue donc l’étape de programmation des cellules mémoire de référence 10 dans l’état faiblement résistif).

Au lieu de déterminer une relation R_HRS(R_i) entre la résistance dans l’état fortement résistif R_HRSet la résistance initiale R_i, on détermine à l’étape S5 une relation entre la fenêtre de programmation et la résistance initiale. Une valeur cible de la fenêtre de programmation est alors considérée lors de l’étape S6 (au lieu d’une valeur cible de la résistance dans l’état fortement résistif R_HRS).

Un exemple de mise en œuvre du procédé de détermination selon l’invention va maintenant être décrit.

La cellule mémoire résistive dont on cherche à optimiser la fenêtre de programmation ainsi que les cellules mémoire de référence 10 prévues à cet effet comprennent l’empilement de couches minces TiN/SiO_x/Ti décrit précédemment.

L’oxyde de silicium est dans cet exemple poreux et a été obtenu par pulvérisation cathodique réactive dans une chambre de dépôt sous vide. La chambre de dépôt est équipée d’une cible de silicium et comprend deux entrées de gaz, l’une pour l’oxygène (O₂), l’autre pour un gaz neutre tel que l’argon. Le réacteur de pulvérisation comprend un générateur de tension continue (DC) et un magnétron. La polarisation de la source fournie par le générateur DC est avantageusement pulsée. Les paramètres ayant une influence sur la proportion en oxygène x du SiO_xsont la puissance appliquée par le générateur DC, la pression de travail, les débits du gaz neutre et de l’oxygène, la fréquence, le rapport T_ON/T_REVde la durée des phases de dépôt (état « ON » du générateur) sur la durée des phases de décharge électrostatique (état « OFF » du générateur) et le rapport cyclique des impulsions du générateur DC (égal à T_ON/(T_REV+T_ON)).

: La figure 2 représente l’effet de la tension de polarisation appliquée à une cible de silicium (par le générateur DC) en fonction du débit d’oxygène entrant dans la chambre de dépôt (exprimé en sccm, l’abréviation de « Standard Cubic Centimeter per Minute » en anglais, soit le nombre de cm3 de gaz s’écoulant par minute dans les conditions standard de pression et de température, i.e. à une température de 0 °C et une pression de 1013,25 hPa) sur l’état de la cible de silicium. La relation entre la tension de polarisation de la cible et le débit d’oxygène forme une hystérésis qui fixe l’état de la cible de silicium : silicium amorphe (a-Si) pour les faibles débits d’oxygène (< 7 sccm), oxyde de silicium sous-stœchiométrique (SiOx, avec x compris entre 1 et 2 exclu) pour les débits d’oxygène intermédiaire (7-18 sccm) et dioxyde de silicium (SiO2) pour les forts débits d’oxygène (> 18 sccm). La stœchiométrie de l’oxyde de silicium déposé peut ainsi être contrôlée grâce au débit d’oxygène entrant dans la chambre de dépôt.

Huit cellules mémoire de référence ont été fabriquées suivant différentes valeurs de paramètres de fabrication listées dans le tableau 1 ci-dessous. La stœchiométrie x du SiO_xest contrôlée via le débit d’oxygène injecté dans la chambre. Les autres paramètres de dépôt sont identiques entre les 8 cellules mémoire de référence (température dans la chambre : 25 °C ; puissance du générateur DC : 1 kW, débit d’argon principal : 50 sccm ; débit d’argon en face arrière du substrat : 15 sccm ; pression dans la chambre : 1 à 3 mTorr suivant le débit d’oxygène ; vanne de la pompe cryogénique en position intermédiaire).

cellule n°	t_OX(nm)	Débit d’oxygèneD_O2(sccm)	Proportion en oxygène x	t_TE(nm)	R_i(Ω)	R_HRS(Ω)
1	5	6	1,9	5	5E6	5E4
2	7	6	1,9	5	4E10	1E5
3	5	6	1,9	7	9E7	8E5
4	7	6	1,9	7	3E10	9E4
5	5	7	2	7	2E8	1E6
6	7	5	1,8	5	4E10	7E4
7	5	7	2	5	1E9	1E6
8	5	5	1,8	5	3E6	1E5

Le tableau 1 donne également pour ces 8 cellules mémoire de référence les valeurs mesurées de la résistance initiale R_iet de la résistance dans l’état fortement résistif R_HRS. La résistance dans l’état faiblement résistif R_LRSest supposée constante et égale à 10⁴Ω. La relation qui lie les valeurs de débit d’oxygène D_O2(entre 4 sccm et 7 sccm) et les valeurs de la proportion en oxygène x est la suivante :

Pour un débit d’oxygène D_O2supérieur ou égal à 7 sccm, la proportion en oxygène x est égale à 2.

: La figure 3 est un graphe sur lequel ont été reportées les valeurs mesurées de résistance Ri et RHRS des 8 cellules mémoire de référence. Ces points ont ensuite été extrapolés au moyen d’une courbe C. L’équation de la courbe C (obtenue expérimentalement) est la suivante :

avec R_iet R_HRSen Ω.

La courbe C, en forme de cloche ou parabole, montre qu’il existe un maximum de la résistance dans l’état fortement résistif R_HRS− et donc un maximum de la fenêtre de programmation − pour une résistance initiale R_id’environ 10⁸Ω. Une explication à cette dépendance en forme de cloche pourrait être la suivante : à faible résistance initiale R_i, il n’est pas possible d’atteindre une valeur de résistance R_HRSélevée du fait d’une limitation intrinsèque de la résistance de la cellule mémoire. A forte résistance initiale R_i, une tension de forming élevée est nécessaire pour pouvoir utiliser la cellule mémoire et cette tension élevée génère une importante quantité de défauts dans la couche de SiO_x. Comme les défauts sont toujours présents lors de l’effacement de la cellule mémoire (retour à l’état fortement résistif causé par une dissolution du filament conducteur), la résistance de l’état fortement résistif est réduite.

D’après la courbe C de la figure 3, une résistance initiale R_icomprise entre 3.10⁷Ω et 10⁹Ω correspond à une résistance dans l’état fortement résistif R_HRSsupérieure ou égale à R_{HRS_tg1}= 10⁶Ω. Pour obtenir une fenêtre de programmation supérieure ou égale à 100, la cellule mémoire résistive (TiN/SiO_x/Ti) sera donc fabriquée de sorte que sa résistance initiale R_isoit comprise entre 3.10⁷Ω et 10⁹Ω.

Il existe de multiples combinaisons de valeurs de paramètre pour obtenir une résistance initiale R_icomprise entre 3.10⁷Ω et 10⁹Ω. Comme indiqué précédemment, l’une de ces combinaisons peut être obtenue en fixant un paramètre (pour des raisons d’intégration par exemple), puis en faisant varier les deux autres paramètres. Pour faciliter la recherche d’une résistance initiale R_icomprise entre 3.10⁷Ω et 10⁹Ω, et compte tenu de l’application visée, l’épaisseur t_{OX_opt}de la couche d’oxyde 12 peut être fixée à une valeur comprise entre 4 nm et 7 nm. De façon alternative ou additionnelle, l’épaisseur t_{TE_opt}de l’électrode supérieure 13 peut être fixée à une valeur comprise entre 3 nm et 7 nm. De façon alternative ou additionnelle, la concentration en oxygène x_optpeut être fixée à une valeur comprise entre 1,6 et 2 (soit un débit d’oxygène compris entre 5 sccm et 8 sccm), de préférence entre 1,8 et 1,9.

: La figure 4 représente les valeurs de résistance dans l’état fortement résistif RHRS des 8 cellules mémoire de référence précédentes, associées aux valeurs de la tension de forming Vf qui ont été appliquées à ces cellules. Cette figure montre à titre de comparaison que, lorsqu’on ajuste les paramètres de fabrication dans le but d’atteindre une tension de forming inférieure ou égale à 2 V (valeur typique pour être compatible avec le circuit d’alimentation de la mémoire), on obtient une fenêtre de programmation environ dix fois inférieure à la fenêtre de programmation maximale (atteinte pour une tension de forming 3 V environ). Le procédé de détermination selon l’invention permet donc une amélioration significative de la fenêtre de programmation des cellules mémoire résistive par rapport à la pratique courante.

Toujours d’après la courbe C de la figure 3, une résistance initiale R_icomprise entre 10⁷Ω et 3.10⁹Ω correspond à une résistance dans l’état fortement résistif R_HRSsupérieure ou égale à R_{HRS_tg2}= 5.10⁵Ω. Pour obtenir une fenêtre de programmation supérieure ou égale à 50, la cellule mémoire résistive (TiN/SiO_x/Ti) sera donc fabriquée de sorte que sa résistance initiale R_isoit comprise entre 10⁷Ω et 3.10⁹Ω.

L’oxyde de silicium SiO_xpeut être aussi non-poreux et sous-stœchiométrique (x<2). Pour faciliter la recherche d’une résistance initiale R_icomprise entre 3.10⁷Ω et 10⁹Ω, et compte tenu de l’application visée, l’épaisseur t_{OX_opt}de la couche d’oxyde 12 peut être fixée à une valeur comprise entre 3 nm et 4 nm. De façon alternative ou additionnelle, l’épaisseur t_{TE_opt}de l’électrode supérieure 13 peut être fixée à une valeur comprise entre 4 nm et 6 nm. De façon alternative ou additionnelle, la concentration en oxygène x_optpeut être fixée à une valeur comprise entre 1 et 1,6, de préférence entre 1,2 et 1,4.

Plus généralement, une extrapolation de la courbe C permet de déterminer l’épaisseur de la couche d’oxyde t_ox(non poreux) pour une valeur de R_isouhaitée de la manière suivante : log(R_i) = 1,1.t_OX+0,7 où l’épaisseur de l’électrode supérieure t_TEa été fixée à 10 nm et où le coefficient stœchiométrique x a été fixé à 1,2.

De la même manière, une extrapolation de la courbe C permet de déterminer le coefficient stœchiométrique x pour une valeur de R_isouhaitée de la manière suivante : log(R_i) = 19.x+16 où l’épaisseur de la couche d’oxyde t_OX(non poreux) a été fixée à 3 nm et où l’épaisseur de l’électrode supérieure t_TEa été fixée à 5 nm.

Un autre aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication d’une cellule mémoire résistive, et plus particulièrement d’une cellule mémoire OxRAM comprenant un empilement de type TiN/SiO_X/Ti.

La fabrication de la cellule mémoire résistive comprend successivement une étape de dépôt de l’électrode inférieure 11 sur un substrat (par exemple en silicium), une étape de dépôt de la couche d’oxyde 12 sur l’électrode inférieure 11 et une étape de dépôt de l’électrode supérieure 13 sur la couche d’oxyde 12. En suivant à chaque étape la (ou les) valeur(s) de paramètre obtenue(s) grâce au procédé de détermination selon l’invention, la cellule mémoire résistive présentera une fenêtre de programmation élevée.

L’oxyde de silicium (qu’il soit poreux ou non-poreux) de l’empilement TiN/SiO_X/Ti peut être obtenu par pulvérisation cathodique d’une source de silicium en présence d’oxygène. L’électrode inférieure en nitrure de titane et l’électrode supérieure en titane peuvent être formées par pulvérisation cathodique (réactive dans le cas du TiN).

On notera que l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits en référence aux figures et des variantes pourraient être envisagées sans sortir du cadre de l’invention.

Claims

Procédé pour déterminer au moins une valeur (t_{TE_opt} _,t_{OX_opt}, x_opt) d’au moins un paramètre de fabrication (t_TE _,t_OX, x) d’une cellule mémoire résistive, la cellule mémoire résistive comprenant un empilement de couches minces, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
fournir (S1) plusieurs cellules mémoire de référence (10) correspondant à plusieurs variantes technologiques de l’empilement de couches minces ;

mesurer (S2) pour chaque cellule mémoire de référence une valeur de résistance initiale (R_i) ;

déterminer (S3, S4) pour chaque cellule mémoire de référence (10) une valeur d’un paramètre de programmation choisi parmi la résistance dans un état fortement résistif (R_HRS) et la fenêtre de programmation ;

établir (S5) une relation entre le paramètre de programmation et la résistance initiale (R_i) à partir des valeurs de résistance initiale (R_i) et des valeurs du paramètre de programmation ; et

déterminer ladite au moins une valeur (t_{TE_opt} _,t_{OX_opt}, x_opt) dudit au moins un paramètre de fabrication (t_TE _,t_OX, x) pour laquelle le paramètre de programmation est supérieur ou égal à une valeur cible (R_{HRS_tg}), à partir de ladite relation entre le paramètre de programmation et la résistance initiale (R_i) et d’au moins une relation de dépendance entre la résistance initiale (R_i) et ledit au moins un paramètre de fabrication (t_TE _,t_OX, x).
Procédé selon la revendication 1, comprenant les étapes suivantes :
déterminer (S6), à partir de ladite relation entre le paramètre de programmation et la résistance initiale (R_i), au moins une valeur (R_{i_opt}) de la résistance initiale pour laquelle le paramètre de programmation est supérieur ou égal à la valeur cible (R_{HRS_tg}) ; et

déterminer (S7) ladite au moins une valeur (t_{TE_opt} _,t_{OX_opt}, x_opt) dudit au moins un paramètre de fabrication (t_TE _,t_OX, x) à partir de ladite au moins une valeur de la résistance initiale (R_{i_opt}).
Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le paramètre de programmation est la résistance dans l’état fortement résistif (R_HRS) et dans lequel l’étape de détermination des valeurs du paramètre de programmation comporte les opérations suivantes :
programmer (S3) les cellules mémoire de référence (10) dans l’état fortement résistif ;

mesurer (S4) pour chaque cellule mémoire de référence une valeur de résistance dans l’état fortement résistif (R_HRS).
Procédé selon la revendication 3, dans lequel la résistance dans l’état fortement résistif (R_HRS) est une fonction polynomiale du second degré du logarithme de la résistance initiale (R_i).
Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le paramètre de programmation est la fenêtre de programmation et dans lequel l’étape de détermination des valeurs du paramètre de programmation comporte les opérations suivantes :
programmer les cellules mémoire de référence dans un état faiblement résistif ;

mesurer pour chaque cellule mémoire de référence une valeur de résistance dans l’état faiblement résistif ;

programmer (S3) les cellules mémoire de référence dans l’état fortement résistif ;

mesurer (S4) pour chaque cellule mémoire de référence une valeur de résistance dans l’état fortement résistif (R_HRS) ; et

calculer pour chaque cellule mémoire de référence une valeur de la fenêtre de programmation à partir des valeurs mesurées de résistance dans l’état faiblement résistif et de résistance dans l’état fortement résistif.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l’empilement de couches minces comporte une première électrode (11) disposée sur un substrat, une couche d’oxyde (12) disposée sur la première électrode (11) et une deuxième électrode (13) disposée sur la couche d’oxyde (12) et dans lequel ledit au moins un paramètre de fabrication est choisi parmi l’épaisseur de la deuxième électrode (t_TE), l’épaisseur de la couche d’oxyde (t_OX) et la proportion en oxygène (x) dans la couche d’oxyde (12).
Procédé de fabrication d’une cellule mémoire résistive, comprenant les étapes suivantes :
déterminer une valeur (t_{TE_opt} _,t_{OX_opt}, x_opt) d’au moins un paramètre de fabrication (t_TE _,t_OX, x), en suivant un procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 ;

former sur un substrat un empilement comprenant successivement une première électrode (11), une couche d’oxyde (12) et une deuxième électrode (13), en appliquant la valeur dudit au moins un paramètre de fabrication.
Procédé selon la revendication 7, dans lequel la couche d’oxyde (12) est formée d’un oxyde de silicium sous-stœchiométrique (SiO_x).
Procédé selon la revendication 7, dans lequel la couche d’oxyde (12) est formée d’un oxyde de silicium poreux.
Procédé selon l’une des revendications 7 à 9, dans lequel la première électrode (11) est en nitrure de titane et la deuxième électrode (13) est en titane.