Fabrication de mémoires résistives analogiques à base de TiO2-x pour applications neuromorphiques

Abstract

La recherche sur les mémoires résistives devient de plus en plus importante dans le domaine de l'électronique. Une mémoire résistive repose sur la possibilité de commuter l’état de résistance d’un matériau par l’application d’un champ électrique, permettant ainsi de définir différents états pour cette mémoire. Ces dispositifs possèdent l'avantage de pouvoir être intégrés dans le BEOL (Back End Of Line) relativement simplement. Ils peuvent être intégrés monolithiquement avec les transistors fabriqués dans le FEOL (Front End Of Line) permettant ainsi de développer de nouveaux circuits tels que les réseaux de neurones artificiels. L'avantage offert par de tels réseaux matériels est d’offrir des performances énergétiques sans précédent pour des taches complexes telles que la reconnaissance d'image. Cette approche représente une réelle rupture avec les approches traditionnelles à base de super calculateur ou de carte graphique haute performances (GPU).

Des mémoires résistives dans la structure MIM (Métal Isolant Métal) à base d'oxyde de titane sous stœchiométrique (TiO2-x) ont été fabriquées avec des méthodes compatibles BEOL : le polissage mecanochimique (CMP), la déposition par couche atomique (ALD), la pulvérisation cathodique (PVD) et la gravure sèche. L'électrode supérieure étant généralement fabriquée en platine, matériau incompatible avec les procédés BEOL, des électrodes en nitrure de titane ont été fabriquées comme point de comparaison. Deux différents oxydes de Titane ont été testés : un optimisé par déposition réactive provenant de l'université de Santa Barbara en Californie (UCSB) et un dépôt réalisé par copulvérisation d'une cible d'oxyde de titane et d'une autre de titane.

La fabrication des dispositifs ainsi que leurs caractérisations ont permis de valider qu'il est possible de fabriquer des mémoires analogiques compatible BEOL. Cependant, il faut optimiser l'empilement et les matériaux afin d'obtenir une caractéristique aussi performante qu'avec électrode supérieure en platine.

Abstract: Research on Resistive Random Access Memories (RRAM) is becoming more and more important in electronics. Resistive memories are based on the possibility of switching resistive states of a material by applying an electric field, allowing the definition of different states for the memory. These devices are advantageous because they can be integrated the BEOL (\textit{Back End Of Line}) without too much difficulty. They can be integrated monolithically with the transistors built in the FEOL (\textit{Front End Of Line}) creating an artificial synaptic array. The advantage of these material arrays is to offer unprecedented energy performance for complex tasks like image recognition. This approch represents a real break with traditional methods like using super computers or high performance graphic cards (GPU). \indent Resitive memories with the MIM structure (\textit{Metal Insulator Metal}) with TiO2-x active layer were fabricated with methods compatible with the BEOL. These methods comprise: Chemical-mechanical polishing (CMP), Atomic layer deposition (ALD), Physical vapor deposition (PVD) and dry etching. The top electrode being mostly built in platinum, which is incompatible with the BEOL, some were fabricated in titanium nitride as a comparison. Two different oxides were tested: One optimized from the University of Santa Barbara in California (UCSB) and one deposited by cosputtering a target of titanium oxide with another of titanium. The devices fabrication and characterizations allowed to validate the fabrication of analog memories compatible with the BEOL. However, the stack and materials need to be optimised to obtain devices as performing as the devices with platinum top electrodes.