Caractérisation des propriétés électriques à basse température de mémoires émergentes basées sur les technologies OxRAM et FeRAM

L’électronique cryogénique connaît un développement rapide, porté par l’intérêt croissant pour ses principales applications : l’aérospatial, le calcul quantique et le calcul haute performance. Pour relever les défis de ces secteurs, il est nécessaire de disposer de mémoires performantes en environnement cryogénique. Dans ce contexte, de nouvelles mémoires « émergentes » apparaissent comme des alternatives prometteuses, combinant les avantages de la Flash et des DRAM en termes d'endurance et de faible consommation. Cette thèse vise à approfondir la compréhension physique des mémoires résistives à base d’oxyde (OxRAM) et des mémoires ferroélectriques (FeRAM) tout en explorant leur compatibilité avec un environnement cryogénique.Le chapitre II présente une étude approfondie des structures unitaires un transistor-une résistance (1T1R) des OxRAM, mettant en évidence le rôle déterminant du transistor sur le fonctionnement de la structure et l’évolution de ses performances dans un environnement cryogénique. L’analyse des opérations de programmation (set et reset) a montré que le courant de set contrôle l’état à faible résistance, tandis que la résistance équivalente (Ron) du sélecteur influence le pont diviseur de tension entre les deux éléments et les conditions de reset. À température ambiante, la rupture du filament est principalement régie par la tension, indépendamment de la géométrie du sélecteur ou de la taille du filament. À basse température, la réduction du Ron du transistor compense la tension de reset supérieure pour l’OxRAM. Les tests d'endurance confirment une cyclabilité comparable des états résistifs en régime cryogénique. Globalement, l'OxRAM conserve ses performances entre 300 K et 40 K, la rendant particulièrement adaptée aux applications exposées à des variations thermiques extrêmes, comme l’électronique spatiale.Le chapitre III présente l’étude des propriétés ferroélectriques de condensateurs ferroélectriques (FeCap) sur toute la plage de température. Une nouvelle méthode de calcul de polarisation ferroélectrique y est proposée. Les résultats montrent une légère diminution de polarisation ferroélectrique à basse température, résultant des domaines bloqués par des charges parasites. Néanmoins, l’atténuation du phénomène de retour de polarisation (back-switching) dû au dépincement du cycle d’hystérésis à basse température augmente la polarisation rémanente mesurée dans un environnement cryogénique. L’étude démontre que le cycle d’hystérésis pincé à température ambiante est dû à un processus de retournement de polarisation en deux étapes, suivant la théorie de Landau-Ginzburg-Devonshire. Le wake-up, la fatigue et l’imprint sont réduits à basse température, améliorant la fiabilité des dispositifs. Un pré-cyclage effectué à température ambiante permet d’optimiser les performances. Grâce à leur faible consommation et à leur stabilité sur toute la plage de température, les FeRAM apparaissent comme une technologie prometteuse pour l’électronique cryogénique, notamment pour le calcul quantique et de haute performance.Le chapitre IV résume la mise en place d'un montage expérimental pour tester des matrices 16 kbit OxRAM dans un environnement cryogénique. Les premiers tests cryogéniques sur des matrices OxRAM confirment le bon fonctionnement du montage et montre des résultats cohérents avec les dispositifs unitaires à basse température. Cela ouvre la route pour l'analyse statistique de matrices mémoire en environnement cryogénique.