Mémoires ferroélectriques non-volatiles à base de (Hf,Zr)O2 pour la nanoélectronique basse consommation

Depuis 2005, la miniaturisation des composants memoires, qui, auparavant, suivait la loi de Moore, a ralenti. Ceci a conduit les chercheurs a multiplier les approches pour continuer a ameliorer les dispositifs memoires. Parmi ces approches, la piste des composants ferroelectriques semble tres prometteuse. En 2011, une equipe du NamLab, a Dresde, en Allemagne, a decouvert que le HfO2 dope Si pouvait devenir ferroelectrique, avec une couche isolante de seulement 10 nm, ce qui resout le probleme de compatibilite avec l’industrie CMOS des materiaux de structure perovskite. Depuis, d’autres dopants ont ete decouverts. Cependant, de nouveaux problemes freinent desormais l’apparition sur le marche des dispositifs ferroelectriques a base de HfO2. Comprendre les mecanismes qui regissent les proprietes ferroelectriques de ces materiaux est alors devenu un enjeu industriel majeur. Dans ce manuscrit, nous etudions le (Hf,Zr)O2 (HZO), et nous employons une technique peu utilisee pour elaborer ce type de materiau : la pulverisation cathodique magnetron. L’objectif de cette these est d’etablir des relations entre les conditions de croissance des differents materiaux et les proprietes electriques, de comprendre les mecanismes qui les regissent, ainsi que de rendre viable les dispositifs memoires. Lors de l’elaboration de condensateurs, nous demontrons que des proprietes cristallochimiques particulieres sont indispensables pour obtenir la ferroelectricite, et de nouvelles proprietes du HZO sont decouvertes. Ensuite, nous cherchons a depasser l’etat de l’art. Par pulverisation, nous obtenons parmi les meilleurs resultats au monde. Les tests industriels d’endurance et de retention sont pousses au-dela de ce qui avait ete fait auparavant dans la litterature. En particulier, l’influence des conditions de contraintes electriques y est decrite en detail, et nous mettons en evidence la presence d’une relaxation au cours des differents tests pouvant s’averer problematique pour l’avenement d’applications industriels. Ce probleme ne semble jamais avoir ete clairement identifie auparavant.