Simulation des mécanismes de changement de phase dans des mémoires PCM avec la méthode multi-champ de phase

Modelling of phase change mechanisms in PCM memories using the multi-phase-field method

• Auteur / Autrice : Raphaël Bayle
• Direction : Mathis Plapp
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 07/07/2020
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marc Debierre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathis Plapp, Alain Claverie, Benoît Appolaire, Roberto Simola
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Claverie, Benoît Appolaire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Matériaux à changement de phase

Science des matériaux

Mots clés libres

Simulation numérique

Mémoires à changement de phase

Modèle de champ de phase

Numerical simulation

Phase Change Memory

Phase field model

Résumé

Les mémoires à changement de phases ont basées sur la variation de résistance d’un petit volume de matériau à changement de phase, l'information binaire étant codée à travers la phase amorphe ou cristalline du matériau. Le changement de phase permettant leur programmation est induit par effet Joule sous l’application d’un courant électrique. L’alliageGe2Sb2Te5 est largement utilisé pour les mémoires à changement de phase, car il cristallise rapidement et sans changement de composition. Cependant, pour obtenir la fiabilité requise pour certaines applications à haute température, notamment dans le secteur automobile, un alliage Ge-Sb-Te enrichi en Geest utilisé par la société STMicroelectronics. La cristallisation de cet alliage s’accompagne d’une ségrégation des espèces et de la formation d’une nouvelle phase cristalline. La répartition spatiale des phases et espèces est décisive pour le bon fonctionnement du point mémoire ; il est ainsi très important de pouvoir la prédire.Les modèles de champ de phase permettent,notamment aux échelles de temps et d’espace impliquées dans l’étude des mémoires à changement de phase, le suivi d’interface entre plusieurs domaines occupés par des phases différentes. Dans ce travail de thèse, un modèle multi-champ de phase permettant de simuler l’évolution de la répartition des phases et des espèces dans ce nouvel alliage a été développé.Les paramètres du modèle ont été déterminés à partir des données disponibles sur l’alliage.Deux types de simulations ont été réalisées :d’une part, celle de la cristallisation, lors d’un recuit, d’une couche mince de matériau initialement déposé amorphe ; d’autre part, celle portant sur les changements de phase qui se produisent lors de l’application de champs de température typiques des opérations d’écriture des mémoires. La comparaison entre les résultats de simulations et expériences révèle que les caractéristiques principales des microstructures observées dans les expériences sont bien mises en évidence par le modèle.

Phase change memories (PCM) exploit the variation of resistance of a small volume of phase change material: the binary information is coded through the amorphous or crystalline phase of the material. The phase change is induced by an electrical current, which heats the material by the Joule effect. Because of its fast and congruent crystallization, theGe2Sb2Te5 alloy is widely used for PCM. Nevertheless, to get a better reliability at high temperatures, which is required e.g. for automotive applications, STMicroelectronics uses a Ge-rich GeSbTe alloy. In this alloy, chemical segregation and appearance of a new crystalline phase occur during crystallization. The distribution of phases and alloy components are critical for the proper functioning of the memory cell; thus, predictive simulations would be extremely useful. Phase field models are used for tracking interfaces between areas occupied by different phases. In this work, a multi-phase field model allowing simulating the distribution of phases and species in Ge-rich GeSbTe has been developed. The parameters of the model have been determined using available data on this alloy. Two types of simulations have been carried out, firstly to describe crystallization during annealing of initially amorphous deposited thin layer; secondly to follow the evolution of phase distribution during memory operation using temperature fields that are typical for those operations. Comparisons between simulations and experiments show that they both exhibit the same features.