Etude des interfaces et de l'encapsulation des mémoires à changement de phase

Study of interfaces and capping of Phase Change Memory cells

• Auteur / Autrice : Ludovic Goffart
• Direction : Ahmad Bsiesy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des technologies de la microélectronique (Grenoble, Isère, France ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Hubert Renevier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Magali Putero, Damien Aureau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxydation

Métaux

Chalcogénures

Encapsulation (chimie)

Matériaux à changement de phase

Mots clés libres

Interfaces

Mémoire

Gst

GeSbTe

Oxydation

Matériaux

Interfaces

Memory

Gst

GeSbTe

Oxidation

Materials

Résumé

Le monde des mémoires à énormément évolué au cours de ces dernières années, autant sur le plan des performances et capacités de stockage, que sur les domaines d’applications. Une des dernières innovations a été la mémoire à changement de phase, également appelée mémoire PCM pour Phase Change Memory. Ce nouveau type de mémoire repose sur l’utilisation d’un matériau, le GeSbTe, bien connu puisqu’auparavant utilisé dans les CD, DVD et Blu-ray pour ses propriétés optiques. Dans le cas des mémoires PCM, c’est grâce à ses propriétés électrique que l’on parvient à encoder l’information. Ce matériau peut passer de l’état amorphe à l’état cristallin de manière réversible, et le contraste de résistivité électrique entre les deux états permet de coder le bit d’information. Ces propriétés électriques sont intimement liées à sa composition chimique, et une quelconque altération de celle-ci se répercuterait directement sur le comportement et les performances de la mémoire. C’est pourquoi il est critique de pouvoir comprendre et se protéger de toutes les altérations possibles que ce matériau pourrait subir au cours de son intégration en tant que mémoire PCM. STMicroelectronics a fait le choix d’utiliser un GeSbTe enrichi en germanium et dopé à l’azote, appelé Ge-rich GST dopé N, pour pouvoir être intégrée dans ses mémoires destinées au marché de l’automobile, car ce matériau présente les meilleures performances pour ce type d’application.L’objectif de cette thèse est de comprendre les interactions de surface entre le Ge rich GST et son environnement, notamment son oxydation à l’atmosphère qui dégrade grandement ses performances initiales, afin de pouvoir proposer des solutions adaptés pour l’éviter. Grâce à des techniques de caractérisations complémentaires telles que le pARXPS, le TEM-EDX, la nano-diffraction, l’XRD et l’XRR, ainsi que le FTIR, utilisées tout au long de cette thèse, de nouvelles observations ont pu être effectuées concernant l’oxydation du Ge-rich GST. Une double cinétique d’oxydation, jamais observée auparavant, a pu être mis en lumière, et une explication physique associée à un nouveau modèle mathématique a permis de décrire cette double cinétique. Des études sur l’état amorphe et cristallin ont été menées pour déterminer l’influence de celui-ci sur l’oxydation, ainsi que l’influence de la température de recuit et le taux de dopage azote sur cette cinétique d’oxydation. Les résultats obtenus ont permis de mieux comprendre comment l’oxydation du Ge-rich GST a lieu et ont permis de proposer des pistes d’améliorations pour éviter ou réduire cette oxydation afin de ne pas dégrader les performances des mémoires fabriquées. Une dernière partie de ce travail a été dédié à l’étude et l’amélioration de deux étapes critiques dans la fabrication des puces mémoires qui sont l’étape de gravure du Ge-rich GST, et l’étape de sa protection appelé capping, également impactés par l’oxydation du matériau. Cette dernière étude est confidentielle due à la présence d’informations détaillées nécessaire pour la bonne compréhension de l’étude. Elle présente les résultats obtenues concernant l’influence de chaque étape sur l’oxydation, et les pistes ainsi que les perspectives proposées pour palier à l’oxydation et améliorer l’intégration des puces mémoires afin de conserver les performances nécessaires à leurs utilisations dans l’industrie automobile.

The world of memories has evolved enormously in recent years, both in terms of performance and storage capacity, and in terms of application areas. One of the latest innovations was phase change memory, also called PCM memory for Phase Change Memory. This new type of memory is based on the use of a material, GeSbTe, well known since it was previously used in CDs, DVDs and Blu-rays for its optical properties. In the case of PCM memories, it is thanks to its electrical properties that we manage to encode the information. This material can pass from the amorphous state to the crystalline state in a reversible way, and the electrical resistivity contrast between the two states makes it possible to encode the information bit. These electrical properties are closely linked to its chemical composition, and any alteration of the latter would have a direct impact on the behavior and performance of the memory. Therefore it is critical to be able to understand and protect it against all the possible alterations that this material could undergo during its integration as a PCM memory. STMicroelectronics has chosen to use a GeSbTe enriched in germanium and doped with nitrogen, called Ge-rich GST doped N, to be able to be integrated in its memories intended for the automotive market, because this material presents the best performances for this type of application. The objective of this thesis is to understand the surface interactions between the Ge rich GST and its environment, in particular its oxidation in the atmosphere which greatly degrades its initial performance, in order to be able to propose suitable solutions to avoid it. Thanks to complementary characterization techniques such as pARXPS, TEM-EDX, nano-diffraction, XRD and XRR, as well as FTIR, used throughout this thesis, new observations have been made concerning the oxidation of Ge-rich GST. A double kinetics of oxidation, never observed before, has been brought to light, and a physical explanation associated with a new mathematical model made it possible to describe this double kinetics. Studies on the amorphous and crystalline state have been carried out to determine its influence on oxidation, as well as the influence of the annealing temperature and the nitrogen doping rate on this oxidation kinetics. The results obtained made it possible to better understand how the oxidation of the Ge-rich GST takes place and made it possible to propose avenues for improvement to avoid or reduce this oxidation in order not to degrade the performance of the memories manufactured. A last part of this work was dedicated to the study and improvement of two critical steps in the manufacture of memory chips which are the Ge-rich GST etching step, and the step of its protection called capping, also impacted by the oxidation of the material. This last study is confidential due to the presence of detailed information necessary for a good understanding of the study. It shows the results obtained concerning the influence of each step on the oxidation, and the tracks as well as the prospects proposed to overcome the oxidation and improve the integration of memory chips in order to maintain the performance necessary for their use in the automobile industry.