Caractérisation avancée pour le développement des nouvelles mémoires non-volatiles

Advanced characterization for the development of innovative non-volatile memories

• Auteur / Autrice : Lucie Prazakova
• Direction : Eugénie Martinez, Emmanuel Nolot, Gabriele Navarro
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 23/05/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Hubert Renevier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Thomas, Delphine Le Cunff
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Lambert Alff, Christine Martinet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux

Ordinateurs -- Mémoires

Mots clés libres

Mémoires à Changement de Phase

Alliages GST enrichis en Ge

Dopage Azote

Spectroscopie Raman

Diffraction des rayons X

Spectroscopie Infrarouge

Phase-Change Memory

Ge-Rich GST alloys

Nitrogen doping

Raman spectroscopy

X-Ray Diffraction

FTIR spectroscopy

Résumé

L’accroissement significatif du volume des données numériques à stocker et à traiter conduit au développement de technologies innovantes de mémoires Non-Volatiles (NVM). En particulier, des Mémoires à Changement de Phase (PCRAM) semblent les plus prometteuses, adaptées aux applications autonomes (Storage Class Memory) et embarquées (micro contrôleurs). Un dispositif PCRAM est organisé autour de l’élément clé qu’est le matériau à changement de phase, matériau dont le choix et les caractéristiques déterminent pour une large part les performances du dispositif. Ces dernières années, des matériaux GeSbTe (GST) enrichis en Ge et dopés par de l’azote (N) ont notamment démontré une stabilité thermique compatible avec les exigences des PCRAM embarquées pour le domaine automobile. Les performances des dispositifs PCRAM intégrant ces matériaux ont fait d’objet de publications, mais la compréhension fine de la structure et du mécanisme de cristallisation reste un sujet de recherche très actif.L’objectif de ce travail est de contribuer à l’étude structurale approfondie des matériaux à changement de phase à base de GST et caractérisés par une stabilité thermique compatible avec les applications embarquées. Nous avons particulièrement étudié deux groupes de matériaux : les systèmes élémentaires Ge, Sb et Te et les alliages GST enrichis en Ge. La combinaison des techniques d’analyse optiques (spectroscopies Raman et infrarouge), par rayons X (diffraction; spectroscopie d’absorption), par faisceau électronique (microscopie électronique en transmission) et des simulations « ab initio » nous a permis de caractériser finement la structure des matériaux et son évolution en fonction de la température, puis de révéler l’influence du dopage azote. L‘étude de la cristallisation du GST enrichi en Ge a mis en évidence la coexistence et la compétition de plusieurs mécanismes dont l’influence relative dépend de la teneur en Ge dans les alliages. L’étude des systèmes élémentaires dopés par azote a permis de démontrer l’influence du dopage sur la structure et d’identifier la formation de liaisons élément-N. Ces résultats ont ensuite été étendus à l’étude de l’impact du dopage azote sur la structure de systèmes plus complexes de GST enrichis en Ge. Les résultats de cette thèse illustrent l’apport des différentes techniques analytiques et de leur combinaison à la compréhension fine de la structure et des mécanismes de cristallisation des matériaux à changement de phase.

The development of innovative Non-Volatile Memory technologies (NVM) has become crucial as the amount of data required to be stored and processed is rapidly increasing. Among the several innovative NVM candidates, the Phase Change Memory (PCRAM) demonstrated to be the most promising one, providing the solutions in the domain of stand alone (e.g., Storage Class Memory) and embedded (e.g., microcontrollers) applications. PCRAM device structure is based on phase-change material integrated between two electrodes and undergoing the amorphous-to-crystalline phase change transition. The material engineering of such an integrated material plays the fundamental role in PCRAM device performances. In recent years, Ge-enriched or Nitrogen-doped GeSbTe (GST) alloys have demonstrated high thermal stability allowing the PCRAM device applications in the high-demanding automotive domain. Although the outstanding performances of PCRAM device with such integrated material have been reported, the deep investigation of material structure is still missing and the full understanding of crystallization mechanisms in such alloys represents a very active research topic.This work aims at the thorough structural investigation of GST phase-change alloys targeting the high temperature stability. We study two main groups of materials: Ge, Sb and Te elemental systems and Ge-rich GST alloys. First, we focus on the characterization of the material structure and its evolution as a function of controlled thermal budget. Then, we report on the effect of Nitrogen (N) doping. We combine optical (Raman and Fourier transform infrared spectroscopy) and X-ray (X-ray diffraction, X-ray absorption spectroscopy) characterizations along with transmission electron microscopy and “ab initio” simulations in order to provide a complete and unique insight of the material structure. The investigation of Ge-rich GST alloys allows to describe several phenomena occurring during the crystallization process (i.e., Ge atoms diffusion, GST and Ge phases segregation, their nucleation and growth) and their dependence on Ge content in the alloy. The studies of elemental systems upon N doping present the effect of N incorporation on Ge, Sb and Te structure and describe the formation of N bonding. The results from N-doped elemental systems are applied to evaluate the N impact on the structure of complex Ge-rich GST alloys. The results of this work provide deeper understanding of GST alloys, highlighting the complementarity of used characterization techniques. Finally, future perspectives of GST alloys investigations are provided, suggesting further options of GST alloys engineering as well as the combination of characterizations, which can be employed.