Caractérisation thermique des alliages GeSbTe par thermométrie Raman pour les mémoires à changement de phase

Thermal characterization of GeSbTe alloys by Raman thermometry for Phase-Change Memories

• Auteur / Autrice : Akash Rajendra Patil
• Direction : Jean-François Robillard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 27/11/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École graduée Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : STMicroelectronics (Crolles, Isère, France)
• Jury : Président / Présidente : Damien Deleruyelle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gabriele Navarro, Valentina Giordano, Simon Jeannot, Emmanuel Dubois, Philippe Boivin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Thomas, Ilaria Zardo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayons X -- Diffraction

Conductivité thermique

Spectroscopie Raman

Thermométrie

Chalcogénures

Germanium -- Alliages

Ordinateurs -- Mémoires à semiconducteurs

Mots clés libres

Thermometrie Raman

Alliages GST

Mémoires à changement de phase

Raman thermometry

Ge-Rich GST

Phase change memory

XRD investigation

Component modelling

Thermal conductivity

Résumé

Les matériaux à changement de phase sont à la base du stockage des mémoires depuis leur application au stockage optique des données en 1987. Dans les années 2010, les mémoires à changement de phase développées étaient 1000 fois plus rapides et plus endurantes que les mémoires NAND, et 10 fois plus denses que les mémoires DRAM. Les mémoires à changement de phase basées sur des chalcogénures offrent la flexibilité d'une vitesse plus rapide, d'une plus grande endurance ou d'une meilleure stabilité thermique en fonction de la stoechiométrie. L'ingénierie des matériaux des alliages GeSbTe (GST) a permis de réaliser des stoechiométries avec une stabilité à haute température convenant aux mémoires à changement de phase (PCM) intégrées dans les applications MCU automobiles. Les alliages tels que le GeSbTe dopé riche en Ge présentent une rétention des données à haute température en raison de la température de cristallisation élevée. Dans les PCM, la commutation réversible entre les phases est initiée thermiquement. Les études indiquent que moins de 1 % de l'énergie est utilisée pour le changement de phase, alors que la plus grande partie de l'énergie est perdue par d'autres voies de dissipation de la chaleur dans la cellule PCM. La connaissance des propriétés thermiques de ces matériaux sur l'ensemble de la plage de température de fonctionnement de la cellule PCM est donc cruciale pour un meilleur fonctionnement de la mémoire. L'alliage phare GST-225 a été largement caractérisé, mais l'état actuel des connaissances ne permet pas de caractériser thermiquement les stoechiométries nouvellement conçues.Des méthodes telles que 3ω, la thermo-réflectance et la radiométrie photo-thermique ont été mises en oeuvre pour la caractérisation thermique des GST. Ces outils présentent certains inconvénients, tels que la microfabrication supplémentaire d'éléments chauffants ou de transducteurs, des coûts d'installation élevés ou un post-traitement complexe des données. La thermométrie Raman est une technique de caractérisation optique qui ne nécessite pas de microfabrication et peut offrir l'avantage d'une étude structurelle simultanée. Dans ce travail, nous avons étudié des particules comme le GeTe, le GeSbTe riche en Ge et le GeSbTe riche en N dopé à l'aide de la thermométrie Raman. Cela a été possible en étudiant l'évolution de la température des modes vibrationnels présents dans les alliages à base de GeSbTe. Nous démontrons pour la première fois l'extraction réussie des propriétés thermiques dépendantes de la température et de la phase de ces matériaux à des températures plus élevées (~350°C) par thermométrie Raman. L'augmentation de la teneur en Ge et le dopage N supplémentaire ont diminué la conductivité thermique, ce qui est bénéfique pour l'efficacité de la PCM. La principale contribution à la conductivité thermique provient des phonons, la contribution électronique étant négligeable. Ces résultats permettent de mieux comprendre le comportement de ces matériaux à des températures plus élevées et l'effet de la teneur en azote Ces résultats prouvent que la thermométrie Raman est une technique de caractérisation thermique et structurelle riche, quantitative et fiable pour les matériaux à changement de phase.

Phase change Materials have been the basis of memory storage beginning from its application for optical data storage in 1987. Fast forward to 2010s, phase change memories developed were 1000 times faster with greater endurance than NAND; and 10 times denser than DRAM. PMs based on chalcogenides provide flexibility of faster speed, higher endurance or better thermal stability depending on stoichiometry. Materials engineering of GeSbTe (GST) alloys led to realization of stoichiometry's with high temperature stability suitable for embedded Phase-Change Memories (PCMs) in automotive MCU applications. Alloys like doped Ge-rich GeSbTe presented high temperature data retention owing to high crystallization temperature. In PCM, the reversible switching between phases is thermally initiated. Studies report that < 1% energy is utilized for phase change, whereas most of the energy is lost via other heat dissipation pathways in the PCM cell. So, knowledge of the thermal properties of these materials over the entire operation temperature range of PCM cell is crucial for better operation of the memory. The flag-ship GST-225 alloy has been extensively characterized but the current state-of-art falls short on thermal characterization of the newly engineered stoichiometries.Methods like 3ω, thermo-reflectance and photo-thermal radiometry have been implemented for thermal characterization of GST. These tools come with certain drawbacks such as: additional microfabrication of heaters or transducers, high setup costs or complex post-processing of data. Raman thermometry is an optical characterization technique which requires no microfabrication and can provide an advantage of simultaneous structural investigation. In this work, we investigated PMs like GeTe, Ge-rich GeSbTe and N-doped Ge-rich GeSbTe using Raman thermometry. This was possible by studying the temperature evolution of vibrational modes present in GeSbTe based alloys. We demonstrate successful extraction of temperature and phase dependent thermal properties of these materials to higher temperature (~350°C) by Raman thermometry for the first time. Increasing the Ge content and further N-doping decreased the thermal conductivity which is beneficial for PCM efficiency. Main contribution to thermal conductivity arises from phonons, with negligible electronic contribution. It provides a better understanding of the behavior of these materials at higher temperature and effect of nitrogen content. These results prove Raman thermometry as a rich, quantitative and reliable thermal and structural characterization technique for phase change materials.