Développement de procédés innovants de gravure de matériaux chalcogénures pour des applications mémoires non-volatiles et photoniques.

Development of innovative etching process of chalcogenide materials in non-volatile memories and photonics applications.

• Auteur / Autrice : Benjamin Fontaine
• Direction : Nicolas Possémé, Christelle Boixaderas, Jérôme Dubois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 29/03/2024
• 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 d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Ahmad Bsiesy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Damien Deleruyelle, Aurélie Girard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Gilles Cartry, Thomas Tillocher

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chalcogénures

Ordinateurs -- Mémoires à accès sélectif

Gravure par plasma

Matériaux à changement de phase

Mots clés libres

Microélectronique

Mémoire à changement de phase

Gravure Plasma

Matériaux

Plasma etching

Phase-Change memory

Microelectronics

Materials

Résumé

Depuis plusieurs années, les applications mémoires se diversifient pour répondre aux besoins du marché semiconducteur en fort développement. Dans cette optique, de nouvelles technologies de mémoires ont émergé. Les mémoires à changement de phase (PCRAM) sont parmi les technologies les plus prometteuses à la fois pour les applications standalone et embarquées. Le matériau sur lequel repose cette technologie, le GST, alliage de germanium, d’antimoine et de tellure, soulève de nombreux défis lors de sa mise en forme.Ces travaux de thèse s’axent sur l’amélioration de la mise en forme du GST et plus largement des PCRAM. La gravure plasma figure parmi les leviers les plus importants pour l’améliorer. Actuellement, la chimie HBr est la chimie de référence pour graver le GST. Dans un premier temps, ces travaux mettent en lumière les points forts et les points bloquants de la gravure de référence. A la suite de cette étude, une des sources les plus flagrantes de défectivité : la formation de résidus de type Ge-Ox est investiguée à l’aide d’analyses MEB, EDS, XPS et R(T). Afin de pouvoir pallier leurs formations, un mécanisme l’expliquant est proposé. Dans un second temps, de nouvelles chimies de gravure d’intérêt, le H2, le N2 et le H2/N2, sont investiguées. Leurs bénéfices et inconvénients pour la mise en forme du GST sont comparés. Dans une volonté d’amélioration de la meilleure chimie, celle-ci est ensuite diluée avec d’autres gaz (HBr, Ar) et le meilleur résultat est intégré dans un dispositif fonctionnel. Finalement, l’enchainement de mise en forme est amélioré en ajoutant un traitement H2 après gravure. Des études poussées (XPS, ToF-SIMS, FTIR, etc.) sont menées pour valider les bénéfices apportés par cet ajout pour la gravure puis pour la mise en forme complète. En conclusion, cette solution est intégrée dans un dispositif fonctionnel pour en valider l’intérêt.

In recent years, memory applications diversified themselves to fulfill the needs of the growing microelectronics market. In that extent, new memory technologies emerged. Among these technologies, phase-change random access memories (PCRAM) are one of the most promising for both standalone and embedded applications. Their functioning is based on the properties of a germanium, antimony, and tellurium alloy, also known as GST. The patterning of this material raises many challenges.This thesis aims to improve the GST and, to a further extent, the PCRAM patterning. Plasma etching is the most important lever for this purpose. Currently, HBr chemistry is the reference for GST etching. First, this work explores the limits of the etching of reference. Based on these observations, the formation of a critical defectivity, Ge-Ox residues, is investigated using SEM, EDS, XPS, and R(T) analyses. A mechanism of their formation is proposed to allow prevention. Then, new etching chemistries of interest, the H2, the N2 et the H2/N2, are investigated. Their pros and cons for GST patterning are evaluated. For its improvement, the best chemistry is then diluted with other relevant gases (HBr, Ar) and the best result is implemented to a functional device. Finally, the patterning is improved by adding a H2 post-etching treatment. The benefits of this addition for the etching and for the global flow are evaluated using several material characterization techniques (XPS, ToF-SIMS, FTIR, etc.). To conclude, this solution is implemented to a functional device to validate its relevance.