Les Matériaux Chalcogénures pour les Futures Générations des Mémoires à Changement de Phase

Chalcogenide Materials for Next Generation of Phase-Change Memory

• Auteur / Autrice : Oumaima Daoudi
• Direction : Hubert Renevier, Emmanuel Nolot
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 18/03/2025
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA - Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information
• Jury : Président / Présidente : Eirini Sarigiannidou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-françois Robillard, Raffaella Calarco, Valeria Bragaglia, Marie-ingrid Richard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-françois Robillard, Raffaella Calarco

Mots clés

Mots clés libres

Mémoire à changement de phase

GST riche en Ge

Encapsulation

Multicouches

Ratio Sb/Te

GST riche en Sb

Phase-Change Memory

Ge-rich GeSbTe

Encapsulation

Multilayer

Sb/Te ratio

Sb-rich

Résumé

La mémoire à changement de phase (PCM) est une technologie non volatile mature qui a démontré sa pertinence en termes de rapidité de programmation, de faible consommation d’énergie et de haute endurance. Le système ternaire GST (GST-225) est largement utilisé dans la PCM en raison de ses capacités de transition rapide et du contraste de résistivité important entre les états amorphe et cristallin. Toutefois, sa faible température de cristallisation ne répond pas aux exigences des applications embarquées. Les avancées en ingénierie des matériaux, en particulier l’enrichissement en Ge et de dopage à l’azote, ont permis de créer des dispositifs PCM présentant une meilleure stabilité thermique et une meilleure rétention de données. Ces dispositifs répondent ainsi aux spécifications strictes des applications automobiles. Toutefois, l’utilisation d’alliages non stoechiométriques peut entraîner une ségrégation élémentaire ou de phase pendant les étapes de fabrication, ce qui peut engendrer une variabilité importante entre les dispositifs très miniaturisés. Il est important de comprendre les facteurs qui influencent cette ségrégation et la cristallisation subséquente pour développer des stratégies visant à les atténuer ou à les contrôler. En outre, l’enrichissement en Ge entraîne une relaxation structurelle aux joints de grains de la phase cristalline (dispositif programmé dans l’état SET), ce qui conduit à une augmentation progressive de la résistivité de la cellule PCM et à une défaillance de rétention conséquente (drift du SET). L’objectif de ce travail est d’étudier des matériaux chalcogénures innovants à base de Ge, Sb et Te (GST) par des mesures de résistivité in situ et des analyses physico-chimiques (spectroscopie Raman et infrarouge, analyses in situ et ex situ XRD et TEM-EDX) dans le but d’optimiser ces matériaux pour l’intégration dans la prochaine génération de technologie PCM. Tout d’abord, nous nous concentrons sur les effets de l’encapsulation sur les matériaux GST riches en Ge recuits à des températures compatibles avec le Back-End-Of-Line (BEOL) de la fabrication CMOS. Nous avons montré comment le type et l’épaisseur de la couche d’encapsulation affectent la cinétique de cristallisation et la morphologie du film chalcogénure. Nous avons ensuite étudié le rôle clé de la stoechiométrie, en variant le rapport Sb/Te, dans l’ajustement de la structure cristalline des phases ségrégées, en combinant la stabilité à haute température de la phase amorphe avec la croissance cristalline rapide et l’uniformité d’une phase GST ciblée avec un ratio Sb/Te élevé. Ces résultats sont importants pour améliorer la morphologie cristalline (i.e. une réduction du nombre de joints de grains) afin de réduire le phénomène de drift du SET. Enfin, nous avons exploré la possibilité de cibler des alliages Ge riches en GST par dépôt multicouche en utilisant des GST avec des rapports Sb/Te élevés et faibles et des cibles Ge. Grâce aux leviers offerts par cette approche, nous avons démontré que l’évolution de la morphologie de l’empilement pouvait être mieux contrôlée à haute température.

Phase-change memory (PCM) is a mature non-volatile technology that has demonstrated its suitability for scaling, fast programming speed, low power consumption, and high endurance. The ternary Ge2Sb2Te5 (GST-225) chalcogenide system has been widely used in PCM because of its fast switching capabilities and significant resistivity contrast between the amorphous and crystalline states. However, its low crystallization temperature does not meet the requirements of embedded applications. Materials engineering, particularly Ge-enrichment and N-doping, has led to GeSbTe-based (GST) PCM devices with improved thermal stability and data retention that meet the stringent specifications required for automotive applications. However, the use of non-stoichiometric alloys can lead to elemental or phase segregation during the fabrication steps, which can be a source of device-to-device variability in highly scaled devices in the next technology nodes. Understanding the factors that influence this segregation and subsequent crystallization kinetics is important for developing strategies to mitigate or control these phenomena. In addition, Ge-enrichment results in an increased structural relaxation at the grain boundaries of the crystalline phase (i.e. device programmed in the SET state), leading to a gradual increase in the resistivity of the PCM cell and consequent retention failure (i.e. SET drift). The aim of this work is to investigate innovative chalcogenide materials based on Ge, Sb and Te through in situ resistivity measurements and physico-chemical analyses (Raman and infrared spectroscopy, in situ and ex situ XRD and TEM-EDX analyses) with the goal of optimizing these materials for integration into next generation of PCM technology. First, we focus on the effects of encapsulation on Ge-rich GeSbTe materials annealed at temperatures compatible with the Back-End-Of-Line (BEOL) of CMOS fabrication. We have shown how the type and thickness of the encapsulation layer affects the crystallization kinetics and morphology of the chalcogenide film. We then investigated the key role of stoichiometry, i.e. varying the Sb/Te ratio, in tuning the crystalline structure of the segregated phases, combining the high temperature stability of the amorphous phase with the rapid crystalline growth and uniformity of a targeted high Sb/Te GST phase. These results are important for improving the crystalline morphology (i.e. less grain boundaries) to reduce the SET drift phenomenon. Finally, we explored the possibility of targeting Ge-rich GST alloys by multilayer deposition using GST with high and low Sb/Te ratios and Ge targets. Thanks to the knobs offered by this approach, we demonstrated the possibility to better control the stack morphology evolution at high temperature.