Transformations de phases dans les matériaux pour les mémoiresmicroélectroniques avancées

Phase transformations in materials for advanced microelectronic memories

• Auteur / Autrice : Hamid Neggaz
• Direction : Alain Portavoce, Magali Putero
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : MATIERE CONDENSEE et NANOSCIENCES
• Date : Inscription en doctorat le 01/02/2024
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IM2NP - Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence

Mots clés

Mots clés libres

Transformation de phase

Film mince

Alliages GST

Matériaux à changement de phase

Phase transformations

Thin films

GST alloy

Phase change materials

Résumé

Parmi les technologies des mémoires résistives émergentes, les mémoires à changement de phase (PCRAM pour Phase Change RAM) utilisent les propriétés particulières des matériaux à changement de phase (PCMs) . Les PCRAM font partie des dispositifs innovants les plus avancés pour permettre le stockage de données à des vitesses de programmation rapides et avec une endurance supérieure aux technologies Flash actuelles. Ces mémoires sont basées sur la transition réversible et ultra rapide (< 10 ns) entre les états amorphe et cristallin des matériaux à changement de phase, à l'origine utilisés pour le stockage optique des données. Ces deux états ont l'avantage de présenter des propriétés physiques (électrique, optique, structurale) très différentes et d'avoir une stabilité suffisante pour être utilisés comme état 0 ou 1 dans les nouveaux mémoires non-volatiles. Les alliages ternaires GexSbyTez (ou GST) sont parmi les PCMs les plus prometteurs pour les applications industrielles. L'équipe « Réactivité et Diffusion aux Interfaces » de l'Institut Matériaux Microélectronique et Nanosciences de Provence (IM2NP) collabore depuis plusieurs années avec la société STMicroelectronics sur la compréhension des mécanismes atomiques mis en jeux lors de la cristallisation et des cycles répétés d'amorphisation/cristallisation des alliages GST , dans le but d'améliorer les procédés de fabrication et la stabilité des mémoires GST. L'objectif de cette thèse est donc l'étude de la cristallisation de nano-films de PCM (GST et autres alliages) en fonction de la composition des alliages et de leur dopage. Les films seront élaborés par pulvérisation cathodique magnétron. Les cinétiques de cristallisation et la stabilité des films seront étudiées par diffraction de rayons X in situ. La microstructure des films sera déterminée par microscopie électronique en transmission et la redistribution atomique sera étudiée à l'échelle atomique par sonde atomique tomographique (SAT).

Among emergent resistive memory technologies, phase change memories (PCRAM for Phase Change RAM) use the peculiar properties of phase change materials (PCMs) . PCRAMs are innovative devices currently the most advanced allowing data storage with significantly higher programing rates and endurance than current Flash technologies These memories are based on the ultra-fast (< 10 ns) and reversible transition between the amorphous and crystalline states of PCMs, originally used for optical data storage . PCM's amorphous and crystalline states show large physical property differences (electrical, optical, structural) as well as satisfactory thermal stability to be used as the logical states 0 and 1 in new non-volatile memories. Ternary GexSbyTez (GST) alloys are among the most promising PCMsfor industrial applications. The research team “Reactivity and Diffusion at Interfaces” of the Institute Materials Microelectronics and Nanosciences of Provence (IM2NP) collaborate for several years with the company STMicroelectronics on the understanding of the atomic mechanisms taking place during the crystallization and repeated amorphization/crystallization cycles of GST alloys aiming at improving GST PCRAM fabrication processes and stability. Thus, the goal of the present PhD work is to study the crystallization of PCM nano-films (GST and other alloys) as a function of the alloy composition and the nature and concentration of dopants. The films will be elaborated by magnetron sputtering. The crystallization kinetics and the thermal stability of the films will be studied using in situ X-ray diffraction. The film's microstructure will be determined using transmission electron microscopy and the atomic redistribution will be studied at the atomic scale using atom probe tomography (APT).