Overcoming the thermal stability limit with innovative chalcogenide alloys for embedded phase-change memory applications

Dépasser la limite de stabilité thermique avec des alliages chalcogénure innovants pour les applications des mémoires à changement de phase embarquées La présente thèse vise à explorer les propriétés et à évaluer le potentiel de films minces innovants à base de chalcogénures pour de futures applications de mémoire à changement de phase (PCM) embarquée nécessitant une rétention des données à haute température. Les films étudiés, déposés par pulvérisation cathodique, sont les alliages GeSe1-xTex, situés sur la ligne pseudo-binaire GeSe-GeTe. Le manuscrit est divisé en cinq chapitres. Le chapitre 1 présente les technologies et le marché des mémoires et les limites actuelles et décrit le contexte pour le développement des mémoires émergentes. Le principe de fonctionnement des PCM est décrit en détail, en mettant l'accent sur le lien entre les performances des dispositifs et les propriétés des matériaux à changement de phase. Une attention particulière est accordée aux exigences des applications PCM embarquées. Les matériaux à changement de phase les plus connus, à savoir GeTe et Ge2Sb2Te5 (GST225), leur structure cristalline et leurs propriétés en relation avec les performances des dispositifs mémoire sont présentés. Le mécanisme de la liaison métavalente et les propriétés des matériaux métavalents sont ensuite présentés. L'utilisation d'alliages GST riches en Ge comme stratégie pour améliorer la stabilité thermique dans les applications PCM embarquées est décrite, ainsi que le rôle bénéfique du dopage N dans ces alliages. Un état des lieux de la littérature sur les alliages de GeSe1-xTex est ensuite présenté, avec un accent particulier sur la structure de leur phase cristalline. Le chapitre 2 présente les techniques expérimentales utilisées pour caractériser les couches minces de GeSe1-xTex. Elles sont regroupées en fonction du mécanisme physique sur lequel elles sont basées: mesures de résistivité électrique en fonction de la température, techniques de caractérisation optique, microscopie électronique à balayage, analyse par diffraction des rayons X et techniques de mesures de composition par faisceaux d'ions. Le chapitre 3 présente tout d'abord le principe de la méthode de dépôt par pulvérisation cathodique. Cette technique de dépôt offre la possibilité d'explorer facilement une large gamme de compositions et de produire des films d'épaisseur nanométrique, de l'ordre de grandeur de l’épaisseur des films intégrés dans les mémoires. Plusieurs films minces GeSe1-xTex, avec x variant de 0 à 1, ont été déposés par co-pulvérisation magnétron de cibles GeTe et GeSe pures dans des outils de pulvérisation industriels. De l'azote a également été incorporé dans les films GeSe1-xTex. Les équipements de pulvérisation, les paramètres de dépôt et le processus d'élaboration sont décrits dans ce chapitre. Une liste des échantillons déposés et de leur composition est également fournie. Le chapitre 4 est consacré à la caractérisation expérimentale des films minces de GeSe1-xTex. L'évolution de leurs propriétés physiques et de leur structure cristalline avec la concentration en Te est étudiée. Leur stabilité thermique, leur comportement résistif, ainsi que le contraste optique et électrique entre les états cristallin et amorphe sont étudiés. La phase cristalline des films minces GeSe1-xTex est analysée par diffraction des rayons X (XRD) à température ambiante et en fonction de la température, ainsi que par des mesures de spectroscopie RAMAN à température ambiante. Les résultats obtenus sont discutés et comparés à l'état de l'art et aux résultats de la littérature publiés au cours de la thèse. L'étude de l'incorporation d'azote dans les films minces GeSe1-xTex est présentée dans le chapitre 5, en se concentrant sur l'influence de N sur les propriétés de changement de phase et la structure des films. La première intégration de films GeSe1-xTex dopés à l'azote et non dopés dans des véhicules de test PCM industriels du CEA-LETI est présentée dans la deuxième partie du chapitre. Quelques caractérisations électriques préliminaires dans le dispositif sont également rapportées.