Dépôt et étude de super-réseaux GeTe/Sb2Te3 obtenus par PVD pour les mémoires IPCM/TRAM

par Philippe Kowalczyk

Projet de thèse en Nano electronique et nano technologies

Sous la direction de Christophe Vallee.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal (EEATS) , en partenariat avec Laboratoire des Technologies de la Microélectronique (laboratoire) depuis le 15-12-2014 .


  • Résumé

    Ce travail de thèse s'inscrit dans le domaine des mémoires à changement de phase (ou PCRAM), technologie émergente pour les mémoires non volatiles dans l'électronique. La technologie FLASH NAND actuelle arrive à ses limites technologiques, ce qui permet aux technologies en rupture comme les mémoires résistives (RRAM) de venir les concurrencer, et parmi lesquelles les mémoires à changement de phase PCRAM sont considérées comme les plus matures. La récente commercialisation en 2017 par Intel et Micron de mémoires PCRAM nommées respectivement Optane et QuantX, à architecture crosspoint 3D-Xpoint, démontre l'évolution du secteur des mémoires vers les technologies émergentes que sont les RRAM. Néanmoins les mémoires PCRAM souffrent d'un défaut majeur lié à leurs courants de programmation relativement élevés comparé aux autres technologies émergentes. Récemment, une nouvelle structure nommée iPCM a montré des performances de fonctionnement améliorées comparées aux PCRAM standard. Les iCPM présentent une plus faible consommation électrique, une meilleure vitesse en lecture/écriture et une meilleure rétention de l'information. Elle est constituée d'un empilement de couches nanométriques de matériaux chalcogénures comme GeTe et Sb2Te3 formant un super-réseau cristallin. Les épaisseurs sont typiquement de 0.7nm pour le GeTe et de 4nm pour le Sb2Te3. Sous l'action d'un champ électrique, il est proposé que les atomes de Germanium situés au niveau des interfaces entre les couches minces migrent de part et d'autres d'un plan de Tellure. Ces deux structures possèdent alors des propriétés électroniques suffisamment différentes permettant de créer un contraste de résistance élevé. De plus, des calculs ab initio montrent qu'une des structures possèderait la propriété d'isolant topologique avec la formation d'un cône de Dirac dans la structure de bande. Cependant, des analyses expérimentales plus poussées révèlent un ordre atomique local incompatible avec le modèle précédent et le remettent donc en cause. Ceci souligne la méconnaissance actuelle de la structure cristalline de ces super-réseaux et du mécanisme de transition résistif intervenant dans les mémoires iPCM. Cette thèse a donc pour objectif de fabriquer et d'étudier des super-réseaux cristallins de GeTe/Sb2Te3. Les moyens technologiques de la plateforme Si du CEA-Leti et de la plateforme de nano-caractérisation du CEA-MINATEC (TEM, FTIR, Raman, …) ont été mis à disposition pour ce travail. A noter que des manipulations sous rayonnement synchrotron ont été effectuées à l'ESRF et SOLEIL suite à la soumission de temps de faisceau. Les résultats de ce travail ont permis la réalisation et l'optimisation de ces super-réseaux GeTe/Sb2Te3. Leur structure a pu être appréhendée et un possible mécanisme de transition électrique proposé. La réalisation prochaine de dispositifs mémoires iPCM devrait compléter et valoriser encore plus cette étude.

  • Titre traduit

    Deposition and study of sputtered GeTe/Sb2Te3 superlattice for IPCM/TRAM memories


  • Résumé

    This work is in the field of phase change memory (PCRAM), an emerging technology for electronic non-volatile memories. Current NAND FLASH technology is soon limited, which enables breakthrough technologies such as PCRAM to compete. The recent marketing of Optane and QuantX emerging memory from Intel and Micron with a 3D-Xpoint crosspoint structure shows the evolution of the sector. Recently, a new structure called IPCM showed improved operating performance compared to conventional PCRAM. This memory has a lower power consumption, better read/write speed and better retention. It consists of a stack of nano-layered chalcogenide materials like GeTe/Sb2Te3 forming a crystalline superlattice. Thicknesses are typically of 0.7 nm for GeTe and 4 nm for Sb2Te3. Under the action of an electric field, it is proposed that the germanium atoms located at the interfaces between the thin layers migrate either side of a plane of Tellurium. The two structures having sufficiently different electronic properties to create a change in resistance. Ab-initio calculations show that one of the atomic configurations has the topological insulator property with the formation of a Dirac cone in the electronic band structure. However, structural determinations reveal a local atomic order incompatible with the previous model. This underlines the current debate of the crystal structure of these superlattices and of the resistive transition mechanism intervening in the iPCM memories. The aim of this thesis is therefore to produce and study GeTe/Sb2Te3 crystal superlattices. The technology platform in CEA-Leti and nano-characterization platform of CEA-MINATEC have been available for the realization of this work. Manipulations with synchrotron radiations were carried out at ESRF and SOLEIL. Deposition and optimization of GeTe/Sb2Te3 superlattices have been successfully achieved. Their structure has been apprehended and a mechanism of the electric transition has been proposed. The upcoming production of iPCM memories should complete this study.