Caractérisation avancée pour le développement des nouvelles mémoires non volatiles

par Lucie Prazakova

Projet de thèse en Physique des materiaux

Sous la direction de Eugenia (phys) Martinez et de Emmanuel Nolot.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'Electronique et de Technologie de l'Information (LETI - CEA) (laboratoire) depuis le 22-10-2018 .


  • Résumé

    Le Leti est très actif dans la recherche de nouveaux matériaux qui sont et seront inclus dans des dispositifs mémoires innovants. En particulier, il est un acteur clé dans le développement des matériaux complexes déposés en couches minces pour les mémoires à changement de phase (PCRAM). Les propriétés de ces matériaux, réalisés sous forme d'alliages binaires ou ternaires, avec ou sans dopage, dépendent fortement de leur composition, du profil de composition dans ces couches très fines, ainsi que des conditions de surface et d'interface (préparation, passivation). La maîtrise de ces couches fines, déposées par voie chimique (CVD) ou par co-pulvérisation cathodique magnétron, exige le développement de protocoles de métrologie spécifiques en interaction avec les experts procédés. L'objectif de la thèse sera de développer des stratégies de mesure et d'analyse, fondées sur les techniques de fluorescence X et de photoémission (XPS), pour l'analyse quantitative précise de composition dans des matrices complexes, en surmontant les verrous liés aux effets de matrice, notamment pour les éléments légers. Ces développements devront permettre de fiabiliser les procédés de réalisation des matériaux à changement de phase (PCM) et des matériaux pour les commutateurs à seuil (OTS) des mémoires PCRAM. Les principaux axes de travail incluront : - L'analyse quantitative de la composition, du profil de composition et des états de liaisons, des premiers cycles de dépôt à l'épaisseur nominale, par combinaison XPS / XRF - L'analyse précise de l'impact des effets des matrices sur la quantification, pour les éléments de la matrice (notamment pour les systèmes {Z ; Z+2} tels que GeSe) et pour la métrologie très délicate des éléments légers (C, N, O), en s'appuyant fortement sur les collaborations avec les experts du PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Berlin) et du CEA-IRAMIS pour lever les verrous - L'étude des effets de surface et d'interface via des stratégies d'encapsulation optimisées (encapsulation in situ dans l'équipement de dépôt) ou de métrologie quasi in-situ - L'étude de l'impact des budgets thermiques des étapes procédés successives sur les profils de composition et les états de liaisons via des mesures XPS en Température Pour ces travaux, l'étudiant bénéficiera d'équipements de laboratoire (que ce soit pour la croissance des matériaux ou leur caractérisation) à l'état de l'art. Il aura aussi l'opportunité de réaliser des expériences sur grand instrument. Les analyses pourront être complétées avec les autres techniques de caractérisation (spectroscopie Auger, sonde atomique tomographique, TEM…) disponibles sur la plateforme de nano-caractérisation de Minatec.

  • Titre traduit

    Advanced characterization for the development of innovative non volatile memories


  • Résumé

    Leti is a key player in research and development for advanced non-volatile memories, developing highly efficient Phase Change memories (PCRAM) with several important industrial partners. These high performance components include thin layered materials deposited on silicon wafers, for both Phase change material (PCM) and Ovonic Threshold Switch (OTS). The reliability and performance of these complex (binary, ternary + dopant) materials is closely linked to their chemical and structural properties, which can be strongly influenced and fine-tuned by the stoichiometry, binding states, composition gradients, and surface/interface management. The main objective of the PhD is the development of characterization protocols, based on X-ray fluorescence and X-ray photoemission, for accurate analysis of composition and composition depth-profiles in complex PCM and OTS thin layered materials, by overcoming technological and scientific related to matrix effects and quantitative analysis of light elements. The specific objectives are: - The development of combined XRF/XPS strategies for the analysis of composition, composition depth-profiles and binding states, from first deposition cycles up to nominal thickness of PCM and OTS materials - The assessment of the influence of matrix effects on quantitative analysis, for major elements (e.g {Z ; Z+2} systems such as GeSe) and for light elements (C, N, O), with collaboration of world-class experts at PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Berlin) and CEA-IRAMIS - The development of improved analysis of surface/interface (e.g passivation), based either on in situ capping strategies (dedicated optimized capping in the deposition tool) and/or on quasi in situ metrology solutions (without air break after deposition). - Temperature-dependent XPS analysis of composition profiles and binding states will be developed to assess the impact of thermal budget at the different process steps on the material performance. For these studies, the student will have access to state of the art laboratory equipment (whether for characterization or growth of thin layered structures) and will also have the opportunity to work at the synchrotron. The analysis will also be complemented with other advanced characterization tools (Auger spectroscopy, Atom probe tomography, TEM etc) available on the nano-characterization platform at CEA-LETI.