Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales (UPR 8011)


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Ô-GST : Science des matériaux pour les Mémoires à Changement de Phase

Le CEMES rejoint STMicroelectronics au sein du Projet IPCEI de la CE sur la micro-électronique.

par Evelyne Prevots - publié le , mis à jour le

L’ambition du projet est de mettre à disposition des entreprises européennes de la microélectronique un socle de connaissance en science des matériaux permettant d’optimiser la composition et le traitement des alliages à base de GeSbTe entrant dans la fabrication des mémoires à changement de phases.

Contexte :

Les mémoires flash intégrées standard utilisées dans les secteurs de l’automobile et de l’IOT (Internet Of Things) sont confrontées, aux nœuds technologiques les plus avancés (28 nm et moins), à de difficiles défis physiques limitant la vitesse de commutation, la consommation d’énergie et les coûts. Les mémoires à changement de phase (PCM) apparaissent comme une technologie alternative prometteuse pour surmonter ces limites. Ces mémoires PCM utilisent des couches minces de matériaux à base de chalcogénure, un alliage GeSbTe (GST), qui est commuté localement et de manière réversible entre ses états cristallin et amorphe en utilisant des impulsions électriques (chauffage par effet Joule). L’information est contenue dans la différence marquée de conductivité électrique entre les phases cristalline et amorphe de cet alliage.

 

Le projet Ô-GST :

On sait très peu de choses sur les changements physiques et chimiques qui entraînent la commutation électrique de la cellule et sur les mécanismes de dégradation qui l’affectent. Pour cette raison, un travail fondamental est nécessaire pour comprendre les mécanismes par lesquels le matériau passe des phases amorphe à cristalline (et inversement), l’impact de la géométrie, de la taille et du support environnant de la cellule sur le caractéristiques finales du matériau et du dispositif associé. De plus, les caractéristiques souhaitées sont obtenues à l’aide de matériaux GST de compositions clairement non stœchiométriques, ce qui augmente encore le besoin de comprendre en profondeur les mécanismes atomiques impliqués et donc de les caractériser à l’échelle nanométrique.

Dans ce contexte, le CEMES collabore aujourd’hui avec STMicroelectronics dans le cadre d’un grand projet européen (IPCEI, nano2022). Ensemble, dans le cadre du projet « Ô-GST », nous viserons à :

  1. Comprendre les mécanismes et les paramètres régissant les transitions de phase dans les matériaux GST pour PCM et les modifications de la conductivité électrique qui en résultent.
  2. Comprendre l’influence de la morphologie des domaines de la GST (taille des particules, multiphases, etc.) sur les performances électriques et la fiabilité (dérive, rétention / cycle) de la PCM.
  3. Alimenter les modèles : étudier et mesurer la diffusivité de Ge, éventuellement de Te et Sb, dans des alliages de GST amorphes et cristallins.
  4. Évolutivité du PCM : mettre en évidence et comprendre les effets de l’environnement (confinement, contrainte, oxydation, interfaces, etc.) sur les propriétés des cellules GST.

Le projet (2019-2022) s’appuiera sur 2 thèses Cifre et 6 années de contrat postdoctoral.

 

Référence

M. Agati, F. Renaud, D. Benoit, A. Claverie, In-situ transmission electron microscopy studies of the crystallization of N-doped Ge-rich GeSbTe materials, MRS Comm. 8, 1145 (2018).

Marta Agati, Maxime Vallet, Sébastien Joulie´, Daniel Benoit and Alain Claverie, Chemical phase segregation during the crystallization of Ge-rich GeSbTe alloys, J. Mater. Chem. C, 2019, 7, 8720. DOI : 10.1039/c9tc02302j

R. Sinha-⁠Roy, A. Louiset, M. Benoit, and L. Calmels, Electronic structure and conductivity of off-⁠stoichiometric and Si-⁠doped Ge2Sb2Te5 crystals from multiple-⁠scattering theory, Phys. Rev. B 99, 245124 (2019).

 

Liens vers sites web de référence IPCEI Microélectronique

https://ipcei-me.eu/

https://www.usinenouvelle.com/article/feu-vert-de-bruxelles-au-plan-europeen-ipcei-de-8-milliards-d-euros-sur-la-nanoelectronique.N788229

https://www.entreprises.gouv.fr/numerique/presentation-du-plan-nano-2022

 

Contact

Dr. Alain Claverie