Il a été maintes fois rapporté que l’oxydation, volontaire ou accidentelle, de couches d’alliages de type Ge-Te ou Ge-Sb-Te en dégradait fortement les caractéristiques physiques et, par suite, les performances des dispositifs les utilisant. La température de cristallisation des couches s’en trouve fortement réduite, réduisant d’autant la stabilité de l’état RESET. Nous avons étudié en détail l’impact d’une exposition prolongée à l’air de couches d’alliages de GST riches en Ge, sur les caractéristiques de la cristallisation de telles couches déposées homogènes en phase amorphe.
Lorsque ces couches sont encapsulées après dépôt, leur cristallisation s’opère à partir de 380°C via la séparation des phases chimiques Ge et GST, la cristallisation homogène du Ge, et enfin la cristallisation de la phase Ge2Sb2Te5 (2, 3). Lorsque la surface est mise en contact de l’air, elle s’oxyde sur quelques nanomètres d’épaisseur. Cette oxydation est fortement sélective, n’affectant principalement que le Ge et, dans une moindre mesure, le Sb. La MET « in-situ » met en évidence que le Germanium cristallise, non pas de façon homogène dans la couche, mais de façon hétérogène, de la surface vers la profondeur de la couche, et à une température plus basse, vers 330°C. Ces observations, ainsi que la mise en évidence des fortes redistributions chimiques qui se produisent au cours de la cristallisation, montrent que l’oxydation a pour effet de fournir des germes à la cristallisation, vraisemblablement sous la forme de Sb2O3, qui permettent ensuite la cristallisation hétérogène du Ge.
Ces résultats expliquent bien les problèmes de défaillance observés et mettent aussi fin à la controverse concernant l’influence de l’épaisseur de la couche sur la température de cristallisation des alliages GST. Cette dépendance apparente, plusieurs fois rapportée, résulte de l’utilisation de couches non-encapsulées, donc oxydées, au sein desquelles la cristallisation se « propage » de la surface vers la profondeur, le temps nécessaire à la cristallisation complète de la couche dépendant alors bien évidemment de son épaisseur.
1) https://fr.wikipedia.org/wiki/3D_XPoint
2) M. Agati et al., MRS Communications (2018),doi:10.1557/mrc.2018.168
3) M. Agati et al., J. Mat. Chem. (2019), doi : 10.1039/c9tc02302
Référence de la publication
M. Agati et al., Applied Surface Science 518 (2020) 146227, doi:10.1016/j.apsusc.2020.146227