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

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Dégradation des mémoires à changement de phase.

Il faut les encapsuler !

par PREVOTS Evelyne - publié le

Des chercheurs du CEMES ont montré que l’oxydation naturelle des alliages de Ge-Sb-Te étant fortement sélective, elle engendrait une redistribution des éléments sous la surface et la cristallisation préférentielle hétérogène du Ge à partir de la surface, à une température 50-60°C plus basse que lorsque la surface est protégée de l’air ambiant. Cette étude explique les raisons de défaillances observées lorsque ces couches ne sont pas encapsulées immédiatement après leur dépôt.

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Les mémoires à changement de phase (PCM) apparaissent aujourd’hui comme les mémoires du futur, rapides et peu énergivores, mais surtout intégrables sous forme matricielle au plus près des processeurs, comme requis pour le traitement des big data (1). Une cellule PCM se compose le plus souvent d’une fine couche d’alliage Ge-Sb-Te (GST) prise en sandwich entre deux électrodes. Des impulsions de courant électrique et le chauffage induit par effet Joule servent à commuter thermiquement la PCM de l’état RESET (faible conductivité électrique en phase amorphe) vers l’état SET (hautement conducteur en phase cristalline) et vice versa, via une étape de cristallisation ou de trempe après fusion, respectivement. Les PCM peuvent également afficher des valeurs de résistance intermédiaires entre celles des configurations SET et RESET. Cette conductivité électrique réglable, pouvant être contrôlée par des impulsions électriques successives, peut être utilisée comme poids synaptique, ce qui offre un vif intérêt pour la fabrication de composants pour l’Intelligence Artificielle (memristors).

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

 

Contact

Alain Claverie