Soutenance de thèse 28/11/2023 - Guillaume Roland - Etude par sonde atomique tomographique des matériaux à changement de phase pour des applications mémoires PCRAM

Annonce de soutenance de thèse

Mr. Guillaume ROLAND

(ED352: Physique et sciences de la matière : spécialité matière condensée et nanosciences )

Soutiendra publiquement ses travaux de thèse intitulés :

Etude par sonde atomique tomographique des matériaux à changement de phase pour des applications mémoires PCRAM

Dirigé par : Alain PORTAVOCE (IM2NP - CNRS), Magali PUTERO (AMU) et Frédéric LORUT (STMicroelectronics)

 le mardi 28 Novembre 2023 à 10h - salle des thèses - Campus de Saint-Jérôme

Résumé

Les mémoires à changement de phase (PCRAM) sont des mémoires résistives dites émergentes. Elles sont parmi les dispositifs innovants les plus prometteurs pour remplacer les eFlash (embedded Flash) pour les applications embarquées. Ces mémoires exploitent les propriétés particulières des matériaux à changement de phase (PCM) qui peuvent commuter de façon rapide et réversible entre un état amorphe hautement résistif électriquement et un état cristallin faiblement résistif. Les mémoires PCRAM sont actuellement commercialisées par STMicroelectronics pour des applications embarquées dans le domaine de l’automobile. Malgré cela, elles font toujours l’objet d’une recherche intensive, notamment sur la redistribution atomique ayant lieu dans le PCM au cours des cycles de la PCRAM. L’objectif de cette thèse est donc d’étudier la redistribution atomique et les phénomènes physico-chimiques ayant lieu dans le PCM lors de la cristallisation. Au cours de ces travaux, nous avons étudié par Sonde Atomique Tomographique (SAT) chacun des composés pouvant être rencontrés dans les échantillons (Ge, GeTe, Ge₂Sb₂Te₅ et GeSbTe riche en Ge) fournis par STMicroelectronics. Les échantillons de GeTe et de Ge₂Sb₂Te₅ ont été préparés sous forme de couches mince par pulvérisation cathodique magnétron, pour ensuite être caractérisés par différentes techniques complémentaires, telles que : la SAT, la Diffraction de Rayons X (DRX), la Microscopie Electronique en Transmission (MET) et la spectroscopie de rayons X à dispersion d’énergie (EDX).

Ce travail a été réalisé suivant trois étapes. Au cours de la première étape, nous avons étudié la croissance de la phase GeTe par diffusion réactive. Nous avons constaté que la cinétique de réaction aux interfaces semble particulièrement lente comparée à celle des germaniures ou des siliciures déjà étudiés. Nous avons aussi étudié la cristallisation du composé GeTe qui a lieu en deux étapes, probablement à cause de la cinétique de transport atomique du Ge. Nous avons aussi déterminé les paramètres d’évaporation et de reconstruction pour les analyses par SAT du GeTe.

Ensuite, dans une deuxième étape nous avons étudié le composé ternaire Ge₂Sb₂Te₅ (GST225). Nos expériences par DRX, EDX, MET et SAT ont montré que la phase GST225 de structure cfc peut être enrichie en Ge ou en Sb. Une étude comparative, nous a permis d’étudier l’effet d’un germe cristallin, Ge diamant ou cfc-GST225, sur la cristallisation d’une couche amorphe de GST225. Nous avons constaté que l’énergie de germination, le mode de croissance (2D ou 3D), le mécanisme dominant la croissance et la vitesse de croissance sont modifiés en fonction de la nature chimique du germe. En ce qui concerne les analyses de SAT, nous avons montré que le GST225 peut être évaporé dans les mêmes conditions que le GeTe, mais que ses paramètres de reconstructions sont différents.

Dans la troisième et dernière partie, nous avons travaillé sur des alliages GGST (GST riche en Ge) et q-GST. Nos analyses de SAT ont montré que la phase cfc-GST peut être enrichie en Ge jusqu’à des concentrations bien supérieurs à celles observées dans l’échantillon de cfc-GST225. Nous avons aussi constaté que la probabilité de fracture de l’échantillon pendant les analyses de SAT augmente avec la concentration en Ge des alliages GGST. Les observations par MET et nos quantifications par SAT des différentes phases présentes dans la couche de q-GST après cristallisation, nous ont permis d’avoir une bonne représentation de la distribution atomique dans le q-GST après recuit.

Mots clés: 

Matériaux à changement de phase (PCM), sonde atomique tomographique, PCRAM, caractérisation chimique, GeSbTe

Composition du jury :