Development of phase-change materials based on GeTe alloys by MOCVD: applications to embedded memories for microelectronics
Développement et élaboration par MOCVD de matériaux à changement de phase à base d'alliages GeTe : applications aux mémoires embarquées pour la microélectronique
Résumé
Phase-Change Random Access Memories (PCRAM) are one of the most promising candidates for next generation of nonvolatile memories. However this technology presents two major drawbacks: an archival life for high operating temperatures too short and power consumption too high. The first objective of this work was to develop new phase change materials by PVD to replace the common Ge2Sb2Te5 unsuitable for embedded applications. The second objective was to develop the targeted material by plasma-assisted MOCVD to assess the feasibility of confined devices requiring low operating currents. The study of binary GeTe material showed higher performance than Ge2Sb2Te5 including an estimated archival life up to ten years at 110°C. The impact of the incorporation of doping elements N and C in GeTe has been under evaluation for development of MOCVD. It has been shown a pronounced increase in thermal stability of doped materials that we explain by the formation of an amorphous phase of nitride or carbide during crystallization. Using a pulsed liquid MOCVD tool with plasma assistance allowed depositing GeTe thin films in crystalline or amorphous phase, with properties of phase transition similar to sputtered GeTe ones.
Les mémoires à changement de phase électroniques (PCRAM) sont l'un des candidats les plus prometteurs pour la prochaine génération de mémoires non-volatiles. Cette technologie présente cependant deux inconvénients majeurs : un temps de rétention de l'information court pour des températures de fonctionnement élevées et une consommation électrique trop importante. Le premier objectif de ce travail a été de développer de nouveaux matériaux à changement de phase par PVD pour remplacer le traditionnel Ge2Sb2Te5, inadapté pour des applications embarquées. Le second objectif a été d'élaborer le matériau sélectionné par MOCVD assisté plasma afin d'évaluer la faisabilité de dispositifs confinés nécessitant des courants de fonctionnement faibles. L'étude du matériau binaire GeTe a montré des performances supérieures à celles de Ge2Sb2Te5 avec notamment une estimation du temps de rétention de l'information de dix ans à 110°C. L'impact de l'incorporation d'éléments dopants N ou C dans GeTe a été évalué en prévision du développement MOCVD. Il a été démontré une nette augmentation de la stabilité thermique des matériaux dopés, que nous expliquons par la formation d'une phase amorphe de type nitrure ou carbure lors de la cristallisation. L'utilisation d'un système de dépôt MOCVD par injection pulsée avec assistance plasma a permis de réaliser des couches minces conformes de GeTe à l'état cristallin ou amorphe, présentant des propriétés de transition de phase similaires à celles de GeTe de référence élaboré par PVD.
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