GeTe/Sb2Te3 superlattices for iPCM memories : PVD growth by van der Waals epitaxy and study of their structure
Super-réseaux GeTe/Sb2Te3 pour les mémoires iPCM : croissance PVD par épitaxie van der Waals et étude de leur structure
Résumé
In order to satisfy the demand for more and more efficient memory in computer systems, new technologies have been developed. Among the latter resistive phase-change memories (PCM) exhibit capacities and sufficient maturity to achieve the so-called new SCM (for Storage Class Memory) devices as evidenced by the recent commercialization of Optane products by INTEL®. Nevertheless, PCM still require strong electrical consumption limiting their performance. Integration of (GeTe)2/(Sb2Te3)m superlattices in so-called iPCM (for interfacial Phase Change Memory) was shown to permit a significant decrease in programming currents. However, the switching mechanism of this memory and the structure of the material in its two resistance states are still under debate. The aim of this thesis is therefore to deposit crystalline (GeTe)2/(Sb2Te3)m (m=1,2,4 et 8) superlattices, to determine their structure and to integrate them into memory devices. GeTe and Sb2Te3 materials are alternately deposited by means of sputtering in an industrial deposition tool to perform van der Waals epitaxy of these superlattices. Stoichiometric superlattices with the desired periodicity and with an orientation of the (0 0 l) crystalline planes parallel to the surface of the substrate are obtained by innovative co-sputtering of Sb2Te3 and Te targets during Sb2Te3 deposition. A description of the local atomic order of superlattices is then carried out by studying HAADF-STEM images coupled to simulations. Intermixing between GeTe and Sb2Te3 deposited layers is thus revealed, leading to the local formation of rhombohedral GexSbyTez. Quantitative measurements of the Ge/Sb atomic plans occupation in further confirm the phenomenon. A long-range order structural model of superlattices by means of random stacking of crystalline blocks allows the simulation of experimental diffraction curves. Finally, the first integrations of (GeTe)2/(Sb2Te3)m (with m=1,2,4 et 8) superlattices in devices demonstrate a programming current up to 4 times lower than a PCM reference with an endurance exceeding 10 millions cycles.
Afin de faire face à la demande croissante de mémoires de plus en plus performantes dans les systèmes informatiques, de nouvelles technologies se sont développées. Parmi elles, les mémoires résistives à changement de phase (ou PCM pour Phase-Change Memory) ont des propriétés et une maturité suffisante pour développer les nouvelles mémoires SCM (pour Storage Class Memory) comme en témoigne la récente commercialisation des produits Optane par la firme INTEL®. Néanmoins, la consommation énergétique des PCM lors de leur programmation reste élevée, ce qui limite leurs performances. L’intégration de super-réseaux (GeTe)2/(Sb2Te3)m dans des mémoires dites iPCM (pour interfacial Phase-Change Memory) est une des voies les plus prometteuse pour permettre une diminution significative des courants de programmation. Cependant, le mécanisme de transition des iPCM et la structure du matériau dans ses deux états de résistances sont encore méconnus. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est d’élaborer des super-réseaux (GeTe)2/(Sb2Te3)m (m=1,2,4 et 8) cristallins, de déterminer leur structure puis de les intégrer dans des dispositifs mémoires. La pulvérisation cathodique alternée des matériaux GeTe et Sb2Te3 dans un équipement industriel de dépôt est utilisée pour effectuer l’épitaxie van der Waals de ces super-réseaux. Une optimisation du procédé par l’ajout d’une cible de Te en co-pulvérisation avec la cible de Sb2Te3 montre l’obtention de super-réseaux stœchiométriques présentant la périodicité souhaitée, ainsi qu’une orientation des plans cristallins (0 0 l) parallèle à la surface du substrat. Une description de l’ordre atomique local des super-réseaux ainsi optimisés est ensuite menée par l’étude d’images HAADF-STEM couplée à des simulations. Celle-ci révèle un phénomène d’inter-diffusion entre les couches de GeTe et de Sb2Te3 déposées aboutissant à la formation locale de GexSbyTez rhomboédriques, des mesures quantitatives de l’occupation des plans atomiques en Ge/Sb confirment aussi le phénomène. De plus, un modèle de structure à longue distance de ces super-réseaux considérant un empilement aléatoire de blocs cristallins permet la simulation des courbes de diffraction obtenues expérimentalement. Enfin, les premières intégrations des super-réseaux (GeTe)2/(Sb2Te3)m dans des dispositifs mémoires mettent en évidence une réduction importante des courants de programmation jusqu’à 4 fois inférieurs à une PCM et avec une endurance dépassant les 10 millions cycles.
Origine : Version validée par le jury (STAR)