La Mémoire à Changement de Phase (PCM) est une technologie non volatile mature qui a démontré sa pertinence en termes de rapidité de programmation, de faible consommation d’énergie et de haute endurance. Le système ternaire Ge₂Sb₂Te₅ (GST-225) est largement utilisé dans les PCM en raison de sa rapidité de transition entre les états amorphe et cristallin et du contraste de résistivité électrique important. Toutefois, sa faible température de cristallisation ne répond pas aux exigences des applications embarquées. Les avancées en ingénierie des matériaux, en particulier l’enrichissement en Ge et le dopage à l’azote, ont permis de créer des dispositifs PCM présentant une meilleure stabilité thermique et une meilleure rétention des données. Ces dispositifs répondent ainsi aux spécifications strictes des applications automobiles. Toutefois, l’utilisation d’alliages non stoechiométriques peut entraîner une ségrégation élémentaire ou de phase pendant les étapes de fabrication, ce qui peut engendrer une variabilité importante entre les dispositifs très miniaturisés. En outre, l’enrichissement en Ge entraîne une relaxation structurelle aux joints de grains de la phase cristalline (dispositif programmé dans l’état SET), ce qui conduit à une augmentation progressive de la résistivité de la cellule PCM et à une défaillance de rétention conséquente (drift du SET). Il est important de comprendre les facteurs qui influencent cette ségrégation et la cinétique de cristallisation résultante pour développer des stratégies visant à les atténuer ou à les contrôler.

L’objectif de ce travail est d’étudier la cinétique de cristallisation des matériaux chalcogénures innovants à base de Ge, Sb et Te (GST) par des mesures de résistivité in situ et des analyses physico-chimiques (spectroscopie Raman et infrarouge, analyses in situ et ex situ XRD et TEM-EDX) dans le but d’optimiser ces matériaux pour les intégrer dans la prochaine génération de technologie PCM. Tout d’abord, nous nous concentrons sur les effets de l’encapsulation sur les matériaux GST riches en Ge recuits à des températures compatibles avec le Back-End-Of-Line (BEOL) de la fabrication CMOS. Nous montrons comment la nature et l’épaisseur de la couche d’encapsulation affectent la cinétique de cristallisation et la morphologie du film chalcogénure. Nous examinons ensuite le rôle clé de la stoechiométrie, en faisant varier le rapport Sb/Te, dans la définition de la structure cristalline des phases GST ségrégées. Nous montrons que la haute stabilité thermique de la phase amorphe peut être combinée à une croissance cristalline rapide et uniforme pour les GST riches en Ge avec un rapport Sb/Te élevé. Ces résultats sont importants pour améliorer la morphologie cristalline (i.e. moins de joints de grains) afin de réduire le phénomène de dérive de l’état SET, en comparaison avec la phase polycristalline GST-225. Enfin, nous explorons les propriétés de déposer des alliages GST riches en Ge déposés sous la forme de multicouche, en utilisant une cible GST avec des rapports Sb/Te élevés et faibles et une cible Ge. Grâce aux leviers offerts par cette approche, nous démontrons que l’évolution de la morphologie peut être mieux contrôlée à haute température.

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