Mécanismes de Cristallisation dans les Matériaux à Changement de Phase pour des Applications Avancées de Mémoires Embarquées Influence des Éléments d'Alliage H/F

CNRS

Ce travail portera sur l'étude de la cristallisation de différentes couches d'alliages GST riches en Ge, dopées avec divers éléments d'alliage et compositions fournis par STMicroelectronics. Pour chaque empilement défini, la nucléation et la croissance des phases cristallines, la transition de phase ainsi que les phénomènes de ségrégation et de diffusion, incluant le rôle des interfaces, seront suivis.
Les propriétés physiques (structurelles, optiques et électriques) seront caractérisées in situ (c'est-à-dire pendant les recuits thermiques) à l'aide d'un ensemble de techniques originales déjà utilisées au laboratoire IM2NP : diffraction des rayons X in situ (XRD), réflectivité des rayons X (XRR) et mesures de résistance électrique (Rs) combinées, ainsi que l'ellipsométrie spectroscopique (SE).
Le travail principal se concentrera sur la XRD in situ lors de recuits thermiques afin de comprendre les mécanismes de cristallisation. Ces expériences in situ seront réalisées à la fois sur des sources de laboratoire et sur des lignes synchrotron.

Activités
Différents types d'expériences seront menés :
- Température de cristallisation et identification des phases :
Des mesures de XRD in situ seront réalisées lors de recuits en rampe afin de déterminer la température de cristallisation Tx à vitesse de rampe fixée. La gamme de températures étudiée s'étendra jusqu'à la dégradation des couches minces. Les structures cristallines formées seront suivies en fonction de la température de recuit.
- Cinétique de cristallisation :
Des expériences de XRD in situ seront effectuées lors de recuits isothermes à plusieurs températures inférieures à Tx. Le temps d'incubation précédant le début de la cristallisation sera mesuré pour toutes les phases cristallines formées. Le temps d'incubation de la première phase cristallisée sera corrélé à la température de recuit, permettant l'extraction de l'énergie d'activation de la cristallisation. La séquence de cristallisation et la cinétique de chaque phase cristalline nouvellement formée seront suivies.
Les résultats XRD issus des recuits en rampe et isothermes seront analysés quantitativement à l'aide de raffinements de Rietveld réalisés sur l'ensemble du spectre XRD afin d'identifier les structures cristallines, les tailles moyennes de grains, les paramètres de maille, les fractions cristallisées, etc.
- Sélection d'échantillons pour la MET (TEM) :
Pour des températures sélectionnées, les recuits in situ seront arrêtés à différentes durées de recuit, notamment juste avant et juste après la formation de chaque nouvelle phase cristalline. Les échantillons seront conservés pour des caractérisations ultérieures par microscopie électronique en transmission en mode balayage (STEM). Ces expériences seront réalisées au laboratoire CEMES ainsi que par d'autres partenaires dans le cadre du même projet.
Ce travail sera mené en étroite collaboration avec STMicroelectronics.

Compétences
Le candidat idéal / la candidate idéale est titulaire d'un doctorat en sciences des matériaux ou en sciences de l'ingénieur, possède de solides bases en physique des matériaux, plusieurs années d'expérience en recherche, de bonnes capacités de communication et une excellente maîtrise de l'anglais écrit et oral. Des connaissances en diffraction des rayons X (XRD), en procédés de dépôt, en matériaux à changement de phase (PCM) ainsi que des compétences en programmation seront fortement appréciées.
Contexte de travail

Les mémoires à accès aléatoire à changement de phase (PCRAM) figurent parmi les mémoires non volatiles (NVM) émergentes les plus matures : elles permettent le stockage de données à grande vitesse de programmation, avec une endurance améliorée par rapport à la technologie Flash actuelle, comme démontré récemment par l'INTEL OPTANE.
Les PCRAM reposent sur la transition ultrarapide (inférieur à 10 ns) et réversible entre les états amorphe et cristallin des matériaux à changement de phase (PCM), initialement utilisés pour le stockage optique de données. Les données sont stockées grâce au fort contraste de résistivité entre ces deux phases structurales des PCM : la phase cristalline correspondant à un état de faible résistance et la phase amorphe à un état de forte résistance.
Les états amorphe et cristallin des PCM présentent également des propriétés optiques très différentes et sont suffisamment stables pour être utilisés comme états 0 et 1 dans des mémoires non volatiles. Le PCM le plus prometteur pour les NVM est le chalcogénure Ge-rich GexSbyTez (GST riche en Ge), utilisé par STMicroelectronics pour des applications embarquées automobiles nécessitant une grande stabilité face aux variations de température.
Cependant, des problématiques critiques apparaissant à l'échelle nanométrique nécessitent des études approfondies des matériaux, notamment concernant le rôle des interfaces (nitrures, diélectriques, etc.), la composition des alliages (séparation de phases, précipitation, ségrégation, etc.), l'effet des impuretés et l'impact de ces phénomènes sur la cinétique de cristallisation (nucléation et croissance).
Ce travail vise à étudier en détail les chalcogénures optimisés (typiquement des GST riches en Ge avec différents éléments d'alliage ajoutés) intégrés dans les cellules mémoire de STMicroelectronics, au cours du processus de cristallisation et après les traitements de recuit.
Les mémoires à accès aléatoire à changement de phase (PCRAM) figurent parmi les mémoires non volatiles (NVM) émergentes les plus matures : elles permettent le stockage de données à grande vitesse de programmation, avec une endurance améliorée par rapport à la technologie Flash actuelle, comme démontré récemment par l'INTEL OPTANE.
Les PCRAM reposent sur la transition ultrarapide (inférieur à 10 ns) et réversible entre les états amorphe et cristallin des matériaux à changement de phase (PCM), initialement utilisés pour le stockage optique de données. Les données sont stockées grâce au fort contraste de résistivité entre ces deux phases structurales des PCM : la phase cristalline correspondant à un état de faible résistance et la phase amorphe à un état de forte résistance.
Les états amorphe et cristallin des PCM présentent également des propriétés optiques très différentes et sont suffisamment stables pour être utilisés comme états 0 et 1 dans des mémoires non volatiles. Le PCM le plus prometteur pour les NVM est le chalcogénure Ge-rich GexSbyTez (GST riche en Ge), utilisé par STMicroelectronics pour des applications embarquées automobiles nécessitant une grande stabilité face aux variations de température.
Cependant, des problématiques critiques apparaissant à l'échelle nanométrique nécessitent des études approfondies des matériaux, notamment concernant le rôle des interfaces (nitrures, diélectriques, etc.), la composition des alliages (séparation de phases, précipitation, ségrégation, etc.), l'effet des impuretés et l'impact de ces phénomènes sur la cinétique de cristallisation (nucléation et croissance).
Ce travail vise à étudier en détail les chalcogénures optimisés (typiquement des GST riches en Ge avec différents éléments d'alliage ajoutés) intégrés dans les cellules mémoire de STMicroelectronics, au cours du processus de cristallisation et après les traitements de recuit.