Etude de matériaux pour mémoires à changement de phase : effets de dopage, de réduction de taille et d'interface

Phase Change Memories (PCM) are one of the best candidates for the next generation of non volatile memories. A great research effort is still needed in order to optimize the properties of phase change (PC) materials which are used in PCM devices. In particular, doping has been demonstrated to improve retention in devices. Moreover, a study of the effect of scaling and interface material on PC materials properties is still an open research field. In this context, the first part of the thesis is dedicated to investigate the local structure of C or N doped amorphous GeTe. The impact of doping is observed experimentally with the appearance of a new peak in the pair distribution function of doped GeTe, indicating the formation of a bond at a new distance that is absent in the undoped amorphous material. The presence of new environments involving carbon and nitrogen is confirmed through ab initio simulations. The subject of the second part of this thesis is the impact of confinement on Ge2Sb2Te5 (GST) crystallization mechanism. Nano-sized clusters of GST have been made by sputtering, deposited and then studied through X-ray diffraction using synchrotron radiation. The crystalline clusters experience a tensile strain that can be ascribed to the effect of the embedding Al2O3 matrix. Their crystallization temperature has been found to be only 25°C higher than the one observed for a thin film of GST of 10 nm deposited under the same conditions. This result is positive for the future development PCM because it indicates that the scaling effect on the crystallization temperature in phase change material can be small. The third and last part of the thesis is dedicated to the investigation of the interface material effect on the crystallization temperature of GeTe and GST thin films through reflectivity and X-ray diffraction measurements. In both GeTe and GST film 100 nm thick interfaced with Ta the crystallization temperature is higher than in the case of TiN or SiO2 interface. Such an interface effect on relatively thick films was never reported before. The results suggest that the SiO2/GeTe interface is energetically favourable for the nucleation and growth of grains with a preferred orientation and that nucleation and growth mechanisms are different for different interface materials.Les mémoires à changement de phase sont l'un des candidats les plus prometteurs pour la prochaine génération de mémoires non-volatiles. Un intense effort de recherche est requis pour optimiser les matériaux à changement de phase (PC) utilisés dans ces mémoires. En particulier, il a été démontré que le dopage améliore les propriétés de rétention des dispositifs. Par ailleurs, l'étude des effets de réduction de taille et des effets des matériaux d'interface sur les propriétés des matériaux à changement de phase est encore un sujet de recherche ouvert. Dans ce contexte, la première partie de la thèse est dédiée à l'investigation de la structure locale de GeTe amorphe dopé avec C ou N. L'effet du dopage sur la structure a été observé expérimentalement via l'apparition d'un nouveau pic dans la fonction de distribution de paires de GeTe dopé, ce qui montre la formation d'une nouvelle liaison interatomique absente dans le matériau non dopé. La présence de nouvelles configurations incluant le carbone et l'azote a été confirmée par des simulations ab initio. L'objet de la deuxième partie de la thèse est l'influence de la réduction de taille sur la cristallisation de Ge2Sb2Te5 (GST). Des agrégats nanométriques de GST ont été fabriqués par pulvérisation puis déposés et étudiés par diffraction des rayons X en utilisant le rayonnement synchrotron. Dans l'état cristallisé une très forte déformation positive des agrégats est observée et attribuée à la matrice d'Al2O3 qui entoure les agrégats. La température de cristallisation des agrégats est de 25°C plus élevée que celle d'un film de GST de 10 nm déposé dans les mêmes conditions. Ce résultat est encourageant pour les futurs développements des mémoires à changement de phase car il montre que l'effet de réduction de taille sur la température de cristallisation peut-être faible. La troisième et dernière partie de la thèse est dédiée à l'investigation des effets des matériaux d'interface sur la température de cristallisation de films minces de GeTe et GST par des mesures de réflectivité et de diffraction des rayons X. Pour les deux matériaux, la température de cristallisation de films de 100 nm est plus grande pour une interface avec du Ta que pour une interface avec du TiN ou du SiO2. Une différence aussi marquée n'était jamais montré auparavant. Les résultats suggèrent que l'interface SiO2/GeTe est énergétiquement favorable pour la nucléation et la croissance de grains avec une orientation préférentielle et que les mécanismes de nucléation et croissance sont différents pour différents matériaux d'interface