Etude de l'influence de la taille et des contraintes sur la cristallisation des matériaux chalcogénures pour le développement de mémoires à changement de phase à haute densité – SESAME

Les mémoires vives à changement de phase (PCRAM), basées sur la transition réversible amorphe-cristal dans les matériaux à changement de phase (PCM), constituent une alternative très prometteuse à la technologie Flash, qui atteint des limites fondamentales. Un de leurs principaux avantages est leur adaptabilité aux petites échelles, mais pour la miniaturisation ultime, la consommation d'énergie est critique et une solution prometteuse est le confinement géométrique des points mémoire. La maîtrise de cette approche aux dimensions ultimes (5 nm) est cependant un véritable défi, qui nécessite une compréhension fondamentale de l'influence des énergies élastiques (la transition amorphe-cristalline s’accompagne d’une augmentation de la densité de plusieurs %) et desinterfaces à l'échelle nanométrique.
L'objectif du projet SESAME est d'étudier l'influence de la taille et des déformations sur la transition de phase des PCMs aux dimensions ultimes. Des techniques de caractérisation in situ avancées seront appliquées à des couches ultra-minces, des nanostructures et des nanoagrégats confinés afin d'analyser les premiers stades de la transition de phase et aussi de mesurer les déformations locales et les changements de microstructure lors de la cristallisation. Cinq partenaires avec des savoir-faire complémentaires participent au projet: IM2NP-Marseille, CEA-LETI-Grenoble, CEA-INAC-Grenoble, synchrotron SOLEIL - St Aubin, CINaM-Marseille. Le projet SESAME sera organisé autour de 5 tâches: 1. Coordination, 2. Fabrication et caractérisation des échantillons, 3. Diffraction sous rayonnement X synchrotron, 4. Microscopie Electronique en Transmission (MET), 5. Simulation. Des PCMs (GeTe et Ge2Sb2Te5 (GST)) en films ultra-minces ou dans des structures confinées seront préparés au CEA-LETI. Diverses épaisseurs (100-5 nm), tailles (jusqu'à 10 nm de largeur) et d’encapsulation seront étudiés. CEA-INAC a la capacité unique de préparer des agrégats nanométriques (<10nm) de GeTe et GST par condensation en phase gazeuse. Cela nous permettra d'aborder les tailles ultimes, bien au-delà des capacités existantes de la lithographie. Des agrégats de composition ou de dopage différents seront intégrés dans des matrices avec diverses propriétés thermo-mécaniques afin d'évaluer l'influence des contraintes mécaniques. Une caractérisation préliminaire des échantillons sera effectuée au CEA: ellipsométrie in situ, réflectivité, spectroscopie Raman ou mesures de résistivité. Sur ces échantillons des mesures in situ avancées utilisant le rayonnement X synchrotron ou bien le MET seront effectuées. Une combinaison originale de mesures de résistance, diffraction et réflectivité des rayons X (IM2NP-ESRF) permettra la corrélation, in situ au synchrotron SOLEIL, des propriétés structurales et électriques lors de la transition amorphe-cristal. Par ailleurs la combinaison in situ de la diffraction des rayons X et des mesures de courbure optiques développée par IM2NP et DiffAbs-SOLEIL permettra une compréhension en profondeur des effets mécaniques au cours de la transition amorphe-cristal. Les mesures MET effectuées au CEA-INAC et au CEA-LETI permettront de connaitre la distribution locale des éléments, des défauts et des déformations. Les observations MET in situ au cours de la cristallisation offriront des renseignements précieux sur les sites de nucléation pour la cristallisation. Il est à noter que ces techniques in situ très originales (MET ou rayonnement synchrotron) seront également utilisées pour étudier les changements structuraux dans la phase amorphe. Le problème de la dérive de la résistance dans la phase amorphe est un point essentiel pour la stabilité de l'information stockée dans la cellule mémoire. La simulation atomistique (DFT, dynamique moléculaire) effectuée au CINaM permettra d’étudier la structure atomique et les propriétés (structurales, électroniques, spectroscopiques) des matériaux à changement de phase sous leur forme amorphe et cristalline.