Etude du procédé de gravure de l'alliage Ge-Sb-Te pour les mémoires à changement de phase

Abstract

Memories have gained a lot of influence through these last years and are present in all electronic systems used in our daily life. To address the limitations of the traditional memory technologies, many industries are dedicating their researches to the development of the Phase-Change Memories (PCM). This emerging technology mainly uses the properties of a Ge-Sb-Te based-chalcogenide alloy (GST). The memory characteristics may change according to the GST chemical composition. This is a critical point to carefully consider for the manufacturing process of the component. Indeed, it is crucial to preserve as much as possible the GST integrity all along the patterning steps of the memory cell in order to preserve the device performances.This thesis work aims at understanding the material – environment interactions likely to impact the GST chemical stability and propose some improvements to the processes that are detrimental for the material. Firstly, we have focused on the plasma etching effects on the GST alloy through the comparative study of three halogen chemistries, HBr, Cl2 et CF4. Thanks to the complementary results from XPS, PP-TOFMS and AFM measurements, the HBr chemistry was identified as the best etching strategy for limiting damages at the GST surface. Secondly, we have investigated the GST interactions with the different environments implemented during the subsequent fabrication processes. The GST exposition to an oxidizing environment (O2 based-plasma or air) induces a critical oxidation damaging the phase-change properties. Besides, the chemical treatment used to clean the PCM sidewalls removes selectively the GST oxide and, consequently, can modify the memory cell morphology. To prevent these effects, several plasma solutions are suggested in order to maintain the chemical stability of the GST material during the PCM patterning process. In particular, knowing the benefits of a CH4 plasma, we propose to either integrate it into a passivating etching process or to use it as a precursor promoting a protection layer. The development of an alternative etching chemistry in H2-N2-Ar has also been discussed and opens an interesting perspective.Les mémoires ont très largement gagné en notoriété ces dernières années et sont désormais incontournables dans tous les systèmes électroniques avec lesquels nous interagissons dans la vie quotidienne. Pour pallier les limitations technologiques des mémoires traditionnelles, de nombreux acteurs industriels ont orienté leur développement vers les Mémoires à Changement de Phase (PCM). Le fonctionnement de cette technologie émergente repose principalement sur les propriétés d’un alliage chalcogénure type Ge-Sb-Te (GST). Selon la composition chimique du matériau GST, les caractéristiques de la mémoire adressent différents marchés. Il est donc impératif que le matériau GST demeure intègre au cours des étapes d’élaboration de la cellule mémoire afin de satisfaire aux performances attendues. C’est un point critique à prendre en compte dans le procédé de fabrication du composant.L’objectif de cette thèse est de comprendre les interactions matériau – environnement susceptibles de menacer la stabilité chimique du GST et de proposer des solutions pour s’opposer aux effets les plus néfastes. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à l’impact de la gravure plasma sur le matériau GST par l’étude comparative de trois chimies halogènes à base de HBr, Cl2 et CF4. Grâce aux résultats complémentaires des techniques XPS, PP-TOFMS et AFM, nous avons montré que la gravure HBr permet de minimiser les modifications chimiques et morphologiques de la surface du GST. Dans un second temps, nous avons cherché à comprendre comment le matériau GST réagissait aux différents procédés intervenant après l’étape de gravure. Il a été démontré que l’exposition du GST à un environnement oxydant (plasma O2 ou air) induit une oxydation critique détériorant les propriétés de changement de phase du matériau. De plus, le traitement chimique utilisé pour nettoyer les flancs de la structure PCM élimine sélectivement l’oxyde de GST et peut, en conséquence, altérer la morphologie des cellules mémoires. Pour éviter ces effets, nous avons proposé plusieurs solutions de procédé plasma capables de préserver la composition chimique du GST au cours du procédé d’élaboration de la structure PCM. En particulier, nous avons pu tirer profit des avantages que constitue l’ajout de CH4 dans le plasma. Il contribue à créer une couche de passivation lors de la gravure du GST ou est utilisé comme précurseur d’un dépôt de protection. Le développement d’une chimie de gravure alternative en H2-N2-Ar a également été abordé et représente une perspective intéressante