Characterization and modeling of chalcogenide alloys stoichiometric stability during phase change memory operation

This thesis work focuses on the characterization and modeling of stoichiometric variations in chalcogenide materials for non-volatile Phase Change Memory, with emphasis on ternary alloys based on Germanium, Antimony and Tellurium. Two major device architectures have been investigated, namely, the Wall Architecture, based on the heater electrode concept, where a resistive electrode generates the heat necessary to melt the active material, and the Line Architecture, based on the self-heating concept, where the heat is generated within the active material. Through an accurate experimental characterization, the architectures have been described in their electrical, thermal, mechanical and mass transport aspects. An electrical characterization, aimed to define the device properties, in terms of electrical current density and temperature profile, has been performed. The results obtained where later used to select the best electrical conditioning to highlight mass transport effects. After the electrical preparation, the cells have been cut for EDX imaging or exposed to synchrotron light for X-ray fluorescence analysis, in order to acquire elemental maps depicting the atomic profiles. The behavior of the various elements has been studied, highlighting the local variations in material ratio and showing that it qualitatively followed the data already reported in literature. Once the elemental trends were available, a quantitative numerical model for mass transport was developed. Such model took into account all the mass transport drivers present in a Phase Change Memory, like the electric field, the thermal gradient, the mechanical stress gradient and the material total concentration variation. The model can also take into account the differences of material properties based on the local stoichiometry, and modify the material parameters accordingly, while at the same time keeping all the equations self-consistent. The developed numerical model has been applied to both Wall and Line Architectures, resulting in a very good match with the experimental atomic profiles, allowing for the calibration of driver’s coefficients and atomic diffusivity for each element.

Il lavoro di tesi qui presentato si concentra principalmente sulla caratterizzazione e modellistica delle variazioni stechiometriche in materiali calcogenuri per applicazioni in Memorie a Cambiamento di Fase, con particolare enfasi su leghe ternarie a base di Germanio, Antimonio e Tellurio. Due fondamentali tipologie di dispositivi sono state studiate, nella fattispecie l’Architettura Wall, basata sul concetto di un elemento riscaldatore, dove un elettrodo resistivo genera il calore necessario per portare il materiale attivo in fusione, e l’Architettura Line, basata sul concetto self-heating, dove il calore viene generato all’interno del materiale attivo stesso. Attraverso un’accurata caratterizzazione sperimentale, le architetture sono state descritte sia nei loro aspetti di comportamento elettrico, termico e meccanico, sia nei loro aspetti di trasporto di massa. E' stata effettuata una caratterizzazione elettrica volta a comprendere le proprietà del dispositivo, sia in termini di densità di corrente, che in termini di profilo termico generato. I risultati ottenuti sono stati successivamente utilizzati per selezionare i parametri elettrici che fornissero le informazioni volute per quanto riguarda gli effetti di trasporto di massa. Dopo la preparazione elettrica, le celle sono state tagliate per analisi EDX ed esposte a luce di sincrotrone per misure di fluorescenza a raggi X, con lo scopo di generare delle mappe elementali e poter ottenere i profili di migrazione atomica. Il comportamento dei vari elementi è stato studiato, mostrando le variazioni locali nella stechiometria del materiale, confermando i trend qualitativi già mostrati in letteratura. Una volta ottenuti gli andamenti per i vari elementi, è stato sviluppato un modello numerico quantitativo che descrivesse il trasporto di massa. Il modello prende in considerazione tutti i driver che possono avere un impatto sul trasporto di massa in una Memoria a Cambiamento di Fase, come il campo elettrico, il gradiente termico e il gradiente di stress meccanico, oltre che la variazione di concentrazione totale del materiale. Il modello può inoltre considerare le variazioni di proprietà del materiale in funzione della stechiometria locale, e modificare i parametri elettrici e termici in funzione di quest’ultima, nel frattempo mantenendo le equazioni autoconsistenti. Il modello numerico sviluppato è stato applicato sia all’Architettura Wall che all’Architettura Line, ottenendo ottimi risultati per quanto riguarda la descrizione dei profili elementali, permettendo quindi una calibrazione dei parametri che descrivono i vari driver nonchè della diffusività dei singoli elementi.