Studio dei fenomeni di trasporto di massa in leghe calcogenure per memorie a cambiamento di fase

This thesis work focuses on the analysis and modeling of mass transport phenomena in chalcogenide alloys used in Phase-Change Memory (PCM). The work was carried out at Micron Semiconductor Italia in Vimercate (MB). Among the emerging technologies for non-volatile memories, the PCM technology has proven to be mature for large-volume production. It is based on the ability of an alloy based on Germanium, Antimony and Tellurium (GST) to perform reversible transitions between an amorphous and a polycrystalline phase, enabling logic bit storage in the phase of the material. The latter therefore plays a central role in the operation and reliability of technology. In particular, during lifetime, the chalcogenide material is subjected to continuous stresses resulting from thermal gradient, electric field, concentration gradient and mechanical stress. These phenomena cause migration of elements and phase segregation into the cell's active volume. The aim of this thesis work is therefore to analyze in detail the phenomena of mass transport in chalcogenide alloys, using two different approaches. First, in order to obtain a first decoupling of the thermal driver from the electric field in the migration of elements, a dedicated experimental device will be used to induce an external temperature gradient in the chalcogenide material, with no electric field applied along the GST line. Secondly, to understand the behavior of each element and to observe the time evolution of the phenomenon during operation, a memory cell will be used whose active material is a binary alloy composed exclusively of Antimony and Tellurium, subjected to different duration programming pulses and the experimental results obtained will be compared to those in the literature related to GST.

Il presente lavoro di Tesi di Laurea Specialistica riguarda l'analisi e la modellizzazione del fenomeno di trasporto di massa nelle leghe calcogenure impiegate nelle memorie a cambiamento di fase (Phase-Change Memory, PCM). Il lavoro è stato svolto presso Micron Semiconductor Italia, nella sede di Vimercate (MB). Tra le tecnologie emergenti per memorie non volatili, la tecnologia PCM ha mostrato di essere matura per la produzione su larghi volumi. Essa si basa sull'abilità di una lega composta da Germanio, Antimonio e Tellurio (GST) di effettuare transizioni reversibili tra una fase amorfa e una policristallina, abilitando la memorizzazione del bit logico nella fase stessa del materiale. Quest'ultimo riveste quindi un ruolo centrale nel funzionamento e nell'affidabilità della tecnologia. In particolare, durante il tempo di vita della memoria, il materiale calcogenuro è sottoposto a continue sollecitazioni derivanti da gradienti termici, campi elettrici, gradienti di concentrazione e stress meccanici. Tali fenomeni ne causano la migrazione di elementi e la segregazione di fase nel volume attivo della cella. L'obiettivo di questo lavoro di Tesi è, quindi, quello di analizzare nel dettaglio il fenomeno del trasporto di massa nelle leghe calcogenure, utilizzando due differenti approcci. Anzitutto, per ottenere un primo riscontro relativamente al disaccoppiamento della forzante termica da quella elettrica nella migrazione di elementi, sarà impiegato un dispositivo sperimentale dedicato per indurre nel materiale calcogenuro un gradiente esterno di temperatura, in assenza di campo elettrico applicato lungo la linea in GST. In secondo luogo, per comprendere al meglio il comportamento di ogni singolo elemento e osservare l'evoluzione temporale del fenomeno durante il funzionamento della memoria, sarà utilizzata una cella di memoria il cui materiale attivo è una lega calcogenura binaria composta esclusivamente da Antimonio e Tellurio, sottoposta ad impulsi di programmazione di differente durata e i risultati sperimentati ottenuti saranno confrontati con quelli presenti in letteratura relativi al GST.