Characterization and modeling of reliability in embedded PCM devices

In the second part of the 20th century our society entered the Information Age, a period of time in human history during which the Information Technology gained a central role in our economy. The invention of the transistor by Shockley, Brattain and Bardeen in 1947 showed the world that a compact, low power solid-state device could replace the bulky, unreliable and power-hungry vacuum tubes that were used at the time as building blocks for computers. This pivotal invention, together with subsequent milestones, among which Jack Kilby's and Robert Noyce's invention of the integrated circuit on a single semiconductor chip, Jean Hoerni's development of the photolithographic technique that enabled the planar process, and the first commercial microprocessor using self-aligned silicon gate technology developed by Federico Faggin, paved the way to reliable, compact, low-power and low-cost electronic circuits. In the subsequent decades a significant effort was made in order to fabricate integrated circuits with smaller and smaller feature size, and this scaling trend was well described by the Moore's law, which predicted that the number of transistors in a single integrated circuit would double every two years. In fact, both computing power and memory capacity grew exponentially in the last decades, although more recently Moore's law encountered a saturation due to technical challenges. A perfect example is the Flash technology, which has been the mainstream memory technology for the last three decades but is now facing several scaling issues. Some promising alternatives have emerged, among which the phase change memory (PCM) is one of the most mature technologies to date. PCM relies on materials called chalcogenides. This work is focused on the analysis of a particular Ge_xSb_yTe_z alloy, which allows to manufacture reliable PCM that can withstand relatively high temperatures without losing data. This is a key feature when embedding memory arrays in microcontrollers, which have their code written in the memory just after being fabricated and have to retain this information through the thermal stress of the packaging and assembling, at a 260C peak temperature for tens of seconds. It is important to study how the memory cells behave depending on temperature and to understand the reasons for that behavior. The aim of this work is to carry out experimental studies in which different sets of cells undergo an initial electrical characterization and subsequently experience thermal annealing for various temperatures and durations. The main metrics monitored during the bakes is the cell electrical resistance. Afterwards, a phenomenological model is set up and calibrated on the experimental data. The final goal for this model is to predict the time evolution of the cell resistance state during any arbitrary thermal profile. The experimental work was carried out in close collaboration with STMicroelectronics, which provided the experimental samples, access to their R&D electrical laboratory in the Agrate Brianza campus, and proper training and support throughout all the activity timespan.

Nella seconda parte del ventesimo secolo la nostra società è entrata nell'era dell'informazione, un periodo della storia dell'umanità durante il quale l'informatica ha assunto un ruolo centrale nella nostra economia. L'invenzione del transistor da parte di Shockley, Brattain e Bardeen nel 1947 ha mostrato al mondo che un dispositivo a stato solido a bassa potenza poteva sostituire gli ingombranti e inaffidabili tubi a vuoto che venivano utilizzati all'epoca come elementi base per costruire i calcolatori elettronici. Questa invenzione fondamentale, insieme a successive pietre miliari, tra cui l'invenzione di Jack Kilby e Robert Noyce di un intero circuito integrato su un singolo chip a semiconduttore, lo sviluppo della tecnica fotolitografica da parte di Jean Hoerni che ha reso possibile il processo planare, e la tecnologia dei gate in silicio autoallineati sviluppata da Federico Faggin, hanno aperto la strada ai circuiti elettronici affidabili, compatti, a basso consumo e a basso costo. Nei decenni successivi fu fatto uno sforzo significativo per fabbricare circuiti integrati con componenti di dimensioni sempre più piccole, e questa continua miniaturizzazione fu ben descritta dalla legge di Moore, la quale prevedeva che il numero di transistor in un singolo circuito integrato sarebbe raddoppiato ogni due anni. Infatti, sia la potenza di calcolo che la capacità di memoria sono cresciute in modo esponenziale negli ultimi decenni, ma più recentemente la legge di Moore ha subito una saturazione a causa della difficoltà tecnologica nel produrre componenti più piccoli di qualche nanometro. Un esempio perfetto è la tecnologia Flash, che è stata la tecnologia di memoria mainstream per gli ultimi tre decenni, ma ora sta affrontando diversi problemi di miniaturizzazione. Stanno emergendo alcune promettenti alternative, tra cui la memoria a cambiamento di fase (PCM) è una delle più mature tecnologie ad oggi. La PCM si basa sulla proprietà di alcuni materiali, chiamati calcogenuri, di cambiare la loro struttura, da cristallina ad amorfa e viceversa, in modo reversibile, a seconda degli impulsi elettrici applicati al dispositivo che usa tali materiali. Questo lavoro è focalizzato sull'analisi di una particolare lega Ge_xSb_yTe_z ricca in germanio, che rende possibile la produzione di memorie PCM affidabili in grado di resistere a temperature relativamente elevate senza corruzione dei dati. Questa è una caratteristica chiave quando si incorporano array di memoria nei microcontrollori, perché il firmware che viene scritto in memoria subito dopo la fabbricazione deve essere correttamente mantenuto durante il processo di saldatura reflow, che prevede il raggiungimento di circa 260C per decine di secondi. Quindi è importante studiare i fenomeni che avvengono nelle celle di memoria a diverse temperature. Lo scopo di questo lavoro è quello di effettuare studi sperimentali in cui le celle PCM sono sottoposte a trattamenti termici a varie temperature, e monitorare l'evoluzione della loro resistenza. Successivamente viene messo a punto un modello fenomenologico, calibrato sui dati sperimentali, il cui obiettivo è quello di prevedere l'evoluzione nel tempo della resistenza della cella quando viene sottoposta a un profilo termico arbitrario. Il lavoro sperimentale è stato svolto in stretta collaborazione con STMicroelectronics, che ha fornito i campioni sperimentali, l'accesso al laboratorio elettrico nello stabilimento di Agrate Brianza, e un'adeguata formazione e supporto per tutta la durata dell'attività.