Ge-Rich GST embedded phase change memories: material characterization and reliability phenomena

CMOS-based memories are becoming limited in addressing the capacity and cost requirements of new market trends due to scalability challenges. To overcome such limitations, several promising strategies are being explored. Among the possible alternative memory technologies, Phase Change Memory (PCM) is the most mature one. The Ge2Sb2Te5 alloy has been historically the material of choice for years of research. However, the automotive and consumer markets demand of data retention at high temperature make this alloy inadequate for nowadays applications. In order to be compliant to such specifications,different compositions have been investigated in the last decade, proving that a larger relative concentration of Germanium leads to a better high temperature data retention. Such Ge-rich alloys are characterized by specific physical mechanisms related to the higher content of Germanium, novel with respect to the vast literature for the Ge2Sb2Te5 alloy. This thesis project aims at providing an in-depth understanding of Ge-rich GST PCM cells physical mechanisms. In the Introduction chapter of this thesis an overview of the Memory Technology will be presented, as well as a description of the most developed emerging Non Volatile Memories. Then, we will focus on Phase Change Memory Technology, highlighting material related physical phenomena using the Ge2Sb2Te5 alloy for reference, and the main Reliability features of the memory. Moreover, a characterization of the Ge-rich GST alloys will be presented, with a focus on the impact of the material mechanisms on programming and reliability. In the Materials and Methods chapter the experimental set up and all the steps of the process to acquire the final experimental results will be described. The Results chapter of this thesis is divided into three main experiments. The first one aims at reproducing and understanding the by-process segregation via annealing. The second and third one are characterizations of the reliability phenomena Endurance and Read Disturb. All the experimental data have been collected at the STMicroelectronics campus of Agrate Brianza.

Le memorie basate sui CMOS stanno diventando sempre più limitate nel soddisfare i requisiti di capacità e costi delle nuove tendenze del mercato in termini di scalabilità. Per superare questo limite, diverse tecnologie promettenti sono state esplorate. Tra le possibili memorie alternative, le Memorie a Cambiamento di Fase (PCM) sono senza dubbio le più mature. Storicamente, la lega Ge2Sb2Te5 è stata il materiale di scelta per anni di ricerca. Tuttavia, la domanda dei mercati automobilistico e di consumo di Ritenzione dei dati ad alta temperatura rende questa lega inadeguata per le applicazioni odierne. Al fine di essere conformi a tali specifiche, nell’ultimo decennio sono state proposte diverse composizioni alternative, ed è stato dimostrato che una maggiore concentrazione relativa di Germanio porta a una migliore Ritenzione dei dati ad alta temperatura. Le leghe Ge-rich sono caratterizzate da specifici meccanismi fisici legati al più alto contenuto di Germanio, che risultano nuovi rispetto alla vasta letteratura presente per la lega Ge2Sb2Te5. Questo progetto di tesi mira a fornire una comprensione approfondita dei meccanismi fisici che caratterizzano le celle PCM di Ge-rich GST. Nel capitolo introduttivo di questa tesi verrà presentata una panoramica della tecnologia delle memorie, assieme a una descrizione delle memorie non volatili emergenti più svilup pate. Quindi, ci concentreremo sulla tecnologia delle memorie a cambiamento di fase, evidenziando i fenomeni fisici relativi al materiale utilizzando la lega Ge2Sb2Te5 come riferimento, e le principali proprietà di affidabilità della memoria. Inoltre, verrà presen tata una caratterizzazione delle leghe Ge-rich GST, con particolare attenzione all’impatto dei meccanismi del materiale sulla programmazione e sull’affidabilità. Nel capitolo dei Materiali e Metodi verranno descritti il set up sperimentale e tutte le fasi del processo per acquisire i risultati finali. Il capitolo Risultati di questa tesi è diviso in tre esperi menti principali. Il primo mira a riprodurre e comprendere i fenomeni di segregazione che avvengono durante il processo di fabbricazione tramite ricottura. Il secondo e il terzo sono caratterizzazioni dei fenomeni affidabilistici di ciclatura e Read Disturb. Tutti i dati sperimentali sono stati raccolti presso il campus STMicroelectronics di Agrate Brianza.