Structures confinées

II.3.2.1 Architecture « Pore »

Comme mentionné précédemment, la miniaturisation des structures planaires est limitée par l’augmentation des densités de courant nécessaires à la programmation des cellules, en raison de la forte dissipation thermique latérale dans les structures de faibles dimensions. L’idée de la structure confinée est de « confiner » le matériau à changement de phase dans un via remplaçant ainsi partiellement ou totalement le plug. Par conséquent, le courant est confiné dans le matériau à changement de phase contrairement aux structures planaires dans lesquelles le courant est concentré dans l’amenée du courant (i.e. l’élément chauffant). De plus, la densité de courant est uniforme dans le matériau à changement de phase.

Ainsi, les structures confinées permettent de meilleurs confinements thermique et électrique du matériau à changement de phase.

Dans les premières structures confinées de type « Pore » [27], le matériau à changement de phase remplit un via de forme cylindrique entouré latéralement d’isolant et il est connecté au

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circuit par une électrode supérieure et une électrode inférieure. Lorsque ce dernier est parcouru par le courant de programmation, il connait un auto-échauffement par effet Joule qui va le porter dans une forme structurale donnée (amorphe ou cristalline).

La Figure 13 représente un dispositif de structure confinée de type « Pore » fabriqué au LETI, à base de GST déposé par ALD.

Figure 13 : Vue de coupe TEM d’un dispositif PCRAM LETI de Structure confinée avec un via de 50 nm rempli avec du GST ALD.

La Figure 14 compare l’évolution du courant de Reset en fonction de la taille du contact d’une structure planaire et d’une structure confinée. La structure confinée permet d’améliorer l’efficacité des dispositifs en diminuant leur courant de Reset d’un facteur deux, tout en assurant une endurance de 1E8 cycles. Ainsi, cette architecture présente un fort potentiel de miniaturisation. [27]

Figure 14: Evolution du courant d’amorphisation (Ireset) en fonction de la taille de contact entre le matériau à

changement de phase et le contact inférieur pour une structure planaire et pour une structure confinée. [28]

Une variante de cette structure a été développée par Samsung en 2008. Il s’agit d’une structure confinée utilisant une forme rectangulaire pour le via, nommée structure « dash ».

Comme pour la structure PLUG, la principale limitation des architectures « Pore » est la dimension minimale du via liée au nœud lithographique. De plus, pour remplir des vias de diamètre inférieur à la centaine de nanomètres, les procédés de dépôts utilisés pour les structures planaires ne sont pas suffisants.

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Il est nécessaire d’utiliser des procédés de dépôt plus conformes du matériau à changement de phase permettant de remplir des vias de petites dimensions, comme par exemple la CVD (Chemical Vapor Deposition) ou l’ALD (Atomic Layer Deposition).

De plus, dans les structures confinées, la densité de courant étant uniforme dans le matériau à changement de phase, lorsque celle-ci atteint la valeur requise pour la fusion du matériau, ce dernier va subir la fusion dans son ensemble. Ceci rend difficile la programmation des dispositifs dans des états de résistance intermédiaires.

En revanche, dans les structures PLUG, la densité de courant diminue lorsqu’on s’éloigne de l’interface matériau à changement de phase/ plug. Ceci signifie qu’un contrôle de la densité de courant permet de changer le volume total du matériau fondu, ce qui rend possible la programmation du dispositif dans des états de résistance intermédiaires.

II.3.2.2 Architecture confinée avec « Spacer »

Afin de dépasser les limitations de l’architecture confinée classique tout en diminuant l’aire de contact, une nouvelle technologie de fabrication de contact a été développée. Il s’agit de la technologie « Spacer ». Cette technologie a été utilisée au LETI pour développer des dispositifs PCRAM présentés sur la Figure 15.

Figure 15 : Schéma et image TEM d’un dispositif LETI de structure confinée utilisant des « spacer » remplis de SiN pour diminuer l’aire de contact.

Le procédé de fabrication utilisé au LETI pour cette structure est similaire à celui utilisé pour la structure PLUG combinée avec la technologie « spacer ». Une fois que le via de 300 nm de diamètre est obtenu par DUV, on procède au dépôt d’une couche uniforme de SiN d’épaisseur 100 nm qu’on vient ensuite graver de manière verticale et anisotrope sur toute son épaisseur. Par conséquent, on obtient deux espaceurs de SiN au fond du via et créant ainsi un pore de 100 nm de diamètre.

Les dispositifs utilisant du GeTe comme matériau à changement de phase ont permis d’atteindre des courants de programmation de l’ordre de 1.5 mA. [15]

II.3.2.3 Architecture confinée « Sidewall »

Comme nous l’avons mentionné précédemment, le procédé de PVD n’est pas adapté pour remplir des vias de facteurs de forme élevés. Afin d’utiliser ce procédé de dépôt dans les structures confinées, une nouvelle procédure de fabrication a été mise au point en 2013 par IBM/Macronix. [30]

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Le matériau à changement de phase est déposé par PVD dans le via réalisé dans la couche de SiN. Il est déposé sur les flancs et au fond du via avec une épaisseur d’environ 20 nm au fond et 11 nm sur les flancs (Figure 16). Le matériau à changement de phase est donc confiné dans une tranchée de 11 nm de large et 43 nm de haut. Cette structure est appelée « Sidewall ». La structure Sidewall dans laquelle le matériau GST est déposé par PVD a permis d’atteindre des courants de programmation plus faibles que ceux atteints par la structure PLUG pour les mêmes surfaces de contacts GST/ électrode (Figure 17). Cette structure nous permet de nous affranchir des contraintes liées à la qualité des dépôts et qui imposent l’utilisation de modes de dépôts longs et couteux dans le cas de l’architecture confinée classique « Pore ».

Figure 16: Image TEM du dispositif confiné de type Sidewall avec GST déposé en PVD. [30]

Figure 17: Courant de Reset en fonction de l’aire de contact entre GST/ électrode pour dispositifs PLUG (en

rouge) et Sidewall (en bleu). [30]