Mechanismen en selectiviteit tijdens atomaire laagafzetting van germanium-chalcogeniden voor geheugentoepassingen van opslagklassen

Geheugen- en gegevensopslagtechnologieën kunnen op een hiërarchische manier worden geclassificeerd, met het CPU-interne DRAM-geheugen bovenaan, dat extreem snelle toegang biedt tot een zeer beperkt aantal gegevens, maar tegen hoge kosten/byte. Onderaan bevinden zich harde schijven, die steeds vaker worden vervangen door Solid State Drives met NAND-flashtechnologie, voor goedkope en betrouwbare opslag van tonnen gegevens, maar een stuk langzamer. Tussen deze twee uitersten ontstaat een nieuwe klasse, namelijk Storage Class Memory (SCM), die prestaties, uithoudingsvermogen, capaciteit en kosten biedt tussen die van DRAM en NAND-flash. In tegenstelling tot DRAM is SCM persistent van aard en behoudt het de gegevens die ernaar zijn geschreven tijdens stroomcycli. Vergeleken met NAND-flash is SCM orden van grootte sneller voor lees-/schrijfbewerkingen. Het biedt deze voordelen ten opzichte van NAND-flash tegen veel lagere kosten/GB in vergelijking met DRAM. SCM wordt beschouwd als een belangrijke bouwsteen voor snelle gegevensoverdracht, in-memory/near-memory computing van de volgende generatie en scale-out clusters voor berekening en opslag. SCM-cellen bevatten een Resistive RAM (RRAM)-apparaat als geheugenelement en een selector-apparaat dat het mogelijk maakt om één cel te richten op lezen/schrijven in een zogenaamde crossbar-array. Na vele jaren van R&D kwamen germaniumchalcogeniden naar voren als sterke kandidaatmaterialen voor beide apparaten. Het belangrijkste is echter dat er nog geen algemeen aanvaarde depositietechnologie beschikbaar is die aan alle materiaalspecificaties voldoet en geschikt is om dunne lagen van deze materialen te laten groeien in geavanceerde 3D-architecturen met uitstekende stapdekking en uniformiteit van dikte en samenstelling. Dit vormt een formidabele barrière voor de introductie van deze technologie in High Volume Manufacturing. De meest veelbelovende kandidaat om deze barrière te doorbreken is Atomic Layer Deposition (ALD), die een lage verwerkingstemperatuur, uitstekende 3D-stapdekking en flexibele precursorkeuze biedt. Vandaag zijn de eerste resultaten gerapporteerd over ALD-processen voor GeSe (voor selector-apparaten) en Ge2Sb2Te5 (een faseovergangsmateriaal voor RRAM). Het algemene doel van dit doctoraatsproject is het genereren van fundamentele inzichten in de nucleatie- en groeimechanismen tijdens ALD van germaniumchalcogenidematerialen. Ten eerste is het duidelijk dat we complexere ternaire en zelfs quaternaire verbindingen nodig zullen hebben voor de stabilisatie van deze materialen en voor het verbeteren van de geheugencelprestaties. We zullen daarom de inbouw van extra elementen tijdens ALD onderzoeken door gebruik te maken van nieuwe voorloperreacties. We zullen de impact van bijkomende voorloperreacties op de groeimechanismen onderzoeken, om depositieprocessen te ontwerpen voor complexe materialen met een goed gecontroleerde samenstelling en stabiliteit. Een tweede nieuw aspect is de selectiviteit van germanium chalcogenide ALD-processen. Het concept is om germaniumchalcogenidematerialen van onderaf te kweken, alleen waar nodig in de geavanceerde 3D-structuren, omdat dit het patroonproces aanzienlijk zou kunnen vereenvoudigen. We zullen daarom de oppervlakte-afhankelijkheid van de germanium chalcogenide ALD-processen, oppervlaktepassivering en activeringsbenaderingen onderzoeken, en het groeimechanisme in nanoschaalstructuren bestuderen om selectieve ALD-processen te ontwerpen. De toepassing van deze inzichten en het prestatievoordeel zullen worden getest in geheugenapparaten in nauwe samenwerking met het geheugenteam van imec. We zullen imecs 300 mm ultramoderne R&D-lijn en geavanceerde karakteriseringstechnieken gebruiken om industrieel relevant onderzoek te leveren. Belangrijk om op te merken is dat dit werk zal worden uitgevoerd in nauwe samenwerking met 's werelds eersteklas chemische leveranciers en fabrikanten van industriële gereedschappen.