Caractérisation thermique à haute température de films fins par Radiométrie PhotoThermique

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1 Caractérisation thermique à haute température de films fins par Radiométrie PhotoThermique Andrea CAPPELLA, Vincent SCHICK, Jean-Luc BATTAGLIA, Andrzej KUSIAK 1/27

2 Plan de l exposé Matériaux caractérisés Montage expérimentale Applications Conclusions 2/27

3 Plusieurs couches minces peuvent constituer le dépôt Film en couche mince k 1 e 1 k 2 e 2 R = e + R + e + R + e T i i k1 k2 k3 e 3 e k 3 j j k j j R i j La résistance thermique mesurée est donc donnée par : la résistance thermique de chaque couche la résistance de contact entre les couches 3/27

4 Radiométrie Photothermique Modulée λ VIS λ IR Hypothèses : Le flux émis est proportionnel à la température de surface visé par le détecteur Petite excitations ( ) = ( + ) ϕ ω ϕ 1 cosωt 0 4/27

5 Radiométrie Photothermique Modulée AO Modulator off-axis mirror Pt H 2 O ϕ(t) Ar + laser 514nm Material SiO 2 GST Si Ar Func. Gen. Infrared Detector v(t) Φ T=1/f Φ Lock-in Détecteur IR [2-9] µm [ k] Hz T=1/f T amb 1200 C Sous vide ou en atmosphère inerte 5/27

6 Radiométrie Photothermique Modulée Milieux semi-transparents λ VIS deposit λ IR La longueur de pénétration optique ou d émission volumique : substrate 1 β h e = λvis 4π κ & 1 = β VIS λir 4π κ IR 6/27

7 Radiométrie Photothermique Modulée Matériaux semi conducteurs Signal = PTR + PCR (NDT) (Si 1.8 µm) A. Mandelis et al., Phys. Rev. B 67, (2003) 7/27

8 Échantillons 30 nm Pt Couche 1 Couche 2 Substrat 30 nm de Pt déposé par PVD Afin de limiter l oxydation et l évaporation des dépôts Afin d absorber le laser (k=4.5 at 512 nm) Transducteur thermique Recuit à 400 C Le transducteur en platine n a pas changé pendant le recuit 8/27

9 Préambule : mémoire à semi-conducteur Loi de Moore le nombre de transistors sur une puce microprocesseur de silicium double tous les 2 ans. Loi de Moore appliquée à la technologie des memoires de type FLASH (source STM) Introduction de la technologie de stockage des données à puits flottants 9/27

10 Mémoire PCM Matériaux à changement de phase pour le stockage des données T amb 130 C pas d ordre à longue distance k~2 à 600 nm Résistance électrique élevée ordre à longue distance k~4 à 600 nm Résistance électrique élevée Propriétés Optiques CD & DVD RW Propriétés Électriques Mémoire de stockage des données 10/27

11 Problèmes thermique Hautes températures requises T > 600 C pendant 10 ns λ GST de la phase liquide? Pas de données dans la littérature! Connaissance des paramètres thermiques : Dimensionnement du transistor de contrôle Dimensionnement de la matrice de cellules 11/27

12 Problèmes thermiques Effets d interface : David L. Kencke, IEEE 2007 «Les simulations montrent que la présence de résistances de contact réduit de 40% le courant nécessaire pour rendre le GST de nouveau amorphe» Simulation du «reset» de la PCM sans et avec une RC Sans R c Avec une R c 5x10-8 K m 2 W -1 REIFENBERG et al.: IEEE EL. DEV. LET., VOL. 29, 2008 Pas de données expérimentaux concernant l évolution de Rc pendant un cycle thermique et en fonction de la phase structurelle du matériau 12/27

13 Radiométrie Photothermique Modulée Résistance thermique totale du dépôt R t (K m 2 W -1 ) 8.E-06 7.E-06 6.E-06 5.E-06 4.E-06 3.E-06 2.E-06 Thermal resistance vs Temperature C amorphous -> x -fcc nm 210 nm 420 nm 630 nm 840 nm 310 C x -fcc -> x -hcp 3 R t e k GST = + GST R i 1.E-06 0.E Temperature ( C) 13/27

14 Radiométrie Photothermique Modulée Conductivité intrinsèque et résistance d interface R t (K m 2 W -1 ) 8.E-06 7.E-06 6.E-06 5.E-06 4.E-06 3.E-06 R t e k GST = + GST amorphous R i 3 interfaces 2 interfaces 50 C 70 C 120 C 130 C 140 C 150 C 190 C 200 C 250 C 300 C 320 C 340 C 2.E-06 1 interface fcc 360 C 380 C 400 C 1.E C 99 C 0.E+00 0.E+00 2.E-07 4.E-07 6.E-07 8.E-07 1.E-06 thickness (m) 49 C 14/27

15 Radiométrie Photothermique Modulée Conductivité thermique du GST 2.5 k (GST) vs T 2.0 k = 1,6 Wm K hcp GST -1-1 k (W m -1 K -1 ) amorphous -> x -fcc 3 4 k = fcc GST 0.45 Wm K k α = GST 0.19 Wm K temperature ( C) 15/27

16 Radiométrie Photothermique Modulée Résistance thermique de contact TBR vs T E E-07 R^2 (a.u.) amorphous -> x -fcc x -fcc -> x -hcp R^2 TBR 1.E-07 8.E-08 6.E-08 4.E-08 TBR (K m 2 W -1 ) E E+00 temperature ( C) 16/27

17 Démarche expérimental Mesure des paramètres thermiques de tous les éléments composant la cellule de mémoire à changement de phase Structure typique d une PCM 210 nm 4 nm 40 nm Pt GST TiN SiO 2 Si Ti Identification d une résistance de contact globale entre le GST et le substrat en fonction de la température Pt 210 nm 40 nm GST Si 3 N 4 SiO 2 Si Identification d une résistance de contact entre le GST et le nitrure en fonction de la température 17/27

18 Multi couches Si/SiO 2 /TiN/Ti/GST/Pt Résistance de contact GST - substrat Effets importants entre 400 C et T amb 18/27

19 Caractérisation électrique et chimiques Même tendance pour les mesures électriques 19/27

20 Radiométrie Photothermique Si 3 N 4 ρcp = 2200*744 J/km 3 λ = W/km 62 nm 350 C flux Argon Effets d épaisseur Problèmes aux hautes températures 104 nm 350 C 152 nm 350 C 20/27

21 Propriétés thermiques de la phase fondue Structure à gouttes par MOCVD Tilted view microclusters Of GST225 on SiO2 SiO 2 Si 2 µm SiO 2 Pt SiO 2 Si Si 21/27

22 Propriétés thermiques de la phase fondue GST par MOCVD 0.35 µm 1 µm 10 µm 22/27

23 Propriétés thermiques de la phase fondue SiO nm 500 nm SiO2 Protéger le GST en phase liquide Température de fusion du SiO 2 ~1650 C GST Wafer Si Température de fusion du GST : 600 C 23/27

24 Propriétés thermiques de la phase fondue 30 min à 600 C 24/27

25 Propriétés thermiques de la phase fondue Ge0.1Sb0.1Te9 Tilted view microclusters Of GST225 on SiO2 25/27

26 Propriétés thermiques de la phase fondue Structures à gouttes Analyse en cours Premiers résultats à valider Images MEB nécessaires Ge 0.1 Sb 0.1 Te 9 T fusion ~ 600 C Ge 0.1 Sb 0.1 Te 9 Te? T fusion Te ~ 450 C?? Phase à 100 C 100 C Phase à 550 C 26/27

27 Conclusions Radiométrie PT appliquée aux couches mince à l état solide Conductivité thermique des matériaux à changement de phase en fonction de la température Résistance thermique entre le matériaux à changement de phase et le substrat en fonction de la température Difficultés pour certain matériaux Radiométrie PT appliquée aux matériaux fondus Analyse en cours 27/27

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