Permettre la création de dispositifs de mémoire ferroélectrique de nouvelle génération

Imaginez un film mince, de quelques nanomètres d’épaisseur, capable de stocker des gigaoctets de données, soit suffisamment pour des films, des jeux vidéo et des vidéos. C’est le potentiel passionnant des matériaux ferroélectriques pour le stockage de mémoire. Ces matériaux présentent une disposition unique des ions, ce qui donne lieu à deux états de polarisation distincts analogues à 0 et 1 dans le code binaire, qui peuvent être utilisés pour le stockage de mémoire numérique.

Ces états sont stables, ce qui signifie qu’ils peuvent « mémoriser » des données sans alimentation électrique et peuvent être commutés efficacement en appliquant un petit champ électrique. Cette propriété les rend extrêmement économes en énergie et capables de vitesses de lecture et d’écriture rapides. Cependant, certains matériaux ferroélectriques bien connus, tels que Pb(Zr,Ti)O₃ (PZT) et SrBi₂Ta₂O₉se dégradent et perdent leur polarisation lorsqu’ils sont exposés à un traitement thermique à l’hydrogène pendant la fabrication.

Dans une étude publiée dans la revue Lettres de physique appliquéeune équipe de recherche dirigée par le professeur adjoint Kazuki Okamoto et Hiroshi Funakubo de l’Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech), en collaboration avec Canon ANELVA Corporation et le Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI), a montré que les films ferroélectriques en nitrure d’aluminium et de scandium (AlScN) restent stables et conservent leurs propriétés ferroélectriques à des températures allant jusqu’à 600°C.

« Nos résultats attestent de la grande stabilité de la ferroélectricité des films soumis à un traitement thermique en atmosphère contenant de l’hydrogène, quel que soit le matériau de l’électrode. Il s’agit d’un résultat très prometteur pour les dispositifs de mémoire ferroélectrique de nouvelle génération et il offre davantage de possibilités de traitement », déclare Funakubo.

Pour que les matériaux ferroélectriques soient compatibles avec les procédés de fabrication à haute température dans le cadre d’un H₂-dans l’atmosphère, ils devraient idéalement subir peu ou pas de dégradation de leur structure cristalline et de leurs propriétés ferroélectriques. Deux paramètres cruciaux à cet égard sont la polarisation résiduelle (P_l) et le champ coercitif (E_c). P_l fait référence à la polarisation conservée après la suppression du champ électrique, tandis que E_c est le champ électrique nécessaire pour changer l’état de polarisation du matériau.

AlScN a une valeur P plus élevée_l (> 100 µC/cm²) que le PZT (30–50 µC/cm²). Cependant, l’impact du traitement thermique sous H₂-L’atmosphère incluse dans ses propriétés n’était pas claire jusqu’à présent.

Pour étudier cela, les chercheurs ont déposé (Al_0,8Sc_0,2)N film sur un substrat de silicium par pulvérisation cathodique à 400°C. Les films ont été placés entre deux électrodes de platine (Pt) et de nitrure de titane (TiN). Les électrodes jouent un rôle crucial dans la stabilité du matériau. Le Pt favorise l’incorporation de gaz hydrogène dans le film, tandis que le TiN agit comme une barrière à la diffusion de H₂. Il est donc essentiel d’évaluer ses performances avec différents matériaux d’électrode.

Les films ont subi un post-traitement thermique dans une atmosphère d’hydrogène et d’argon pendant 30 minutes à des températures allant de 400 à 600 °C à 800 Torr. Les chercheurs ont utilisé la diffraction des rayons X (DRX) pour examiner les changements dans la structure cristalline dans la masse et l’interface film-électrode. Des mesures positives vers le haut et négatives vers le bas (PUND) ont été utilisées pour évaluer la P_l et E_cCette technique consiste à appliquer des champs électriques positifs et négatifs au film et à observer la réponse de polarisation résultante.

Les films ont conservé une structure cristalline stable de type wurtzite._l est resté stable au-dessus de 120 µC/cm², quelle que soit l’électrode ou l’atmosphère de traitement, une valeur cinq fois supérieure à celle du HfO₂films à base de PZT et trois fois plus grand que celui du PZT. De plus, E_c n’a augmenté que légèrement d’environ 9 %. Cette augmentation a été attribuée aux changements de la constante du réseau cristallin du film et non à la présence d’hydrogène ou au choix de l’électrode utilisée. Notamment, contrairement à d’autres matériaux ferroélectriques sensibles à la diffusion de l’hydrogène, l’énergie de liaison élevée entre Al et N empêche l’hydrogène de pénétrer dans le film.

“Les résultats montrent que (Al_0,8Sc_0,2)N est beaucoup plus résistant à la dégradation par post-traitement thermique que les films ferroélectriques conventionnels et les films ferroélectriques à base de HfO₂”, explique Funakubo. Avec une structure cristalline relativement stable, une teneur en P élevée_l valeur et un petit changement dans E_cLes films (Al,Sc)N sont un candidat prometteur pour les dispositifs de mémoire ferroélectriques de nouvelle génération.