Recently, phase change random access memory (PCRAM) has been recognized as one of the candidates for the next generation nonvolatile electrical memory devices because it possesses advantages on scalability, high operation speed, low energy consumption and endurance to cycling. However, there are still some problems, such as a high reset current, a slow write speed and thermal fatigue of the devices. Among them, the most urgent problem to be solved is reducing its reset current, and many methods have been tried. The first way is minimizing the electrode used for heating phase change materials. The second way is inserting a resistive heating layer between the phase change material and the contact material. The third one is doping other elements into GeSbTe.
The goal of this research is to investigate the crystal structure and microstructure in the Ag atom doped $Ge_2Sb_2Te_5$ phase-change material.
$Ag_x(Ge2Sb2Te5)_{1-x}$ films (where x=3,6,9 at.%) with 100nm thickness were deposited on Si substrates by RF magnetron co-sputtering of Ge2Sb2Te5 and Ag targets. The effect of Ag atoms on the structural property of the $Ag_x(Ge2Sb2Te5)_{1-x}$ were examined by AFM, X-ray diffraction, AES, TEM analysis.
It was found that as the silver content in the film was increased, the positions of the peaks shift to a smaller angle. In other words, as the silver content increased, the plane spacing and lattice constant increased in metastable NaCl structure.
The AES depth profile shows that the silver atom was concentrated on the thermal oxide surface after $180^\circ c$ annealing procedure. But they did not make a crystal structure because the XRD $2\theta$ peaks of the $Ag_x(Ge2Sb2Te5)_{1-x}$ do not agree with any silver compounds. So they remain amorphous states after thermal annealing procedure.
The radius of the diffraction ring pattern of the Ge2Sb2Te5 film was larger than that of $Ag_x(Ge2Sb2Te5)_{1-x}$. It indicates that the plane spacing of $Ag_x(Ge2Sb2Te5)_{1-x}$ was increased. This is the same results with the XRD experiment. The grain size of Ge2Sb2Te5 was larger than $Ag_x(Ge2Sb2Te5)_{1-x}$ from the TEM dark field images. Through the TEM high resolution image, we observed that a certain grain of $Ag_x(Ge2Sb2Te5)_{91}$, lattice constant was increased about 19% than Ge2Sb2Te5. This increment is very large than that of XRD and TEM diffraction pattern measurements.
As the above reasons, It is thought that most silver atoms added on Ge2Sb2Te5 thin films was clumping together. But some silver atoms segregate Ge2Sb2Te5 grain boundary and disturb grain growth. When the Ag content is large, Ag atoms may occupy the vacancies and other atoms site in Ge2Sb2Te5 lattices. So they make more stable FCC phase.
AFM 결과를 통해 380 의 온도에서 Ge2Sb2Te5 , $Ag_x(Ge2Sb2Te5)_{1-x}$ 박막 모두 표면이 거칠어짐을 알 수 있었다. 이런 현상은 Ag 원자의 첨가에 상관없이 준안정상에서 안정상으로 상변화가 일어남을 의미하며 표면이 거칠어지는 현상은 안정상으로 상변화가 일어날 때 준안정상에서 존재하던 vacancy 가 원자들로 채워지면서 표면 morphology 가 step을 이루었기 때문으로 TEM 관찰결과 알 수 있었다. Ge2Sb2Te5, $Ag_x(Ge2Sb2Te5)_{1-x}$ 박막을 준안정상 온도 영역(180) 에서 열처리 한 후 XRD pattern을 분석한 결과 Si (002) peak을 기준으로 했을 때, Ag 원자의 첨가량이 많을수록 XRD 2 값이 조금씩 감소하는 경향을 보였다. 즉 면간 거리와 격자 상수가 증가함을 알 수 있었는데 이것은 Ag 원자가 준안정상인 NaCl 구조 내부에 존재하는 vacancy 또는 Ag 원자보다 원자 반경이 작은 다른 원자 자리로 치환되는 것으로 생각된다. Ge2Sb2Te5, $Ag_x(Ge2Sb2Te5)_{1-x}$ 박막을 준안정상 온도 영역(180) 에서 열처리 한 후 grain size를 비교하기 위하여 TEM dark field image를 관찰해 본 결과 Ag 원자가 첨가되지 않은 박막의 grain size가 가장 큼을 알 수 있었다. $Ag_x(Ge2Sb2Te5)_{1-x}$ 박막의 경우 Ag 원자의 첨가량에 상관없이 거의 비슷하였다. 이것은 첨가된 Ag 원자들이 Ge2Sb2Te5 의 grain boundary에 segregation 되어 growth를 방해하기 때문으로 생각된다. Ge2Sb2Te5, $Ag_x(Ge2Sb2Te5)_{1-x}$ 박막을 준안정상 온도 영역(180) 에서 열처리 한 후 diffraction pattern을 분석한 결과 Ag 원자의 첨가량을 많이 한 박막 일수록 링 패턴의 회절 반경이 줄어듦을 알 수 있었다. 이것은 앞선 XRD 실험 결과와 유사한 것으로 Ag 원자가 첨가될수록 면간 거리와 격자 상수가 커짐을 의미한다. Ge2Sb2Te5, $Ag_x(Ge2Sb2Te5)_{1-x}$ 박막을 준안정상 온도 영역(180) 에서 열처리 한 후 high resolution image를 비교해 본 결과 Ag(Ge2Sb2Te5) 박막에서 격자 상수(7.19)가 Ag 원자를 첨가 시키지 않았을 때보다(6.04) 19% 정도가 증가한 grain을 발견할 수 있었고 grain의 크기는 20nm 정도로 아주 작았다. 이것은 앞선 XRD나 TEM diffraction pattern에 의해서 관찰된 격자 상수의 증가량 보다 훨씬 컸다. 이것은 다량의 Ag 원자가 vacancy로 들어가서 격자 상수가 훨씬 커졌다고 생각된다. Ge2Sb2Te5, $Ag_x(Ge2Sb2Te5)_{1-x}$ 박막을 안정상 온도 영역(380) 에서 열처리 한 후 high resolution image를 비교해 본 결과 Ag 원자가 첨가 되었을 때 특정 grain에서 c-axis 방향의 격자 상수가 상당히 증가하였다. a-axis 방향의 격자 상수도 조금 증가하였지만 크게 변하지 않았다. 이로 미루어 보아 Ag 원자가 첨가된 박막에서 안정상인 hexagonal 구조를 이룰 때 c-axis 방향으로 Ag 원자층이 만들어 진다고 생각된다.