Phase-change random access memory (PRAM) is one of the most promising non-volatile memories for the next generation portable electronics. PRAM has a simple cell structure with high scalability; it is non-volatile, has a relatively high read/write operation speed, a long cycle life. Furthermore, the switching current and device reliability can be improved by further reducing the device design rule. Thus, very extensive research and development work is currently being conducted, in order to commercialize PRAM both as a standalone memory and a memory unit for systems on a chip. Currently applied phase change memories are mainly based on ternary GeSbTe alloys. It is reported that amorphous thin films with compositions centering around the $GeTe-Sb_2Te_3$ pseudobinary system have the following characteristics: (ⅰ) high thermal stability at room temperature (stable for more than 30 years) combined with a high crystallization rate at high temperatures ( can be crystallized within 50 ns laser pulse); (ⅱ) extremely good reversibility between amorphous and crystalline phases ( more than $10^5$ cycles); and (ⅲ) precise and linear controllability of phase change characteristics by selecting the film composition. But it was known that $Ge_2Sb_2Te_5$ material has low crystallization temperature. So the study increasing the crystallization temperature of $Ge_2Sb_2Te_5$ material was needed for PRAM application.
In this work, it was investigated the effects of Indium addition on the crystallization behavior of $Ge_2Sb_2Te_5$ film. $In_x(Ge_2Sb_2Te_5)_{100-x}$ (x=0~6) films were deposited on $SiO_2/Si$ substrate with Indium doped $Ge_2Sb_2Te_5$ target by pulsed laser deposition at room temperature. Target was prepared by melt-quench method. And $In_x(Ge_2Sb_2Te_5)_{100-x}$ films was fabricated by using off-axis method for clean surface and amorphous state of films. The effects of Indium addition on the structural, thermal and electrical properties of $Ge_2Sb_2Te_5$ film were analysed by X-ray diffraction, X-ray reflectivity, atomic force measurement, transmission electron microscopy, differential scanning calorimeter and 4-point probe.
It was found that a small amount of Indium addition does increase fcc to hcp phase transition temperature and the crystallization temperature of the $Ge_2Sb_2Te_5$ film when Indium was added over 4at.% increased. The RMS value of $In_x(Ge_2Sb_2Te_5)_{100-x}$ film was hardly changed by annealing temperature unlike $Ge_2Sb_2Te_5$ thin films. But it was thought that $In_6(Ge_2Sb_2Te_5)_{94}$ film had small resistivity change so its cyclability would be degraded. Therefore indium contents with x= 4 was decided as optimal doping amount. It was realized that the volume change of $In_4(Ge_2Sb_2Te_5)_{96}$ film exhibits was small as compared with $Ge_2Sb_2Te_5$ film when phase transition occurred. It was got to know that the activation energy for crystallization of $In_4(Ge_2Sb_2Te_5)_{96}$ film (1.99eV) is bigger than that of $Ge_2Sb_2Te_5$ film (1.78eV). It is thought that in $Ge_2Sb_2Te_5$ the grow growth was suppressed by Indium atoms and so the crystallization temperature was shifted to the high region. Therefore crystallization temperature of Indium doped $Ge_2Sb_2Te_5$ films may be increased as compare with $Ge_2Sb_2Te_5$ film.
상변화 메모리는 차세대 메모리로서 가장 유력한 메모리 중의 하나로서 비정질 상태와 결정질 상태의 물리적인 특성 즉 저항의 차이를 이용하여 정보를 저장하는 것이다. 상변화 메모리는 간단한 구조, 비휘발성, 빠른 읽기/쓰기 속도, 저 전압 작동, 오랜 정보 저장 특성이라는 장점을 가지고 있다. 상변화 메모리에 사용되는 물질로는 주로 chacogenide가 주를 이루는데 이것은 주기율표상에서 Ⅵ족에 속하는 원소들인 S, Se, Te를 하나 이상 포함한 물질을 말한다. 그 중에서도 $Ge_2Sb_2Te_5$ 라는 물질이 가장 많이 연구가 되고 있다. 그러나 $Ge_2Sb_2Te_5$ 물질의 결정화온도가 낮다는 특성을 가지고 있어 상변화 메모리에 좋지 않은 영향을 미친다.
본 연구에서는 $Ge_2Sb_2Te_5$ 에 Indium을 도핑하여 그 특성에 대해 알아보고자 하였다. Indium이 도핑 된 $Ge_2Sb_2Te_5$ 박막은 Pulsed laser Deposition법을 이용하여 상온에서 $SiO_2/Si$ 기판위에 증착되었다. 좋은 표면상태와 비정질의 박막을 얻기 위해 타겟면과 기판을 수직으로 두는 off-axis법을 사용하였다. XRD 패턴에서 Indium이 4%이상 도핑된 $Ge_2Sb_2Te_5$ 박막의 결정화온도가 올라갔다는 것을 알 수가 있었다. Indium이 도핑된 $Ge_2Sb_2Te_5$ 박막에서의 fcc상이 $Ge_2Sb_2Te_5$ 박막에서 일어나는 fcc상에서 hcp상으로 상변화를 일으키는 온도 이상에서도 존재하는 것으로 보아 Indium이 준안정상인 fcc상을 안정화시킨다고 판단하였다. 또한 $Ge_2Sb_2Te_5$ 박막의 표면상태는 Indium 도핑에 의해서 개선되었다는 것을 알 수가 있었다. TEM분석 결과 Indium의 도핑량이 많아질수록 비정질의 양이 많고 결정성장을 억제하여 결정립의 크기가 작아진다는 것을 알 수 있었다. Indium이 도핑된 $Ge_2Sb_2Te_5$ 박막을 열처리함에 따라 상변화에 따른 저항의 변화를 보여준다. 그러나 $In_6(Ge_2Sb_2Te_5)_{94}$ 박막은 부피변화와 밀접한 연관이 있는 밀도 변화가 $In_4(Ge_2Sb_2Te_5)_{96}$ 박막보다 커서 상변화시에 안정성이 문제가 될 수 있기 때문에 $In_4(Ge_2Sb_2Te_5)_{96}$ 박막을 최적의 조건으로 선택하였다. DSC분석 결과 $In_4(Ge_2Sb_2Te_5)_{96}$ 박막은 $Ge_2Sb_2Te_5$ 박막에 비해 결정화에 대한 활성화에너지가 크다는 것을 알 수 있었다. 따라서 Indium이 4%도핑 된 $Ge_2Sb_2Te_5$ 박막에서 가장 좋은 특성을 보여주며 결정화 온도가 도핑이 되지 않은 $Ge_2Sb_2Te_5$ 박막보다 상승하였다는 것을 알 수가 있었다.
