Phase change random access memory (PRAM) is a one of the most promising memory device for the next generation of nonvolatile memory devices. Especially, Ge-Sb-Te ternary alloys have been widely used due to the ultimately fast phase transition from amorphous state to polycrystalline state. Among the Ge-Sb-Te based chalcogenide materials, the $Ge_2Sb_2Te_5$(GST) pseudo-binary alloy has been extensively investigated. However, the GST material has low crystallization temperature which is related to cross talk between cells and high melting point related to high reset current. To solve the problems, phase change materials need to have reasonably high crystallization temperature and low melting point.
The goal of this research is to investigate the microstructure and crystallization behavior in the In-doped $Ge_2Sb_2Te_5$ thin films.
In-doped $Ge_2Sb_2Te_5$ thin films with 200nm thickness were deposited on Si substrates by RF magnetron co-sputtering of $Ge_2Sb_2Te_5$(99.99%) targets and In(99.99%) targets. The crystallization characteristics and microstructure of In-doped $Ge_2Sb_2Te_5$ thin films were examined by DSC, AES, X-ray diffraction, TEM analysis.
Crystallization temperature of less and over In-doped $Ge_2Sb_2Te_5$ thin films is about 200℃, 310℃, respectively.
In the In doped cases, crystallization temperature increased in comparison with conventional $Ge_2Sb_2Te_5$ thin films. In the less In-doped case, the grain sizes of the films are smaller than those of GST thin films. Because In suppressed grain growth of GST.
The coexistence of FCC and hexagonal structure was observed in the case of less In-doped GST thin films at 420℃. In impeded structural transformation from FCC to hexagonal of GST.
In case of over In-doped GST thin films, $In_2Te_3$ phase was observed through most of the region at 420℃.
Over In-doped GST thin films have planar defects. As temperature increased from 420℃ to 520℃, planar defects of $In_2Te_3$ increased.
The $In_2Te_3$ phase was crystallized at 310℃ and separated $In_2Te_3$ and InTe at 490℃.
상변화 메모리(PRAM)는 차세대 비휘발성 메모리 소자 중에서 가장 유망한 메모리이다. 특히, Ge-Sb-Te 3원계 합금이 비정질에서 결정질로의 매우 빠른 상전이 때문에 널리 이용되고 있다. 칼코게나이드 물질을 바탕으로 한 Ge-Sb-Te 물질 중에서도 $Ge_2Sb_2Te_5$(GST) 유사 2원계 합금이 집중적으로 연구되어졌다. 그러나 GST 는 셀간 열간섭과 관련된 낮은 결정화 온도와 높은 리셋 전류와 연관된 높은 녹는점의 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 상변화 물질은 높은 결정화 온도와 낮은 녹는점을 가지는 것이 필요하다.
이번 연구의 목적은 In-doped $Ge_2Sb_2Te_5$ 박막의 미세구조와 결정화 거동에 대해 알아보는 것이다. 200nm 두께의 In-doped $Ge_2Sb_2Te_5$ 박막을 $Ge_2Sb_2Te_5$(99.99%) 타겟과 In(99.99%) 타겟을 사용하여 co-sputtering 방법으로 Si 기판위에 증착하였다. In-doped $Ge_2Sb_2Te_5$ 박막의 결정화 특성과 미세구조를 DSC, AES, X-ray diffraction, TEM 분석을 통하여 조사하였다. In 이 소량 그리고 과량 첨가된 $Ge_2Sb_2Te_5$ 박막에서의 결정화 온도는 각각 약 200℃, 310℃ 였다. In 이 첨가된 두 경우 모두 일반적인 $Ge_2Sb_2Te_5$ 박막과 비교했을 때 결정화 온도가 상승하였다. In 이 소량 첨가된 경우는 GST 박막과 비교했을 때 결정의 크기가 더 작았다. In 이 결정성장을 억제한다고 여겨진다. 420℃로 열처리한 In 이 소량 첨가된 GST 박막에서 FCC 와 hexagonal 구조의 결정이 동시에 관찰되었다. In 이 FCC 에서 hexagonal 로의 상전이 또한 방해한다고 생각한다. 420℃로 열처리한 In 이 과량 첨가된 GST 박막의 경우 박막의 모든 영역에 걸쳐 $In_2Te_3$ 상이 관찰되었다. In 이 과량 첨가된 GST 박막의 결정은 면결함을 가지고 성장하였으며, 420℃ 에서 520℃ 로 온도가 증가함에 따라 $In_2Te_3$ 의 면결함도 더 많아졌다. $In_2Te_3$ 상은 약 310℃에서 결정화 되었으며, 490℃에서 $In_2Te_3$ 와 InTe 로 상분리 되었다.
