The phase change memory utilizes the discrete difference of the material properties in two different physical state of the material, which are the amorphous and the crystalline state. This historical background of this field goes way back to the 1920's when a researcher named A. Waterman introduced "The electrical conductivity of moybdenite". In the 1950's, T. Vengel had reported "Semiconducting properties of the phase change materials during the phase transition" and Standford. R. Ovshinsky, who can be described as the pioneer of the modem phase change memory device, proposed "Reversible electrical switching phenomena in disordered structure" in 1968. From then on, the phase change memory research has been most actively studied and the field has grown to effect the related industries. However, the phase change memory device was actually confined to the optical memory storage during the 1970's and 80's and the device was functioned by the external laser power which irradiated the material surface to melt and quench to obtain the desired crystal structure.
In 1998, the "Amorphous Materials -The key to new devices" which Standford. R. Ovshinsky had reported in the IEEE Proc. Of CAS played an important role to set a new stage of the electrically functioned phase change memory device. The main difference between the optical and the electrical PC-RAM was that the external power source which acted to transform the crystalline structure of the phase change material has changed from the optical laser power to the electrical current. By utilizing the specific heat of the phase change material, the input current heats the material to reach the melting or the crystallization temperature. The core materials related to this field is the Ge-Sb-Te chalcogenides which show a very fast phase transition speed within less than a few tenth of nano-seconds while sustaining the large electrical resistivity difference.
In this research, the bulk chalcogenide Ge-Sb-Te compounds which will be used as a target material for the thin film deposition was fabricated using two different methods. The one is the conventional melt quenching method and the other, the spark plasma sintering technique. Both ways proved to have a good purity and physical properties to act as a target. However, by using the spark plasma sintering technique, we were able to reduce both the process time and temperature by over 90% and 40%, respectively.
The prepared target was laser ablated using the KrF excimer laser to obtain a good quality Ge-Sb-Te thin film. In order to control the particulates formation on the surface, we applied a modified 90˚ shaded off axis technique. The thin films were analyzed using various techniques namely, the XRD, SEM, TEM, AFM, DTA, wafer curvature measurement, real time reflectance measurement and real time resistivity measurement system. In order to modify the original $Ge_2Sb_2Te_5$, we attempted a small amount of doping with Ag, Bi, Sn, In to observe the $T_c$ change of the Ge-Sb-Te material.
상변화 메모리 (Phase change memory)란 재료의 결정상 (crystalline phase)과 비정질상 (amourphous phase)의 물리적인 특성 차이를 이용하여 정보를 저장하는 메모리를 말한다. 본 분야는 1920년대로 거슬러 올라가 A. Waterman에 의해 "The Electrical Conductivity of Molybdenite" 란 제목으로 처음 소개가 된 후 1950년대에 T. Vengel의 “Semiconducting properties of the phase change materials during the phase transition” 그리고 현대적 상변화 메모리 소자의 선구자라 칭하는 Standford. R. Ovshinsky의 1968년도 논문 “Reversible electrical switching phenomena in disordered structure”가 발표되면서 끊임없는 성장을 이룩해왔다. 그러나 1970 ~ 80년대 까지는 주로 광 에너지에 의해 정보를 기록하고 읽는 광 메모리 (Optical memory) 소자로 응용이 되어 왔으며, 그 성과는 현재 우리가 가장 많이 애용하고 있는 광 미디어, 즉, CR-RW나 DVD-RW로 대두되고 있다.
1998년도에 S.R. Ovshinsky가 IEEE Proc. Of CAS.에 발표한 “Amorphous Materials -The key to New Devices”를 필두로 광 메모리가 아닌 본격적인 electrical memory device의 연구가 시작되었으며, 이는 기존의 광 메모리에서 소재의 상 전이를 짧은 파장의 레이져 에너지를 사용하는 것과는 달리 전기 에너지를 펄스 형태로 입력하여 소재 자체가 갖는 비열 특성을 이용하여 전기 에너지를 열 에너지로 바꿔 상 전이를 시키는 원리를 이용한다. 주요 소재로는 chacogenide 화합물의 하나인 $Ge_2Sb_2Te_5$ 조성이, chalcogenide란 주기율표에서 VI 족에 위치하는 원소들인 S, Se, Te 중 적어도 하나 이상을 가진 화합물을 뜻한다. 이들 재료는 수십 nano seconds의 아주 짧은 시간에 결정화가 가능하며 결정상과 비정질상은 광학적인 반사율과 전기 저항에 있어서 큰 차이를 보인다. 결정상의 경우에는 높은 광학적 반사율과 낮은 전기저항을 가지나, 비정질상은 낮은 광학적 반사율과 높은 전기저항을 가진다. 한편, chaalcodenide 화합물의 결정/비정질 상의 전기저항의 차이를 이용하여 정보를 인식하는 방법도 가능한데, 이를 활용하고자 하는 것이 상변화 메모리 (Phase Change Memory)이다.
본 논문에서는 chalcogenide 화합물인 $Ge_2Sb_2Te_5$ 타겟을 방전 플라즈마 소결법 (Spark Plasma Sintering)을 이용하여 빠른 시간 안에 직접 제조하여 pulsed laser 증착 방식으로 $SiO_2/Si$ 기판 위에 성막하였다. 또한, 기판 표면에 막이 성장하면서 생기는 마이크로미터 크기의 무수히 많은 입자들을 제거하기 위해서 새로 도입 한 “Modified 90˚ shaded off-axis”라는 방법을 이용하여 매우 표면이 깨끗한 $Ge_2Sb_2Te_5$ 박막을 얻을 수 있었다. PLD 법을 통해 얻은 막을 사용하여 재료의 상변화 거동을 분석하고자 하였으며, 여기에 사용된 분석 tool들은 XRD, SEM, TEM, AFM, DTA, Reflectivity Measurement, Resistance Measurement, Wafer curvature method 등이다.
특히 $Ge_2Sb_2Te_5$ 의 낮은 결정화 온도는 재료의 미세구조를 관찰하는데 있어서 매우 큰 걸림돌이 된다. 특, 전자현미경 시편 제작 시 동반되는 이온 밀링 과정에서, 조사되는 Ar 이온 빔에 의해 비정질의 $Ge_2Sb_2Te_5$가 결정화 되어 초기 핵생성 및 결정 성장의 연구에 치명적이다. 따라서 본 논문에서는 소각벽개파괴법 (Small Angle Cleavage Technique)이라는 전자현미경 시편 제작법을 사용하여 전 과정을 기계적인 방법으로 $Ge_2Sb_2Te_5$ 시편을 제작하여 결정화 경향 및 결정학적 미세구조를 관찰하였다. 또한 부차적으로는 Ag, In, Sn, Bi 등의 도핑 원소를 조성을 다르게 하여 독립적으로 첨가함으로서 기존의 $Ge_2Sb_2Te_5$ 의 상변화 거동의 변화를 관찰하고자 하였다.
