Sn-Sb-Se based binary and ternary alloys for phase change memory applications

Chung, Kyung-Min; Wuttig, Matthias

doi:2596

Sn-Sb-Se based binary and ternary alloys for phase change memory applications = Sn-Sb-Se-basierte binäre und ternäre Legierungen für Phasen-Wechsel Speicher-Anwendungen

Chung, Kyung-Min (Author)

2008

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Kyung-Min Chung

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2008

UmfangXIV, 186 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2008-10-28

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-25966
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50401/files/Chung_Kyung_Min.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Phasen-Wechsel-Materialien (Genormte SW) ; Phasen-Wechsel-Speicher (Genormte SW) ; Sn-Sb-Se-basierte Legierungen (Genormte SW) ; binäre Legierungen (Genormte SW) ; ternäre Legierungen (Genormte SW) ; Physik (frei) ; phase change materials (frei) ; phase change memory (frei) ; Sn-Sb-Se based alloys (frei) ; binary alloys (frei) ; ternary alloys (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Angetrieben von der schnell anwachsenden Nachfrage nach mobiler Elektronik wurde viel Arbeit an der Entwicklung besserer, nicht-fluechtiger Speicher geleistet. Phasen-Wechsel Random Access Memories (PCRAM) werden hier als einer der aussichtsreichsten Kandidaten fuer die naechste Generation angesehen, denn sie bieten viele Vorteile: Sie sind nicht-fluechtig, erlauben hohe Schreibraten bei geringen Kosten und einem hohen Skalierungspotential. Die zentrale Eigenschaft von Phasen-Wechsel Materialien ist das Schalten zwischen einem amorphen und kristallinen Zustand mit Hilfe von elektrischen Pulsen. Die meisten PCRAM-Prototypen basieren heutzutage auf pseudo-binaeren Legierungen von GeTe und Sb2Te3, von denen Ge2Sb2Te5 eine herausragende Bedeutung hat, da es eine hohe Kristallisationsgeschwindigkeit, einen grossen Kontrast des elektrischen Widerstands zwischen dem amorphen und kristallinen Zustand, eine hohe Anzahl von Schaltvorgaengen und eine lange Aufrechterhaltung der Daten von mehr als zehn Jahren bei Raumtemperatur ermoeglicht. Obwohl PCRAM in der nahen Zukunft in kommerziellen Geraeten Verwendung finden soll, sind einige Probleme noch nicht geloest, wobei eine Erhoehung der Lebensdauer und Verringerung der Leistungsaufnahme die primaeren Herausforderungen sind. Die Aenderung der Massendichte in Ge2Sb2Te5 waehrend des Schaltens ist relativ gross. Diese grosse Aenderung des aktiven Bereichs fuehrt zu Unzuverlaessigkeiten bei der Kontaktierung der Elektroden und dem Phasen-Wechsel Material, was wiederum zu Unzuverlaessigkeit der PCRAM fuehrt. In Hinblick auf diese Herausforderungen ist es noetig, neue Phasen-Wechsel Materialien zu finden und die bereits bekannten Materialien zu verbessern um die Leistungsfaehigkeit von PCRAM zu gewaehrleisten. In dieser Arbeit werden die Auswirkungen der Substitution von Ge durch Sn und Te durch Se untersucht, um ein systematisches Verstaendnis und eine Vorhersage neuer Materialien fuer die Anwendung in PCRAM zu ermoeglichen. Die Temperaturabhaengigkeit der elektrischen bzw. strukturellen Eigenschaften sowie der Kristallisationskinetik von Sn-Se basierten binaeren und Sn-Sb-Se basierten ternaeren Legierungen wurden bestimmt und mit denen der Ge-Te und Ge-Sb-Te basierten Systemen verglichen. Die Temperaturabhaengigkeit der elektrischen und strukturellen Eigenschaften wurden mittels van der Pauw Messungen, Roentgen-Diffraktometrie und Roentgen-Reflektometrie analysiert. Durch eine Variation der Heizrate konnte die Kissinger-Methode verwendet werden um die kombinierte Aktivierungsbarriere fuer Kristallisation zu bestimmen. Fuer eine Beobachtung der Kristallisationskinetik wurde ein statischer Tester verwendet. Aus dem binaeren System SnxSe1-x ist SnSe2 das aussichtsreichste Material, da es in eine einphasige Struktur kristallisiert, einen enormen elektrischen Widerstandskontrast aufweist und die Aktivierungsbarriere fuer Kristallisation ausreichend hoch ist. Auch das pseudobinaere System SnSe2-Sb2Te3 könnte für lange Lebensdauern geeignet sein, da es eine höhere Kristallisationstemperatur und eine höhere Aktivierungsbarriere für Kristallisation aufweist, als das GeTe-Sb2Te3-System. Darüber hinaus haben SnSe2-Sb2Te3 basierte Materialien einen höheren elektrischen Widerstand in der kristallinen Phase, der den RESET-Strom von PCRAM verringern könnte. Die nötige hohe Kristallisationsgeschwindigkeit kann sowohl für Sn1Sb2Se5 und Sn2Sb2Se7 erzielt werden. Die Ergebnisse legen nahe, dass das SnSe2-Sb2Te3 System eine aussichtsreiche Alternative fuer zukuenftige PCRAM Anwendungen darstellt, die einige Eigenschaften von konventionellen GeTe-Sb2Te3-basierten Materialien uebertreffen, wie z. B. eine hoehere Stabilitaet zur Datenerhaltung, eine Reduzierung des RESET Stroms und eine hohe Kristallisationsgeschwindigkeit.

Recently, with the rapidly growing demand for mobile electronic products, much effort has been put into developing better non-volatile memories. Phase change random access memory (PCRAM) is considered to be one of the most promising candidates for the next-generation technology due to its many advantages: non-volatility, fast writing speed, low cost and high scalability. The key property of phase change materials is their ability to switch between amorphous and crystalline states by using electrical pulses. Nowadays, the most popular phase change materials used in PCRAM prototypes are pseudo-binary alloys based on GeTe and Sb2Te3. Among these, Ge2Sb2Te5 has received most attention since it shows fast crystallization speed, high electrical resistivity contrast between the amorphous and crystalline states, high number of overwrite cycles, and high archival lifetime of more than ten years. Although PCRAM is likely to be commercialized in the near future, there are still some problems that need to be solved. The data retention and power consumption of PCRAM devices are the two main challenges. The volume change of Ge2Sb2Te5 during the operation process is relatively large. This large volume change of the inset storage media will lead to unreliable contact between the phase change material and heating electrode, which further results in a poor reliability of PCRAM devices. In addition, when Ge2Sb2Te5 is employed in a PCRAM device, a high reset current (>1 mA) is necessary which leads to high power consumption. With the consideration of these main challenges, it is necessary to find new phase change materials as well as to improve the existing phase change materials for improving the performance of PCRAM devices. In this work, the effect of replacing Ge by Sn and Te by Se was studied for a systematic understanding and prediction of new potential candidates for PCRAM applications. The temperature dependence of the electrical/structural properties and crystallization kinetics of the Sn-Se based binary and Sn-Sb-Se based ternary alloys were determined and compared with those of the GeTe and Ge-Sb-Te system. The temperature dependence of electrical and structural properties were investigated by van der Pauw measurements, x-ray diffraction, x-ray reflectometry. By varying the heating rate, the Kissinger analysis has been used to determine the combined activation barrier for crystallization. To screen the kinetics of crystallization, a static laser tester was employed. In case of binary alloys of the type SnxSe1-x, the most interesting candidate is SnSe2 since it crystallizes into a single crystalline phase and has high electrical contrast and reasonably high activation energy for crystallization. In addition, the SnSe2-Sb2Se3 pseudobinary alloy system also might be sufficient for data retention due to their higher transition temperature and activation energy for crystallization in comparison to GeTe-Sb2Te3 system. Furthermore, SnSe2-Sb2Se3 pseudobinary alloys have a higher crystalline resistivity which could minimize the RESET current of PCRAM devices. The desired rapid crystallization speed can be obtained for Sn1Sb2Se5 and Sn2Sb2Se7 alloys. The results suggest that SnSe2-Sb2Se3 pseudobinary alloys provide a promising alternative for PCRAM applications overcoming some problems of conventional GeTe-Sb2Te3 based PCRAM devices such as high stability for data retention, reduced reset current, and fast crystallization speed.

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