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; Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2008)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

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.

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