TEM/STEM investigations of phase change materials for non-volatile memory applications

• TEM/STEM Untersuchungen von Phasenwechselmaterialien für nicht flüchtige Speicheranwendungen

Bornhöfft, Manuel; Mayer, Joachim (Thesis advisor); Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Jülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek (2017)
Buch, Doktorarbeit

In: Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Information 47
Seite(n)/Artikel-Nr.: viii, 135 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Phasenwechselmaterialien sind aufgrund der Möglichkeit, Informationen in auslesbaren Unterschieden zwischen der amorphen Phase und der kristallinen Phase zu speichern, von großem Interesse für die zukünftige Informationstechnologie. Phasenwechselmaterialien haben den größten Anteil am Erfolg wiederbeschreibbarer optischer Speichermedien, von denen heute die Blue-ray disc den Stand der Technik darstellt. Mobile Computerplattformen wie Smartphones, Tablets und Netbooks brauchen energie- und platzsparende Speicherlösungen. Optische oder magnetische Speichermedien entsprechen nicht mehr diesen Anforderungen. Phasenwechselmaterialien, in Form elektronischer nicht flüchtiger Speicher, stellen vielversprechende Kandidaten als Konkurrenz zu etablierten elektronischen nicht flüchtigen Flash-Speichern dar. Die hohen möglichen Schaltgeschwindigkeiten, die mit Phasenwechselmaterialien erreichbar sind, machen diese sogar als nicht flüchtige Speicherkonkurrenz zu Dynamic-Random-Access-Memory (DRAM) interessant. Der Schlüssel zur erfolgreichen Etablierung von Phasenwechselmaterialien als elektronische nicht flüchtige Speicher liegt im Verständnis ihrer physikalischen Eigenschaften und im ins Besonderem im Verständnis der Schaltkinetik. In dieser Arbeit werden Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Rastertransmissionselektronen-mikroskopie- (STEM) Methoden genutzt, um die Eigenschaften von Phasenwechselmaterialien systematisch zu untersuchen.Die Kristallwachstumsgeschwindigkeiten von wachsenden Körnern in 30 nm dicken amorphen Dünnschichten der Phasenwechselmaterialien Ag4In3Sb67Te26 (AIST) und GeTe wurden durch direktes Abbilden im TEM Hellfeld bestimmt. Hierfür wurden Körner durch ex situ-Heizen in einer amorphen Matrix gewachsen. Als Ausgangslage wurden der amorphe Zustand nach dem Abscheiden mittels Sputtern und der amorphe, auf Raumtemperatur abgeschreckte, Zustand aus der Schmelze gewählt. Es wurde weiterführend Fluktuationselektronenmikroskopie (FEM) an abgeschiedenen und abgeschreckten TEM-Lamellen beider Phasenwechselmaterialien durchgeführt. Ein Zusammenhang zwischen ansteigender mittlerer Reichweitenordnung (MRO) und abnehmender Wachstumsgeschwindigkeit konnte gefunden werden. Dies konnte außerdem mit verschiedenen Glaszuständen in Verbindung gebracht werden.Das Schaltverhalten von elektronischen Phasenwechselmaterialspeicherzellen aus dem Phasenwechselmaterial AIST wurde mittels TEM-Hellfeld untersucht. Querschnitts TEM Lamellen dieser vertikalen Phasenwechselmaterial-Linien-Zellen wurden mit Hilfe des kombinierten Geräteaufbaus eines fokussierten Ionenstrahls (FIB) und eines Rasterelektronenmikroskops (SEM) präpariert. Die Untersuchung der geschalteten Linien-Zellen zeigt den Einfluss des Thompson-Seebeck-Effekts auf das Schalten, welcher zu einer inhomogenen Wärmeverteilung und inhomogener Amorphisierung der Phasenwechselmaterialspeicherzelle führt.In weiterführenden Untersuchungen wurden die Zwischenstufen des Reaktionswegs einer Solvothermalsynthese zur Erzeugung einkristalliner hexagonaler Sb2Te3-Plättchen im STEM-Dunkelfeld mit einem Ringdetektor abgebildet und mit Nanobereichselektronenbeugung (NAED) untersucht. Die hexagonalen Plättchen können als Modellsysteme für Phasenwechselmaterialien dienen. Die Untersuchung der Reaktionszwischenstufen mittels NAED hat interessante Ergebnisse über die Struktur und Form der Zwischenstufen der Synthese hervorgebracht.Die stabilen Phasen von Ge, Sb und Te (GST)-Legierungen sind hoch geordnete Lagenstrukturen. Diese sind sehr ähnlich zu den Strukturen von Interface Phasenwechselmaterialien (IPCM), allerdings ohne eine künstlich erzeugte Überstruktur. Daher sind die stabilen Phasen von GST von großem Interesse, um das Schaltverhalten von IPCM oder ähnlich strukturierten Phasenwechselmaterialien zu verstehen. Ge1Sb2Te4 (GST 124) in der stabilen Phase wurde auf einem Si (111) Substrat mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) abgeschieden. Die Schicht wurde mittels TEM und hochaufgelöstem STEM (HRSTEM) untersucht. Die atomare Struktur der stabilen GST 124 Phase wurde abgebildet und eine hohe Güte der mit MOVPE abgeschiedenen Schichten demonstriert. Weiterführend konnte die Region in atomarer Auflösung abgebildet werden, die die GST-124-Schichten benötigen, um das Schichtwachstum an das Si (111) Substrat anzupassen.