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

Bornhöfft, Manuel; Mayer, Joachim; Wuttig, Matthias

doi:10.18154/RWTH-2017-04026

TEM/STEM investigations of phase change materials for non-volatile memory applications = TEM/STEM Untersuchungen von Phasenwechselmaterialien für nicht flüchtige Speicheranwendungen

Bornhöfft, Manuel

2017

VerantwortlichkeitsangabeManuel Bornhöfft

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek 2017

Umfangviii, 135 Seiten : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95806-221-4

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Information ; 47

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Druckausgabe: 2017. - Onlineausgabe: 2017. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Mayer, Joachim (Thesis advisor)^RWTH* ; Wuttig, Matthias (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-03-02

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-04026
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/688785/files/688785.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/688785/files/688785.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
TEM (frei) ; FIB (frei) ; phase change materials (frei) ; memory (frei) ; FEM (frei) ; electron microscopy (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

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.

Phase change materials are very interesting for future information technology because of their possibility to encode information in the readable difference of physical properties between the crystalline and the amorphous phase. Phase change materials are the dominant non-volatile memory material used in rewritable optical memory. This includes the current state of the art Blue-ray disc. Mobile computer platforms like smart mobile phones, tablets and netbooks are in need of energy and space efficient memory. Optical or magnetic recording media do not meet these needs anymore. Phase change materials used as non-volatile electronic memories are promising candidates as competition for flash memory. Flash memory is the current state of the art electronic non-volatile memory. In addition, non-volatile electronic applications as competition to Dynamic Random Access Memory (DRAM) are possible because of the high switching speeds of phase change materials. The key to the successful application of phase change materials as electronic non-volatile memory is the understanding of their physical properties and especially their switching kinetics. In the present work, transmission electron microscopy (TEM) and scanning transmission electron microscopy (STEM) were used in a systematic manner to investigate the properties of a variety of phase change materials.The crystal growth velocities of grains growing in 30 nm thick amorphous layers of the phase change materials Ag4In3Sb67Te26 (AIST) and GeTe were measured directly by TEM bright field imaging. Grains of the measured materials were grown in a matrix of the amorphous phase by ex situ heating. This is done for sputtered as deposited material and material molten by laser which is quenched to room temperature. Furthermore we investigated lamellas of as deposited and melt quenched AIST and GeTe by fluctuation electron microscopy (FEM). The comparison of growth velocity and FEM data reveals that increasing medium range order (MRO) leads to a decrease in growth velocity. This is also related to different glassy states of the phase change materials.The switching behaviour of electronic phase change material memory devices based on the material AIST was investigated by TEM bright field imaging. Cross section lamellas were prepared by a combined focused ion beam and scanning electron microscope procedure. The investigation of the amorphous state of a switched device showed the occurrence of the Thompson-Seebeck effect, leading to an inhomogeneous heat distribution and an inhomogeneous amorphization of the phase change material device.In further studies, the intermediates of the reaction path of a solvothermal synthesis of single crystalline hexagonal Sb2Te3 platelets were investigated. The chosen methods were STEM annular dark field (ADF) imaging and nano area electron diffraction (NAED). These platelets can be used as a model system for phase change materials. NAED has revealed surprising results on the structure and shape of the intermediate states during synthesis.The stable phases of the Ge, Sb and Te (GST) alloys have highly ordered layered structures similar to the structures of interfacial phase change materials (IPCM) but without an artificial super lattice design. Therefore the stable phases of GST are very interesting materials to understand the switching processes of IPCM or phase change materials of similar structure. Ge1Sb2Te4 (GST 124) in the stable phase was directly deposited on a Si (111) substrate by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE). In the present work GST 124 deposited by MOVPE was investigated by TEM and high resolution STEM (HRSTEM). The atomic structure of GST 124 in the stable phase was resolved and the high quality of the MOVPE deposited layers was demonstrated. Furthermore the adaption zone of the GST 124 to grow perfectly on the Si (111) substrate is imaged with atomic resolution.

OpenAccess:
PDF PDF (PDFA)
(additional files)