Crystallization mechanism and switching kinetics of $\mathrm{In_{3}SbTe_{2}}$ based phase change materials

Zhou, Yiming; Waser, Rainer; Wuttig, Matthias

doi:HT031181199

Crystallization mechanism and switching kinetics of $\mathrm{In_{3}SbTe_{2}}$ based phase change materials

Zhou, Yiming^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M. Sc. Yiming Zhou

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wuttig, Matthias (Thesis advisor)^RWTH* ; Waser, Rainer (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-06-25

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-06007
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1014292/files/1014292.pdf

Einrichtungen

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
In3SbTe2 (frei) ; crystallization (frei) ; device fabrication (frei) ; high-frequency measurement (frei) ; phase change memory (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Phasenwechselmaterialien (engl. Phase change materials; PCMs) können zwischen ihrer hochohmigen amorphen Phase und ihrer niederohmigen kristallinen Phase geschaltet werden. Der ausgeprägte Eigenschaftskontrast von PCMs existiert nicht nur in ihrem elektrischen Widerstand, sondern auch in ihrer Schaltkinetik. Während beide Phasen von PCMs bei Umgebungstemperatur Stabilität für über ein Jahrzehnt aufweisen, können sie bei erhöhten Temperaturen durch elektrische Pulse reversibel im Nanosekundenbereich geschaltet werden. Eine solche hohe Nichtlinearität in der temperaturabhängigen Stabilität und der hohe Widerstandskontrast ermöglicht PCM-basierte nichtflüchtige Datenspeicherung, bekannt als Phasenwechsel-Speicher. Als erste kommerzialisierte Technologie für Storage-Class-Memory (z.B. 3D XPoint) hat ihr großflächiger Einsatz in praktischen Anwendungen wesentliche Optimierungsziele für neuartige PCMs aufgezeigt. Unter allen Leistungsmerkmalen definiert die Schaltkinetik, insbesondere die Kristallisationskinetik, die Wettbewerbsfähigkeit von PCMs. In dieser Arbeit wurden zwei Hauptteile realisiert. Da das elektrische Schalten von PCMs sowohl Bauelementeabmessungen unterhalb der 100-nm-Skala als auch ein elektrisches Pulsgenerierungs- und Erfassungssystem im Nanosekundenbereich erfordert, wurde eine Charakterisierungsplattform etabliert, einschließlich der Entwicklung des Fertigungsprozesses für „confined-type“ PCM-Bauelemente (kritische Abmessungen 30-100 nm) und eines semi-automatischen Prüfsystems von Grund auf. Um genaue Messungen der Kristallisationskinetik zu erreichen, wurde die Lebensdauer des Bauelements auf 108 Zyklen ausgelegt, was eine detaillierte Untersuchung des Schaltprozesses ermöglichte. Das Protokoll der Kinetikmessungen verwendete eine zweistufige Schreib-Verifizierungs-Strategie, die Artefakte der Zyklus-zu-Zyklus-Variabilität minimierte. Mit diesem Protokoll zeigt die Schaltkinetik des Prototyp-PCMs Ge2Sb2Te5 eine starke Ähnlichkeit zwischen der optischen Kristallisationsgeschwindigkeit von verschiedenen Positionen eines amorphen Films und der elektrischen Kristallisationsgeschwindigkeit eines einzelnen Bauelements von Zyklus zu Zyklus. Daher bot die Charakterisierungsplattform großes Potenzial für die Untersuchung der Kristallisationskinetik.Zweitens untersucht diese Arbeit systematisch die Kristallisationskinetik von In3SbTe2-basierten PCMs. Die Untersuchung des Kristallisationsverhaltens von In3SbTe2-Dünnschichten durch Strukturcharakterisierung und mikrostrukturelle Analyse offenbarte einen sphärolithischen Wachstumsmechanismus in In3SbTe2, zurückgeführt auf das übermäßige Verhältnis von tetraedrischen Motiv um Indium, dass in amorphem In3SbTe2 je nach dessen Dichte existiert. Während sphärolithisches Wachstum aufgrund begrenzter Diffusion ein relativ langsamer Kristallisationsmechanismus ist, unterdrückte eine Reduzierung der Bauelementdicke auf 50 nm die Keimbildung an der Wachstumsfront, wodurch die Schaltgeschwindigkeiten von intrinsischem In3SbTe2 auf 18 ns gesteigert wurden – 5-mal schneller als modernstes, dotiertes In3SbTe2.SnTe wurde in In3SbTe2 legiert, um tetraedrische Motive in der amorphen Phase zu reduzieren, obwohl Phasentrennungsprobleme bestehen bleiben, obwohl beide Komponenten dieselbe Steinsalzstruktur und geringe Gitterfehlanpassung aufweisen. Mittels umfassender Charakterisierung von transientem elektrischem Verhalten und statistischer Analyse von stochastischem Schalten demonstrieren wir, dass Keimbildung im SnTe-dotierten In3SbTe2 nicht nur ein initiierender Prozess, sondern auch ein beschleunigender Faktor im SET-Betrieb ist. Bei Spannungen knapp oberhalb der Schwellenspannung dienen stochastische Keimbildung und nachfolgendes Kristallwachstum als Schaltmechanismus im Bauelement. Die gemessene minimale Keimbildungszeit beträgt trotz zufälligen Auftretens nur 2 ns. Eine Anpassung mit einer Gompertz-Funktion liefert statistische Berechnungen der Keimbildungswahrscheinlichkeit und ergibt eine typische Keimbildungszeit von 8 ns für 30% SIST. Bei hohen angelegten Spannungen nahe der RESET-Spannung stammt der Schaltmechanismus hauptsächlich vom deterministischen Wachstum an kristallin-amorphen Grenzflächen nahe der Top-Elektrode mit räumlicher Begrenzung. Die Kristallwachstumsrate ist niedriger als im Keimbildungs-Wachstums-Fall. Durch direkte Korrelation von elektrischen Transienten mit physikalischen Keimbildungs- und Wachstumsereignissen etablieren wir ein neues Paradigma zum Verständnis von Kristallisationsmechanismen in nanoskalierten PCM-Bauelementen mit Implikationen für nächste Speichergenerationen mit ultraschnellem Betrieb.

Phase change materials (PCMs) can be switched between their high-resistive amorphous phase and low-resistive crystalline phase. The prominent property contrast of PCMs exists not only in their electrical resistance but also in their switching kinetics. While both phases of PCMs demonstrate stability for more than a decade at ambient temperatures, they can be reversibly switched within nanoseconds at elevated temperatures through electrical pulses. Such high non-linearity in temperature dependent stability and high resistance contrast enables PCM-based non-volatile data storage known as phase change memory. As the first commercialized technology for storage class memory (e.g. 3D XPoint), their large-scale deployment in practical applications has highlighted key optimization targets for novel PCMs. Among all performance metrics, the switching kinetics, especially the crystallization kinetics defines the competitiveness of PCMs. Two major parts have been accomplished in this work. Since the electrical switching of PCMs requires both device dimensions below the 100 nm scale and electrical pulse generating and sensing system on the nanosecond scale, a characterization platform has been established, including developing the fabrication process for confined PCM devices (30-100 nm critical dimensions) and a semi-automatic probing system from scratch. To achieve accurate measurements of crystallization kinetics, the endurance of the device was engineered up to 108 cycles, enabling detailed study of switching process. The protocol of the kinetics measurement employed a two-step write-verify strategy which minimized the artifact of cycle-to-cycle variability. With this protocol, the switching kinetics of prototype PCM Ge2Sb2Te5 reveals a strong similarity between the optical crystallization speed from the different location of an amorphous film and the electrical crystallization speed from a single device from cycle-to-cycle. Therefore, the characterization platform presented great potential for the investigation of crystallization kinetics. Second, this work systematically investigates the crystallization kinetics of In3SbTe2 -based PCMs. The investigation of the crystallization behavior of In3SbTe2 thin film through structure characterization and microstructural analysis revealed a spherulitic growth mechanism in In3SbTe2, traced to the excessive tetrahedral indium motif that exists in amorphous In3SbTe2 depending on its density. While spherulitic growth is a relatively slow crystallization mechanism due to the limited diffusion, reducing device thickness to 50 nm suppressed growth-front nucleation, boosting switching speeds of intrinsic In3SbTe2 to 18 ns, which is 5 times faster than the state-of-the-art In3SbTe2 with tailored doping. Also, SnTe was introduced into In3SbTe2 to reduce tetrahedral motifs in the amorphous phase, though phase separation challenges persist despite both components have the same rock-salt structure and low lattice mismatch. Using comprehensive advanced transient electrical response characterization and statistical analysis of stochastic switching, we demonstrate that nucleation is not only an initiating process but also an accelerating factor in the SET operation of SnTe-doped In3SbTe2 -devices. At voltages slightly above the threshold voltage, stochastic nucleation and subsequent crystal growth serve as the switching mechanism in device. The measured minimum nucleation time is as low as 2 ns, although it happens randomly. Fitting with a Gompertz function provides statistical calculations of nucleation probability and yields a typical nucleation time of 8 ns for 30% SIST. With high applied voltages near the RESET voltage, the switching mechanism of the device mainly comes from the deterministic growth at crystalline-amorphous interfaces near top electrode with spatial limitation. The crystal growth rate is lower than the nucleation-growth case. By directly correlating transient electrical responses to physical nucleation and growth events, we establish a new paradigm for understanding crystallization mechanisms in nanoscale PCM devices which have implications for next-generation memory technologies exhibiting ultrafast operation.

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