Phase Stability and Electrical Property of Amorphous Materials for Electronic Devices Investigated by Mechanical Stress

Abstract

therefore, several structural changes occur (e.g., structural relaxation, glass transition and crystallization), which lead to changes in their material properties as a function of time or temperature. Therefore, it is crucial to characterize and tune the structural stability of amorphous materials to be consistent with the device characteristics. An experimental mechanical stress analysis using substrate curvature measurement was utilized to detect structural changes. In addition, a fundamental theoretical understanding of the unique structural features of amorphous materials was established based on atomic-scale networks. To attain high switching speeds and stability of PcRAM, the characteristic kinetics of crystallization in amorphous phase change materials (non-Arrhenius temperature dependence of the crystal growth velocity) need to be explored. The crystallization temperature (Tx), glass transition temperature (Tg), and super-cooled liquid region (Tx - Tg) of amorphous Ge2Sb2Te5 (GST) films doped with various elements were measured using mechanical stress analysis. In addition, the viscosity and the fragility were determined from the heating rate dependence of Tg to describe the atomic mobility. The distinct effects of the dopants originated from the changes in free volume and bonding enthalpy by interstitial and substitutional doping. In comparison to the PcRAM characteristics, the effects of doping on the phase stability and atomic mobility successfully match the data retention and SET speed, respectively. The time-dependent drift of resistance in amorphous GST leads to reliability problems in PcRAM, which is called resistance drift. The microscopic origin of resistance drift has been explained using several models, including the defect annihilation model and the strained bandgap model. To reveal the relationship between the microscopic model of kinetic behaviors in glass (e.g., structural relaxation) and resistance drift, novel real-time measurements of mechanical stress and electrical resistance were conducted on amorphous GST films. The time-dependent resistance was calculated based on the model and compared to the measured resistance and showed that defect annihilation can explain the time-dependent drift of resistance in amorphous GST films. Amorphous In-Ga-Zn-O (a-IGZO) is a promising active material for thin-film transistors (TFT)

however, it experiences structural instability, which originates from the surface. The surface-to-volume ratios of a-IGZO films were varied by changing the thickness. Using mechanical stress analysis, Tg (423 - 562 °C) and fragility (18 - 26) were observed in a-IGZO films. Based on the thickness dependence of Tg and fragility, the structural stability of a-IGZO was reduced significantly as the thickness decreased due to the effect of the unstable surface layer. This study investigated the phase stability and electrical properties of amorphous materials and unraveled the physics that are relevant to the microscopic origins of the structural changes using mechanical stress analysis. A thorough analysis of the experimental data in conjunction with theoretical models helped to build a framework to describe and explain the unconventional properties of amorphous materials that are used in electronic devices.

Amorphous materials have been applied in multi-functional devices because of their unique properties, which originate from disordered atomic structures and are distinct from crystalline materials. The characteristic transformation behavior and associated changes in the electrical properties of amorphous phase change materials allows them to be used in phase-change random access memory (PcRAM). In addition, the uniformity over large areas, transparency and high carrier mobility of amorphous oxide semiconductors allow them to be used in thin-film transistors (TFTs) for large displays. However, electronic devices based on amorphous materials have suffered from reliability issues due to their phase instability. In contrast to crystalline solids, amorphous materials are not in equilibrium

비정질 재료는 규칙적 원자구조의 결정질 재료와 대비되는 무질서한 원자 구조를 가진 재료이다. 특유한 원자구조에서 유발되는 특성 덕분에 다양한 다기능성 전자소자에 적용되고 있다. 우선 상변화 재료라고 분류된 재료들은 극도로 빠른 결정화 속도와 동시에 결정화에 따른 큰 폭의 전기적 특성변화를 보여 상변화 메모리를 구현하는데 응용되고 있다. 비정질 산화물 반도체는 대면적 균일 특성, 투명성 및 높은 캐리어 이동도를 갖고 있어 대면적 디스플레이 용 박막 트랜지스터에 응용된다. 그러나 비정질 재료 기반의 전자소자는 재료 고유의 구조적 불안정성에서 기인한 신뢰성 문제에 시달리고 있다. 비정질 재료는 준안정상 물질이며, 따라서 결정질 재료에서는 관찰되지 않는 다양한 구조적 변화 (구조적 완화, 유리 전이, 결정화)가 발생한다. 이러한 구조적 변화는 시간이나 온도에 따른 특성 변화를 야기하므로, 소자의 신뢰성을 저해하는 심각한 원인으로 작용한다 따라서, 소자 특성과 신뢰성을 향상시키기 위해서는 비정질 재료의 구조적 안정성을 이해하고 조정하는 것이 필요하다. 실시간 기계적 응력 측정법을 이용하여 온도와 시간에 따른 비정질 재료의 구조적 변화를 측정하였으며, 원자 결합구조와 재료 특성의 물리적 연계를 통해 구조적 변화 결과의 이론적 해석 기반을 마련하였다. 상변화 메모리의 스위칭 속도(SET speed)를 높이고 정보 보유시간(data retention time)을 향상시키기 위해서는 비정질 상변화 재료의 결정화 거동을 연구해야 한다. 상변화 재료의 결정화 거동은 특유의 액체와 같은 특성에 기인하여 고온 구간에서 재료 물성이 민감하게 변화하는 비아레니우스(non-Arrhenius) 거동을 보인다. 따라서 일반적인 아레니우스 결정화 거동의 분석법에 비해 실험적 또는 이론적인 어려움이 있다. 본 연구에서는 기계적 응력 측정법을 이용하여 다양한 물질로 도핑 된 비정질 Ge2Sb2Te5 (GST) 박막의 결정화 온도(Tx), 유리 전이 온도(Tg) 과냉각 액체 영역(Tx - Tg)을 측정하였다. 또한 Tg의 가열 속도 의존성으로부터 점도(viscosity) 및 프레질리티(fragiltiy)를 측정하여, 이를 통해 비정질 GST 박막의 원자 이동 특성을 정량적으로 도출하였다. 도펀트의 효과는 침입형(interstitial) 도핑과 치환형(substitutional) 도핑에 대해 각각 자유 체적 영향과 결합 엔탈피의 영향으로 나누어 기구를 제시하였다. 도핑에 따른 상변화 메모리의 스위칭 속도, 정보 보유시간은 각각 도핑에 따른 원자 이동도와 열 안정성과 일치하는 경향을 보였다. 비정질 GST가 상온 또는 비교적 높은 온도에서 시간에 따라 점차적으로저항이 증가하는 현상은 상변화 메모리의 신뢰성 문제를 유발하며, 이를 저항 표류현상(resistance drift)이라고 한다. 저항 표류현상의 근본적인 원인은 여러 모델을 이용하여 제시되었는데, 대표적으로 결함 소멸 모델(defect annihilation model)과 밴드갭 변형 모델(strained bandgap model)이 있다. 본 연구에서는 기계적 응력 및 전기 저항의 실시간 측정을 실시하여 구조적 완화 현상과 저항 표류현상 사이의 관계를 규명하였다. 위에 제시된 이론적 모델에 따라 측정된 기계적 응력으로부터 시간에 따른 저항변화를 계산하여 측정된 저항 값과 비교했다. 결론적으로 구조 완화에 의해 유도된 결함 소멸을 이용해 정량적으로 저항 표류현상을 설명하였다. 비정질 In-Ga-Zn-O (a-IGZO)는 박막 트랜지스터의 활물질로 매우 유망하지만, 표면에서 유발되는 구조적 불안정성이 신뢰성 문제를 유발할 수 있다. 본 연구에서는 표면 불안정성이 구조적 안정성에 주는 영향을 연구하기 위해 a-IGZO 박막의 두께를 변화시켜 표면적 대 체적비를 변화시켰다. 두께가 얇아지면 불안정한 표면층의 영향으로 Tg가 감소하고 프레질리티가 증가하는 것을 정량적으로 측정하였다. 본 연구는 기계적 응력 측정법을 사용하여 비정질 반도체의 구조적 변화를 측정 및 분석하고, 원자 결합구조와의 연관성을 규명한 연구이다. 이를 통해 소자의 성능과 신뢰성을 향상시키기 위한 비정질 재료 설계에 대한 기준을 제시하였다.