Instability in Crystalline Phase of Chalcogenide Materials under Electric Current for Phase Change Memory

Abstract

this phenomenon is called defect-induced melting. The homogeneous nano-voids explains the gradual increase in quantitative resistivity. Decrease in resistance below a current density of 1 MA/cm2 originate from the rearrangement of vacancies. The nature of the material changes from an insulator to a metal, i.e., metal-insulator transition, which is affected by the electric current and temperature. However, the metallic cubic phase of Ge2Sb2Te5 is first demonstrated by using an electric current of 1 MA/cm2, which differs significantly from the thermal annealing accompanying phase transition to a hexagonal phase. The final resistivity of Ge2Sb2Te5 varies according to the peak current density, regardless of the initial resistivity and temperature, which implies that the conductivity can be modulated by an electric current. Furthermore, a current-induced metal transition is more effective in GeSb4Te7 than Ge2Sb2Te5, which depends on the intrinsic vacancy of the materials. This work represents a possible side effect of device shrinkage, which increases the current density within the crystalline phase. Because only the active region, which is the limited zone near the heater, can be transformed into a liquid phase, the effect of atomic migration in non-active region is cumulative without recovery by melting. Resistivity changes in crystalline phases affect the reliability of the SET state of PcRAM devices, which becomes more significant in multi-level cell (MLC) devices. We believe that this work provides new insight regarding electrical reliability in the crystalline phase of chalcogenide, which offers the design rules and applications for reliable PcRAM devices. Scientifically, this work adds to the fundamental knowledge of the influence of electric currents on the crystalline phase of chalcogenide materials.

Reliability problems such as void formation have been reported in phase change random access memory (PcRAM), which originates from harsh operating conditions and high temperatures and current density. Previous research has examined the migration behavior of phase-change materials when induced by electric currents, while most studies of failure mechanisms haves only focused on liquid states. Crystalline phase have been considered a stable state for electric currents because the diffusivity of atoms in a liquid phase is much faster than that in a crystalline phase. Here, we observe the mechanism behaviors in crystalline chalcogenide materials, which noticeably degrade or upgrade the conductivity. A simple structure with a line shape is used for a model study to avoid the side effects from the structure and environment of the actual device. Three different behaviors with respect to the electric current are observed in crystalline Ge2Sb2Te5. The criteria for mechanism divergence include the resistivity behavior and evolution of voids. Continuous increase in the resistivity over tens of hours and nano-scaled voids are generated at a current density that ranges from 1 to 1.5 MA/cm2

this behavior is completely different from previous results regarding molten phase failure. This phenomenon develops from electromigration, because alternating (AC) bias cannot trigger this behavior. Localized melting that occurs at the defect site is induced by electromigration, and the molten phase becomes the void area

상변화 메모리(PcRAM)는 높은 온도 및 전류밀도라는 가혹한 동작 조건에 의해 재료 내부에 공동(void) 형성과 같은 심각한 신뢰성 문제가 존재한다. 전류밀도에 상변 화 물질에 미치는 영향에 대해 지금까지 많은 연구가 진행되어 왔지만 대부분의 파손기구에 관한 연구는 용융상에 한정되어 있다. 용융상 내의 원자의 확산은 결정상에 비해 매우 빠르게 이루어 지기 때문에 재료의 파손은 용융상에서 주도적으로 발생하고 결정상은 상대적으로 전류에 안정한 상으로 지금까지 알려져 왔다. 본 연구에서는 결정상 상변화 물질에서 발생하는 전류에 의한 전도도의 증가 또는 감소 현상을 최초로 발견하였고 선형 형태의 간단한 구조의 모사실험을 통해 실제 소자에서 발생할 수 있는 다양한 외적 요인을 배제 시켰다. 결정상 Ge2Sb2Te5 물질에 전류를 인가할 시 전류밀도에 따라 크게 3가지의 다른 현상이 발생한다. 이때의 기준은 재료의 저항 변화 양상과 공동의 형태를 들 수 있다. 결정상 Ge2Sb2Te5 물질에 약 1 ~ 1.5 MA/cm2의 전류 인가시 저항은 수십 시간동안 지속적으로 증가하고 내부에 나노 사이즈의 공동을 형성시키는 데, 이러한 현상은 기존에 보고된 용융상에서 발생하는 파손기구와는 확연히 다른 양상이다. 결정상에서 발생하는 열화현상은 전류에 의한 원자이동 (electro-migration)에 의한 것으로, 교류 전류 하에서는 본 현상이 발생하지 않는 것을 통해 확인이 가능하다. 원자이동에 의해 발생한 결함에서 국소적인 용융이 발생하게 되는데 이러한 용융상이 공동으로 형성된다. 이러한 현상을 결함 유도 용융 (defect-induced melting)이라고 한다. 지속적인 저항의 증가는 내부에 발생하는 나노 공동에 의해 발생한다. 1 MA/cm2 이하의 전류밀도 인가시 발생하는 저항의 감소는 재료 내부의 고유 공공(intrinsic vacancy)의 재배열에 기인 한다. 전류와 온도 모두 결정상 Ge2Sb2Te5의 물질 특성을 절연체에서 금속성으로 변화시키는 데 이를 금속-절연체 전이(metal-insulator transition) 라고 한다. 하지만 전류를 인가할 경우 금속성을 띄지만 면심 입방 구조를 유지하는 Ge2Sb2Te5를 최초로 얻을 수 있었으며, 이는 육방 밀집 구조로의 상변화를 수반하는 열에 의한 전이와는 매우 다른 현상이다. 전류에 의한 저항 감소는 가장 높은 전류밀도 (peak current density)에 의존하고 초기의 저항이나 온도와는 무관하게 결정된다. 또한 전류에 의한 본 변화는 고유 공공 농도가 다른 GeSb4Te7와 Ge2Sb2Te5에서 다르게 발생하는 데, 이를 통해 본 현상이 고유 공공에 의존하여 발생함을 확인할 수 있다. 본 연구는 소자가 작아질수록 결정상에 흐르는 전류가 높아질 경우 발생 가능한 새로운 형태의 문제를 시사한다. 상변화 메모리에서 상변화가 발생하는 부분은 하부 전극과 맞닿은 일부의 영역에 한정된다. 따라서 상변화가 발생하지 않는 영역에서는 용융에 의한 회복이 없기 때문에 전류에 의한 영향이 계속해서 누적된다. 결정상에서의 저항의 변화는 SET 상태의 신뢰성과 매우 밀접한 관계를 가지고 있으며 다중 레벨 셀 (multi level cell)로 변화하는 현재 추세에 따라 더욱 중요해질 것으로 생각된다. 본 연구는 결정상 상변화 물질에서 발생하는 전기적인 불안정성에 관한 기준을 처음으로 규명함으로써 높은 신뢰성을 위한 상변화 메모리 소자의 설계 규칙 (design rule) 및 새로운 형태의 소자로의 응용 가능성을 제시하였다.