1561-5405 10.24151/1561-5405 Proceedings of Universities. Electronics Scientifical and technical journal "Proceedings of Universities. Electronics" Научно-технический журнал «Известия высших учебных заведений. Электроника» 1561-5405 2587-9960 National Research University of Electronic Technology Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" 10.24151/1561-5405-2021-26-3-4-214-225539.25: 620.187.3Electron Microscopy Studies of the Structure of Thin Epitaxial GeSbTe Layers Grown on Si(111) SubstrateЭлектронно-микроскопические исследования структуры тонких эпитаксиальных слоев GeSbTe, выращенных на подложке Si(111)Зайцева Юлия Сергеевна ЗайцеваЮлия Сергеевна SergeevnaZaytseva YuliyaZaytseva Yuliya SergeevnaБоргардт Николай ИвановичБоргардтНиколай ИвановичBorgardtNikolay I.Nikolay I. BorgardtПриходько Александр СергеевичПриходькоАлександр СергеевичPrikhodkoAlexander S.Alexander S. PrikhodkoZallo Eugenio ZalloEugenio EugenioZalloZallo EugenioCalarco Raffaella CalarcoRaffaella RaffaellaCalarcoCalarco RaffaellaНациональный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, РоссияМюнхенский технический университет, г. Гархинг, ГерманияИнститут микроэлектроники и микросистем, г. Рим, Италия214225http://ivuz-e.ru/issues/3-4-_2021/elektronno_mikroskopicheskie_issledovaniya_struktury_tonkikh_epitaksialnykh_sloev_gesbte_vyrashchenn/http://ivuz-e.ru/download/34_2021_2705.pdf

To create memory cells of new generation, epitaxial layers of GeSbTe (GST) material, with high crystalline perfection, and multilayered crystalline structures based on GeTe/SbTe superlattices grown on Si-wafers are of interest. This initiates the study of these and alike materials generation patterns, including with the involvement of molecular beam epitaxy. In this work, the structure of 13 nm thick layers of GST material, used to create phase-change memory cells was studied. These layers were grown on an Sb-passivated Si(111) substrate by molecular beam epitaxy. Research studies were carried out by transmission electron microscopy and electron diffraction analysis. Using high-resolution images of cross-sectional samples and diffraction patterns from planar thin foils, it was revealed that the layer consists of crystalline grains, mostly hexagonal, and in some local regions of the vacancy ordered cubic GST phase with the GST(0001) and GST(111) planes parallel to the Si(111). Based on an analysis of the moiré pattern appearing in bright-field electron microscopy images, it was found that the misorientation of the grains of the epitaxial layer around the Si(111) direction varies from 0 to 13.5º, and nearly 26 % of the surface area is almost non-rotated grains. Grains rotates within the angles from 0.2 to 2º occupy about 34 % of the layer surface area, from 2 to 8º occupy about 33 %, and the fraction of the area of grains rotated by more than 8º is close to 7 %. It has been found that as the rotation angle of the GST grains relative to the substrate increased, their average lateral size decreased from about 150 nm for non-rotated grains to 80 nm for grains rotated at an angle of more than 8º, and the average value of the rotation angle was approximately 2.6º. The data obtained on the grain structure of the epitaxial layer indicate that the relaxation of the misfit stresses of the crystal lattices of silicon and the GST material is provided both by the rotation of grains and, apparently, by the formation of misfit dislocations.

Для создания элементов памяти нового поколения представляют интерес эпитаксиальные слои GeSbTe (GST) с высоким кристаллическим совершенством, а также многослойные кристаллические структуры на основе сверхрешеток GeTe/SbTe, выращенные на кремниевых подложках. Это инициирует изучение закономерностей формирования подобных материалов, в том числе с применением метода молекулярно-пучковой эпитаксии. В работе исследована структура тонкого эпитаксиального слоя (толщиной 13 нм) GST, используемого для создания ячеек памяти на основе изменения фазового состояния вещества. Слои выращены на пассивированной сурьмой подложке Si(111) методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Исследования проведены методами просвечивающей электронной микроскопии и электронографического анализа с применением образцов поперечного и планарного сечений. Получены высокоразрешающие изображения образцов поперечного сечения, а также дифракционные картины от тонкой фольги планарного сечения и ее светлопольные микрофотографии. Выявлено, что слой состоит из кристаллически совершенных зерен в основном гексагональной фазы, а в некоторых локальных областях - из упорядоченной кубической фазы GST, базисные плоскости которой параллельны поверхности подложки. На основе количественного анализа муарового узора, возникающего на светлопольных электронно-микроскопических изображениях, установлено, что зерна, для которых плоскости GST( ) и Si(220) развернуты относительно друг друга вокруг направления роста в пределах 2°, занимают около 60 % площади поверхности эпитаксиального слоя, 26 % приходится на практически неразвернутые зерна. Доля площади зерен, разориентированных относительно подложки на углы от 2 до 8º, близка к 33 %, а на угол более 8º развернуты зерна, занимающие около 7 % площади слоя. Средний угол разворота равен примерно 2,6°. Средний оценочный размер неразвернутых зерен составляет около 150 нм и уменьшается по мере роста угла разворота относительно подложки. Выявленные закономерности зернистой структуры эпитаксиального слоя GST свидетельствуют об ориентирующем влиянии подложки Si(111) на его формирование.

фазовая памятьсистема Ge-Sb-Teэпитаксиальный слойподложка Si(111)просвечивающая электронная микроскопияэлектронографический анализработа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (тема АААА-А20-120071490069-9, соглашение № 075-03-2020-216, код 0719-2020-0018) с использованием оборудования ЦКП «Диагностика и модификация микроструктур и нанообъектов». Redaelli A. Phase change memory: Device physics, reliability and applications. Cham: Springer International Publishing AG, 2018. XVIII, 330 p. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-69053-7Lotnyk A., Behrens M., Rauschenbach B. Phase change thin films for non-volatile memory applications // Nanoscale Advances. 2019. Vol. 1. No. 10. P. 3836–3857. DOI: https://doi.org/10.1039/C9NA00366EInterfacial phase-change memory / R.E. Simpson, P. Fons, A.V. Kolobov et al. // Nature Nanotechnology. 2011. Vol. 6. No. 8. P. 501–505. DOI: https://doi.org/10.1038/nnano.2011.96Boschker J.E., Calarco R. Growth of crystalline phase change materials by physical deposition methods // Advances in Physics: X. 2017. Vol. 2. No. 3. P. 675–694. DOI: https://doi.org/10.1080/23746149.2017.1346483In situ observations of the reversible vacancy ordering process in Van der Waals-bonded Ge-Sb-Te thin films and GeTe-Sb2Te3 superlattices / A. Lotnyk, T. Dankwort, I. Hilmi et al. // Nanoscale. 2019. Vol. 11. P. 10838–10845. DOI: https://doi.org/10.1039/C9NR02112DElswijk H.B., Dijkkamp D., van Loenen E.J. Geometric and electronic structure of Sb on Si(111) by scanning tunneling microscopy // Physical Review B. 1991. Vol. 44. Issue 8. P. 3802–3809. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.44.3802Tailoring the epitaxy of Sb2Te3 and GeTe thin films using surface passivation / J. Momand, J.E. Boschker, R. Wang et al. // CrystEngComm. 2018. Vol. 20. Iss. 3. P. 340–347. DOI: https://doi.org/10.1039/C7CE01825HToward truly single crystalline GeTe films: the relevance of the substrate surface / R. Wang, J.E. Boschker, E. Bruyer et al. // Journal of Physical Chemistry C. 2014. Vol. 118. No. 51. P. 29724–29730. DOI: https://doi.org/10.1021/jp507183fSurface reconstruction-induced coincidence lattice formation between two-dimensionally bonded materials and a three-dimensionally bonded substrate / J.E. Boschker, J. Momand, V. Bragaglia et al. // Nano Letters. 2014. Vol. 14. No. 6. P. 3534–3538. DOI: https://doi.org/10.1021/nl5011492Epitaxial Ge2Sb2Te5 films on Si(111) prepared by pulsed laser deposition / I. Hilmi, E. Thelnader, P. Schumacher et al. // Thin Solid Films. 2016. Vol. 619. P. 81–85. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2016.10.028Nakaoka T., Satoh H., Honjo S., Takeuchi H. First-sharp diffraction peaks in amorphous GeTe and Ge2Sb2Te5 films prepared by vacuum-thermal deposition // AIP Advances. 2012. Vol. 2. P. 042189. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4773329Pulsed laser deposited GeTe-rich GeTe-Sb2Te3 thin films / M. Bouška, S. Pechev, Q. Simon et al. // Scientific Reports. 2016. Vol. 6. No. 1. P. 26552. DOI: https://doi.org/10.1038/srep26552Author correction: Modulation of Van der Waals and classical epitaxy induced by strain at the Si step edges in GeSbTe alloys / E. Zallo, S. Cecchi, J.E. Boschker et al. // Scientific Reports. 2018. Vol. 8. No. 1. P. 1–2.Research update: Van-der-Waals epitaxy of layered chalcogenide Sb2Te3 thin films grown by pulsed laser deposition / I. Hilmi, A. Lotnyk, J.W. Gerlach et al. // APL Materials. 2017. Vol. 5. Iss. 5. P. 050701. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4983403Sosso G.C., Caravati S., Mazzarello R., Bernasconi M. Raman spectra of cubic and amorphous Ge2Sb2Te5 from first principle // Physical Review B. 2011. Vol. 83. Iss. 13. P. 134201. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.83.134201Evolution of low-frequency vibrational modes in ultrathin GeSbTe films / E. Zallo, D. Dragoni, Y. Zaytseva et al. // Physica Status Solidi (RRL). 2021. Vol. 15. Iss. 3. P. 2000434. DOI: https://doi.org/10.1002/pssr.202170014Epitaxial formation of cubic and trigonal Ge-Sb-Te thin films with heterogeneous vacancy structures / I. Hilmi, A. Lotnyk, J.W. Gerlach et al. // Materials and Design. 2017. Vol. 115. P. 138–146. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.11.003Surface energy driven cubic-to-hexagonal grain growth of Ge2Sb2Te5 thin film / Y. Zheng, Y. Cheng, R. Huang et al. // Scientific Reports. 2017. Vol. 7. No. 1. P. 5915. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-017-06426-2Robust topological surface states in Sb2Te3 layers as seen from the weak antilocalization effect / Y. Takagaki, A. Giussani, K. Perumal et al. // Physical Review B. 2012. Vol. 86. No. 12. P. 125137. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.86.125137Andrieu S. Sb adsorption on Si<111> analyzed by ellipsometry and reflection high-energy electron diffraction: Consequences for Sb doping in Si molecular-beam epitaxy // Journal of Applied Physics. 1991. Vol. 69. No. 3. P. 1366–1370. DOI: https://doi.org/10.1063/1.347274Mayer J., Giannuzzi L.A., Kamino T., Michael J. TEM sample preparation and FIB-induced damage // MRS Bulletin. 2007. Vol. 32. Iss. 5. P. 400–407. DOI: https://doi.org/10.1557/mrs2007.63Role of vacancies in metal–insulator transitions of crystalline phase-change materials / W. Zhang, A. Thiess, P. Zalden et al. // Nature Materials. 2012. Vol. 11. P. 952–956. DOI: https://doi.org/10.1038/nmat3456STEM_CELL // (Quantum) e-Optics and TEM GROUP: [Web] / CNRNANO. URL: http://tem-s3.nano.cnr.it/?page_id=2 (accessed: 08.04.2020).Grillo V., Rotunno E. STEM_CELL: A software tool for electron microscopy: Part 1: Simulations // Ultramicroscopy. 2013. Vol. 125. P. 97–111. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2012.10.016Williams D.B., Carter C.B. Transmission electron microscopy. A textbook for materials science. New York: Springer US, 2009. LXII, 775 p. DOI: https://doi.org/10.1007/978-0-387-76501-3