Ge-rich GeSbTe alloys allowed overcoming temperature limitations of phase-change memory technology. In this paper, we present a thorough investigation of the structural evolution and the crystallization process of these alloys as a function of increasing temperature in annealing. We highlight the progressive rearrangement of the structure toward the demixing of Ge and GeSbTe phases. In particular, we show the stability of Sb–Te units and the development of Ge–Te bonds around these features. We observe the formation of a transient GeSbTe phase, which is driven by crystallization phenomena, leading to a gradual diffusion and expulsion of Ge. Therefore, the system moves toward the complete separation of Ge and Ge2Sb2Te5 stable phases. Furthermore, we investigate the effect of N-doping in Ge-rich GeSbTe, which induces the formation of Ge–N bonds. Such features are demonstrated to be responsible for a delayed structural reorganization to higher temperatures, thus affecting the entire process of crystallization and phase separation in the alloy.

1.
H.-Y.
Cheng
,
F.
Carta
,
W.-C.
Chien
,
H.-L.
Lung
, and
M. J.
BrightSky
,
J. Phys. D Appl. Phys.
52
,
473002
(
2019
).
4.
F.
Arnaud
,
P.
Zuliani
,
J. P.
Reynard
,
A.
Gandolfo
,
F.
Disegni
,
P.
Mattavelli
,
E.
Gomiero
,
G.
Samanni
,
C.
Jahan
,
R.
Berthelon
,
O.
Weber
,
E.
Richard
,
V.
Barral
,
A.
Villaret
,
S.
Kohler
,
J. C.
Grenier
,
R.
Ranica
,
C.
Gallon
,
A.
Souhaite
,
D.
Ristoiu
,
L.
Favennec
,
V.
Caubet
,
S.
Delmedico
,
N.
Cherault
,
R.
Beneyton
,
S.
Chouteau
,
P. O.
Sassoulas
,
A.
Vernhet
,
Y.
Le Friec
,
F.
Domengie
,
L.
Scotti
,
D.
Pacelli
,
J. L.
Ogier
,
F.
Boucard
,
S.
Lagrasta
,
D.
Benoit
,
L.
Clement
,
P.
Boivin
,
P.
Ferreira
,
R.
Annunziata
, and
P.
Cappelletti
, in
2018 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)
(
IEEE
,
San Francisco
,
CA
,
2018
), pp.
18.4.1
18.4.4
.
5.
P.
Cappelletti
,
R.
Annunziata
,
F.
Arnaud
,
F.
Disegni
,
A.
Maurelli
, and
P.
Zuliani
,
J. Phys. D Appl. Phys.
53
,
193002
(
2020
).
6.
G.
Navarro
,
G.
Bourgeois
,
J.
Kluge
,
A. L.
Serra
,
A.
Verdy
,
J.
Garrione
,
M.-C.
Cyrille
,
N.
Bernier
,
A.
Jannaud
,
C.
Sabbione
,
M.
Bernard
,
E.
Nolot
,
F.
Fillot
,
P.
Noe
,
L.
Fellouh
,
G.
Rodriguez
,
V.
Beugin
,
O.
Cueto
,
N.
Castellani
,
J.
Coignus
,
V.
Delaye
,
C.
Socquet-Clerc
,
T.
Magis
,
C.
Boixaderas
,
S.
Barnola
, and
E.
Nowak
, in
2018 IEEE International Memory Workshop (IMW)
(
IEEE
,
Kyoto
,
2018
), pp.
1
4
.
7.
A. V.
Kolobov
,
P.
Fons
,
A. I.
Frenkel
,
A. L.
Ankudinov
,
J.
Tominaga
, and
T.
Uruga
,
Nat. Mater.
3
,
703
(
2004
).
8.
A. V.
Kolobov
,
P.
Fons
, and
J.
Tominaga
,
Phys. Status Solidi B
246
,
1826
(
2009
).
9.
S.
Caravati
,
M.
Bernasconi
,
T. D.
Kühne
,
M.
Krack
, and
M.
Parrinello
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
171906
(
2007
).
10.
S.
Caravati
,
M.
Bernasconi
,
T. D.
Kühne
,
M.
Krack
, and
M.
Parrinello
,
J. Phys. Condens. Matter
21
,
255501
(
2009
).
11.
G. C.
Sosso
,
S.
Caravati
,
R.
Mazzarello
, and
M.
Bernasconi
,
Phys. Rev. B
83
,
134201
(
2011
).
12.
K.
Shportko
,
L.
Revutska
,
O.
Paiuk
,
J.
Baran
,
A.
Stronski
,
A.
Gubanova
, and
E.
Venger
,
Opt. Mater.
73
,
489
(
2017
).
13.
S.
Raoux
,
H.-Y.
Cheng
,
J.
Sandrini
,
J.
Li
, and
J.
Jordan-Sweet
, in
2011 11th Annual Non-Volatile Memory Technology Symposium Proceeding
(
IEEE
,
Shanghai
,
China
,
2011
), pp.
1
5
.
14.
P.
Zuliani
,
E.
Varesi
,
E.
Palumbo
,
M.
Borghi
,
I.
Tortorelli
,
D.
Erbetta
,
G. D.
Libera
,
N.
Pessina
,
A.
Gandolfo
,
C.
Prelini
,
L.
Ravazzi
, and
R.
Annunziata
,
IEEE Trans. Electron Devices
60
,
4020
(
2013
).
15.
P.
Zuliani
,
F.
Disegni
,
L.
Croce
, and
R.
Annunziata
, in
2019 IEEE 11th International Memory Workshop (IMW)
(
IEEE
,
Monterey
,
CA
,
2019
), pp.
1
4
.
16.
S.
Privitera
,
E.
Rimini
,
C.
Bongiorno
,
A.
Pirovano
, and
R.
Bez
,
Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. Sect. B Beam Interact. Mater. At.
257
,
352
(
2007
).
17.
I.
Yang
,
K.
Do
,
H.-J.
Chang
,
D.-H.
Ko
, and
H.
Sohn
,
J. Electrochem. Soc.
157
,
H483
(
2010
).
18.
L. W.-W.
Fang
,
R.
Zhao
,
M.
Li
,
K.-G.
Lim
,
L.
Shi
,
T.-C.
Chong
, and
Y.-C.
Yeo
,
J. Appl. Phys.
107
,
104506
(
2010
).
19.
D.
Yao
,
X.
Zhou
,
L.
Wu
,
Z.
Song
,
L.
Cheng
,
F.
Rao
,
B.
Liu
, and
S.
Feng
,
Solid-State Electron.
79
,
138
(
2013
).
20.
H. Y.
Cheng
,
J. Y.
Wu
,
R.
Cheek
,
S.
Raoux
,
M.
BrightSky
,
D.
Garbin
,
S.
Kim
,
T. H.
Hsu
,
Y.
Zhu
,
E. K.
Lai
,
E.
Joseph
,
A.
Schrott
,
S. C.
Lai
,
A.
Ray
,
H. L.
Lung
, and
C.
Lam
, in
2012 International Electron Devices Meeting
(
IEEE
,
San Francisco
,
CA
,
2012
), pp.
31.1.1
31.1.4
.
21.
V.
Sousa
,
G.
Navarro
,
N.
Castellani
,
M.
Coue
,
O.
Cueto
,
C.
Sabbione
,
P.
Noe
,
L.
Perniola
,
S.
Blonkowski
,
P.
Zuliani
, and
R.
Annunziata
, in
2015 Symposia on VLSI Technology
(
IEEE
,
Kyoto
,
2015
), pp.
T98
T99
.
22.
M.
Agati
,
F.
Renaud
,
D.
Benoit
, and
A.
Claverie
,
MRS Commun.
8
,
1145
(
2018
).
23.
M.
Agati
,
M.
Vallet
,
S.
Joulié
,
D.
Benoit
, and
A.
Claverie
,
J. Mater. Chem. C
7
,
8720
(
2019
).
24.
N.
Yamada
,
E.
Ohno
,
K.
Nishiuchi
,
N.
Akahira
, and
M.
Takao
,
J. Appl. Phys.
69
,
2849
(
1991
).
25.
I.
Friedrich
,
V.
Weidenhof
,
W.
Njoroge
,
P.
Franz
, and
M.
Wuttig
,
J. Appl. Phys.
87
,
4130
(
2000
).
26.
P.
Zuliani
,
E.
Palumbo
,
M.
Borghi
,
G.
Dalla Libera
, and
R.
Annunziata
,
Solid-State Electron.
111
,
27
(
2015
).
27.
K. S.
Andrikopoulos
,
S. N.
Yannopoulos
,
A. V.
Kolobov
,
P.
Fons
, and
J.
Tominaga
,
J. Phys. Chem. Solids
68
,
1074
(
2007
).
28.
P.
Němec
,
A.
Moreac
,
V.
Nazabal
,
M.
Pavlišta
,
J.
Přikryl
, and
M.
Frumar
,
J. Appl. Phys.
106
,
103509
(
2009
).
29.
R.
De Bastiani
,
A. M.
Piro
,
M. G.
Grimaldi
,
E.
Rimini
,
G. A.
Baratta
, and
G.
Strazzulla
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
241925
(
2008
).
30.
B. H.
Torrie
,
Solid State Commun.
8
,
1899
(
1970
).
31.
J.
Tominaga
and
N.
Atoda
,
Jpn. J. Appl. Phys.
38
,
L322
(
1999
).
32.
L.
Bo
,
S.
Zhi-Tang
,
Z.
Ting
,
F.
Song-Lin
, and
C.
Bomy
,
Chin. Phys.
13
,
1947
(
2004
).
33.
H.
Satoh
,
K.
Sugawara
, and
K.
Tanaka
,
J. Appl. Phys.
99
,
024306
(
2006
).
34.
D. A.
Baker
,
M. A.
Paesler
,
G.
Lucovsky
,
S. C.
Agarwal
, and
P. C.
Taylor
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
255501
(
2006
).
35.
M. A.
Paesler
,
D. A.
Baker
, and
G.
Lucovsky
,
J. Non-Cryst. Solids
354
,
2706
(
2008
).
36.
R.
Mazzarello
,
S.
Caravati
,
S.
Angioletti-Uberti
,
M.
Bernasconi
, and
M.
Parrinello
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
085503
(
2010
).
37.
K. S.
Andrikopoulos
,
S. N.
Yannopoulos
,
G. A.
Voyiatzis
,
A. V.
Kolobov
,
M.
Ribes
, and
J.
Tominaga
,
J. Phys. Condens. Matter
18
,
965
(
2006
).
38.
Z.
Xu
,
C.
Chen
,
Z.
Wang
,
K.
Wu
,
H.
Chong
, and
H.
Ye
,
RSC Adv.
8
,
21040
(
2018
).
39.
I.
Chambouleyron
and
A. R.
Zanatta
,
J. Appl. Phys.
84
,
1
(
1998
).
40.
P.
Kazimierski
,
J.
Tyczkowski
,
M.
Kozanecki
,
Y.
Hatanaka
, and
T.
Aoki
,
Chem. Mater.
14
,
4694
(
2002
).
41.
H.
Jamali
,
R.
Mozafarinia
, and
A.
Eshaghi
,
J. Alloys Compd.
646
,
360
(
2015
).
42.
H.
Jamali
,
R.
Mozafarinia
, and
A.
Eshaghi
,
Surf. Coat. Technol.
310
,
1
(
2017
).
43.
F.
Katsuki
,
K.
Hanafusa
,
M.
Yonemura
,
T.
Koyama
, and
M.
Doi
,
J. Appl. Phys.
89
,
4643
(
2001
).
44.
A. F.
Khan
,
M.
Mehmood
,
A. M.
Rana
, and
T.
Muhammad
,
Appl. Surf. Sci.
256
,
2031
(
2010
).
45.
Q.
Tao
,
N.
Chen
,
C.
Wang
,
M.
Dayan
,
Y.
Bai
, and
J.
Chen
,
Mater. Sci. Semicond. Process.
84
,
167
(
2018
).
46.
C.-Y.
Tsao
,
J. W.
Weber
,
P.
Campbell
,
P. I.
Widenborg
,
D.
Song
, and
M. A.
Green
,
Appl. Surf. Sci.
255
,
7028
(
2009
).
47.
F.
Fillot
,
C.
Sabbione
,
F.
Pierre
,
F.
Hippert
, and
P.
Noé
,
J. Appl. Crystallogr.
51
,
1691
(
2018
).
48.
B.
Liu
,
Z.
Song
,
T.
Zhang
,
J.
Xia
,
S.
Feng
, and
B.
Chen
,
Thin Solid Films
478
,
49
(
2005
).
49.
Y.
Kim
,
K.
Jeong
,
M.-H.
Cho
,
U.
Hwang
,
H. S.
Jeong
, and
K.
Kim
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
171920
(
2007
).
50.
K. B.
Borisenko
,
Y.
Chen
,
S. A.
Song
, and
D. J. H.
Cockayne
,
Chem. Mater.
21
,
5244
(
2009
).
51.
K.-H.
Kim
,
J.-C.
Park
,
J.-H.
Lee
,
J.-G.
Chung
,
S.
Heo
, and
S.-J.
Choi
,
Jpn. J. Appl. Phys.
49
,
101201
(
2010
).
52.
G.
Navarro
,
V.
Sousa
,
P.
Noe
,
N.
Castellani
,
M.
Coue
,
J.
Kluge
,
A.
Kiouseloglou
,
C.
Sabbione
,
A.
Persico
,
A.
Roule
,
O.
Cueto
,
S.
Blonkowski
,
F.
Fillot
,
N.
Bernier
,
R.
Annunziata
,
M.
Borghi
,
E.
Palumbo
,
P.
Zuliani
, and
L.
Perniola
, in
2016 IEEE 8th International Memory Workshop (IMW)
(
IEEE
,
Paris
,
France
,
2016
), pp.
1
4
.
53.
E.
Nolot
,
C.
Sabbione
,
W.
Pessoa
,
L.
Prazakova
, and
G.
Navarro
,
Appl. Surf. Sci.
536
,
147703
(
2021
).
54.
P.
Jóvári
,
I.
Kaban
,
J.
Steiner
,
B.
Beuneu
,
A.
Schöps
, and
A.
Webb
,
J. Phys. Condens. Matter
19
,
335212
(
2007
).
55.
P.
Jóvári
,
I.
Kaban
,
J.
Steiner
,
B.
Beuneu
,
A.
Schöps
, and
M. A.
Webb
,
Phys. Rev. B
77
,
035202
(
2008
).
56.
H. R.
Philipp
,
J. Non-Cryst. Solids
8–10
,
627
(
1972
).
57.
A.
Debunne
,
K.
Virwani
,
A.
Padilla
,
G. W.
Burr
,
A. J.
Kellock
,
V. R.
Deline
,
R. M.
Shelby
, and
B.
Jackson
,
J. Electrochem. Soc.
158
,
H965
(
2011
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.