2016 Fiscal Year Annual Research Report
A study of contact resistance between phase change material and electrode for next generation PCRAM
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15H04113
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
須藤 祐司 東北大学, 工学研究科, 准教授 (80375196)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 相変化メモリ / 不揮発性メモリ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、データ保持性に優れる高結晶化温度を持つ相変化材料(PCM)を開発すると共に、将来の微細相変化メモリ(PCRAM)セルの動作性能を左右するPCM/電極間の接触界面抵抗率ρcの定量的評価および電極材料依存性を決定する因子を解明する事を目的とし、本期間において以下の知見を得た。
1．耐熱性に優れる新しいタイプのPCMであるGeCu2Te3(GCT)について、GCTアモルファス/W電極間のρcに及ぼすGCTアモルファス表面クリーニングの影響を調査した。尚、本実験ではAr逆スパッタリングによりGCT表面をクリーニングした。その結果、クリーニング無しのGCT/W界面のρcは8.0×10＾-5 Ωcm＾2、一方で、クリーニング有りのGCT/W界面のρcは6.7×10＾-3 Ωcm＾2であり、クリーニング無しの場合はρcが二桁程度低い事が分かった。表面分析の結果、表面クリーニングをしない場合は、GCT表面にGe酸化物並びにその下層にCuリッチ層が形成されており、それら表面層の存在によりρcが低くなっていることが分かった。GCTメモリセルにおいて、アモルファス/結晶間の電気抵抗比を大きくする手法として、Ar逆スパッタリングによるGCT表面クリーニングが極めて有効であることが明らかとなった。
2．GeTeアモルファスの結晶化温度を上昇させる添加元素として、Cuのみならず、V、CrおよびNiが有効である事が分かった。特に、CrおよびVの添加は極めて有効であり、300℃以上の結晶化温度を実現する。ただし、GeTeへのそれら遷移金属の過剰な添加は、結晶化後の二相分離を招き、PCMとして適切ではないことが分かった。
3．また、Cr-Ge-Te三元化合物については、従来のPCMとは逆に、結晶の方がアモルファスよりも電気抵抗が高いといった特異な物性変化を示す事が分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
前年度は、Ｗ電極と相変化材料間の接触界面抵抗率および相変化に伴う接触界面抵抗変化について定量的に評価を行うと共に、相変化材料/電極界面の電子状態評価より、相変化材料の界面近傍のバンドベンディングのに及ぼす金属電極依存性について実験を行ってきた。それら知見を踏まえ、本年度では、接触界面抵抗に及ぼす相変化材料、特にGe-Cu-Te三元化合物の表面クリーニングの影響を調査し、Ａｒ逆スパッタリングにより、接触抵抗を制御できる事が分かった。この事は、表面クリーニングにより、実際のメモリセル抵抗比を制御できる事を意味する重要な知見となった。
また、Ge-Cu-Te化合物のHAXPES実験を詳細に解析する事により、Cuの内殻d電子が、アモルファス相の高い熱的安定性と高速相変化の重要な役割を担っていることが分かってきた。それら知見を基に、他の遷移金属元素の添加を試みた結果、期待通り結晶化温度の上昇を得た。これら知見は、将来の相変化材料創製の新たな指針となる。
以上のように、相変化材料/電極間の接触界面抵抗およびその相変化に伴う変化を定量的に明らかにし、また、新しい相変化材料の設計指針についても興味深い成果が得られており、当初の計画通りに進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度から引き続き、Ge-Cu-Te/電極間の接触界面抵抗に及ぼす金属電極材料の依存性について、接触界面抵抗の定量評価とHAXPES実験を通した界面における電子状態・化学結合状態を調査し、その影響因子を明らかにする。また、Ge-Cu-Teのみならず、新しく見出したCr-Ge-Te系PCMについても、接触界面抵抗を調査し、そのメモリ動作への影響について明らかにする。また、HAXPES実験やEXAFS実験を通して、それらPCMの相変化メカニズム、また、相変化による接触界面抵抗の変化について明らかにする。
また、メモリ動作について更なる検証を行い、繰り返し特性に及ぼす電極材料依存性についても引き続き評価を行う。更に、次世代微細メモリセルでは、隣接するセルへの熱擾乱の影響が懸念されており、Ge-Cu-TeやCr-Ge-Teといった優れた耐熱性を有するPCMの熱擾乱耐性やそれら熱擾乱耐性に及ぼす電極材料の依存性についても評価を検討する。
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