2020 Fiscal Year Annual Research Report
ＭｎＴｅ薄膜の結晶間相変化メカニズムの解明およびその次世代不揮発性メモリへの応用
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19J21117
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
森 竣祐 東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2019-04-25 – 2022-03-31
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| Keywords | MnTe薄膜 / 多形転移 / 変位型相転移 / 熱応力 / 耐熱性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまではメモリ素子中における、MnTe薄膜の原子の僅かなズレによる多形転移、即ち変位型相転移がどのように生じるのかについては未解明であった。その解明のために、電極材料であるWとMnTeの多層膜を作製し、W層からの熱応力に伴うβ→α多形転移のメカニズムについて詳細に調査した。格子像の観察により、W/MnTe界面から多形転移が進行することを見出している。また、これはβ→β'→αの二段階の多形転移であり、それぞれの段階でPuckeringおよびBucklingと呼ばれる変位型相転移により進行することも分かった。つまり、W層からの熱応力などの機械的拘束が、MnTe薄膜の変位型多形転移に支配的な役割を果たすことが示唆された。
この様なMnTe薄膜のβ→α多形転移に関する速度論的な調査を行うため、示差走査熱量計を用いて熱分析を行ったところ、その活性化エネルギーは1.41eVと、薄膜におけるアモルファス→結晶相転移や、拡散型の多形転移に比べて明らかに低い値を示すことを見出している。これは、ランダムな原子の移動ではなく、変位型相転移により原子が僅かにずれるだけで、MnTe薄膜の多形転移が進行するためであると考えられる。更に、小澤法によりβ相の保持時間を見積もったところ、β相は194℃でも10年間安定に存在するという極めて高い耐熱性を示し、メモリ素子中でβ相を用いる場合でも十分な安定性であることが分かった。以上の様に、本年度は期待通りに研究が進展したと評価できる。
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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
本年度は、高分解能透過型電子顕微鏡観察により、機械的な拘束を伴うMnTe薄膜の多形転移について重要な知見を得た。原子スケールの観察により、原子のズレに伴うMnTeの多形転移に対し、W電極からの熱応力が重要な役割を担うことが明らかとなった。このような機械的拘束による影響の調査は、今後のメモリデバイス設計指針に貢献すると考えられる。また、熱分析の結果からも多形転移に伴う原子の運動が小さいことが定量的に示唆された。更に、β相の耐熱性は極めて高く、194℃でも10年間安定であり高温デバイスへの応用も可能であると考えられる。以上より、応力の影響および耐熱性という観点から、MnTe薄膜をメモリデバイス中で実用する上での有用な知見が得られたため、本年度の研究はおおむね順調に進展したと評価できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
MnTeを用いた不揮発性メモリ素子は、MnおよびTe原子の僅かなズレにより多形変化を生じ、高速かつ省エネルギーなメモリ動作を可能とする。この様な変位型相転移は、電極からの熱応力などの機械的拘束が重要な役割を担うことが示唆されている。したがって、この熱応力の定量的な評価と、それらの多形転移への影響を理解する必要がある。そこで、MnTe薄膜に様々な金属材料を積層して多形転移挙動を調査し、熱応力の依存性を評価する。スパッタリング法により得られた薄膜試料を、二端子熱処理炉によって加熱し、X線回折（XRD）により結晶構造変化を調査する。また、イオンミリング法や集束イオンビーム法（FIB法）を用いて試料を加工し、透過型電子顕微鏡（TEM）を用いてMnTe層の断面組織観察を行う。
メモリ動作に関しても、その素子構造によってMnTe層への機械的拘束の状態は変わると考えられる。よって、今までとは異なるメモリ素子構造を用いて、半導体パラメーターアナライザーにより、その特性（動作エネルギー、動作速度、サイズ依存性）評価する。また、今までの素子構造では400回程度に留まっていた、メモリ動作の耐久性の改善にも挑戦する。
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