成果報告書詳細
管理番号20100000001250
タイトル*平成21年度中間年報 ナノエレクトロニクス半導体新材料・新構造ナノ電子デバイス技術開発 次世代相変化メモリ技術の研究開発
公開日2011/1/8
報告書年度2009 - 2009
委託先名独立行政法人産業技術総合研究所
プロジェクト番号
部署名電子・情報技術開発部
和文要約和文要約等以下本編抜粋:1. 研究開発の内容及び成果等
フラッシュメモリに替わる新しいデータストレージ用メモリとして、MRAM(磁気抵抗型メモリ)、RRAM(抵抗変化型メモリ)と共に、PCRAM(相変化型メモリ)の開発が急加速している。相変化型メモリの基礎となる材料は、1980年代後半から書き換え型光メモリに応用され、書き換え型CD(CD-RW)やDVD-RAM、DVD−RW に引き継がれ、昨今、同じ組成をもつ合金薄膜が固体メモリに転用され始めている。この材料は広くカルコゲン化合物あるいはカルコゲン合金と呼ばれ、Te を中心とした三元合金からなる代表的な組成はGe2Sb2Te5 合金で(以下GST225 と称す)、GeTe 合金とSb2Te3 合金の疑二元系合金である。また、これらの混合比率を変えたGST124、GST147 も有望な材料である。GST225 系は、1980年代後半に日本のパナソニックによって開発され、以来、書き換え型光ディスク材料として商品化された。現在、ブルーレイと呼ばれる光ディスクで書き換え型のものの大半はGST 系である。
GST 材料、特にGST225 系は光による繰り返し記録・消去回数が106 回、また、室温保存性も一億年と推定されている。光記録においては、記録および消去は固体レーザーをレンズで集光して記録膜を加熱溶融し、レーザーのパルスの長短に応じて変化する加熱および冷却速度を制御させ、融体を過冷却状態へ導きアモルファスとして固定する(記録)、また、レーザーパルスの強度を下げて結晶転移温度まで昇温して、結晶転移させる(消去)。光記録では、これらの二つの状態の屈折率変化を反射率に変換して0と1の情報を対応させるが、他方、PCRAM においては、レーザーパルスの代わりに電流パルスを用いて同様の操作を行い結晶とアモルファスでの抵抗値差をデータの0または1とする。GST 系材料は反射率では10%程度に満たないが、電気抵抗差は2−3桁に達し、材料応用としてはむしろ固体メモリ材料に向いている。しかし、GST 材料を用いる用いないに関わらず、結晶-アモルファス相転移
を用いるPCRAM においては、溶融にはジュール熱が必要であり、特に溶融時には温度を600℃以上まで加熱する必要があり、MRAM やRRAM に比較して消費電力が大きいことが実用化に向けた大きな課題であった。
2004年になって産総研の我々のグループが、GST 材料の結晶—アモルファス相転移現象を、軌道放射光施設を用いて構造解析している中で、必ずしも溶融状態を経ずとも相転移が発生しうる、という新しい相転移モデルを結果に基づいて提案した。本プロジェクトでは、この結晶-アモルファス相転移でない新規な相転移モデルを検証し、モデル材料・構造を実際に作製して、期待どおりに動作するのかを実証することが研究開発に中心課題となる。平成21年度は実際に新モデル構造を作製するための条件、類似相転移を示す新規超格子系の探索、およびデバイス内での発熱分布について、実験とシミュレーションによって確認実験を行った。
英文要約Title: Development of Nanoelectronic Device Technology Project, Research and Development on Advanced Phase-Change Memory Device (FY2009-FY2010) FY2009 Annual Report
Novel phase-change memory cells consisting of a superlattice structure were fabricated experimentally under a new switching model. In addition, the characteristics of the superlattice structures were estimated by local density approximation (LDA) at NVT ensembles. Chalcogenide alloys involving Te have highly been attractive for the materials in the next generation non-volatile solid-state memory (SSD), phase-change RAM (PCRAM). Especially, Ge-Sb-Te among them is the most important alloy, which has already been commercialized as recording materials in rewritable DVD or blu-ray disc. Ge-Sb-Te alloys are usually composed of binary alloys from GeTe and Sb2Te3, and Ge2Sb2Te5 is the most typical composition. In the project, we have developed a novel phase-change memory under a new model, in which Ge atoms switch between octahedral and tetrahedral bonds, resulting in a large electrical resistivity change as well as current PCRAM. In the year period, we actually fabricated several superlattice phase-change films with the same composition as a GST225 alloy experimentally, and estimated the physical characteristics during switching by the first principle computer simulation. The superlattice films were deposited at a high temperature by a multi-target helicon-wave-type RF sputtering machine, and the atomically controlled layers were alternatively deposited on a Si wafer. The superlattice film had a well-ordered multilayered structure with the c-axis normal to the deposition surface, which was confirmed by a high-resolution transmission electron microscope. In the computer simulation, on the other hand, the majority of Ge atomic valence showed octahedral (66%) by around the melting temperature of the bulk composite film, and taken over to tetrahedral at above the temperature. Due to the result, the validity of the new switching model was confirmed.
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