タンタル酸化物を用いたアナログ抵抗変化型メモリの動作メカニズム解明

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本年度は、タンタル(Ta)酸化物のフォーミングおよび抵抗変化現象に対して、ジュール熱が与える影響を、実験およびシミュレーション解析の両面的なアプローチで調べた。まず、赤外線発熱解析装置を用いて、Pt/TaOx/Ta2O5/Pt素子のフォーミングおよび抵抗変化時の素子表面の温度分布マッピングを行い、局所的なジュール熱による温度上昇を実際に観測した。また、フォーミングおよび抵抗変化動作を通じて、発熱箇所はほとんど変化しないことを確認した。さらに、温度上昇の過渡特性の評価から、局所最高温度の時間変化は、電力(電流電圧の積)の時間変化の概形とほぼ一致することを示した。次に、実験で作製したPt/TaOx/Ta2O5/Pt素子と同じ構造を設定し、高抵抗化時の温度分布、電位分布、酸素空孔濃度分布およびその時間発展の連成シミュレーションを行った。温度分布、電位分布、酸素空孔濃度分布は、それぞれ熱方程式、電流連続方程式、ドリフト拡散方程式を用いて計算した。この際、導電率と活性化エネルギーの関係等を束縛条件として、過去の自身の研究結果[1]を参考に決定した。シミュレーションから得られた高抵抗化時の電流電圧特性および素子の最高表面温度は、赤外線発熱解析装置を用いて実験的に評価した表面温度分布から得られた結果と整合することを示した。また、酸素空孔濃度分布の時間変化から、電界ドリフトが酸素空孔輸送の支配的な駆動力であることを明らかにした。[1] T. Miyatani et al. Jpn. J. Appl. Phys. 58, 090914 (2019).