2020 Fiscal Year Annual Research Report
Two-terminal resistance change memory based on interface dipole modulation
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19H02178
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
宮田 典幸 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究主幹 (40358130)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
野平 博司 東京都市大学, 理工学部, 教授 (30241110)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 不揮発性メモリ / 界面ダイポール / 抵抗変化メモリ / 酸化膜 / X線励起光電子分光法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
界面ダイポール変調 (IDM: interface dipole modulation) 機構を組み込んだMIM (metal-insulator-metal) 型抵抗変化デバイスについて、当初の計画通り、(1) デバイス試作・評価と(2) スイッチング機構解明に関する研究を進めた。
(1)デバイス試作・評価では、微細デバイスの試作準備を開始し、加工や堆積のプロセス条件出しを完了した。また、昨年度に作製したIDM MIMデバイスから測定した電流-電圧特性の起源を理解するため、WKB近似のトンネル電流計算よりIDM効果による電流変化を見積り、IDMによる界面近傍のポテンシャル変化で測定結果を説明できることを確認した。さらに、IDM MIMデバイスのパルス応答特性を詳しく評価し、パルス電圧・幅依存性の解析から、これまでに報告されているMOSデバイス中のIDM構造に近い応答特性を有することを明らかにした。また、単純なIDM界面を組み込んだMOSキャパシタの容量-電圧測定およびHAXPES測定の結果を比較し、両者の結果が整合していることを実証した。多層型IDM-FETからは、ニューロモルフィック応用として有望な自己学習型シナプス動作のパルス制御にも成功した。
(2) スイッチング機構解明では、昨年度のMIMデバイスから取得したHAXPES測定結果の解析を進め、IDM効果によりHfO2/SiO2界面近傍でポテンシャル変化が起こることを示した。昨年度に判明した下部電極の薄膜化の問題を抑制した新しいMIMデバイスのHAXPES測定も行い、再現性を確認した。また、スペクトルのピークおよび半値幅の印加電圧依存性より、HAXPES測定下においても妥当な酸化膜のバンド変化が起こっていることを確認し、HAXPES測定がIDMによるポテンシャル変化を捉えていることを示した。
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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
当初の研究計画に沿って下記(１)および(２)に関する研究を進めているが、コロナ感染対策による出勤率制限や共用実験設備の利用制限の影響でデバイス試作に若干の遅れがある。ただし、その分、理論計算による抵抗変化機構の検討や、実験データのより詳しい解析が進んだため、概ね順調と判断した。
(1)デバイス試作・評価では、当初予定していた微細MIM (metal insulator metal) デバイス試作を通したIDM (interface dipole modulation) 抵抗変化の確認までは至らなかったが、デバイス試作に必要なプロセス条件をほぼ決定できているため、最低限の進捗を確保できたと考えている。一方、トンネル電流計算やパルス応答測定など、デバイス試作を必要としない研究では予想以上の進展があった。追加で行ったMOSキャパシタベースの研究では、容量-電圧測定とHAXPES測定結果の解析を丹念に進められた点も大きな進展であった。さらに、ニューロモルフィック応用を目指したアナログ動作評価では、シナプス学習を模倣したパルス制御に成功した点も大きな成果と言える。
(2) スイッチング機構解明では、昨年度に判明した下地電極の問題が解決され、HAXPES測定の再現性も確認できた点が大きな進展であった。また、HAXPES測定結果の解析も進み、期待していた電圧印加によるMIM中のバンド変化が起こっていることを確認できた点も満足できる進展であった。
以上の理由により、(1)と(2)の両方の課題において十分な進捗があったと判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和３年度は、前年度の実験結果を引き継いで、下記(１)および(２)の研究を進めることとする。
課題(１)「デバイス試作・評価」では、昨年度に構築した微細デバイスの試作条件を用いて、10um以細のメモリセルの動作確認を目指す。特にセルサイズ依存性に注目し、本研究で提案するIDM抵抗変化や整流機構と整合する面積依存性を示すかどうかの確認を行う。また、電極の仕事関数に着目し、電極材料が異なる場合の抵抗変化および整流作用の調査を行う。さらに、本年度のIDM FETのニューロモルフィック応用への結果も踏まえ、IDM MIMデバイスのニューロモルフィック応用の可能性も検討する。
課題(２)「スイッチング機構解明」では、これまでに測定したHAXPES結果の解析を進め、電気特性などと比較しつつ、HfO2/SiO2界面で起こるIDMを誘起する構造変化の同定を目指す。また、これまでのHAXPES実験の情報を補完する目的で、新しいMIMまたはMOS型デバイスの電圧印加HAXPES測定を検討する。
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