2019 Fiscal Year Research-status Report
抵抗変化メモリの超高感度センサー応用 -金属酸化物における新規励起過程の探索-
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19K04476
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
木下 健太郎 東京理科大学, 理学部第一部応用物理学科, 准教授 (60418118)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 抵抗変化メモリ / 金属酸化物薄膜 / 素励起 / セレクタ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，金属酸化物(MO)膜内の環境変化に敏感な抵抗変化メモリ(ReRAM)の酸素欠陥フィラメントを高感度のセンサーとして利用する新たな欠陥検出手法を確立し，同手法により，申請者がReRAMの抵抗スイッチング現象の根底にあると考える新規励起過程の存在を検証することにある．ReRAMへの光照射の影響を調査するため, 透明電極材料であるSnドープIn2O3 (ITO)を電極とするReRAM素子の作製を目指し, 試作を重ねた.不揮発性の抵抗スイッチングを示す素子の作製は難航したが, 一連の実験の中で, Pt/CoO/ITO構造において, セレクタ動作が確認された. 即ち, 印加電圧が一定の閾値に達すると抵抗値が急激に低抵抗に切り替わり, 電圧の解除と同時に元の高抵抗に復帰する揮発性の抵抗スイッチングが確認された. ReRAMの高集積化に対する高い適合性を最大限に活用するためのアレイ構造に, クロスポイントアーキテクチャがある. この構造の採用には, メモリ素子に直列に接続され, スイッチとして機能するセレクタデバイスの開発が急務となっている. この様な状況を踏まえると, 製造上有利な単純なサンドウィッチ構造で実現された本セレクタの性能を一刻も早く明らかにする必要があり, 当初の目的からスコープがやや外れることを考慮に入れても, 優先的に取り組むべき喫緊の課題であると判断した. 結果的に, Pt/CoO/ITO構造のセレクタ特性は, 既に提案されている他のセレクタ素子の中でも特に優れているOTS (Ovonic Threshold Switch)と比較しても, 引けを取らないことが明らかになって来た. 本成果はApplied Physics Lettersにて発表された.
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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
抵抗変化メモリの高密度化を実現する最も有効なアレイ構造が, 直行する配線の交点にメモリを配置したクロスポイント構造であるが, この構造には非選択のセルを流れる迂回電流, スニークパス電流が存在し，正常動作が阻害される. そのため, 各メモリにスイッチの役割を果たすセレクタを直列接続する必要がある. 従来のセレクタは, 相転移や導電性フィラメントの形成/断裂等, 主に原子移動やイオンの拡散による抵抗変化を利用するため, 動作前後における系の再現性が低く, 動作電圧Vth等の主要パラメータにばらつきを生じ易い. また, 本質的に準安定相の共存に起因するリークエラーが生じ易い. 更に, セレクタ動作を得るために, 初期段階において, 安定動作時の1.5～7倍の電圧印加が必要である. 本研究において, 当初不揮発性の抵抗変化現象が生じることを見込んで作製されたPt/CoO/ITO構造において,セレクタ動作が確認されたことから, 前述の社会的状況を考え, 急遽セレクタ素子の性能評価を進めることを決断した. Pt/CoO/ITO構造は初回から安定したスイッチング動作を示し, 正負の電圧極性で対照的なスイッチング特性が確認された. 閾値電圧の相対標準偏差は約2 %と見積もられた. 原子移動をベースとしたセレクタにおいて報告されている相対標準偏差は1～20 %であることから, 最も優れた報告値と同等にばらつきが抑制されていることが分かる. 更に, スイッチング速度は50 ns以下と極めて高速であることも確認された. これらの高性能は, クロスポイント構造設計を容易にし, 製品化に有利である. 研究が予期せぬ方向へと向かったことは否めないが, その社会的インパクトの大きさを鑑みれば, 進捗は順調であると言える.
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究で確認されたセレクタ効果は極めて高性能であり, 次世代セレクタ素子の本命となり得ることから, 引き続き, セレクタ効果の研究に取り組ませて頂きたい. 再現性, 性能評価, 制御パラメータの特定を進め, セレクタの設計指針を明確にする. 本セレクタ素子における不揮発性抵抗スイッチングの機構解明も進める必要がある. その抵抗スイッチング機構は, ReRAMにおける抵抗スイッチング機構と何らかの相関を持つと考えられることから, 当初解明を目的としていた金属酸化物における新規素励起の存在と関連している可能性がある.
Pt/CoO/ITO構造が優れたセレクタ特性を示す一方, Pt/CoO/Pt構造はReRAMとして不揮発メモリ動作することから, 両構造の分析を進め, ITO電極の役割を明らかにする必要がある.
p型半導体であるCoOを, NiO等, 他のp型半導体に変更することでセレクタ特性がどの様な変化を示すか, TiO2等のn型半導体に変更した場合, ZnO等, イオン性の高い酸化物に変更した場合についてはどうか, 材料パラメータとセレクタ特性の関係を系統的に明らかにすることで, セレクタ特性の制御と機構解明に繋げたい. セレクタ素子内部におけるフィラメントの存在の有無についても調査を進める.
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| Causes of Carryover |
研究が予想外の展開を見せたことから, 必要な機器, 物品を改めて精査する必要が生じたため, 2019年度は次年度へ向けて研究費の使用を抑えた. 次年度は, 残額を次年度予算と合わせ, デバイスの電気特性を精密評価するために必要な, チャンバーを具えた雰囲気制御型プローバの購入を検討している.
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Research Products
(3 results)
