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2017 年度 実績報告書

人工ニューロン開発を目指したその場TEM法による抵抗変化メモリ回路動作の研究

研究課題

研究課題/領域番号 16H04339
研究機関北海道大学

研究代表者

有田 正志  北海道大学, 情報科学研究科, 准教授 (20222755)

研究分担者 高橋 庸夫  北海道大学, 情報科学研究科, 教授 (90374610)
福地 厚  北海道大学, 情報科学研究科, 助教 (00748890)
研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2019-03-31
キーワード抵抗変化メモリ / 電子顕微鏡 / 電子・電気材料 / 電子デバイス・機器 / ナノ材料
研究実績の概要

H29年度には,主には2層CBRAM(導電フィラメント型ReRAM)のフィラメント動作について調べるとともに,TEM内CBRAM回路研究を念頭においた,ナノ電極間に形成した平面型Cu/WOx/Cu,Ag/WOx/Ptデバイスのスイッチ動作を調査した.これらの結果を国内外の学会で発表した.これに加えて,TEMその場観察研究に関する招待レビュー講演をNVMTS,応用物理学会講演会において行った.また,H30年度の研究進展を念頭において,ナノ伝道経路解析のための簡易型TEM-EBACシステム開発に着手した.

① 二層型ReRAM(Cu/MoOx/Al2O3)の評価:二層型デバイスの安定動作の原因を探るために積層型CBRAMの観察を行った.相補性CBRAM動作の解明には至らなかったが,メモリ書き込み時の導電フィラメント形成においてCuが一旦MoOx/Al2O3界面で析出し,その後Al2O3にフィラメントが形成されるということがわかった.この2段階過程によりデバイスへの急激な電力投入を抑えられ,安定動作に繋がることが解った.② 平面型ReRAM:抵抗変化においてTEM像で認識可能な構造変化と,認識困難なスイッチのあることわかった.スイッチに関わる電気抵抗変化には大幅な構造変化が必要ではなく,また観察可能なフィラメントの形成には電流が寄与すると考えられる.メモリ消去に関連するフィラメント破断に際しては,抵抗値が不安定になることが観測された.③ これらの結果を踏まえると,ナノメートルまたはそれ以下の変化が,メモリ現象に寄与すると考えられる.ReRAMスイッチ動作における電流経路変化を認識するための手法として電流像観察に注目し,TEM用の簡易型EBACシステムの開発に着手した.まだ数千倍程度の観察ではあるが,電流経路観察について一定の目処を得た.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

2層型CBRAMにおける安定動作の理由(2段階スイッチ)を明確化できた.また平面型CBRAMにおいては,斜め蒸着法によるナノ電極形成が可能になり,デバイス動作と微細構造の詳細な関連付けが可能になった.回路動作観察に向けての,TEM内回路の設計・リソグラフィパターン作製は終了しており,H30年度には実験の実施が可能である.数件の招待講演を行っており,当該研究についての認知を得た.いずれも予定通りの進捗状況である.

今後の研究の推進方策

当初の予定通りに推進する.①2層型CBRAM:FIB試料を用いて劣化機構について詳細な検討を行い,2層型ReRAMの特長を詳細に解明する.②平面型CBRAM:抵抗スイッチ直前・直後の電極近傍,フィラメント近傍のCuの振る舞いを検討し,多値・アナログメモリ特性と微細構造との関連性を明らかにする.③回路:平面型CBRAMを用いたネットワーク回路を作製して電気特性,フィラメント動作の相関を調査.④メモリスイッチに伴う電流経路の変化を検知するための簡易型EBACシステムを完成し,これを応用したReRAM研究を進める.⑤最終年度にあたり,研究成果を国内外の学会・国際会議で発表し,執筆論文としてまとめる.これらを通じて,研究成果を社会に還元する.

  • 研究成果

    (39件)

すべて 2018 2017

すべて 雑誌論文 (14件) (うち国際共著 1件、 査読あり 12件) 学会発表 (25件) (うち国際学会 11件、 招待講演 4件)

  • [雑誌論文] 単層Fe-MgF2グラニュラー薄膜を用いた単電子トランジスタの電気特性2018

    • 著者名/発表者名
      浅井佑基,本庄周作,瘧師貴幸,福地厚,有田正志,高橋庸夫
    • 雑誌名

      信学技報

      巻: 117 (ED2017-104) ページ: 1-6

  • [雑誌論文] Smooth Interfacial Scavenging for Resistive Switching Oxide via the Formation of Highly Uniform Layers of Amorphous TaOx2018

    • 著者名/発表者名
      A. Tsurumaki-Fukuchi, R. Nakagawa, M. Arita, Y. Takahashi
    • 雑誌名

      ACS Applied Materials and Interfaces

      巻: 10 ページ: 5609-5617

    • DOI

      10.1021/acsami.7b15384

    • 査読あり
  • [雑誌論文] EELS Analysis of Oxygen Scavenging Effect in a Resistive Switching Structure of Pt/Ta/SrTiO3/Pt2018

    • 著者名/発表者名
      A. Tsurumaki-Fukuchi, R. Nakagawa, M. Arita, Y. Takahashi
    • 雑誌名

      MRS Advances

      巻: -- ページ: 1-6

    • DOI

      10.1557/adv.2018.12

    • 査読あり
  • [雑誌論文] In-situ Electron Microscopy of Cu Movement in MoOx/Al2O3 Bilayer CBRAM During Cyclic Switching2017

    • 著者名/発表者名
      R. Ishikawa, S. Hirata1, A. Tsurumaki-Fukuchi, M. Arita,Y. Takahashi, M. Kudo, S. Matsumura
    • 雑誌名

      ECS Transactions

      巻: 80 ページ: 903-910

    • DOI

      10.1149/08010.0903ecst

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Observation of Conductive Filament in CBRAM at Switching Moment2017

    • 著者名/発表者名
      S. Muto, R. Yonesaka, A. Tsurumaki-Fukuchi, M. Arita, Y. Takahashi
    • 雑誌名

      ECS Transactions

      巻: 80 ページ: 895-902

    • DOI

      10.1149/08010.0895ecst

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Evaluation of Coupled Triple Quantum Dots with Compact Device Structure2017

    • 著者名/発表者名
      Y. Takahashi, T. Uchida, A. Tsurumaki-Fukuchi, M. Arita, A. Fujiwara
    • 雑誌名

      ECS Transactions

      巻: 80 ページ: 173-180

    • DOI

      10.1149/08004.0173ecst

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 電子デバイスの透過電子顕微鏡オペランド解析と応用―電子顕微鏡によるその場観察―2017

    • 著者名/発表者名
      高橋庸夫,有田 正志
    • 雑誌名

      応用物理学会薄膜・表面物理分科会 NEWS LETTER

      巻: 158 ページ: 45-53

  • [雑誌論文] ReRAM Switching in Planar-Type Structures of Ag/WOx/Pt Studied by in-Situ TEM2017

    • 著者名/発表者名
      S. Sakai, S. Muto, A. Tsurumaki-Fukuchi, M. Arita, Y. Takahashi
    • 雑誌名

      Proc. 29th Internat. Microproc. Nanotechnol. Conf. (MNC 2017)

      巻: -- ページ: 1-2 (7A-3-1)

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Single Electron Transistor Characteristics of Fe-MgF2 Single-Layer Granular Films2017

    • 著者名/発表者名
      Y. Asai, S. Honjo, A. Tsurumaki-Fukuchi, M. Arita, Y. Takahashi
    • 雑誌名

      Proc. 29th Internat. Microproc. Nanotechnol. Conf. (MNC 2017)

      巻: -- ページ: 1-2 (7A-2-3)

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Realization of Analog Memory Using Ta2O5 Based ReRAM for the Application of Neural Network2017

    • 著者名/発表者名
      Y. Li, R. Katsumura, M. K. Gronroos, A. Tsurumaki-Fukuchi, M. Arita, H. Andoh, T. Morie, Y. Takahashi, S. Samukawa
    • 雑誌名

      Proc. 14th Internat. Conf. Flow Dynamics (ICFD2017)

      巻: -- ページ: 1-2 (CRF25)

    • 査読あり
  • [雑誌論文] In-situ Observation of Cu Residuals in Resistance Switching Failure of MoOx/Al2O3 CBRAM2017

    • 著者名/発表者名
      M. Arita, R. Ishikawa, S. Hirata, A. Turumaki-Fukuchi, Y. Takahashi
    • 雑誌名

      Ext. Abst. 2017 Internat. Conf. Sol. Stat. Dev. Mater. (SSDM2017)

      巻: -- ページ: 39-40

    • 査読あり
  • [雑誌論文] RRAM Device Operation Investigated using In-situ TEM2017

    • 著者名/発表者名
      M. Arita, A. Tsurumaki-Fukuchi, Y. Takahashi
    • 雑誌名

      Proc. Non-Volatile Memory Technology Symposium 2017 (NVMTS2017)

      巻: -- ページ: 34-35

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Evaluation of Multilevel Memory Capability of ReRAM Using Ta2O5 Insulator and Different Electrode Materials2017

    • 著者名/発表者名
      Y. Li, R. Katsumura, M. K. Gronroos, A. Tsurumaki‐Fukuchi, M. Arita, H. Andoh, T. Morie, Y. Takahashi
    • 雑誌名

      Proc. 2017 Silicon Nanoelectronics Workshop (SNW 2017)

      巻: -- ページ: 85-86

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Associative Search Using Pseudo-Analog Memristors2017

    • 著者名/発表者名
      M. Laiho, M. Gronroos, J. H. Poikonen, E. Lehtonen, R. Katsumura, A. T.-Fukuchi, M. Arita, Y. Takahashi
    • 雑誌名

      Proc. 2017 IEEE Internat. Symp. Circuits & Systems (ISCAS-2017)

      巻: -- ページ: 29-30

    • DOI

      10.1109/ISCAS.2017.8050986

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 固相エピタキシャル成長法による常圧成長Ca2RuO4薄膜の伝導特性2018

    • 著者名/発表者名
      安田将太,福地厚,有田正志,高橋庸夫
    • 学会等名
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 酸素欠陥を導入したTa2O5-δ抵抗変化型多値メモリ特性の検討2018

    • 著者名/発表者名
      李遠霖,勝村玲音,Mika Gronroos,福地厚,有田正志,高橋庸夫,安藤秀幸,森江隆
    • 学会等名
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] CBRAMの動作不安定性に関するTEMその場観察2018

    • 著者名/発表者名
      武藤恵,酒井慎弥,福地厚,有田正志,高橋庸夫
    • 学会等名
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 電気特性評価用TEMその場観察システムの開発と応用2018

    • 著者名/発表者名
      有田正志,高橋庸夫
    • 学会等名
      第3回分析TEMユーザーズミーティング
    • 招待講演
  • [学会発表] 単層Fe-MgF2グラニュラー薄膜を用いた単電子トランジスタの電気特性2018

    • 著者名/発表者名
      浅井佑基,本庄周作,瘧師貴幸,福地厚,有田正志,高橋庸夫
    • 学会等名
      電子情報通信学会電子デバイス研究会
  • [学会発表] 固相エピタキシャル成長法による金属性Ca2RuO4薄膜の作製2018

    • 著者名/発表者名
      安田将太,福地厚,有田正志,高橋庸夫
    • 学会等名
      第53回応用物理学会北海道支部学術講演会
  • [学会発表] 反応性スパッタ法により作製したTiOx系ReRAMの多値特性2018

    • 著者名/発表者名
      福本 泰士,有田 正志,福地 厚,高橋 庸夫
    • 学会等名
      第53回応用物理学会北海道支部学術講演会
  • [学会発表] ナノギャップ型抵抗変化メモリにおけるギャップ間金属移動の動的観察2017

    • 著者名/発表者名
      武藤恵,酒井慎弥,福地厚,有田正志,高橋庸夫
    • 学会等名
      日本顕微鏡学会北海道支部学術講演会
  • [学会発表] Investigations on Oxygen Scavenging Effect at Metal/Oxide Interfaces for Reliable Memory Applications2017

    • 著者名/発表者名
      R. Nakagawa, A. Tsurumaki-Fukuchi, M. Arita, Y. Takahashi
    • 学会等名
      2017 MRS Fall Meeting & Exhibit
    • 国際学会
  • [学会発表] ReRAM Switching in Planar-Type Structures of Ag/WOx/Pt Studied by in-Situ TEM2017

    • 著者名/発表者名
      S. Sakai, S. Muto, A. Tsurumaki-Fukuchi, M. Arita, Y. Takahashi
    • 学会等名
      29th Internat. Microproc. Nanotechnol. Conf. (MNC 2017)
    • 国際学会
  • [学会発表] Single Electron Transistor Characteristics of Fe-MgF2 Single-Layer Granular Films2017

    • 著者名/発表者名
      Y. Asai, S. Honjo, A. Tsurumaki-Fukuchi, M. Arita, Y. Takahashi
    • 学会等名
      29th Internat. Microproc. Nanotechnol. Conf. (MNC 2017)
    • 国際学会
  • [学会発表] Realization of Analog Memory Using Ta2O5 Based ReRAM for the Application of Neural Network2017

    • 著者名/発表者名
      Y. Li, R. Katsumura, M. K. Gronroos, A. Tsurumaki-Fukuchi, M. Arita, H. Andoh, T. Morie, Y. Takahashi, S. Samukawa
    • 学会等名
      14th Internat. Conf. Flow Dynamics (ICFD2016)
    • 国際学会
  • [学会発表] In-Situ Electron Microscopy of Cu Movement in MoOx/Al2O3 Bilayer CBRAM during Cyclic Switching Process2017

    • 著者名/発表者名
      R. Ishikawa, S. Hirata, A. Tsurumaki-Fukuchi, M. Arita, Y. Takahashi, M. Kudo, S. Matsumura
    • 学会等名
      232nd ECS Meeting
    • 国際学会
  • [学会発表] Observation of Conductive Filament in CBRAM at Switching Moment2017

    • 著者名/発表者名
      S. Muto, R. Yonesaka, A. Tsurumaki-Fukuchi, M. Arita, Y. Takahashi
    • 学会等名
      232nd ECS Meeting
    • 国際学会
  • [学会発表] Evaluation of Coupled Triple Quantum Dots with Compact Device Structure2017

    • 著者名/発表者名
      Y. Takahashi, T. Uchida, A. Tsurumaki-Fukuchi, M. Arita, A. Fujiwara
    • 学会等名
      232nd ECS Meeting
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] In-situ Observation of Cu Residuals in Resistance Switching Failure of MoOx/Al2O3 CBRAM2017

    • 著者名/発表者名
      M. Arita, R. Ishikawa, S. Hirata, A. Turumaki-Fukuchi, Y. Takahashi
    • 学会等名
      2017 Internat. Conf. Sol. Stat. Dev. Mater. (SSDM 2017)
    • 国際学会
  • [学会発表] Fe-MgF2グラニュラー膜における単電子トランジスタ特性の評価2017

    • 著者名/発表者名
      浅井佑基,本庄周作,福地,有田正志,高橋庸夫
    • 学会等名
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] ナノスケールReRAM/CBRAMデバイスのIn-situ TEM解析2017

    • 著者名/発表者名
      高橋庸夫,福地厚,有田正志
    • 学会等名
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] Ag/WOx/Pt平面型抵抗変化メモリのTEMその場観察2017

    • 著者名/発表者名
      酒井慎弥,武藤恵,福地厚,有田正志,高橋庸夫
    • 学会等名
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 金属/酸化物接合における界面金属層による酸素欠陥生成効果の評価2017

    • 著者名/発表者名
      中川良祐,福地厚,有田正志,高橋庸夫
    • 学会等名
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] RRAM Device Operation Investigated using In-situ TEM2017

    • 著者名/発表者名
      M. Arita, A. Tsurumaki-Fukuchi, Y. Takahashi
    • 学会等名
      Non-Volatile Memory Technol. Symp. 2017 (NVMTS2017)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Evaluation of Multilevel Memory Capability of ReRAM Using Ta2O5 Insulator and Different Electrode Materials2017

    • 著者名/発表者名
      Y. Li, R. Katsumura, M. K. Gronroos, A. Tsurumaki‐Fukuchi, M. Arita, H. Andoh, T. Morie, Y. Takahashi
    • 学会等名
      2017 Silicon Nanoel. Workshop (SNW-2017)
    • 国際学会
  • [学会発表] In-situ TEM法によるMoOx/Al2O3 抵抗変化メモリのデバイス劣化観察2017

    • 著者名/発表者名
      石川竜介,平田周一郎,福地厚,有田正志,高橋庸夫
    • 学会等名
      日本顕微鏡学会 第73回学術講演会
  • [学会発表] Associative Search Using Pseudo-Analog Memristors2017

    • 著者名/発表者名
      M. Laiho, M. Gronroos, J. H. Poikonen, E. Lehtonen , R. Katsumura, A. T.-Fukuchi, M. Arita, Y. Takahashii
    • 学会等名
      2017 IEEE Internat. Symp. Circuits & Systems (ISCAS-2017)
    • 国際学会
  • [学会発表] 次世代半導体メモリ実現に向けたTEMその場観察を用いた故障メカニズム解析法の確立2017

    • 著者名/発表者名
      工藤昌輝,松村晶,宮崎宣幸,遠堂敬史,大多亮,有田正志,福地厚,高橋庸夫
    • 学会等名
      日本顕微鏡学会 第73回学術講演会

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公開日: 2018-12-17  

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