成果報告書詳細
管理番号20120000001156
タイトル平成21年度~平成23年度成果報告書 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 ナノギャップ不揮発性メモリ技術の研究開発(1)
公開日2012/11/22
報告書年度2009 - 2011
委託先名国立大学法人京都大学
プロジェクト番号P09002
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約件名:平成21年度~平成23年度成果報告書 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/ナノギャップ不揮発性メモリ技術の研究開発 
近年、ナノメータースケールの間隙を有する2つの金属電極(ナノギャップ電極)の間に電圧を加えると、電極間の抵抗値が入力電圧波形に依存して3~5桁変化する現象、すなわちナノギャップスイッチ(以下NGSと略する)現象が見出された。この抵抗スイッチング現象は、不揮発性メモリに応用可能であり、その構造が極めて単純化されることを特徴としており、従来の半導体デバイスにおける種々の理論的・技術的障壁を打ち破ることが可能な、超稠密不揮発性メモリとなることが期待されている。本プロジェクトでは、NGS現象を利用する集積化不揮発性メモリを開発することを目指して、(i) 平面先鋭型金属ナノギャップ素子およびその基本特性評価技術の開発、(ii) 金属ナノギャプメモリ・デバイスの研究開発、(iii) 高性能メモリ金属ナノギャップ素子の研究開発の3つの研究開発テーマを、京都大学、(株)船井新応用技術研究所および産業技術総合研究所の3機関が連携して実施した。京都大学では、ナノギャップ領域が極限的に微細化してもNGSメモリ動作することを検証するとともに、スイッチングにおける電極ギャップ部の構造および電気特性変化を捉えるために「平面先鋭型金属ナノギャップ素子およびその基本特性評価技術の開発」を実施した。
 平面先鋭型金属ナノギャップ素子は、狭窄化した領域が局所的であることから、スイッチングがギャップ部分に限定され(単接合型)、また、ギャップ部分でも比較的高低差の小さな構造であるため、NGSの動作機構解明のための原子間力顕微鏡(AFM)による高分解能構造評価に適した構造となっている。本プロジェクトでは、作製工程の最適化等により、ギャップ長5nm、ギャップ幅10nmの電極を有する平面先鋭型の単接合NGS素子を開発することに成功した。一方、NGS動作のためには、素子の電極間隔は適正な値以下になっている必要があり、フォーミング処理と呼ばれるギャップ調整処理が求められるが、この過程で引き起こされるギャップ構造変化を、ギャップ部評価の障害にならないよう十分抑制することにも成功した。こうした素子について、フォーミングおよびスイッチング前後のPt-NGS素子の局所構造・電気特性の変化を、その場で計測できるAFM測定装置を用いて評価を行い、スイッチング前後でのギャップ長の微視的変化を捉えるとともに、ギャップ先端の移動を示唆する結果を得た。さらに、フォーミング過程の最終工程では、両電極先端部に100 nm程度以下の構造変化が生じることがあるが、その後の数100回のNGSスイッチングにおいては、ギャップ構造にはこのような大きな変化は確認されなかった。また、単接合型NGS素子でも書き換え耐性1万回を確認した。
英文要約Title: Development of Nanoelectronic Device Technology, Development of Nanogap Nonvolatile Memory Technology (FY2009-2011) Final Report
 Recently a new resistance switching phenomenon, referred to as nanogap switch (NGS) effect, was found. When an applied voltage between two metallic electrodes with the gap distance of a few nanometers exceeds a certain threshold voltage, the gap resistance discontinuously, drastically changes by 3-5 orders of magnitude. The resistance change also strongly depends on the applied waveform. The effect can be directly applied to a new nonvolatile memory with an extremely simple structure, which is expected to be a promising candidate for a super-high-density integrated memory device, overcoming various theoretical and technical barriers in the present semiconducting devices. The aim of this project is to develop a nonvolatile integrated memory device (megabit class) based on the NGS effect by conducting the following three project themes; (1) Fabrication of metallic NGS devices with planar, tip-shaped electrodes and their structural and electrical evaluation on a nanometer scale, (2) Development of vertical type NGS devices, the evaluation of their characteristics and the evaluation of NGS memory array, (3) Improvement of the nanogap device characteristics, reduction in the switching current and the threshold voltage. The project has been carried out by the collaboration of Funai Electric Advanced Applied Technology Research Institute Inc. (FEAT), National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) and Kyoto University. Kyoto University has conducted the first theme (i) to clarify a local structural and electrical change of the nanogap by the resistance switching (NGS).
 Since the planar, tip-shaped NGS device has a well-defined gap region, i.e. tunneling region and also has a gap structure with a relatively low height, it is suitable structure for high-resolution investigation by atomic force microscopy (AFM). We succeeded in fabricating a NGS device with a gap distance of 5 nm and a gap width of 10 nm by optimizing the fabrication process. We also succeeded in reducing the structural change sufficiently enough to allow us to use the high-resolution AFM study in the “forming” process, which is necessarily used for adjusting the gap distance to activate the NGS operation. Finally we tested the fabricated NGS devices by in-situ AFM and successfully detected nanometer-scale structural changes of the gap during the switching processes, which is consistent with the present theoretical model for the NGS effect. Furthermore, we found that the structural change as large as 10-100 nm was caused in the beginning of the switching processed or the forming process and that no significant change was observed after 100 times of the switching. In the planar, tip-shaped NGS device 10,000 times of switching was checked.
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