薄膜氧化铪为实现高密度、高速ReRAM开辟道路

2016-09-150阅读0

  东京工业大学与东北大学等组成的研究组2016年9月8日宣布探明了氧化铪基铁电体在断电时可以储存的电量、可以使用的工作温度范围等基础特性。氧化铪基铁电体在制成薄膜后铁电性不会发生劣化,因此有望制作出具有超高密度、高速工作的非易失性存储器。

  

晶体结构的温度变化

  铁电相直到温度达到400度以上都可以稳定存在(图:东工大的发布资料)

  铁电体在断电后,根据之前加载电压的方向,会维持两种不同的稳定状态,作为无需耗电即可保存数据的非易失性存储器,在铁路IC卡等用途得到了广泛运用。但传统铁电体受到厚度越薄性能越差的“尺寸效应”的影响,存在存储器无法实现高密度化的课题。

  

在单晶氧化铪基铁电体薄膜中观察到的铁电性

  切断电压时可以观察到有两种状态的铁电性(图:东工大的发布资料)

  在2011年,有一项研究发现,作为极微细晶体管(开关)的绝缘体得到了广泛应用的氧化铪基物质只需薄薄一层,就可以表现出铁电性,一举成为了关注的焦点。但过去制作的薄膜是不同取向粒子的集合体(多晶),含有杂相,几乎不表现氧化铪基铁电体的基本性质。

  

工作温度(Tc)与切断电压时储存的电能的关系

  特性与过去长期使用的锆钛酸铅、钽酸锶铋相比毫不逊色(图:东工大的发布资料)

  这一次,研究组从状态图入手,重新研究并对铁电膜的组分进行优化,使用置换氧化钇(Y2O3)得到的氧化铪(HfO2),通过改进促进薄膜生长的基材的晶体结构和晶格长度,成功制作出了厚度减薄到15纳米,特性也不会发生劣化的铁电体单晶膜。并且将晶体结构类似的铟锡的氧化物(ITO)的薄膜应用于电极,在电极上生成了氧化钇晶体取向受到控制的单晶膜。

  对单晶膜进行检验的结果显示,直到温度达到400度以上,铁电相都会稳定存在,适用的温度范围很广。而且,研究组还成功取得了薄膜的铁电特性,由得到的结果与晶体取向的关系可知,切断电压时可以储存的电量和可以使用的温度等特性与过去长期使用的锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)O3)、钽酸锶铋(SrBi2Ta2O9)相比毫不逊色。

  基于铁电体的可变电阻式存储器(ReRAM:Resistive Random Access Memory)的基本构想是由诺贝尔奖得主江崎玲于奈博士在50多年前提出的。但因为需要非常薄的铁电体层,所以在过去很少有人进行研究。本次成果的出现,有望使铁电体可变电阻式存储器的实用化研究就此展开。

  本次研究成果已于2016年9月9日在英国的综合学术杂志《自然》(Nature)的姊妹杂志《科学报告》(Scientific Reports)的网络版上刊登。(特约撰稿人:工藤宗介)

  (全文完)