国立产业技术综合研究所［会长吉川博之］（以下简称“AIST”）纳米技术研究部［研究主任南真司］分子纳米物理特性研究组［研究组组长水谷涉］首席研究员清水哲雄和研究员内藤康久均来自船井电气新应用技术研究所有限公司［总裁小野正敏］（以下简称“米乐m6官方网站”） “船内电气研究所”），我们开发了一种纳米间隙，其电阻值根据纳米间隙间距的变化而发生很大变化。非易失性存储器我们开发了技术并成功开发了可集成的垂直结构。
这是纳米间隙非易失性存储元件的开发，是AIST的种子技术。这次，我们确认了非易失性存储元件的性能，包括可以用10纳秒的脉冲电压进行写入和擦除的高速开关操作，以及重复操作超过10万次和长期保持特性等高稳定性。此外，通过多级控制隧道阻力，
多值（4值）内存我已经证明这是可以做到的。即使存储部分由单一金属制成，该存储元件也可以实现，并且不需要添加剂，因此它具有最终小型化的潜力，而无需担心成分不均匀性，并有望为未来超高密度非易失性存储器的实现做出贡献。
有关该技术的详细信息，请参见 SEMICON Japan 2008（2008 年 12 月 3 日至 5 日在 Makuhari Messe 举办）展览会日本半导体2008) 上展示。
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图1 这种垂直纳米间隙非易失性元件的SEM图像和横截面图 |
由于笔记本电脑性能和功能的提高以及数码相机图像质量的提高，紧凑、高容量的卡式存储设备越来越多地被日常使用。也可以代替硬盘驱动器闪存大容量非易失性存储器（SSD(固态硬盘)”的计算机数量也在增加。但闪存的运行速度较慢，目前主要用作存储设备。因此，如果能够制造出具有与闪存相同的集成度和接近易失性存储器的速度的非易失性存储器，则它可以用于更广泛的应用。为了实现高集成度和高速度，我们特别利用了电阻变化阻值变化记忆是啊相变存储器等正在积极研究中。
AIST 发现纳米间隙结构（图 2）在两个相对的金属电极之间具有纳米级间隙，表现出独特的电流-电压特性，并具有应用于非易失性存储器件的潜力。
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图2 传统平面纳米间隙非易失性元件的SEM图像和横截面图 |
这种存储元件结构简单，仅由相对的金属电极组成，与现有工艺兼容，并且可以使用多种材料，例如各种单一金属、合金和硅作为金属电极，因此人们发现它具有创造新型非易失性存储器的潜力。 (主要研究成果 - 2007 年 6 月 19 日）
此后，产业技术研究所与船井电机研究所就新的非易失性存储器技术进行联合研究，并从去年开始与京都大学合作，致力于研究阐明这种存储器的机制以及开发集成器件的生产和评估技术。然而，在传统的器件结构中（图2），用作存储部分的纳米间隙部分平坦地布置在绝缘基板上，这增加了包括布线在内的器件尺寸，使其不适合集成。因此，需要开发一种适合集成的结构。
这项研究开发的一部分得到了经济产业省委托项目“纳米电子半导体新材料和新结构技术的开发 - 新材料和新结构纳米电子器件<超致密金属纳米间隙非易失性存储器的研究开发”的支持。
AIST发现，当电压施加到硅基板上制作的金属电极上时，其间隙约为10纳米，会发生电阻变化，可用作非易失性存储器。这种电阻变化反映了由于外部脉冲电压刺激导致金属之间的间隙宽度发生变化而导致的隧道电阻的变化（图3）。然而，在传统的平面结构中（图2），包括布线结构在内的元件尺寸较大，不适合集成。
为此，我们现在成功开发了一种新的垂直结构，其中通过蚀刻氧化硅层创建孔结构，并在孔壁上创建纳米间隙结构（图1）。这种结构允许仅在布线结构的交叉点处制造器件，如图4所示，使其比平面型更适合集成。此外，由于纳米间隙部分也由金属制成，所以具有可以同时形成布线结构的优点。事实上，我们确认这种纳米间隙非易失性存储器仅构建在这个孔内，并确认该存储器运行良好。
另外，该纳米间隙非易失性存储元件的电阻变化开/关比是 104－107并且可以改变状态超过 100,000 次。我们还确认电阻值可以通过短至 10 纳秒的电压脉冲进行切换（图 5）。由于即使半年以上，记忆状态的保持时间也几乎没有变化，因此确认了记忆状态具有较长的保持时间。基于这些结果，以纳米间隙结构为基本特征的器件有望成为下一代非易失性存储器。
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图 5 由于施加 10 纳秒脉冲电压而产生的电阻开关效应
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此外，由于该器件的隧道电阻可以通过所施加的脉冲电压来控制，因此发现单个存储器件可以稳定地执行具有多个存储状态的多级存储。图6所示的结果表明，通过控制施加的电压值，可以在一个器件中创建四种状态（2位），这表明可以实现垂直结构，并且可以高度集成使用这种纳米间隙的非易失性存储器件。
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图6 四种电阻变化状态之间的重复测量结果（左图）及其电阻分布（右图）
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针对实际应用，我们计划在硅基板上制造进一步的集成测试装置，并评估各个元件的变化。我们希望根据变化评估的结果来改善存储器特性，并导致下一代非易失性存储器的早日实现。