米乐m6官方网站[理事长中钵良二]（以下简称“AIST”）纳米电子研究部3D集成系统研究组研究员冯伟、新兴器件研究组首席研究员Hisashi Shima等人与筑波大学数学与材料物理系副教授Kenji Ohmori[校长Kyosuke Nagata]合作，开发了一种在宽电流范围内测量噪声的方法。非易失性存储器电阻式存储器 (ReRAM)的行为以 100 纳安 (nA) 的超低功耗运行时。
在电阻变化记忆中，缺氧（缺氧)对材料的电阻有很大影响，有望在降低存储器功耗方面发挥重要作用，但其具体行为尚不清楚。这次，我们将介绍一种工作模式，其中由于电流以灯丝形状流动而出现低电阻状态（灯丝模式）以及金属/氧化物界面上发生电阻变化的工作模式（接口模式）。此外，可视化流经元件的电流分布电子束吸收电流（EBAC）测量和当前噪声测量旨在研究这种电阻变化存储器在超低电流消耗下工作时的行为，并阐明氧空位与电性能之间的相关性。
这一结果表明，通过精确控制氧空位，我们可以期望非易失性存储器的功耗更低，运行更可靠。能量收集等应用的扩展做出贡献。和人工智能设备。有关该技术的详细信息，请参阅学术期刊科学报告2016年12月21日（英国当地时间）。
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| 本次开发的阻变存储器 |
随着物联网（IoT）社会的到来，利用家电、汽车等熟悉事物的信息来提高生活质量和便利性的情况越来越多。另一方面，人们担心信息处理和通信所需的电量会出现爆炸性增长。即使是比传统存储介质功耗更低的非易失性存储器，为了物联网社会的可持续发展，也需要比以往更低的功耗。
电阻存储器即使在没有电源的情况下也能保留信息，并且在功耗方面有望被使用。尽管它已经投入实际使用，但要扩大其应用还需要进一步小型化（更高集成度）和更低功耗等挑战。传统上，已知氧化物中的氧空位参与使用过渡金属氧化物的电阻变化存储器的操作，并且已经通过使用电子显微镜和其他技术分析组成和化学键合状态来研究氧空位及其运动。然而，当使用电子显微镜时，需要对样品进行处理以进行观察，因此难以在重复存储操作的同时检查少量氧空位的影响。此外，为了推进阻变存储器的超低功耗、提高存储器运行的可靠性和优化制造工艺，需要开发一种测量方法来精确检测氧空位对电性能的影响。
在阻变存储器的研发方面，产业技术研究所一直在推动研发，目标是开发电压驱动的非易失性零电流存储器技术。迄今为止，我们致力于开发电阻变化存储器的高速写入和过渡金属氧化物的溅射成膜工艺的基础技术（NEDO新闻公告，2007年2月21日），并开发了一种由过渡金属氧化物制成的结合了超低功耗和高速操作的非易失性电阻变化存储器（2008 年 9 月 25 日 AIST 新闻稿) 此外，通过了解晶体管的噪声特性，筑波大学开发了在宽频带上测量噪声的技术，旨在设计更可靠的设备（筑波大学新闻稿，2013 年 6 月 7 日）。
这次，我们将噪声测量技术应用于非易失性存储器。氧化物材料中氧空位的数量极大地影响材料的电阻值。此外，氧化物中带正电的氧空位具有捕获和释放电子的特性。这种现象预计会在电流中反映为微弱的噪声，因此我们认为通过精确测量电流中包含的噪声，我们可以了解材料中氧空位的状态。此外，除了测量该噪声之外，我们还使用结合电子束吸收电流（EBAC）观察的评估方法详细研究了非易失性存储器的超低电流消耗操作，该方法可以可视化流过器件的电流分布。
这次，二氧化硅（SiO2) 和氮化钛 (TiN) 层状 SiO2/氮化钛/二氧化硅2x)、钛(Ti)和TiN以制造电阻变化存储元件。这种制造方法的优点是TiN膜厚方向是电极长度的一侧，因此很容易实现电极面积和元件尺寸的超小型化。膜厚可以通过控制成膜时间来调整，甚至可以厚至10nm以下。此外，这种在微加工结构的侧壁上形成存储元件的处理技术将导致三维集成技术，通过在垂直于硅衬底的方向上堆叠存储元件来增加记录密度。
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| 图1 本次使用的电阻式内存结构 |
| 通过使用小型化等技术，我们成功地创建了一种既可以进行传统操作又可以进行低功耗操作的存储器结构。此外，现在可以对具有相同结构的样品进行EBAC测量和电流噪声测量。注意，虽然实际的电极具有层叠结构，但在该图中以简化方式示出。 |
这种电阻变化存储器不仅可以在100微安（μA）左右的电流下工作，与传统的电阻变化存储器相当（以下称为“传统操作”），而且可以在100纳安（nA）以下的超低功耗下工作，比传统电阻变化存储器低三个数量级（以下称为“低功耗操作”）。
为了阐明低功耗运行的机制，我们进行了 EBAC 测量和电流噪声测量。这两种测量都可以非破坏性地进行，无需对设备进行处理。例如，在评估某个存储元件在高电阻状态下的特性之后，可以随后评估同一元件在低电阻状态下的特性，并且还可以比较同一元件的低功耗操作和传统操作。首先，当比较低功率操作和常规操作之间的 EBAC 测量结果时，确认了在常规操作中，EBAC 图像中出现亮点，并且形成局部电流路径（灯丝模式）（图 2）。另一方面，在低功率操作的情况下，存储元件的EBAC图像的对比度几乎均匀，表明电流流过整个存储元件（接口模式）。
到目前为止，研究人员已经研究了根据过渡金属氧化物材料的类型，存储器操作采用灯丝模式还是界面模式，但这次我们成功地在同一器件中共存了两种类型的存储器操作。即使在以相同方式制造的器件中，创造相同的微小条件（例如氧空位）也是极其困难的。然而，如果可以使用同一设备研究这两种类型的存储器操作，则可以在接口模式和灯丝模式之间进行可靠的比较。
另外，分别测量传统操作和低功耗操作的低电阻状态和高电阻状态的电流噪声。通过对 1 kHz 至 1 MHz 的电流进行高速采样来测量噪声，并在时域和频域中进行分析（图 2）。如果电子捕获和释放很少，这是噪声源，则强度与频率的平方成反比1楼2噪音出现。随着电子捕获和释放的增加，1/f2来自噪音1/f 噪声在本次测量中，仅在低功耗运行时处于高阻状态，1/f2很明显，噪音占主导地位。这是因为在低功率运行的高电阻条件下，造成噪声的氧空位数量有限 1/f2可能已观察到噪音。相反，即使在低功率工作时，低阻状态下仍然存在足够多的氧空位影响电性能，这表明为了进一步降低阻变存储器的功耗，即降低低阻状态下的电流值，减少有助于导电的氧空位数量是至关重要的。
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| 图2 在图1中红框包围的区域中的电阻变化存储器结构中观察到的EBAC图像和噪声测量的分析结果 |
| 可以通过改变对电阻变化存储器结构执行的初始化操作的条件来选择传统操作和低功耗操作。图中，白色圆圈示意性表示氧空位，红色弯曲箭头示意性表示电子捕获和释放的过程。请注意，归一化功率密度是将高速采样的电流值的时间依赖性转换为频率依赖性（功率谱密度）。为了比较不同电阻状态、工艺条件或电压条件之间的噪声强度，功率谱通过电流值的平方进行归一化并转换为[1/Hz]。 |
目前，AIST正在研究将电阻变化存储器应用于高可靠存储系统并利用电阻变化存储器技术脑型推理的模拟电阻变化元件这两类研究和开发都需要精确控制氧空位的位置及其扩散，因此新开发的技术将大大加速这些研究和开发工作。此外，超低功耗存储器以及能量收集、电力存储和传感器/通信技术对于实现万亿传感器社会以及使用电阻变化存储器的超级智能社会至关重要（社会50)做出贡献。