強誘電トンネル接合メモリーのTER比は微細化により向上～次世代不揮発メモリーの高性能化に貢献～

2026-01-07 東京科学大学,科学技術振興機構

東京科学大学総合研究院フロンティア材料研究所の真島豊教授らの研究グループは、次世代不揮発性メモリーとして注目される強誘電トンネル接合（FTJ）において、素子の微細化によりトンネル電気抵抗効果（TER）比が向上することを実証した。研究では、電子線リソグラフィを用いて、最小一辺25ナノメートルのナノクロスバー型FTJを作製し、面積依存性を詳細に評価した。その結果、白金／酸化チタン電極間にイットリア添加ハフニウム酸化物（YHO7）を挟んだ構造において、素子面積が小さくなるほど低抵抗状態と高抵抗状態の差が拡大し、最大TER比約2000を達成した。本成果は、超高集積・超低消費電力・セレクタレス・3D積層といった次世代メモリーに求められる要件を満たす重要な知見であり、将来の産業応用への展開が期待される。成果は学術誌Nanoscaleに掲載された。

図 1 （a）25 nm スケールのナノクロスバー構造の Ti/TiOx/YHO7（3 nm）/Pt 強誘電トンネル接合（FTJ）の上面 SEM 画像。（b）ナノクロスバーTi/YHO7/Pt 構造の断面 SEM 画像。 Ti/TiOx層（青）、YHO7層（淡黄褐色）、Pt 層（紫）。右上挿入図に原画像を示す。（c）ナノクロスバーTi/TiOx/YHO7/Pt FTJ の 3D 模式図および（d）断面図。

＜関連情報＞

25 nm TiOx/YドープHfO 2 /Ptナノクロスバー強誘電体トンネル接合における高抵抗状態トンネリング High-Resistance-State Tunneling in 25 nm TiOx/Y-Doped HfO2/Pt Nanocrossbar Ferroelectric Tunnel Junctions

Zhongzheng Sun, Yoshiko Nakamura, Kazuki Okamoto, Seiichiro Izawa, Hiroshi Funakubo and Yutaka Majima
Nanoscale Published:02 Jan 2026
DOI:https://doi.org/10.1039/D5NR04010H

Abstract

We report nanocrossbar-type ferroelectric tunnel junctions (FTJs) with a Ti/TiO_x/7% yttrium-doped HfO₂ (YHO₇)/Pt structure integrated on thermally oxidized Si substrates, which exhibit clear direct tunneling conduction even in the high-resistance state (HRS) and a tunneling electroresistance ratio exceeding 10³. The nanocrossbar FTJs were fabricated using a double-exposure electron-beam lithography (EBL) process with lateral dimensions scaled down to 25 nm. The temperature dependence of the TER effect measurements at 9 and 300 K confirms that both low-and high-resistance states are dominated by the direct tunneling conduction. A maximum TER ratio of 2.2 × 10³ was obtained in a 3 nm-thick YHO₇ nanocrossbar FTJ with an effective area of 26 × 24 nm². The FTJ area was reduced from 42,000 to 255 nm², and the scaling behavior of the TER effect in 3 nm-thick YHO₇ devices closely resemble that in 2 nm-thick devices. The OFF-state current decreased with a slope of 1.1 between 42,000 and 2,600 nm², followed by a steeper reduction below 2,600 nm², whereas the ON-state current decreased more gradually with a slope of 0.30. These contrasting area dependences are attributed to the suppression of leakage pathways along grain boundaries in the OFF state and uniformly aligned remanent polarization in a small number of grains in the ON state. The demonstrated nanocrossbar FTJs highlight a promising route toward high-density, energy-efficient, and CMOS-compatible integration of ferroelectric memory.