JP2002109797A - 不揮発性メモリ及び不揮発性メモリの記録再生装置 - Google Patents
不揮発性メモリ及び不揮発性メモリの記録再生装置Info
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Abstract
メモリの記録再生装置を提供する。 【解決手段】 本発明は、ガラス基板411上にカルコ
ゲン半導体としてDCスパッタ法でGeSbTe薄膜4
12を成膜し、レジストを塗布し、リソグラフィー・ド
ライエッチングでGeSbTeを2端子の配線形状とす
る。配線431はドックボーン形状とし、この部分が交
番に配置される。以上の形状にGeSbTeを加工後、
RFスパッタ法でSiO2 薄膜413を成膜し、レジス
トを塗布し、リソグラフィー・ドライエッチングで配線
の端子部分421,422に開口を形成する。最後に、
熱処理によりGeSbTeが相変化し、アモルファス相
から結晶相に変化する。従って、トランジスタ構造を用
いず、レーザビームを走査して反射光光量を検出する方
法でアドレスすることから、ワード・ビット線も不要の
ため、高記録密度の不揮発性メモリを極単純な配線構造
で安価に実現する。
Description
び不揮発性メモリの記録再生装置に関し、特に簡単な構
造で安価な高集積度の不揮発性メモリ及び不揮発性メモ
リの記録再生装置に関する。
うに電源が切れると情報が消失する揮発性メモリと、フ
ラッシュメモリ、強誘電体メモリなど、電源が切れても
情報が消失しない不揮発性メモリがある。
する部分がコンデンサからなり、このコンデンサに貯え
られた電荷の有無もしくは分極の向きにより情報が記録
されるため、一つのメモリセルには最低一つのコンデン
サとトランジスタが必要となる。
トに電荷が蓄積されるかどうかでトランジスタのコント
ロールゲートのしきい電圧を変化させるので、やはり一
つのメモリセルに最低一つのトランジスタが必要とな
る。
は、ワード・ビット線により接続されマトリックス状に
配置される。トランジスタのソース・ドレインや、コン
デンサ、またワード・ビット線など金属配線の占有面積
が大きく、従来の素子構造をスケーリングしただけでは
飛躍的な容量の増加は望めない。
ズを縮小する方法が、特開平11−220110号公報
や特開平11−265986号公報などに開示されてい
る。
は、高い集積度を達成することが困難である。また、ト
ランジスタ構造が必要であることからプロセスが複雑で
あり、ハードディスクなどのディスク系メモリと比べて
記憶容量あたりの価格が非常に高くなっている。
のであり、安価で高集積度の不揮発メモリ及び不揮発性
メモリの記録再生装置を提供することを目的とする。
に、請求項1記載の発明は、少なくともアンチモン(S
b)とテルル(Te)とを含む3種類以上の元素を含有
するカルコゲナイド半導体を記録層とし、レーザビーム
加熱による相変化によって記録層の電気抵抗を部分的に
変化させることで情報の記録ドメインとすることを特徴
とする。
半導体を記録層とする。カルコゲナイド半導体は、高抵
抗であるアモルファス相と、低抵抗である結晶相の2つ
の安定相を持つ。融点が低いことから比較的簡単な加熱
手段で、結晶・アモルファス相間での相変化が起きる。
例えば、CD−RWやDVD−RW、DVD−RAMな
どの書き換え型の光メモリでは、数十mWクラスの安価
なレーザダイオードで相変化を起こすことにより記録ド
メインとしている。相変化により抵抗値も変化する。例
えば、代表的な相変化材料であるAgInSbTe薄膜
の場合、実測した抵抗値は、結晶相で1〜10E−4Ω
・cmであり、アモルファス相で10〜50Ω・cmであ
る。このように、結晶相・アモルファス相間で約6桁と
大きな抵抗差を示す。
示すカルコゲナイド半導体を記録層とする。カルコゲン
半導体としては、アンチモン(Sb)とテルル(Te)
とを含む材料、例えばAgInSbTeやGeSbTe
などを用いることができる。レーザビーム加熱で記録層
を局所的に加熱して抵抗変化部分を形成する。
素子は、基板11上に記録層12を積層した構成であ
る。図1では、記録層側からレーザを照射した様子を示
すが、基板側から照射しても構わない。レーザビーム1
5の走査に合わせてパワーを多段変調する。図1は3段
変調する場合を示すものである。
2〜0.8の範囲とし、Pbは0〜0.5の範囲とす
る。以上の方法によって、記録層の一部分が相変化して
記録ドメイン13が形成できる。記録層の初期状態が結
晶相であれば、未記録部分の抵抗値Rc、記録ドメイン
の抵抗値Raとすると、Rc<Raの抵抗差を設けるこ
とができる。アモルファス相―結晶相間の相変化は可逆
的であり、記録ドメインの書き換えも可能である。
ザパワーをパルス変調し、ビーム径以下のサブミクロン
オーダーの記録ドメインを形成する。
明において、レーザビームを走査した際に、記録層中を
流れる電流の変化を検出して記録ドメインを再生するこ
とを特徴とする。
加熱によって発生する熱誘起電流を検出して記録ドメイ
ンを再生する。図2は、第一の再生方法である。一定パ
ワーのレーザビーム15が記録ドメイン13及び未記録
部分14を通過する様子を示してしる。未記録部分が結
晶相であり、記録ドメインがアモルファス相である。記
録ドメインの抵抗Raは、未記録部分Rcよりも高い。
従って、熱伝導の違いにより、ビーム通過後の温度勾配
は記録ドメイン△Taよりも未記録部分△Tcが大きく
なり、熱誘起電流はIa<Icとなる。従って、記録ド
メイン部分では電流変化(△I)が起こり、この変化を
検出することで記録ドメインを再生する。
ィスク系メモリでは、記録ドメインのサイズが光の回折
限界以下になると再生できない。これに対して、熱誘起
電流の変化は僅かな抵抗変化によっても起こることか
ら、光の回折限界以下にあたる極微小な記録ドメインが
再生できる。
明において、記録層は、2端子の配線形状であることを
特徴とする。
を配線形状とする。配線の両端に電流検出用の端子を設
ける。配線形状とすることによって電流のパスが規定で
き検出感度が向上する。配線幅は0.1〜10μmとす
る。
明において、記録層は、2端子の配線形状であり、配線
幅が周期的に変化していることを特徴とする。
子構造の配線形状とし配線幅を周期的に変化させる。つ
まり、ドックボーン形状とする。反射光をフォトダイオ
ードで検出しながらレーザビームを配線に沿って走査す
ると、配線幅のに応じて反射光量が変化する。光量変化
のタイミングをカウントすることでビーム位置のアクセ
ス信号(アドレス信号)とする。
いずれか1項に記載の発明において、記録層よりも抵抗
値が小さい低抵抗層を設けたことを特徴とする。
抵抗層を設け、図3に示した第2の再生方法で記録ドメ
インを再生する。第一の再生方法と異なる点は、低抵抗
層で電流変化を検出する点である。基板31、低抵抗層
32、記録層33の層構成とする。積層順序を反転させ
ても構わない。低抵抗層としては、Ag、Cu、Alな
どの低抵抗金属を単体、もしくは他元素との合金として
用いることができる。
記録ドメイン34及び未記録部分35を通過する様子を
示してしる。未記録部分が結晶相であり、記録ドメイン
がアモルファス相である。記録層の熱は低抵抗層に伝導
し、レーザの移動に伴って低抵抗層に温度勾配が生じ
る、温度勾配によって熱誘起電流が低抵抗層中を流れ
る。記録ドメインの抵抗Raは、未記録部分Rcよりも
低く、記録層中での熱伝導は記録ドメインCaよりも未
記録部分Ccで大きい。よって、低抵抗層中の温度勾配
は△Ta<△Tcとなり、熱誘起電流はIa<Icとな
る。低抵抗層を流れる電流をモニターし電流変化△Iに
より再生する。低抵抗層側で電流を検出する構成によっ
て、素子抵抗を下げることができ、消費電力が低減でき
る。
いずれか1項に記載の発明において、記録層よりも抵抗
値が小さい低抵抗層を設け、該記録層に対する接続部を
周期的に設けたチェーン構造とすることを特徴とする。
抗層でチェーン構造を形成する。素子抵抗が低減できる
とともに、素子設計の自由度が大きくなる。
記載の発明において、記録層と低抵抗層との層間に誘電
体層を設けることを特徴とする。
抗層間に層間分離膜を設けた構成としてもよい。層間分
離膜としては、SiO2 、SiN、SiON、Al2 O
3 、ZnS・SiO2 などの誘電体を用いることができ
る。層間分離膜の膜厚によって、カルコゲン半導体と低
抵抗金属層間の熱伝導を制御し、より微小なドメインを
形成する。
いずれか1項に記載の発明において、記録層と低抵抗層
の層間に、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、ア
ルミニウム(Al)、チタン(Ti)、タンタル(T
a)、亜鉛(Zn)の中から選ばれる少なくとも一つの
元素、もしくは、これらの元素の窒素化合物を設けるこ
とを特徴とする。
抗層間に導電性の層を設ける。導電性層の材質をTi
n、TaN、GeNなどの窒素化合物とする。このよう
な層を設けることによって、記録層と低抵抗層間での構
成元素の相互拡散が抑制できる。
光源、レーザ光の集束手段、メモリ素子からの反射光の
検出手段を備える光学ピックアップと、光学ピックアッ
プを走査する走査手段と、メモリ素子に接続された信号
検出手段と、を有することを特徴とする。このような装
置構成によって、前記メモリ素子の記録・再生が可能と
なる。
発明において、レーザ光の集束手段を構成する対物レン
ズは、開口数が0.8以上であることを特徴とする。
集束手段を構成する対物レンズに高NAレンズを使う。
高NAレンズを用いることにより、微小ビームが形成で
き、記録ドメインサイズが縮小できる。また。再生時に
おいては、極微小領域のみ加熱できることからノイズが
低減できる。また、高NAレンズは素子に近接させるこ
とから、記録再生装置の小型化が可能になる。
発明の実施形態である不揮発性メモリ及び不揮発性メモ
リの記録再生装置を詳細に説明する。
実施例を示す図である。41はメモリ素子の断面構造で
ある。基板としてガラス基板411を用いる。ガラス基
板411上にカルコゲン半導体としてDCスパッタ法に
よりGeSbTe薄膜412を膜厚200nmで成膜す
る。レジストを塗布し、リソグラフィー・ドライエッチ
ングの手法を用いて、GeSbTeを配線形状に加工す
る。
ように2端子の配線形状とする。421、422はパッ
ド形状の端子を示し、423は配線を示している。
は、ドックボーン形状とし、ドックボーン部分が交番に
配置されている。配線幅はW1=0.4μmとW2=
0.2μmであり、配線およびドックボーンピッチP
L、PD=0.5μmである。以上の形状にGeSbT
eを加工した後にRFスパッタ法によって、SiO2 薄
膜413を膜厚200nmで成膜する。成膜後レジスト
を塗布し、リソグラフィー・ドライエッチングの手法を
用いて、配線の端子部分421,422に開口を形成す
る。最後に、N2 雰囲気中で300℃の熱処理を行う。
熱処理によりGeSbTeが相変化し、アモルファス相
から結晶相に変化する。
では0.25μmピッチ、Y方向では0.5μmでドメ
インを形成する。
図である。光学ピックアップ51は、ディスク系メモリ
で用いられるものと基本的構成は同じである。波長が6
50nmのレーザダイオード511、カップリングレン
ズ512、ビームスプリッタ513、1/4波長板51
4、開口数(NA)0.6の対物レンズ515よりなる
照射系と、集光レンズ516、シリンドリカルレンズ5
17、フォトダイオード518よりなる検出系で構成さ
れる。
ーザビームは、カップリングレンズ512を通過するこ
とで平行光になり、この平行光はビームスプリッタ51
3、1/4波長板514、対物レンズ515を通過し、
記録層上にビームスポットを形成する。一方、記録層で
反射された反射光は、再び対物レンズ515、1/4波
長板514を通過し、ビームスプリッタ513に入射す
る。ビームスプリッタ513に入射した光は、集光レン
ズ、シリンドリカルレンズ、を経てフォトダイオードで
受光されて反射光強度が検出される。GeSbTe配線
がドックボーン形状であることから、図2に示したよう
に配線方向(X方向)にレーザビームを移動すると、配
線幅に応じて反射光強度が周期的に変化する。また、配
線に対して直行する方向(Y方向)にレーザビームを移
動する場合には、配線の有無で周期的に反射光強度が変
化する。従って、X―Y方向におけるビーム位置は反射
光の変化をカウントすることによって検知できる。
する。配線方向(X方向)においては、立ち上がり・立
ち下がりをカウントすることにより、0.25μmの分
解能で位置検出ができる。配線に対して垂直方向(Y方
向)においても、立ち上がり・立ち下がりをカウントす
ることにより、0.25μmの分解能で位置検出ができ
る。
素子の一方の端子に直流電源521を接続し、GeSb
Te配線に一定バイアスを印可する。他方の端子には電
流アンプ522を接続する。メモリ素子上をレーザビー
ムが移動すると、熱誘起電流I-1 が媒体中を流れる。電
流アンプは、この電流を増幅して、それに応じた信号I
−2を出力する。信号I−2およびピックアップから出
力されるアドレス信号I−3を受けて信号I−4を出力
する。
実施例を示す図である。図6はメモリ素子の構成を示
す。ガラス基板611上にDCスパッタ法により、Al
Ti薄膜61 2を膜厚500nmで成膜する。AlTi
上に誘電体層としてZnS−SiO2 613をRFスパ
ッタ法を用いて膜厚20nmで成膜する。ここで、Zn
S−SiO2 の組成は、ZnS 80at%、SiO2
20at%とする。ZnS−SiO2 上にカルコゲン
半導体としてGeSbTe 614をDCスパッタ法に
よって、膜厚200nmで成膜する。成膜後レジストを
塗布してリソグラフィー・ドライエッチングの手法を用
いて3層まとめて配線形状に加工する。形状は、本発明
の第1の実施例と同じとする。
615をCVD法にて膜厚200nmで成膜する。ここ
で、成膜温度は400℃であり、この成膜課程において
GeSbTeが相変化してアモルファス相から結晶相に
なる。成膜後レジストを塗布してリソグラフィー・ドラ
イエッチングの手法を用いて端子部分を開口641す
る。レーザビームは、ガラス基板側から照射し、電流変
化はAlTi側にて検出する。記録再生方法は、本発明
の第1の実施例と同様である。
実施例を示す図である。71はメモリ素子の断面形状で
ある。ガラス基板上711上に、DCスパッタ法を用い
て、AlTi薄膜712を膜厚500nmで成膜する。
引き続き、AlTi上にDCスパッタ法を用いて、Ti
N薄膜713を膜厚20nmで成膜する。成膜後、レジ
ストを塗布してリソグラフィー・ドライエッチングの手
法を用いて、AlTi/TiNを配線形状に加工する。
次に、CVD法にによりSiO2薄膜714を成膜し、
エッチバックにより配線被覆部分を除去し、AlTi/
TiN配線間をSiO2 で埋め込む。
bTe薄膜715をDCスパッタ法にて、膜厚100n
mで成膜する。その後、N2 雰囲気中で300℃の熱処
理を行い、アモルファス相であるAgInSbTeを結
晶相とする。その後、レジストを塗布してリソグラフィ
ー・ドライエッチングの手法を用いて配線形状に加工す
る。加工後に、板厚0.1mmのガラス基板716をU
V硬化樹脂で接着する。以上の方法により、AlTiと
AgInSbTeのチェーン構造のメモリ素子を形成す
る。
i配線721の幅は0.5μmである。AgInSbT
e 722は、5nm×5nmの正方形であり、そのピ
ッチは5.25μmである。
の実施例と同じであるが、対物レンズのNAは0.85
であり、レーザダイオードの発光波長は405nmであ
る。レーザビームは、0.1mm厚のカラス基板716
から入射する。また、対物レンズをガラス面から20μ
mの位置に近接させた状態で走査する。ビーム径は直径
0.41μmであり、レーザパワーをパルス変調し、
0.1μmのドメインを、0.25μmピッチで形成
し、記録ドメイン731とする。
レス方法を表す。レーザビームは、AgInSbTe配
線731に対して45°方向に走査する。走査方向をX
方向、それに直交する方向をY方向とする。ビームがX
方向に移動する場合、AgInSbTe配線間のスペー
スを通過する際に反射光が大きく変化する。この様子を
図中にA,B,Cで示す。
角を横切る場合、反射光変化の周期が最も長くなる。こ
の対角を横切る部分を基準位置とする。基準位置におい
て、反射光変化をカウントすることによって、X―Y方
向におけるビーム位置を検出する。A―C間をY方向に
ビームを移動する場合には、図中Bに示すように反射光
変化の周期が変化する。周期の変化を検出することによ
って、基準位置からY方向への距離が検出できる。
InSbTe配線スペースでの反射率変化を検出してア
ドレス信号とする。この方法によって、AgInSbT
e中に記録ドメイン731をX―Y方向ともに0.25
μmピッチで形成する。記録・再生は、本発明の第1の
実施例と同様の方法にて行う。
リにおける1セルが、1つの記録ドメインに対応し、1
セルのサイズを配線幅程度まで縮小することが可能であ
る。また、第3の実施例に記載されるように、配線構
造、記録・再生方法の工夫により、配線幅以下に記録ド
メインを縮小できる。
ラッシュメモリでは、ソースをゲートから離して配置し
た非対称なMOS構造になっている。1セルの形状は、
縦横比が1:4〜6程度の長方形である。0.25μm
幅の配線で接続する場合、1セルのサイズは0.25×
1〜1.5μm程度になる。素子分離領域を含めるとセ
ルサイズはさらに大きくなる。これに対して、例えば、
本発明の第3の実施例に示した素子では、緩いデザイン
ルールのプロセスを用いても0.25μmピッチでドメ
イン(1セル)が形成できる。
な実施形態であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲内に
おいて種々変形して実施することが可能である。
の不揮発性メモリ及び不揮発性メモリの記録再生装置に
よれば、従来のようにトランジスタ構造を用いず、レー
ザビームを走査して反射光光量を検出する方法でアドレ
スすることから、ワード・ビット線も不要である。従っ
て、高記録密度の不揮発性固体メモリを極単純な配線構
造で安価に実現することができる。
である。
示す図である。
示す図である。
る。
Claims (10)
- 【請求項1】 少なくともアンチモン(Sb)とテルル
(Te)とを含む3種類以上の元素を含有するカルコゲ
ナイド半導体を記録層とし、レーザビーム加熱による相
変化によって前記記録層の電気抵抗を部分的に変化させ
ることで情報の記録ドメインとすることを特徴とする不
揮発性メモリ。 - 【請求項2】 前記レーザビームを走査した際に、前記
記録層中を流れる電流の変化を検出して記録ドメインを
再生することを特徴とする請求項1記載の不揮発性メモ
リ。 - 【請求項3】 前記記録層は、2端子の配線形状である
ことを特徴とする請求項2記載の不揮発性メモリ。 - 【請求項4】 前記記録層は、2端子の配線形状であ
り、配線幅が周期的に変化していることを特徴とする請
求項2記載の不揮発性メモリ。 - 【請求項5】 前記記録層よりも抵抗値が小さい低抵抗
層を設けたことを特徴とする請求項2から4のいずれか
1項に記載の不揮発性メモリ。 - 【請求項6】 前記記録層よりも抵抗値が小さい低抵抗
層を設け、該記録層に対する接続部を周期的に設けたチ
ェーン構造とすることを特徴とする請求項2から4のい
ずれか1項に記載の不揮発性メモリ。 - 【請求項7】 前記記録層と前記低抵抗層との層間に誘
電体層を設けることを特徴とする請求項5または6記載
の不揮発性メモリ。 - 【請求項8】 前記記録層と前記低抵抗層の層間に、ケ
イ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、アルミニウム
(Al)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、亜鉛
(Zn)の中から選ばれる少なくとも一つの元素、もし
くは、これらの元素の窒素化合物を設けることを特徴と
する請求項5から7のいずれか1項に記載の不揮発性メ
モリ。 - 【請求項9】 少なくともレーザ光源、レーザ光の集束
手段、メモリ素子からの反射光の検出手段を備える光学
ピックアップと、 前記光学ピックアップを走査する走査手段と、 前記メモリ素子に接続された信号検出手段と、 を有することを特徴とする不揮発性メモリの記録再生装
置。 - 【請求項10】 前記レーザ光の集束手段を構成する対
物レンズは、開口数が0.8以上であることを特徴とす
る請求項9記載の不揮発性メモリの記録再生装置。
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