JP2008078663A - 互いに異なる相変化物質を備えたメモリセルを有する相変化メモリ素子、それに関連した方法及びシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】互いに異なる相変化物質を有するメモリセルを備える相変化メモリ素子、それに関連した方法及びシステムを開示する。
【解決手段】相変化メモリ素子は集積回路基板及び前記集積回路基板上に配置された第1及び第2相変化メモリ要素を備える。前記1相変化メモリ要素は第1結晶化温度を有する第1相変化物質を備える。前記2相変化メモリ要素は第2結晶化温度を有する第2相変化物質を備える。前記第1及び第2相変化メモリ要素を互いに異なる温度においてプログラムできるように前記第1及び第2結晶化温度は互いに異なる。それに関連した方法及びシステムも提供する。
【選択図】図4
【解決手段】相変化メモリ素子は集積回路基板及び前記集積回路基板上に配置された第1及び第2相変化メモリ要素を備える。前記1相変化メモリ要素は第1結晶化温度を有する第1相変化物質を備える。前記2相変化メモリ要素は第2結晶化温度を有する第2相変化物質を備える。前記第1及び第2相変化メモリ要素を互いに異なる温度においてプログラムできるように前記第1及び第2結晶化温度は互いに異なる。それに関連した方法及びシステムも提供する。
【選択図】図4
Description
本発明はメモリ素子に係り、特に相変化メモリ素子及びそれに関連した方法に関するものである。
相変化メモリ素子において、相変化物質の状態は情報を保存する役割をしており、それによって不揮発性メモリが提供される。相変化物質は少なくとも二つの互いに異なる状態を有することができる。例えば、前記相変化物質は非晶質状態及び結晶質状態を有することができる。前記非晶質状態と前記結晶質状態との間の転移は、例えば、電流誘導温度サイクルを用いて選択的に行うことができる。一般に、前記非晶質状態は前記結晶質状態よりも高い抵抗を示すので、前記のような状態を区別することができる。前記非晶質状態は相対的に無秩序な原子配列を有し、前記結晶質状態は相対的に規則的な原子配列を有する。一般的に、すべての相変化物質は相変化メモリ素子として用いられるが、薄膜カルコゲナイド合金(thin−film chalcogenide alloy materials)が最も好適であると知られている。
相変化メモリ素子において、メモリセル内の相変化物質の相(phase)は、前記非晶質状態と前記結晶質状態との間を繰り返し循環し変換することができる。これによって、それぞれの相変化メモリセルは抵抗性加熱により誘導された温度サイクルに応答して高い抵抗状態と低い抵抗状態との間を繰り返して変換するプログラマブルレジスタ(programmable resistor)となることができる。例えば、相変化メモリ素子は、特許文献1に開示されている。
本発明が解決しようとする技術的課題は、高温に露出されても保存したデータが保存される領域を有する相変化メモリ素子を提供することにある。
本発明が解決しようとする他の技術的課題は、高温に露出されても保存したデータが保存される領域を有する相変化メモリ素子を採用する電子システムを提供することにある。
本発明が解決しようとするさらに他の技術的課題は、高温に露出されても保存したデータが保存される領域を有する相変化メモリ素子の製造方法を提供することにある。
本発明のいくつかの実施形態によると、相変化メモリ素子は集積回路基板、及び前記集積回路基板上に配置された第1及び第2相変化メモリ要素を備える。前記1相変化メモリ要素は第1結晶化温度を有する第1相変化物質を備える。前記2相変化メモリ要素は第2結晶化温度を有する第2相変化物質を備える。前記第1及び第2相変化メモリ要素を互いに異なる温度でプログラムできるように前記第1及び第2結晶化温度は互いに異なるものとすることができる。
前記第2相変化メモリ要素は前記第1相変化物質を含まないものとすることができる。前記第1相変化メモリ要素は前記第2相変化物質を含まないものとすることができ、前記第1相変化メモリ要素は前記第1相変化物質の第1膜及び前記第2相変化物質の第2膜を備えるものとすることができる。前記第1相変化メモリ要素が前記第1及び第2相変化物質の膜を備える場合に、前記第1相変化物質の前記第1膜と前記第2相変化物質の前記第2膜との間にTi/TiN膜のような反応阻止膜が配置される。
前記第1結晶化温度は、前記第2結晶化温度よりも高く、少なくとも50℃以上とすることができ、より具体的には、前記第1結晶化温度は前記第2結晶化温度よりも高く、少なくとも100℃以上とすることができる。前記第1及び第2相変化物質は互いに異なるカルコゲナイド物質(chalcogenide materials)を含むことができる。例えば、前記第1相変化物質は、GaSb、InGaSb2、及びGe15Sb85からなる一群から選択された一つであり、前記第2相変化物質は、InSb、InGaSb2、Ge1Sb4Te7、Ge1Sb2Te4、Ge2Sb2Te5、GeTe、及びSb2Teからなる一群から選択された一つであるが、前記第1及び第2相変化物質は互いに異なるものとすることができる。
さらに、前記集積回路基板上に配置された第3相変化メモリ要素が提供される。前記第3相変化メモリ要素は第3結晶化温度を有する第3相変化物質を備える。前記第1、第2及び第3相変化メモリ要素を互いに異なる温度においてプログラムできるように前記第3結晶化温度は前記第1及び第2結晶化温度と異なるものとすることができる。
第1ダイオードは、第1ワードラインと第1ビットラインとの間に配置し、前記第1相変化メモリ要素に電気的に直列接続される。また、第2ダイオードは、第2ワードラインと第2ビットラインとの間に配置し、前記第2相変化メモリ要素に電気的に直列接続される。他の実施形態において、前記第1相変化メモリ要素は第1ビットライン及び第1メモリアクセストランジスタの一端に電気的に接続し、前記第2相変化メモリ要素は第2ビットライン及び前記第2メモリアクセストランジスタの一端に電気的に接続される。さらに他の実施形態において、ダイオードは第1ワードラインと第1ビットラインとの間に配置し、前記第1相変化メモリ要素に電気的に直列接続することができ、前記第2相変化メモリ要素は第2ビットライン及びメモリアクセストランジスタの一端に電気的に接続される。
さらに、電子基板は前記集積回路基板に電気的/機械的に接続される。例えば、前記電子基板ははんだバンプ(solder bumps)を用いて前記集積回路基板に電気的/機械的に接続される。また、プロセッサ(processor)は前記電子基板を介して前記集積回路基板に電気的に接続される。さらに、前記第1結晶化温度は前記第2結晶化温度よりも高く、前記プロセッサは前記第1相変化メモリ要素からデータを読み出すが、前記第1相変化メモリ要素にデータを書き込まず、前記プロセッサは前記第2相変化メモリ要素にデータを書き込み、前記第2相変化メモリ要素からデータを読み出すように構成することができる。
本発明の他の実施形態によると、相変化メモリ素子の製造方法が提供される。集積回路基板に第1及び第2相変化メモリ要素が形成される。前記第1相変化メモリ要素は前記集積回路基板の第1メモリ領域に形成することができ、前記第1相変化メモリ要素は第1結晶化温度を有する第1相変化物質を備える。前記第2相変化メモリ要素は前記集積回路基板の第2メモリ領域に形成することができ、前記第2相変化メモリ要素は第2結晶化温度を有する第2相変化物質を備える。さらに、前記第1及び第2相変化メモリ要素を互いに異なる温度においてプログラムできるように前記第1及び第2結晶化温度は互いに異なるものとすることができる。
前記第1相変化メモリ要素を形成することは、前記第1メモリ領域上に前記第1相変化物質の膜を形成することを含むことができる。ここで、前記第2メモリ領域は前記第1相変化物質の前記膜がないように形成される。また、前記第2相変化メモリ要素を形成することは、前記第1相変化物質の前記膜を形成した後に前記第2メモリ領域上に前記第2相変化物質の膜を形成することを含むことができる。前記第1相変化物質の前記膜を形成することは、前記第1及び第2メモリ領域上に前記第1相変化物質の前記膜を形成し、前記第1メモリ領域上に前記第1相変化物質の前記膜を保存する一方、前記第2メモリ領域から前記第1相変化物質の前記膜を除去することを含むことができる。
前記第2相変化物質の前記膜を形成することは、前記第1メモリ領域の前記第1相変化物質の前記膜及び前記第2メモリ領域上に前記第2相変化物質の前記膜を形成し、前記第2メモリ領域上に前記第2相変化物質の前記膜を保存する一方、前記第1及び第2メモリ領域間の前記第2相変化物質の前記膜を除去することを含むことができる。前記第2相変化物質の前記膜を除去することは、前記第1メモリ領域上の前記第1相変化物質の前記膜から前記第2相変化物質の前記膜を除去することを含むことができる。他の実施形態において、前記第2相変化物質の前記膜を除去することは、前記第1メモリ領域上の前記第1相変化物質の前記膜上に前記第2相変化物質の前記膜を保存することを含むことができる。前記第2相変化物質の前記膜を形成する前に、前記第1相変化物質の前記膜上に反応阻止膜が形成される。前記反応阻止膜は、前記第1メモリ領域内の前記第1相変化物質の前記膜と前記第2相変化物質の前記膜との間に存在することができる。前記反応阻止膜はTi/TiN膜で形成される。
前記第1結晶化温度は、前記第2結晶化温度よりも高く、少なくとも50℃以上とすることができ、より具体的には、前記第1結晶化温度は前記第2結晶化温度よりも高く、少なくとも100℃以上とすることができる。前記第1及び第2相変化物質は互いに異なるカルコゲナイド物質を含むことができる。例えば、前記第1相変化物質は、GaSb、InGaSb2、及びGe15Sb85からなる一群から選択された一つで、前記第2相変化物質はInSb、InGaSb2、Ge1Sb4Te7、Ge1Sb2Te4、Ge2Sb2Te5、GeTe、及びSb2Teからなる一群から選択された一つであるが、前記第1及び第2相変化物質は互いに異なるものとすることができる。
さらに、前記集積回路基板上に第3相変化メモリ要素が形成される。前記第3相変化メモリ要素は第3結晶化温度を有する第3相変化物質を備える。前記第1、第2及び第3相変化メモリ要素を互いに異なる温度においてプログラムできるように前記第3結晶化温度は前記第1及び第2結晶化温度と異なるものとすることができる。
前記第1及び第2相変化メモリ要素を形成する前に、前記第1及び第2メモリ領域のそれぞれに第1及び第2ダイオードが形成される。前記第1ダイオードは前記第1相変化メモリ要素と第1ワードラインとの間に電気的に接続され、前記第2ダイオードは前記第2相変化メモリ要素と第2ワードラインとの間に電気的に接続される。他の実施形態において、前記第1及び第2相変化メモリ要素を形成する前に、前記第1及び第2メモリ領域のそれぞれに第1及び第2メモリアクセストランジスタが形成される。前記第1相変化メモリ要素は前記第1メモリアクセストランジスタの一端に電気的に接続され、前記第2相変化メモリ要素は前記第2メモリアクセストランジスタの一端に電気的に接続される。さらに他の実施形態において、前記第1相変化メモリ要素を形成する前に、前記第1メモリ領域にダイオードが形成される。また、前記第2相変化メモリ要素を形成する前に、前記第2メモリ領域にメモリアクセストランジスタが形成される。この場合、前記ダイオードは第1ワードラインと第1ビットラインとの間に形成し、前記ダイオードは前記第1相変化メモリ要素に電気的に直列接続され、前記第2相変化メモリ要素は第2ビットライン及び前記メモリアクセストランジスタの一端に電気的に接続される。
前記第1結晶化温度は前記第2結晶化温度よりも高くすることができる。前記第1及び第2相変化メモリ要素を形成した後、前記第1相変化メモリ要素をプログラムすることができる。前記第1相変化メモリ要素をプログラムした後に、前記集積回路基板が電子基板に電気的/機械的に接続される。その結果、プロセッサが前記電子基板を介して前記集積回路基板に電気的に接続される。前記集積回路基板を電子基板に電気的/機械的に接続することは、はんだ(solder)をリフロー(reflow)することを含むことができる。前記はんだのリフロー温度は前記第1結晶化温度よりも低くすることができる。さらに、前記はんだのリフロー温度は前記第2結晶化温度より高くすることができる。さらに、前記プロセッサは前記第1相変化メモリ要素からデータを読み出すが、前記第1相変化メモリ要素にデータを書き込まず、前記プロセッサは前記第2相変化メモリ要素にデータを書き込み、前記第2相変化メモリ要素からデータを読み出すように構成することができる。
本発明のさらに他の実施形態によると、電子基板、前記電子基板に電気的/機械的に接続された相変化メモリ素子、及び前記電子基板に電気的に接続されたプロセッサを備えた電子システムを提供することができる。前記相変化メモリ素子は集積回路基板上に配置された第1及び第2相変化メモリ要素を備える。前記第1相変化メモリ要素は第1結晶化温度を有する第1相変化物質を備える。前記第2相変化メモリ要素は第2結晶化温度を有する第2相変化物質を備える。前記第1及び第2相変化メモリ要素を互いに異なる温度においてプログラムできるように、前記第1及び第2結晶化温度は互いに異なるものとすることができる。前記プロセッサ及び前記相変化メモリ素子は前記電子基板を介して電気的に接続される。
前記第1結晶化温度は前記第2結晶化温度よりも高く、少なくとも50℃以上とすることができ、より具体的には、前記第1結晶化温度は前記第2結晶化温度よりも高く、少なくとも100℃以上とすることができる。前記第1及び第2相変化物質は互いに異なるカルコゲナイド物質を含むことができる。さらに、前記プロセッサは前記第1相変化メモリ要素からデータを読み出すが、前記第1相変化メモリ要素にデータを書き込まず、前記プロセッサは前記第2相変化メモリ要素にデータを書き込み前記第2相変化メモリ要素からデータを読み出すように構成したものとすることができる。
本発明のさらに他の実施形態によると、電子基板、前記電子基板に電気的/機械的に接続した第1及び第2相変化メモリ素子、及び前記電子基板に電気的に接続したプロセッサを備える電子システムを提供することができる。前記第1相変化メモリ素子は第1集積回路基板上に配置された複数の第1相変化メモリ要素を備える。前記第1相変化メモリ要素のそれぞれは第1結晶化温度を有する第1相変化物質を備える。前記第2相変化メモリ素子は第2集積回路基板上に配置した複数の第2相変化メモリ要素を備える。前記第2相変化メモリ要素のそれぞれは第2結晶化温度を有する第2相変化物質を備える。さらに、前記第1及び第2相変化メモリ要素を互いに異なる温度においてプログラムできるように、前記第1及び第2結晶化温度は互いに異なるものとすることができる。さらに、前記プロセッサ、前記第1相変化メモリ素子、及び前記第2相変化メモリ素子は前記電子基板を介して電気的に接続される。
前記第1結晶化温度は前記第2結晶化温度よりも高く、少なくとも50℃以上とすることができ、より具体的には、前記第1結晶化温度は前記第2結晶化温度よりも高く、少なくとも100℃以上とすることができる。前記第1及び第2相変化物質は互いに異なるカルコゲナイド物質を含むことができる。さらに、前記プロセッサは前記第1相変化メモリ素子からデータを読み出すが、前記第1相変化メモリ素子にデータを書き込まず、前記プロセッサは前記第2相変化メモリ素子にデータを書き込み前記第2相変化メモリ素子からデータを読み出すように構成したものとすることができる。
本発明のさらに他の実施形態によると、電子システムは複数の第1相変化メモリ要素、複数の第2相変化メモリ要素、及び前記第1及び第2相変化メモリ要素に電気的に接続したプロセッサを備える。前記第1相変化メモリ要素のそれぞれは第1結晶化温度を有する第1相変化物質を備える。前記第2相変化メモリ要素のそれぞれは第2結晶化温度を有する第2相変化物質を備える。前記第1及び第2相変化メモリ要素を互いに異なる温度においてプログラムできるように、前記第1及び第2結晶化温度は互いに異なるものとすることができる。前記電子システムの動作方法は、前記複数の第1相変化メモリ要素からROMデータを前記プロセッサに読み出すが、前記プロセッサから前記ROMデータを前記複数の第1相変化メモリ要素に書き込まないことを含むことができる。さらに、前記プロセッサからプログラマブルデータを前記複数の第2相変化メモリ要素に書き込むことができる。前記プログラマブルデータを書き込んだ後に、前記複数の第2相変化メモリ要素から前記プログラマブルデータを前記プロセッサに読み出すことができる。
前記第1結晶化温度は前記第2結晶化温度よりも高く、少なくとも50℃以上とすることができ、前記第1及び第2相変化物質は互いに異なるカルコゲナイド物質を含むことができる。さらに、前記第1及び第2相変化メモリ要素は同一の半導体集積回路基板上に提供することができる。これとは異なって、前記第1相変化メモリ要素は第1半導体集積回路基板上に提供されて、前記第2相変化メモリ要素は第2半導体集積回路基板上に提供される。
本発明のさらに他の実施形態によると、複数の第1相変化メモリ要素、複数の第2相変化メモリ要素、及び前記第1及び第2相変化メモリ要素に電気的に接続されたプロセッサを備える電子システムが提供することができる。前記第1相変化メモリ要素のそれぞれは第1結晶化温度を有する第1相変化物質を備える。前記第2相変化メモリ要素のそれぞれは第2結晶化温度を有する第2相変化物質を備える。前記第1及び第2相変化メモリ要素を互いに異なる温度においてプログラムできるように、前記第1及び第2結晶化温度は互いに異なるものとすることができる。前記プロセッサは前記複数の第1相変化メモリ要素からROMデータを読み出すが、前記プロセッサから前記ROMデータを前記複数の第1相変化メモリ要素に書き込まない。また、前記プロセッサはプログラマブルデータを前記複数の第2相変化メモリ要素から書き込み、前記プログラマブルデータを書き込んだ後、前記複数の第2相変化メモリ要素から前記プログラマブルデータを読み出すように構成したものとすることができる。
前記第1結晶化温度は前記第2結晶化温度よりも高く、少なくとも50℃以上とすることができ、前記第1及び第2相変化物質は互いに異なるカルコゲナイド物質を含むことができる。さらに、前記第1及び第2相変化メモリ要素は同一の半導体集積回路基板上に提供することができる。これとは異なって、前記第1相変化メモリ要素を第1半導体集積回路基板上に提供し、前記第2相変化メモリ要素を第2半導体集積回路基板上に提供することもできる。
本発明によれば、半導体基板上の高温領域に高温相変化メモリ要素を有する高温相変化メモリセルを提供し、前記半導体基板上の低温領域に低温相変化メモリ要素を有する低温相変化メモリセルを提供する。前記高温相変化メモリ要素は前記低温相変化メモリ要素よりも高い結晶化温度を有する物質膜を備える。これによって、前記高温相変化メモリ要素のデータ保存可能温度は前記低温相変化メモリ要素よりも高くすることができる。結果的に、高い温度においても保存されたデータが保存できる特性を有する前記高温相変化メモリセル及び低電力消耗特性を有する前記低温相変化メモリセルを備える相変化メモリ素子を提供することができる。
添付した図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を詳しく説明する。しかしながら、本発明は、ここで説明する実施形態に限られず、他の形態で具体化されることもある。むしろ、ここで紹介される実施形態は開示された発明が完成されていることを示すと共に、当業者に本発明の思想を十分に伝えるために提供されるものである。図面において、層及び領域の厚みは明確性をあたえるために誇張して図示されている。また、層が、他の層、又は基板「上」にあると言われた場合、それは他の層、又は基板上に直接形成されるか、又はそれらの間に第3の層が介在されることもある。明細書全体にわたって同じ参照番号は、同様の構成要素を示す。
図1は相変化メモリセルに用いられる相変化物質の特性を示すグラフである。図1の横軸は時間であり、図1の縦軸は前記相変化物質に印加される温度である。図1を参照すると、前記相変化物質は融点Tmよりも高い温度に加熱された後に相対的に短い第1時間T1以上で結晶化温度Tc以下に急激に冷却された場合に、前記相変化物質のプログラミング体積は点線1に示すように非晶質化される。前記相変化物質は融点Tmよりも低く、結晶化温度Tcよりも高い温度で第2時間T2以上加熱されて後冷却される場合に、前記相変化物質の前記プログラミング体積は実線2に示すように結晶質となる。前記非晶質状態物質の抵抗は前記結晶質状態物質の抵抗よりも高い。
読み出しモードにおいて、前記相変化物質を通じて流れる電流は前記相変化メモリ要素に保存された情報が論理「1」であるか、論理「0」であるかを判別するのに用いられる。例えば、Ge2Sb2Te5の場合に、前記結晶化温度Tcは約160℃であり、前記融点Tmは約610℃とすることができ、前記非晶質状態に設定するのに用いられる前記第1時間T1は約4nsないし約5nsとすることができ、前記結晶質状態に設定するのに用いられる前記第2時間T2は約500nsとすることができる。一方、相変化メモリセルの動作は米国特許第7061013号明細書にホリイヒデキ(Horii Hideki)によって開示されている。
本発明のいくつかの実施形態によると、同一半導体基板に提供された同一相変化メモリ素子のRAM領域及びROM領域は互いに異なる結晶化温度を有する互いに異なる相変化物質からなるメモリ要素を備える。具体的には、前記相変化メモリ素子のROM領域は相対的に高い結晶化温度を有する相変化物質を用いるメモリ要素を備える。前記相変化メモリ素子のRAM領域は相対的に低い結晶化温度を有する相変化物質を用いるメモリ要素を備える。
前記相変化メモリ素子の前記ROM領域はパッケージ工程以前にプログラムされる。この場合に、ROMデータはパッケージ工程の最も高い温度においても消去されてはいけない。前記ROM領域の前記相変化物質はすべてのパッケージ工程の温度よりも高い結晶化温度を有するように選択することができる。例えば、前記ROM領域の前記相変化物質ははんだリフロー(solder reflow)温度よりも高い結晶化温度を有するように選択することができる。前記相変化メモリ素子の前記RAM領域はパッケージ工程の後までプログラムされてない状態を維持しても良いので、前記相変化メモリ素子の前記RAM領域の結晶化温度は一つ又は複数のパッケージ工程温度よりも低くすることができる。前記ROMデータはパッケージ工程の間に消去されないので、前記相変化メモリ素子の前記ROM領域はパッケージ工程前に効率的にプログラムすることができる。一方、低い結晶化温度を有する相変化物質は前記RAM領域に高速で低電力の書き込み動作を提供することができる。
図2は、本発明の実施形態による高温及び低温メモリセル領域を有する相変化メモリ素子の等価回路図である。図2に示すように、相変化メモリセルは高温相変化膜を備える可変抵抗体Rph及び低温相変化膜を備える可変抵抗体Rpを備える。前記メモリ素子の高温領域HTに高温メモリセル100が配置される。前記高温メモリセル100のそれぞれは前記高温相変化膜を備える可変抵抗体Rph及びダイオードDを備える。すなわち、前記高温メモリセル100のそれぞれは相対的に高い結晶化温度を有する相変化物質の膜を備える。前記高温相変化膜を備える可変抵抗体Rphは前記ダイオードDに電気的に直列接続される。また、前記高温メモリセル100のそれぞれはビットラインBL1とワードラインWL1との間に配置される。前記メモリ素子の低温領域LTに低温メモリセル200が配置される。前記低温メモリセル200のそれぞれは前記低温相変化膜を備える可変抵抗体Rp及びダイオードDを備える。すなわち、前記低温メモリセル200のそれぞれは相対的に低い結晶化温度を有する相変化物質の膜を備える。前記低温相変化膜を備える可変抵抗体Rpは前記ダイオードDに電気的に直列接続される。また、前記低温メモリセル200のそれぞれはビットラインBL2とワードラインWL2との間に配置される。
図3は、本発明の他の実施形態による高温及び低温メモリセル領域を有する相変化メモリ素子の等価回路図である。図3に示すように、相変化メモリセルは高温相変化膜を備える可変抵抗体Rph及び低温相変化膜を備える可変抵抗体Rpを備える。前記メモリ素子の高温領域HTにおいて高温メモリセルのそれぞれは前記高温相変化膜を備える可変抵抗体Rph及びトランジスタTを備える。すなわち、前記高温メモリセルのそれぞれは相対的に高い結晶化温度を有する相変化物質の膜を備える。前記高温相変化膜を備える可変抵抗体Rphは前記トランジスタTの一端に電気的に直列接続される。前記高温相変化膜を備える可変抵抗体RphはビットラインBL1と前記トランジスタTのソースラインとの間に配置される。また、前記トランジスタTのゲートはワードラインWL1に接続される。前記メモリ素子の低温領域LTにおいて低温メモリセルのそれぞれは前記低温相変化膜を備える可変抵抗体Rp及びトランジスタTを備える。すなわち、前記低温メモリセルのそれぞれは相対的に低い結晶化温度を有する相変化物質の膜を備える。前記低温相変化膜を備える可変抵抗体Rpは前記トランジスタTの一端に電気的に直列接続される。前記低温相変化膜を備える可変抵抗体RpはビットラインBL2と前記トランジスタTのソースラインとの間に配置される。また、前記トランジスタTのゲートはワードラインWL2に接続される。
図4は、本発明の実施形態による図2の前記相変化メモリ素子の高温領域HTに配置された高温メモリセル及び低温領域LTに配置された低温メモリセルを示す断面図である。上述のように、前記高温領域HTに配置された高温メモリセルはパッケージ工程前にプログラムされるROMを提供することができる。例えば、前記パッケージ工程は印刷回路基板にフリップチップはんだ付け(flip−chip soldering)のような工程を有することができる。前記低温領域LTに配置された低温メモリセルはパッケージ工程後にプログラムされるRAMを提供することができる。例えば、前記パッケージ工程は印刷回路基板にフリップチップはんだ付けのような工程を有することができる。
図4に示すように、ワードラインWL1、WL2が半導体基板51のドーピング領域に提供される。前記ワードラインWL1、WL2は素子分離膜53によって絶縁される。これとは異なって、前記ワードラインWL1、WL2は、金属パターン、ドーピングされたポリシリコンパターン、シリサイドパターン、などのように他の導電性パターンとすることができシリコン酸化膜のような下部誘電膜55が前記ワードラインWL1、WL2上に提供される。前記下部誘電膜55にコンタクトホールが形成される。前記コンタクトホール内にダイオードDが提供される。前記ダイオードDは互いに異なる導電型を有するドーピングされたポリシリコン膜56、57を備える。図2及び図4に示すように、シリサイド電極のようなダイオード電極59が前記コンタクトホール内の前記ダイオードD上に提供される。前記ダイオード電極59はニッケルシリサイド(nickel silicide)、銅シリサイド(copper silicide)、又はこれらの組み合わせを含むことができる。
シリコン酸化膜のような中間誘電膜61が前記ダイオード電極59及び前記下部誘電膜55上に形成される。前記中間誘電膜61を貫通して前記ダイオード電極59を部分的に露出させるコンタクトホールが形成される。下部電極63が前記中間誘電膜61を貫通するコンタクトホール内に形成される。前記下部電極63はTiN、TiAlN、TiBN、TiSiN、TaN、TaAlN、TaBN、TaSiN、WN、WBN、WSiN、WAlN、ZrN、ZrSiN、ZrAlN、ZrBN、MoN、Al、Al−Cu、Al−Cu−Si、WSix、Ti、W、Mo、Ta、TiW、及び/又はCuのような一つ又は複数の導電性物質を備える。
図4に示すように、低温相変化メモリ要素Rpは第1低温相変化物質膜71aを備える。前記低温相変化メモリ要素Rp上に第1上部電極73aが提供される。高温相変化メモリ要素Rphは高温相変化物質膜65b、反応阻止膜67b、及び第2低温相変化物質膜71bを備える。例えば、前記反応阻止膜67bはTi/TiN膜を含むことができる。前記高温相変化メモリ要素Rph上に第2上部電極73bが提供される。前記低温相変化物質膜71a、71bは前記高温相変化物質膜65bよりも低い結晶化温度を有するものとすることができる。前記相変化メモリ要素Rp、Rph、及び前記上部電極73a、73b上に上部誘電膜75が形成される。前記上部誘電膜75を貫通して前記上部電極73a、73bを部分的に露出させるコンタクトホールが形成される。前記露出した上部電極73a、73b及び前記上部誘電膜75上にビットラインBL1、BL2が形成される。
前記上部電極73a、73bは、TiN、TiAlN、TiBN、TiSiN、TaN、TaAlN、TaBN、TaSiN、WN、WBN、WSiN、WAlN、ZrN、ZrSiN、ZrAlN、ZrBN、MoN、Al、Al−Cu、Al−Cu−Si、WSix、Ti、W、Mo、Ta、TiW、及び/又はCuを含むことができる。前記ビットラインBL1、BL2は、アルミニウム、タングステン、及び/又は銅を含むことができる。前記下部電極63とこれに対応する前記相変化メモリ要素Rp、Rphとの間の接触面は、前記上部電極73a、73bとこれに対応する前記相変化メモリ要素Rp、Rphとの間の接触面よりも小さいものとする。これによって、プログラミング動作中の加熱による相変化は前記相変化メモリ要素Rp、Rphの前記下部電極63に隣接している領域で優先的に発生する。これにより、前記高温相変化メモリ要素Rph内の前記第2低温相変化物質膜71bは前記高温相変化メモリ要素Rphのプログラミングに対して深刻な影響を及ぼすことはない。すなわち、前記高温相変化メモリ要素Rphのプログラム容積(programmable volume)は前記高温相変化物質膜65bに限られる。このようにして、前記低温相変化メモリ要素Rpは相対的に低い温度においてプログラムされ、前記高温相変化メモリ要素Rphは相対的に高い温度においてプログラムされる。
前記高温相変化物質膜65bの結晶化温度は、前記低温相変化物質膜71a、71bの結晶化温度よりも高く、少なくとも50℃以上とすることができる。より具体的には、前記高温相変化物質膜65bの結晶化温度は前記低温相変化物質膜71a、71bの結晶化温度よりも高く、少なくとも100℃以上とすることができる。
前記低温相変化物質膜71a、71bは相対的に低い結晶化温度を有する第1カルコゲナイド物質膜とすることができ、前記高温相変化物質膜65bは相対的に高い結晶化温度を有する第2カルコゲナイド物質膜とすることができる。図5は、互いに異なるカルコゲナイド物質及びこれらの結晶化温度を示す。本発明のいくつかの実施形態によると、前記高温相変化物質膜65bはGaSb、InGaSb2、及びGe15Sb85からなる一群から選択された一つとすることができ、前記低温相変化物質膜71a、71bはInSb、InGaSb2、Ge1Sb4Te7、Ge1Sb2Te4、Ge2Sb2Te5、GeTe、及びSb2Teからなる一群から選択された一つとすることができる。この場合に、前記高温相変化物質膜65bは前記低温相変化物質膜71a、71bと異なる物質膜とすることができる。
図4に示すように、前記低温相変化メモリ要素Rpは高温相変化物質を備えないものとすることができる。これに反して、前記高温相変化メモリ要素Rphは前記高温相変化物質及び低温相変化物質の膜をすべて備える。図6に示すように、本発明の他の実施形態によると、前記高温相変化メモリ要素Rph’は前記低温相変化物質を備えないものとすることができる。図6において、前記下部電極63、前記中間誘電膜61、及び前記下部電極63及び前記中間誘電膜61の下部構成要素は、図4において詳しく記述したので具体的な説明は省略する。さらに、前記低温相変化メモリ要素Rp、前記低温相変化物質膜71a、前記上部電極73a、73b、前記上部誘電膜75、及び前記ビットラインBL1、BL2も、図4で詳しく記述したので、具体的な説明は省略する。しかしながら、図6に示すように、前記高温相変化メモリ要素Rph’は前記高温相変化物質膜65bを備える。この場合に、前記反応阻止膜67b及び前記第2低温相変化物質膜71bのいずれか一つ又は二つは省略される。前記高温相変化物質膜65bは図4と同じものとすることができる。
図4及び図6に示すように、前記高温及び低温相変化メモリ要素Rp、Rph、Rph’は二つの異なる温度でプログラムすることができる。前記二つの異なる温度は前記高温及び低温相変化物質の前記互いに異なる結晶化温度によって決定される。相変化メモリ要素は、互いに異なる結晶化温度を有する相変化物質を使用した数の分だけ互いに異なる温度においてプログラムすることができる。
図7に示すように、半導体基板51上に高温、中温、及び低温相変化メモリ要素Rphh、Rpm、Rpllを備えるメモリ素子が提供される。前記低温相変化メモリ要素Rpllは第1低温相変化物質膜81aを備える。前記中温相変化メモリ要素Rpmは第1中温相変化物質膜71b、第1反応阻止膜87b、及び第2低温相変化物質膜81bを備える。前記第1反応阻止膜87bはTi及び/又はTiNを備える。前記高温相変化メモリ要素Rphhは、高温相変化物質膜65c、第2反応阻止膜67c、第2中温相変化物質膜71c、第3反応阻止膜87c、及び第3低温相変化物質膜81cを備える。前記第2反応阻止膜67c及び前記第3反応阻止膜87cもTi及び/又はTiNを備える。
図7において、前記下部電極63、前記中間誘電膜61、及び前記下部電極63及び前記中間誘電膜61下部の構成要素は、図4及び図6で詳しく記述したので具体的な説明は省略する。さらに、前記上部電極73a、73b、73c、前記上部誘電膜75、及び前記ビットラインBL1、BL2も図4及び図6の対応する要素と等しいので具体的な説明は省略する。図7に示すように、前記中温及び低温相変化メモリ要素Rpm、Rpllは、前記第2ビットラインBL2に共同して接続することもできる一方、前記中温及び低温相変化メモリ要素Rpm、Rpllは互いに異なるビットラインにそれぞれ接続することもできる。
前記下部電極63とこれに対応する前記相変化メモリ要素Rphh、Rpm、Rpllとの間の接触面は、前記上部電極73a、73b、73cとこれに対応する前記相変化メモリ要素Rphh、Rpm、Rpllとの間の接触面よりも小さいものとすることができる。これにより、プログラミング動作間の加熱による相変化は前記相変化メモリ要素Rphh、Rpm、Rpllの前記下部電極63に隣接した領域において優先的に発生することができる。したがって、前記高温相変化メモリ要素Rphh内の前記第2中温相変化物質膜71c及び前記第3低温相変化物質膜81cは、前記高温相変化メモリ要素Rphhのプログラミングに対して深刻な影響を及ぼさない。これと同様に、前記中温相変化メモリ要素Rpm内の前記第2低温相変化物質膜81bは、前記中温相変化メモリ要素Rpmのプログラミングに深刻な影響を及ぼさない。
換言すれば、前記高温相変化メモリ要素Rphhのプログラム容積は前記高温相変化物質膜65cに限られ、前記中温相変化メモリ要素Rpmのプログラム容積は第1中温相変化物質膜71bに限られる。このように、前記低温相変化メモリ要素Rpllは相対的に低い温度でプログラムすることができ、前記中温相変化メモリ要素Rpmは中間温度においてプログラムすることができ、前記高温相変化メモリ要素Rphhは相対的に高い温度においてプログラムすることができる。
前記高温相変化物質膜65cの結晶化温度は、前記中温相変化物質膜71b、71cの結晶化温度よりも高く、少なくとも50℃以上とすることができる。さらに、前記中温相変化物質膜71b、71cの結晶化温度は、前記低温相変化物質膜81a、81b、81cの結晶化温度よりも高く、少なくとも50℃以上とすることができる。
前記低温相変化物質膜81a、81b、81cは相対的に低い結晶化温度を有する第1カルコゲナイド物質膜とすることができ、前記高温相変化物質膜65cは相対的に高い結晶化温度を有する第2カルコゲナイド物質膜とすることができ、前記中温相変化物質膜71b、71cは前記低温相変化物質膜81a、81b、81cと前記高温相変化物質膜65cとの間の中間結晶化温度を有する第3カルコゲナイド物質膜とすることができる。図5は互いに異なるカルコゲナイド物質及びそれらの結晶化温度を示す。
本発明のいくつかの実施形態によると、前記高温相変化物質膜65cは、GaSb、InGaSb2、及びGe15Sb85からなる一群から選択された一つとすることができ、前記中温相変化物質膜71b、71cは、InSb、InGaSb2、Ge2Sb2Te5、及びGeTeからなる一群から選択された一つとすることができ、前記低温相変化物質膜81a、81b、81cは、InSb、InGaSb2、Ge1Sb4Te7、Ge1Sb2Te4、Ge2Sb2Te5、GeTe、及びSb2Teからなる一群から選択された一つとすることができる。この場合に、前記高温相変化物質膜65c、前記中温相変化物質膜71b、71c、及び前記低温相変化物質膜81a、81b、81cは互いに異なる物質膜とすることができる。本発明の他の実施形態によると、前記高温相変化物質膜65cは、GaSb及びGe15Sb85からなる一群から選択された一つとすることができ、前記中温相変化物質膜71b、71cは、InSb、InGaSb2、Ge2Sb2Te5、及びGeTeからなる一群から選択された一つとすることができ、前記低温相変化物質膜81a、81b、81cは、Ge1Sb4Te7、Ge1Sb2Te4、及びSb2Teからなる一群から選択された一つとすることができる。
図7に示すように、前記低温相変化メモリ要素Rpllは前記中温及び高温相変化物質を含まないものとすることができ、前記中温相変化メモリ要素Rpmは前記高温相変化物質を含まないものとすることができる。一方、前記高温相変化メモリ要素Rphhは前記低温、中温、及び高温相変化物質の膜を備える。図8に示す本発明の他の実施形態によると、前記高温相変化メモリ要素Rphh’は前記低温及び中温相変化物質を含まないものとすることができ、前記中温相変化メモリ要素Rpm’は前記低温相変化物質を含まないものとすることができる。
図8において、前記下部電極63、前記中間誘電膜61、及び前記下部電極63及び前記中間誘電膜61下部の構成要素は図4、図6、及び図7に詳しく記述してあるので具体的な説明は省略する。さらに、前記低温相変化メモリ要素Rpll、前記上部電極73a、73b、73c、前記上部誘電膜75、及び前記ビットラインBL1、BL2も図7の対応する要素と同様であり、具体的な説明は省略する。図8に示すように、前記高温相変化メモリ要素Rphh’は前記高温相変化物質膜65cを備える。この場合に、反応阻止膜、中温相変化物質膜、及び低温相変化物質膜は省略することができる。これと同様に、前記中温相変化メモリ要素Rpm’は前記中温相変化物質膜71bを備える。この場合に、反応阻止膜、及び低温相変化物質膜は省略することができる。前記高温相変化物質膜65c及び前記中温相変化物質膜71bは図7を参照して記述したものと同一のものとすることができる。
図7及び図8に示すように、高温、中温、及び低温相変化メモリ要素Rphh、Rphh’、Rpm、Rpm’、Rpllは3種類の互いに異なる温度においてプログラムすることができる。前記3種類の互いに異なる温度は、前記高温、中温、及び低温相変化物質の前記互いに異なる結晶化温度によって決定される。相変化メモリ要素は互いに異なる結晶化温度を有する相変化物質を使用する数の分だけ互いに異なる温度においてプログラムすることができる。
図9に示すように、本発明のさらに他の実施形態によると、相変化メモリ要素に直列接続されたメモリアクセストランジスタを備えたメモリセルが提供される。例えば、図9のメモリ構造は図3に示したメモリの実施例とすることができる。図9において、前記中間誘電膜61、前記下部電極63、前記低温相変化メモリ要素Rp、前記低温相変化物質膜71a、前記高温相変化メモリ要素Rph、前記低温及び高温相変化物質膜65b、71b、前記反応阻止膜67b、前記上部電極73a、73b、前記上部誘電膜75、及び前記ビットラインBL1、BL2は、図4に示したのと同様であり、その詳細な説明は省略する。
図9に示すように、図4の前記ダイオードDは、対応するメモリアクセストランジスタに替えられる。前記メモリアクセストランジスタはドレイン領域91、ソース領域93、及びゲート電極95を備える。前記ゲート電極95はワードラインWL1、WL2に接続される。より具体的には、前記ソース/ドレイン領域91、93は半導体基板51の活性領域52に提供される不純物ドーピングされた領域とすることができる。前記メモリアクセストランジスタは素子分離膜53によって絶縁される。前記ゲート電極95及び前記ソース/ドレイン領域91、93上に下部誘電膜55が形成される。前記ドレイン領域91とこれに対応する下部電極63との間を電気的に接続させるドレインプラグ96及びドレインパッド97が提供される。これと同様に、前記ソース領域93とこれに対応するソースライン99との間を電気的に接続させるソースプラグ98が提供される。図3の等価回路図に示すように、前記ソースライン99は接地される。選択されたメモリ要素/セルのソースライン99は前記選択されたメモリ要素/セルの読み出し/書き込み動作に好適な基準電圧に接続される。前記関連のメモリアクセストランジスタをオンにして前記関連のビットライン及び前記関連のソースラインに電気信号を印加して、相変化メモリ要素Rp、Rphに読み出し/書き込み動作を行なわせることができる。
図示してないが、図9に示すようなメモリアクセストランジスタを、図4、図6、図7、及び/又は図8に示す構造に含まれたダイオードDに代替することができる。本発明のさらに他の実施形態によると、メモリアクセストランジスタに接続された、いくつかの相変化メモリ要素及びダイオードに接続された異なる相変化メモリ要素が同一の半導体基板上に存在する一つのメモリ素子として提供される。例えば、図2の前記高温領域HT内において前記ダイオードDはメモリアクセストランジスタと代替することができ、前記低温領域LT内においては図2のように前記ダイオードDが配置される。換言すれば、図2の前記低温領域LTの前記構造を維持する一方、図3の前記高温領域HTの前記構造は図2の前記高温領域HTの前記構造と代替することができる。本発明のさらに他の実施形態によると、図2の前記高温領域HTに前記ダイオードDを維持する一方、図2の前記低温領域LTの前記ダイオードDはメモリアクセストランジスタに代替することができる。換言すれば、図2の前記高温領域HTの前記構造を維持する一方、図2の前記低温領域LTの前記構造は図3の前記低温領域LTの前記構造に代替することができる。
図4及び図9の前記相変化メモリ要素Rp、Rphの形成方法を図10A、図10B、及び図10Cを参照して説明する。図10A、図10B、及び図10Cに示す前記相変化メモリ要素Rp、Rphの形成方法は、図2及び図4に示すダイオードメモリ構造、図3及び図9に示すトランジスタメモリ構造、及び/又はこれらの組み合わせにすべて適用される。ダイオード及びトランジスタの形成方法については省略する。前記基板52、前記下部誘電膜55のような構成要素も省略する。
図10Aに示すように、中間誘電膜61を貫通する下部電極63を形成する。上述のように、前記下部電極63のそれぞれは、対応するダイオード及び/又はメモリアクセストランジスタに接続される。前記中間誘電膜61及び前記下部電極63上に高温相変化物質膜65を形成することができる。前記高温相変化物質膜65上に反応阻止膜67を形成することができる。
図10Bに示すように、前記高温相変化物質膜65及び前記反応阻止膜67をパターニングして、パターニングされた高温相変化物質膜65’及びパターニングされた反応阻止膜67’を形成する。具体的には、前記低温領域LT上を覆っていた前記高温相変化物質膜65を除去することができる。前記パターニングされた高温相変化物質膜65’は前記高温領域HTに残存することができる。前記中間誘電膜61及び前記パターニングされた反応阻止膜67’上に低温相変化物質膜71が形成される。前記低温相変化物質膜71上に電極物質膜73が形成される。
図10Cに示すように、前記電極物質膜73、前記低温相変化物質膜71、前記パターニングされた反応阻止膜67’、及び前記パターニングされた高温相変化物質膜65’を連続的にパターニングして前記高温相変化メモリ要素Rph及び前記低温相変化メモリ要素Rpを形成することができる。例えば、前記パターニングには一つのマスクを用いるフォトリソグラフィ工程が適用される。これによって、前記低温相変化メモリ要素Rpの前記第1低温相変化物質膜71aは前記第1上部電極73aに自己整列(self−aligned)される。これと同様に、前記高温相変化メモリ要素Rphの前記高温相変化物質膜65b、前記反応阻止膜67b、前記第2低温相変化物質膜71bは、前記第2上部電極73bに自己整列される。
前記メモリ要素Rp、Rphをパターニングした後、前記中間誘電膜61及び前記上部電極73a、73b上に上部誘電膜75が形成される。前記上部誘電膜75を貫通して前記上部電極73a、73bを部分的に露出させるコンタクトホールが形成される。さらに、前記露出した上部電極73a、73b及び前記上部誘電膜75上に前記ビットラインBL1、BL2が形成される。図示してないが、図7を参照して説明したように、同一半導体基板上に高温、中温、及び低温相変化メモリ要素を備えるメモリ素子の製造方法にも上述の製造方法が適用される。
次に、図11A、図11B、図11C、及び図11Dを参照して図6の前記相変化メモリ要素Rp、Rph’を説明する。図11A、図11B、図11C、及び図11Dに示す前記相変化メモリ要素Rp、Rph’の形成方法は、図2及び図6に示すダイオードメモリ構造、図3に示すトランジスタメモリ構造、及び/又はこれらの組み合わせにすべて適用される。ダイオード及びトランジスタの形成方法は省略する。前記基板52、前記下部誘電膜55のような構成要素も省略する。
図11Aに示すように、前記中間誘電膜61を貫通する下部電極63が形成される。上述のように、前記下部電極63のそれぞれは、対応するダイオード及び/又はメモリアクセストランジスタに接続される。前記中間誘電膜61及び前記下部電極63上に高温相変化物質膜65が形成される。
図11Bに示すように、前記高温相変化物質膜65をパターニングして、パターニングされた高温相変化物質膜65が形成される。具体的には、前記低温領域LT上を覆っていた前記高温相変化物質膜65は除去される。前記パターニングされた高温相変化物質膜65’は前記高温領域HTに残存することができる。前記中間誘電膜61及び前記パターニングされた高温相変化物質膜65’上に低温相変化物質膜71が形成される。
図11Cに示すように、前記低温相変化物質膜71をパターニングして、パターニングされた低温相変化物質膜71’が形成される。具体的には、前記高温領域HT上を覆っていた前記低温相変化物質膜71は除去される。前記パターニングされた低温相変化物質膜71’は前記低温領域LTに残存することができる。前記パターニングされた低温相変化物質膜71’、前記パターニングされた高温相変化物質膜65’、及び前記中間誘電膜61上に電極物質膜73が形成される。
図11Dに示すように、前記電極物質膜73、前記パターニングされた低温相変化物質膜71’、及び前記パターニングされた高温相変化物質膜65’を連続的にパターニングして前記高温相変化メモリ要素Rph’及び前記低温相変化メモリ要素Rpが形成される。例えば、前記パターニングには、一つのマスクを用いるフォトリソグラフィ工程が適用される。これによって、前記低温相変化メモリ要素Rpの前記低温相変化物質膜71aは、前記第1上部電極73aに自己整列される。これと同様に、前記高温相変化メモリ要素Rph’の前記高温相変化物質膜65bは前記第2上部電極73bに自己整列される。
前記メモリ要素Rp、Rph’をパターニングした後、前記中間誘電膜61及び前記上部電極73a、73b上に上部誘電膜75が形成される。前記上部誘電膜75を貫通して前記上部電極73a、73bを部分的に露出させるコンタクトホールが形成される。さらに、前記露出した上部電極73a、73b及び前記上部誘電膜75上に前記ビットラインBL1、BL2が形成される。図示してないが、図8を参照して説明したように同一半導体基板上に高温、中温、及び低温相変化メモリ要素を備えるメモリ素子の製造方法にも上述の製造方法が適用される。
本発明のさらに他の実施形態によると、図12Aに示すように、複数のメモリ素子1201a、1201b、1201c、1201d、1201eが同一の半導体ウエハ1100上に形成される。前記メモリ素子1201a、1201b、1201c、1201d、1201eは、図2、図3、図4、図6、図7、図8、図9、図10A、図10B、図10C、図11A、図11B、図11C、及び図11Dを参照して説明したようなものとすることができる。前記メモリ素子1201a、1201b、1201c、1201d、1201eは分離することができる。例えば、前記メモリ素子1201a、1201b、1201c、1201d、1201eの分離には、前記半導体ウエハ1100をダイシング(dicing)する工程が適用される。前記分離したメモリ素子1201a、1201b、1201c、1201d、1201eは図12Bのメモリ素子1201のように示すことができる。
前記メモリ素子1201a、1201b、1201c、1201d、1201eの高温相変化メモリ要素は、電子基板又は電子システムの他の部品に装着される前に、ROMにプログラムすることができる。例えば、前記電子基板は印刷回路基板(PCB)とすることができる。具体的に、前記メモリ素子1201a、1201b、1201c、1201d、1201eの前記高温相変化メモリ要素は、前記半導体ウエハ1100をダイシングする前又は後にROMにプログラムすることができる。続いて、前記ROMプログラムされた高温相変化メモリ要素を備える前記分離したメモリ素子1201a、1201b、1201c、1201d、1201eは、一つ又は複数の対応する電子基板にはんだ付けのような方法によって電気的/機械的に接続される。
図12Cを参照すると、図12A及び図12Bのメモリ素子1201は、コンピュータ、通信機器、娯楽機器などのような電子システム1200のメモリとして用いることができる。具体的には、前記メモリ素子1201は、前記電子システム1200のプロセッサ1205とともに印刷回路基板(PCB)のような電子基板1203に装着される。また、前記電子システム1200は前記電子基板1203、前記プロセッサ1205、及び/又は前記メモリ素子1201に電気的に接続されたユーザ入力装置、出力装置、スピーカ(speaker)、及び/又はマイクロフォン(micro phone)を含むことができる。例えば、前記ユーザ入力装置はキーパッド(key pad)、ダイヤル(dial)、ジョイ・スティック(joy stick)、タッチスクリーン(touch sensitive screen)、などとすることができる。前記出力装置は、プリンタ(printer)、ディスプレイ(display)などとすることができる。前記メモリ素子1201及び前記プロセッサ1205は、図示したように、同一の前記電子基板1203上に装着することができ、前記メモリ素子1201及び前記プロセッサ1205は互いに異なる基板上に装着することもできる。前記メモリ素子1201と前記プロセッサ1205との間の電気的接続は前記電子基板1203に配置された導電性配線を用いて提供される。さらに、前記メモリ素子1201及び前記プロセッサ1205は、はんだバンプ(solder bumps)1207、1209を用いて前記電子基板1203に電気的/機械的に接続される。
前記メモリ素子1201の前記ROMプログラムされた高温相変化メモリ要素は前記電子システム1200のROMの役割をすることができる。一方、前記低温相変化メモリ要素は前記電子システム1200のRAMの役割をすることができる。すなわち、前記低温相変化メモリ要素は前記電子システム1200が動作する間に前記電子システム1200にデータを書き込み、前記電子システム1200からデータを読み出すのに用いられる。前記メモリ素子1201の高温相変化メモリ要素は、前記メモリ素子1201を前記電子基板1203に装着する温度よりも高い温度でプログラムされるために、前記ROMは前記メモリ素子1201を前記電子基板1203に装着する前に効果的にプログラムすることができる。前記低温相変化メモリ要素は、はんだ付け温度よりも低い温度のように、相対的に低い温度でプログラムすることができる。これによって、前記電子システム1200が動作する間に前記RAMとして用いられる前記低温相変化メモリ要素にデータを書き込むには、相対的に低い電力だけで十分となる。前記電子システム1200がバッテリ電源(battery powered)を用いる場合に、前記低温相変化メモリ要素をRAMとして用いて前記バッテリ電源の寿命を著しく延ばすことができる。
図13に示すように、本発明のさらに他の実施形態によると、第1メモリ素子1301及び第2メモリ素子1302を備える電子システム1300が提供される。前記電子システム1300はコンピュータ、通信機器、娯楽器機などのようなものとすることができる。前記第1メモリ素子1301は前記高温相変化メモリ要素を備える。前記第2メモリ素子1302は前記低温相変化メモリ要素を備える。具体的には、前記第1メモリ素子1301は第1半導体基板上に複数の高温相変化メモリ要素を備え、前記第2メモリ素子1302は第2半導体基板上に複数の低温相変化メモリ要素を備え、前記第1及び第2半導体基板は互いに異なるものとすることができる。これによって、前記第1メモリ素子1301のメモリ要素は第1温度でプログラムすることができ、前記第2メモリ素子1302のメモリ要素は第2温度でプログラムすることができ、前記第1温度は前記第2温度よりも高くすることができる。
図13に示すように、前記プロセッサ1305及び前記第1及び第2メモリ素子1301、1302は、はんだバンプ1307、1309、1311を用いて印刷回路基板PCBのような電子基板1303に接続される。前記電子システム1300は前記電子基板1303、前記プロセッサ1305、及び/又は前記メモリ素子1301、1302に電気的に接続されたユーザ入力装置、出力装置、スピーカ(speaker)、及び/又はマイクロフォン(microphone)を含むことができる。例えば、前記ユーザ入力装置は、キーパッド(keypad)、ダイヤル(dial)、ジョイ・スティック(joy stick)、タッチスクリーン(touch sensitive screen)などとすることができる。前記出力装置は、プリンタ(printer)、ディスプレイ(display)などとすることができる。前記第1メモリ素子1301、前記第2メモリ素子1302、及び前記プロセッサ1305は図示したように同一の前記電子基板1303上に装着することができ、前記第1メモリ素子1301、前記第2メモリ素子1302、及び前記プロセッサ1305は互いに異なる基板上に装着される。前記第1メモリ素子1301、前記第2メモリ素子1302、及び前記プロセッサ1305間の電気的接続は前記電子基板1303に配置された導電性配線を用いて提供される。
高温相変化メモリ要素を備える前記第1メモリ素子1301は、前記電子基板1303に装着される前にROMでプログラムすることができる。これに反して、前記第2メモリ素子1302は、前記電子基板1303に装着された後にデータを書き込み読み出しできるRAMの役割をする。
前記第1メモリ素子1301の前記ROMプログラムされた高温相変化メモリ要素は、前記電子システム1300のROMの役割をする。一方、前記第2メモリ素子1302の前記低温相変化メモリ要素は前記電子システム1300のRAM役割をする。すなわち、前記低温相変化メモリ要素は前記電子システム1300が動作する間に前記電子システム1300にデータを書き込み、前記電子システム1300からデータを読み出すのに用いられる。前記第1メモリ素子1301の高温相変化メモリ要素は、前記第1メモリ素子1301を前記電子基板1303に装着する温度よりも高い温度でプログラムするので、前記ROMは前記第1メモリ素子1301を前記電子基板1303に装着する前に効果的にプログラムすることができる。前記第2メモリ素子1302の前記低温相変化メモリ要素ははんだ付け温度よりも低い温度のように相対的に低い温度でプログラムすることができる。これによって、前記電子システム1300が動作する間に前記RAMとして用いる前記低温相変化メモリ要素にデータを書き込むのには相対的に低い電力で十分である。前記電子システム1300がバッテリ電源を用いる場合に、前記低温相変化メモリ要素をRAMとして用いて前記バッテリ電源の寿命を著しく延長させることができる。
図2、図3、図4、図6、図7、図8、及び図9に示す高温及び低温領域HT、LTは、明確な説明のために分離して表示されているが、それぞれの図に示す前記高温及び低温領域HT、LTは単一半導体ダイ(single semiconductor die)内に配置される。さらに、前記高温及び低温領域HT、LTを備える前記半導体ダイは半導体ウエハ上に複数個形成される。続いて、前記複数の半導体ダイはダイシング工程によって一つずつ分離される。
51 半導体基板
52 活性領域
53 素子分離膜
55 下部誘電膜
56、57 ポリシリコン膜
59 ダイオード電極
61 中間誘電膜
63 下部電極
65b 高温相変化物質膜
67b 反応阻止膜
71a 第1低温相変化物質膜
71b 第2低温相変化物質膜
73a 第1上部電極
73b 第2上部電極
75 上部誘電膜
BL1、BL2 ビットライン
D ダイオード
Rp 低温相変化メモリ要素
Rph 高温相変化メモリ要素
WL1,WL2 ワードライン
52 活性領域
53 素子分離膜
55 下部誘電膜
56、57 ポリシリコン膜
59 ダイオード電極
61 中間誘電膜
63 下部電極
65b 高温相変化物質膜
67b 反応阻止膜
71a 第1低温相変化物質膜
71b 第2低温相変化物質膜
73a 第1上部電極
73b 第2上部電極
75 上部誘電膜
BL1、BL2 ビットライン
D ダイオード
Rp 低温相変化メモリ要素
Rph 高温相変化メモリ要素
WL1,WL2 ワードライン
Claims (54)
- 集積回路基板と、
前記集積回路基板上に配置され、第1相変化物質を備える第1相変化メモリ要素と、
前記集積回路基板上に配置され、第2相変化物質を備える第2相変化メモリ要素と、
を含み、
前記第1及び第2相変化物質はそれぞれ第1及び第2結晶化温度を有し、前記第1及び第2相変化メモリ要素を互いに異なる温度でプログラムできるように前記第1及び第2結晶化温度は互いに異なることを特徴とする相変化メモリ素子。 - 前記第2相変化メモリ要素は、前記第1相変化物質を含まないことを特徴とする請求項1に記載の相変化メモリ素子。
- 前記第1相変化メモリ要素は、前記第2相変化物質を含まないことを特徴とする請求項2に記載の相変化メモリ素子。
- 前記第1相変化メモリ要素は、前記第1相変化物質の第1膜及び前記第2相変化物質の第2膜を含むことを特徴とする請求項2に記載の相変化メモリ素子。
- 前記第1相変化メモリ要素は反応阻止膜をさらに含み、前記反応阻止膜は前記第1相変化物質の前記第1膜と前記第2相変化物質の前記第2膜との間に配置されていることを特徴とする請求項4に記載の相変化メモリ素子。
- 前記反応阻止膜は、Ti/TiN膜を含むことを特徴とする請求項5に記載の相変化メモリ素子。
- 前記第1結晶化温度は前記第2結晶化温度よりも高く、少なくとも50℃以上であることを特徴とする請求項1に記載の相変化メモリ素子。
- 前記第1結晶化温度は前記第2結晶化温度よりも高く、少なくとも100℃以上であることを特徴とする請求項1に記載の相変化メモリ素子。
- 前記第1相変化物質はGaSb、InGaSb2、及びGe15Sb85からなる一群から選択された一つであり、前記第2相変化物質はInSb、InGaSb2、Ge1Sb4Te7、Ge1Sb2Te4、Ge2Sb2Te5、GeTe、及びSb2Teからなる一群から選択された一つであるが、前記第1及び第2相変化物質は互いに異なることを特徴とする請求項1に記載の相変化メモリ素子。
- 前記第1及び第2相変化物質は、互いに異なるカルコゲナイド物質を含むことを特徴とする請求項1に記載の相変化メモリ素子。
- 前記集積回路基板上に配置された第3相変化メモリ要素をさらに含み、前記第3相変化メモリ要素は第3結晶化温度を有する第3相変化物質を備え、前記第1、第2及び第3相変化メモリ要素を互いに異なる温度でプログラムできるように前記第3結晶化温度は前記第1及び第2結晶化温度と異なることを特徴とする請求項1に記載の相変化メモリ素子。
- 第1ワードラインと第1ビットラインとの間に配置され、前記第1相変化メモリ要素に電気的に直列接続された第1ダイオードと、
第2ワードラインと第2ビットラインとの間に配置され、前記第2相変化メモリ要素に電気的に直列接続された第2ダイオードと、
をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の相変化メモリ素子。 - 第1メモリアクセストランジスタと、
第2メモリアクセストランジスタと、
をさらに含み、
前記第1相変化メモリ要素は第1ビットライン及び前記第1メモリアクセストランジスタの一端に電気的に接続され、前記第2相変化メモリ要素は第2ビットライン及び前記第2メモリアクセストランジスタの一端に電気的に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の相変化メモリ素子。 - 第1ワードラインと第1ビットラインとの間に配置され、前記第1相変化メモリ要素に電気的に直列接続されたダイオードと、
メモリアクセストランジスタと、
をさらに含み、
前記第2相変化メモリ要素は第2ビットライン及び前記メモリアクセストランジスタの一端に電気的に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の相変化メモリ素子。 - 前記集積回路基板に電気的/機械的に接続された電子基板と、
前記電子基板を介して前記集積回路基板に電気的に接続されたプロセッサと、
をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の相変化メモリ素子。 - 前記第1結晶化温度は前記第2結晶化温度よりも高く、前記プロセッサは前記第1相変化メモリ要素からはデータを読み出すが、前記第1相変化メモリ要素にデータを書き込まず、かつ、前記プロセッサは前記第2相変化メモリ要素にデータを書き込み、前記第2相変化メモリ要素からデータを読み出すように配置されたことを特徴とする請求項15に記載の相変化メモリ素子。
- 集積回路基板の第1メモリ領域に第1相変化メモリ要素を形成する段階と、
前記集積回路基板の第2メモリ領域に第2相変化メモリ要素を形成する段階とを備え、
前記第1相変化メモリ要素は第1結晶化温度を有する第1相変化物質を備え、前記第2相変化メモリ要素は第2結晶化温度を有する第2相変化物質を備え、前記第1及び第2相変化メモリ要素を互いに異なる温度でプログラムできるように前記第1及び第2結晶化温度は互いに異なることを特徴とする相変化メモリ素子の製造方法。 - 前記第1相変化メモリ要素を形成する段階は、
前記第1メモリ領域上に前記第1相変化物質の膜を形成する段階を含み、前記第2メモリ領域は前記第1相変化物質の前記膜がなく、
前記第2相変化メモリ要素を形成する段階は、
前記第1相変化物質の前記膜を形成した後に前記第2メモリ領域上に前記第2相変化物質の膜を形成する段階を含むことを特徴とする請求項17に記載の相変化メモリ素子の製造方法。 - 前記第1相変化物質の前記膜を形成する段階は、
前記第1及び第2メモリ領域上に前記第1相変化物質の前記膜を形成する段階と、
前記第1メモリ領域上に前記第1相変化物質の前記膜を保存する一方、前記第2メモリ領域から前記第1相変化物質の前記膜を除去する段階と、
を含むことを特徴とする請求項18に記載の相変化メモリ素子の製造方法。 - 前記第2相変化物質の前記膜を形成する段階は、
前記第1メモリ領域の前記第1相変化物質の前記膜及び前記第2メモリ領域上に前記第2相変化物質の前記膜を形成する段階と、
前記第2メモリ領域上に前記第2相変化物質の前記膜を保存する一方、前記第1及び第2メモリ領域との間の前記第2相変化物質の前記膜を除去する段階と、
を含むことを特徴とする請求項18に記載の相変化メモリ素子の製造方法。 - 前記第2相変化物質の前記膜を除去する段階は、
前記第1メモリ領域上の前記第1相変化物質の前記膜から前記第2相変化物質の前記膜を除去する段階を含むことを特徴とする請求項20に記載の相変化メモリ素子の製造方法。 - 前記第2相変化物質の前記膜を除去する段階は、
前記第1メモリ領域上の前記第1相変化物質の前記膜上に前記第2相変化物質の前記膜を保存する段階を含むことを特徴とする請求項20に記載の相変化メモリ素子の製造方法。 - 前記第2相変化物質の前記膜を形成する前に、
前記第1相変化物質の前記膜上に反応阻止膜を形成する段階をさらに含み、前記反応阻止膜は前記第1メモリ領域内の前記第1相変化物質の前記膜と前記第2相変化物質の前記膜との間に存在することを特徴とする請求項22に記載の相変化メモリ素子の製造方法。 - 前記反応阻止膜は、Ti/TiN膜を含むことを特徴とする請求項23に記載の相変化メモリ素子の製造方法。
- 前記第1結晶化温度は前記第2結晶化温度よりも高く、少なくとも50℃以上であることを特徴とする請求項17に記載の相変化メモリ素子の製造方法。
- 前記第1結晶化温度は前記第2結晶化温度よりも高く、少なくとも100℃以上であることを特徴とする請求項17に記載の相変化メモリ素子の製造方法。
- 前記第1相変化物質はGaSb、InGaSb2、及びGe15Sb85からなる一群から選択された一つであり、前記第2相変化物質はInSb、InGaSb2、Ge1Sb4Te7、Ge1Sb2Te4、Ge2Sb2Te5、GeTe、及びSb2Teからなる一群から選択された一つであるが、前記第1及び第2相変化物質は互いに異なることを特徴とする請求項17に記載の相変化メモリ素子の製造方法。
- 前記第1及び第2相変化物質は、互いに異なるカルコゲナイド物質を含むことを特徴とする請求項17に記載の相変化メモリ素子の製造方法。
- 前記集積回路基板上に第3相変化メモリ要素を形成する段階をさらに含み、前記第3相変化メモリ要素は第3結晶化温度を有する第3相変化物質を備え、前記第1、第2及び第3相変化メモリ要素を互いに異なる温度でプログラムできるように前記第3結晶化温度は前記第1及び第2結晶化温度と異なることを特徴とする請求項17に記載の相変化メモリ素子の製造方法。
- 前記第1及び第2相変化メモリ要素を形成する前に、
前記第1及び第2メモリ領域のそれぞれに第1及び第2ダイオードを形成する段階をさらに含み、前記第1ダイオードは前記第1相変化メモリ要素と第1ワードラインとの間に電気的に接続され、前記第2ダイオードは前記第2相変化メモリ要素と第2ワードラインとの間に電気的に接続されることを特徴とする請求項17に記載の相変化メモリ素子の製造方法。 - 前記第1及び第2相変化メモリ要素を形成する前に、
前記第1及び第2メモリ領域のそれぞれに第1及び第2メモリアクセストランジスタを形成する段階をさらに含み、前記第1相変化メモリ要素は前記第1メモリアクセストランジスタの一端に電気的に接続され、前記第2相変化メモリ要素は前記第2メモリアクセストランジスタの一端に電気的に接続されることを特徴とする請求項17に記載の相変化メモリ素子の製造方法。 - 前記第1相変化メモリ要素を形成する前に、前記第1メモリ領域にダイオードを形成する段階と、
前記第2相変化メモリ要素を形成する前に、前記第2メモリ領域にメモリアクセストランジスタを形成する段階と、
をさらに含み、
前記ダイオードは第1ワードラインと第1ビットラインとの間に形成され、前記ダイオードは前記第1相変化メモリ要素に電気的に直列接続され、前記第2相変化メモリ要素は第2ビットライン及び前記メモリアクセストランジスタの一端に電気的に接続されることを特徴とする請求項17に記載の相変化メモリ素子の製造方法。 - 前記第1及び第2相変化メモリ要素を形成した後に、前記第1相変化メモリ要素にプログラムする段階と、
前記第1相変化メモリ要素にプログラムした後に、前記集積回路基板を電子基板に電気的/機械的に接続する段階と
をさらに含み、
プロセッサが前記電子基板を介して前記集積回路基板に電気的に接続されるようにし、前記第1結晶化温度は前記第2結晶化温度よりも高いことを特徴とする請求項17に記載の相変化メモリ素子の製造方法。 - 前記集積回路基板を電子基板に電気的/機械的に接続する段階は、
はんだをリフローする段階を含み、前記はんだのリフロー温度は前記第1結晶化温度よりも低いことを特徴とする請求項33に記載の相変化メモリ素子の製造方法。 - 前記はんだのリフロー温度は、前記第2結晶化温度よりも高いことを特徴とする請求項34に記載の相変化メモリ素子の製造方法。
- 前記プロセッサは、前記第1相変化メモリ要素からデータを読み出すが、前記第1相変化メモリ要素にデータを書き込まず、かつ、前記プロセッサは前記第2相変化メモリ要素にデータを書き込み、前記第2相変化メモリ要素からデータを読み出すように構成されることを特徴とする請求項34に記載の相変化メモリ素子の製造方法。
- 電子基板と、
前記電子基板に電気的/機械的に接続された相変化メモリ素子と、
前記電子基板に電気的に接続されたプロセッサと、
を含み、
前記相変化メモリ素子は集積回路基板上に配置された第1及び第2相変化メモリ要素を備え、前記第1相変化メモリ要素は第1結晶化温度を有する第1相変化物質を備え、前記第2相変化メモリ要素は第2結晶化温度を有する第2相変化物質を備え、前記第1及び第2相変化メモリ要素を互いに異なる温度でプログラムできるように前記第1及び第2結晶化温度は互いに異なっており、前記プロセッサ及び前記相変化メモリ素子は前記電子基板を介して電気的に接続されていることを特徴とする電子システム。 - 前記第1結晶化温度は前記第2結晶化温度よりも高く、少なくとも50℃以上であることを特徴とする請求項37に記載の電子システム。
- 前記第1及び第2相変化物質は、互いに異なるカルコゲナイド物質を含むことを特徴とする請求項37に記載の電子システム。
- 前記プロセッサは、前記第1相変化メモリ要素からデータを読み出すが、前記第1相変化メモリ要素にデータを書き込まず、かつ、前記プロセッサは前記第2相変化メモリ要素にデータを書き込み、前記第2相変化メモリ要素からデータを読み出すように構成されたことを特徴とする請求項37に記載の電子システム。
- 電子基板と、
前記電子基板に電気的/機械的に接続された第1相変化メモリ素子と、
前記電子基板に電気的/機械的に接続された第2相変化メモリ素子と、
前記電子基板に電気的に接続されたプロセッサと、
を含み、
前記第1相変化メモリ素子は第1集積回路基板上に配置された複数の第1相変化メモリ要素を備え、前記第1相変化メモリ要素のそれぞれは第1結晶化温度を有する第1相変化物質を備え、前記第2相変化メモリ素子は第2集積回路基板上に配置された複数の第2相変化メモリ要素を備え、前記第2相変化メモリ要素のそれぞれは第2結晶化温度を有する第2相変化物質を備え、前記第1及び第2相変化メモリ要素を互いに異なる温度でプログラムできるように前記第1及び第2結晶化温度は互いに異なっており、前記プロセッサ、前記第1相変化メモリ素子、及び前記第2相変化メモリ素子は前記電子基板を介して電気的に接続されていることを特徴とする電子システム。 - 前記第1結晶化温度は前記第2結晶化温度よりも高く、少なくとも50℃以上であることを特徴とする請求項41に記載の電子システム。
- 前記第1及び第2相変化物質は、互いに異なるカルコゲナイド物質を含むことを特徴とする請求項41に記載の電子システム。
- 前記プロセッサは、前記第1相変化メモリ素子からデータを読み出すが、前記第1相変化メモリ素子にデータを書き込まず、かつ、前記プロセッサは前記第2相変化メモリ素子にデータを書き込み、前記第2相変化メモリ素子からデータを読み出すように構成されたことを特徴とする請求項41に記載の電子システム。
- 複数の第1相変化メモリ要素、複数の第2相変化メモリ要素、及び前記第1及び第2相変化メモリ要素に電気的に接続されたプロセッサを備え、前記第1相変化メモリ要素のそれぞれは第1結晶化温度を有する第1相変化物質を備え、前記第2相変化メモリ要素のそれぞれは第2結晶化温度を有する第2相変化物質を備え、前記第1及び第2相変化メモリ要素を互いに異なる温度でプログラムできるように前記第1及び第2結晶化温度は互いに異なる電子システムの動作方法であって、
前記複数の第1相変化メモリ要素からROMデータを前記プロセッサに読み出すが、前記プロセッサから前記ROMデータを前記複数の第1相変化メモリ要素として書き込まず、
前記プロセッサからプログラマブルデータを前記複数の第2相変化メモリ要素に書き込み、
前記プログラマブルデータを書き込んだ後、前記複数の第2相変化メモリ要素から前記プログラマブルデータを前記プロセッサに読み出すことを含むことを特徴とする電子システム動作方法。 - 前記第1結晶化温度は前記第2結晶化温度よりも高く、少なくとも50℃以上であることを特徴とする請求項45に記載の電子システム動作方法。
- 前記第1及び第2相変化物質は、互いに異なるカルコゲナイド物質を含むことを特徴とする請求項45に記載の電子システム動作方法。
- 前記第1及び第2相変化メモリ要素は、同一の半導体集積回路基板上に提供されることを特徴とする請求項45に記載の電子システム動作方法。
- 前記第1相変化メモリ要素は第1半導体集積回路基板上に提供され、前記第2相変化メモリ要素は第2半導体集積回路基板上に提供されることを特徴とする請求項45に記載の電子システム動作方法。
- 複数の第1相変化メモリ要素と、
複数の第2相変化メモリ要素と、
前記第1及び第2相変化メモリ要素に電気的に接続されたプロセッサと、
を含み、
前記第1相変化メモリ要素のそれぞれは第1結晶化温度を有する第1相変化物質を備え、前記第2相変化メモリ要素のそれぞれは第2結晶化温度を有する第2相変化物質を備え、前記第1及び第2相変化メモリ要素を互いに異なる温度でプログラムできるように前記第1及び第2結晶化温度は互いに異なっており、
前記プロセッサは前記複数の第1相変化メモリ要素からROMデータを読み出すが、前記プロセッサから前記ROMデータを前記複数の第1相変化メモリ要素に書き込まず、かつ、プログラマブルデータを前記複数の第2相変化メモリ要素に書き込み、前記プログラマブルデータを書き込んだ後に、前記複数の第2相変化メモリ要素から前記プログラマブルデータを読み出すように構成されたことを特徴とする電子システム。 - 前記第1結晶化温度は前記第2結晶化温度よりも高く、少なくとも50℃以上であることを特徴とする請求項50に記載の電子システム。
- 前記第1及び第2相変化物質は、互いに異なるカルコゲナイド物質を含むことを特徴とする請求項50に記載の電子システム。
- 前記第1及び第2相変化メモリ要素は、同一の半導体集積回路基板上に提供されていることを特徴とする請求項50に記載の電子システム。
- 前記第1相変化メモリ要素は、第1半導体集積回路基板上に提供され、前記第2相変化メモリ要素は第2半導体集積回路基板上に提供されることを特徴とする請求項50に記載の電子システム。
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