JP3723817B2 - 相変化ダイオードメモリセルを用いる超高密度データ記憶デバイスおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、超高密度データ記憶デバイスに関する。さらに詳しくは、銅、インジウムおよびセレンを含む材料を用いるダイオードメモリセルを備える超高密度データ記憶デバイスおよびダイオードメモリセルを製造する方法に関する。
パームコンピュータ、デジタルカメラおよび携帯電話などの電子装置は、より複雑なデータ処理および記憶回路を組み込むようになっているにもかかわらず、益々コンパクトになり、小型化されている。さらに、その中にある特有の複合的な情報を伝達するために大量のデータを必要とする、映像、オーディオおよびグラフィックスなどのテキスト以外のデジタル通信が、ごく当たり前のことになってきている。これらの装置を開発するために、より低コストで、かつさらにコンパクトなパッケージで、さらに複雑なデータを取り扱うことができる新規の記憶技術が盛んに求められている。現在本明細書において「超高密度データ記憶」と呼ばれる、数十ナノメートル（数百オングストローム）から数百ナノメートルまでのスケールでデータを記憶できるようにするための努力が続けられている。
超高密度でデータを格納する１つの方法は、指向性エネルギービームを利用することを含む。本明細書において用いられる「指向性エネルギービーム」は、媒体を加熱し、状態を変化させるような、電子などの粒子ビームまたは、光子ビームまたは他の電磁エネルギーを意味する。本明細書において用いられる「状態」は、ある材料の任意のタイプの物理的な変化を含み、結晶から非晶質などの１つの形態から別の形態への変化、あるいは異なる結晶構造のような１つの構造または相から別の構造あるいは相への変化のいずれをも含むように広い意味で定義される。本明細書において用いられる用語「相変化」は、ある材料の異なる状態間の変化を意味する。
状態変化は、電子あるいは光ビームを加えることによって、ある材料を結晶から非晶質に、あるいはその逆に変化させることにより達成されることができる。非晶質状態から結晶状態に変化させるために、ビーム電力密度が、媒体を結晶化温度まで局部的に加熱するように高められる。そのビームは、媒体がアニールして、その結晶状態になることができるようにするだけの十分に長い時間にわたってそのままにされる。結晶状態から非晶質状態に変化させるためには、ビーム電力密度は、媒体を局部的に溶融するだけの十分に高いレベルまで高められ、その後、媒体が再びアニールする前に冷却できるように急速に下げられる。記憶媒体から読出しを行うためには、低いエネルギービームが記憶エリアに送られて、記憶エリアの状態を表す電流などの活動を引き起こす。
相変化材料の状態あるいは相の差異を効果的に検出するために、相変化層内のデータ記憶メモリセル上に集束される電子あるいは光ビームに応答するキャリア流を検出するための接合を有するダイオードを形成することができる。そのようなダイオード接合は、光ビームがダイオードに衝当する光起電性デバイス、並びに、電子ビームがダイオードに送られる陰極線起電性デバイスにおいて、キャリアを検出するために利用される。光起電性デバイスは、フォトトランジスタデバイスおよびフォトダイオードデバイスを含む。陰極線起電性デバイスは、陰極線トランジスタデバイスおよび陰極線ダイオードデバイスを含む。さらに、ダイオード接合は、フォトルミネセンスおよびカソードルミネセンスデバイスにおいてキャリア流を検出するために用いられることができる。これらのデバイスにおけるダイオード接合の構造および機能についてのさらに進んだ説明については、特許文献１に記載されている。
ダイオード接合層は、そのダイオード接合を越える所望のキャリア流を生成するのに適した電気的特性を有する材料から構成される必要がある。本明細書において用いられる用語「キャリア流」は、材料がｎ型であるかｐ型であるかに応じて、電子あるいは正孔の流れのことを意味する。本明細書において用いられる用語「材料」は、全ての種類およびタイプの化合物、合金および元素の他の組み合わせを含む。所望の検出結果を達成するために、上記のデータ記憶デバイスに関連して、ヘテロ接合、ホモ接合およびショットキー接合などの種々のタイプの接合が形成されることができる。
本発明は、指向性エネルギービームを利用する、相変化ダイオードメモリセルを用いた超高密度データ記憶デバイスの提供を目的とするものである。また、本発明は、相変化データ記憶アレイのためのダイオード構造を形成する方法の提供を目的とするものである。
本発明の一実施形態は、相変化ダイオードメモリセルを利用し、指向性エネルギーのビームを送る複数の放出器と、複数のデータ記憶セルを形成するための層と、記憶セルのメモリあるいはデータ状態を検出するための層状のダイオード構造とを有する超高密度データ記憶デバイスであって、放出器からのビームに応答して状態を変更することができる相変化データ記憶層と、層状のダイオード構造内の１つの層を形成する第２の層であって、第２の層は銅、インジウムおよびセレンを含む材料を含む、第２の層とを備える超高密度データ記憶デバイスを含む。
別の実施形態は、複数のデータ記憶セルダイオードを形成するように構成される複数の薄膜層を有する、相変化データ記憶アレイのためのダイオード構造を形成する方法であって、基板上にＣＩＳ材料からなる第１のダイオード層を堆積する工程と、第１のダイオード層上に相変化材料からなる第２のダイオード層を堆積する工程と、を含む、相変化データ記憶アレイのためのダイオード構造を形成する方法を含む。
本発明の他の態様および利点は、添付の図面とともに取り上げられるときに、本発明の原理を例示する以下に記載される詳細な説明から明らかになるであろう。
本発明の他の態様および利点は、添付の図面とともに取り上げられるときに、本発明の原理を例示する以下に記載される詳細な説明から明らかになるであろう。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。図面中の同じ番号は、全ての図面を通して類似の構成要素に割り当てられる。しかしながら、本発明はこれらの限られた実施形態の範囲を超えて適用可能であり、これらの図面に関連して本明細書に与えられる詳細な説明は、本発明を理解するためのものである。
即ち、本発明の実施の形態の１つは、相変化ダイオードメモリセルを利用し、指向性（directed）エネルギーのビーム１０５を送るための複数の放出器１０２、１０４と、複数のデータ記憶セルを形成するための層２０２と、該記憶セルのメモリあるいはデータ状態を検出するための層状のダイオード構造２０２、２０４とを有する超高密度データ記憶デバイス２００であって、前記放出器１０２、１０４からの前記ビーム１０５に応答して状態を変更することができる相変化データ記憶層２０２と、前記層状のダイオード構造２０２、２０４内の１つの層を形成する第２の層２０４であって、該第２の層２０４は銅、インジウムおよびセレンを含む材料を含む、第２の層とを備える超高密度データ記憶デバイスである。本発明の他の実施の形態は、複数のデータ記憶セルダイオードを形成するように構成される複数の薄膜層２０２、２０４を有する、相変化データ記憶アレイのためのダイオード構造２００を形成する方法であって、基板上にＣｕＩｎＳｅ材料からなる第１のダイオード層２０４を堆積する工程と、前記第１のダイオード層２０４上に相変化材料からなる第２のダイオード層２０２を堆積する工程と、を含む、相変化データ記憶アレイのためのダイオード構造を形成する方法である。
即ち、本発明の実施の形態の１つは、相変化ダイオードメモリセルを利用し、指向性（directed）エネルギーのビーム１０５を送るための複数の放出器１０２、１０４と、複数のデータ記憶セルを形成するための層２０２と、該記憶セルのメモリあるいはデータ状態を検出するための層状のダイオード構造２０２、２０４とを有する超高密度データ記憶デバイス２００であって、前記放出器１０２、１０４からの前記ビーム１０５に応答して状態を変更することができる相変化データ記憶層２０２と、前記層状のダイオード構造２０２、２０４内の１つの層を形成する第２の層２０４であって、該第２の層２０４は銅、インジウムおよびセレンを含む材料を含む、第２の層とを備える超高密度データ記憶デバイスである。本発明の他の実施の形態は、複数のデータ記憶セルダイオードを形成するように構成される複数の薄膜層２０２、２０４を有する、相変化データ記憶アレイのためのダイオード構造２００を形成する方法であって、基板上にＣｕＩｎＳｅ材料からなる第１のダイオード層２０４を堆積する工程と、前記第１のダイオード層２０４上に相変化材料からなる第２のダイオード層２０２を堆積する工程と、を含む、相変化データ記憶アレイのためのダイオード構造を形成する方法である。
ここで、図面に示される例示的な実施形態が参照され、それを説明するために、本明細書では特有の言い回しが用いられる。しかし、それによって本発明の範囲を制限することを意図していないことは理解されたい。本明細書に例示される本発明の特徴の変更およびさらに別の修正、ならびに本開示を手にした当業者であれば想到する、本明細書に例示されるような本発明の技術的思想についてのさらに進んだ応用形態は、本発明の範囲内にあるものと見なされるべきである。
図１は、電子放出器１０２および１０４と、相変化データ記憶媒体１０６とを備える例示的な超高密度データ記憶システム１００を示す。電子放出器１０２および１０４は記憶媒体１０６の上方に取り付けられ、記憶媒体は、放出器からの電子ビームによって衝当される、１０８のようないくつかの記憶エリアを有する。微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術を基にする超小型可動子によって、相変化媒体１０６と電子放出器１０２とが相対的に動くことができるようになる。超小型可動子１１０は記憶媒体１０６に接続され、それを放出器１０２、１０４に対して動かし、各放出器がいくつかの異なるデータ記憶エリアに影響を及ぼすことができるようにする。図２は、ＸおよびＹ方向において媒体１０６を走査するために形成される超小型可動子１１０を示す、図１の断面Ａ−Ａの平面図である。記憶媒体１０６は、媒体１０６が支持フレーム１２２に対してＸ方向に動くことができるようにするために曲がる２組の薄肉の微細加工された可撓性ビームあるいはばね１１２および１１４によって支持される。第２の１組のばね１１６および１１８が支持フレーム１２２と外部筐体１２０との間に接続され、媒体１０６およびフレーム１２２が筐体１２０に対してＹ方向に動くことができるようにするために曲がる。当分野において知られている静電的、電磁的あるいは圧電的手段によって、Ｘ−Ｙ方向において、電界放出器が媒体上を走査するか、あるいは媒体が電界放出器上を走査する。
図３は、上述の相変化層１０６と、相変化層との界面においてダイオード接合１４４を形成する第２のダイオード層１０４とを含む例示的なダイオード構造１４０を示す。通常、相変化層１０６および第２のダイオード層１４２は異なる電気的特性を有し、接合を越えてキャリアが動くのを促進する。たとえば、相変化層１０６はｎ型に、第２のダイオード層１４２はｐ型にすることができる。ドーピングを用いて、各層の電気的特性を変化させるか、あるいは高めることができる。外部回路１４６がダイオードに接続され、接合に電圧を印加し、回路の要件に応じて、逆方向あるいは順方向かのいずれかにバイアスが生み出される。回路１４６によって出力１４８が生成され、その出力は接合１４４を越えるキャリア流の大きさを表す。
細い電子ビーム１０５を、データ記憶エリア１０８にある相変化層１０６の表面上に送ることにより、読出しあるいは検出が実行される。入射する電子は、記憶エリア１０８の表面付近にある電子‐正孔対１０７を励起する。ダイオード１４０は外部回路１４６によって逆方向にバイアスをかけられ、入射する電子によって生成される少数キャリアがダイオード接合１４４に向かってドリフトできるようにする。接合に達する前に多数キャリアと再結合しない少数キャリアが接合を越えて移動し、外部バイアス回路１４６内に電流が流れるようになる。
ダイオード１４０上への書込みは、少数キャリアの収集効率のような、記憶エリア１０８におけるダイオードのある特性を局部的に変更できるほど、電子ビーム１０５の電力密度を高めることにより達成される。図４には、本発明の一実施形態によるダイオード構成２００の概略的な側面図が示される。相変化層２０２が、セレン化インジウム（ＩｎＳｅ）化合物内のインジウムおよびセレンから構成され、その層は、適当な速度でＩｎＳｅ化合物を加熱および冷却することにより、非晶質状態から結晶状態に可逆的に変更されることができる。非晶質状態は結晶状態よりも導電性が低いので、この状態変化はデータを記憶するのに有用である。ＩｎＳｅ化合物には任意のＩｎＳｅタイプの材料を用いることができる。本明細書において用いられる用語「ＩｎＳｅ化合物」、「ＩｎＳｅタイプの材料」および「ＩｎＳｅ層」は、ＩｎＳｅ、Ｉｎ2Ｓｅ3、あるいは化学式ＩｎXＳｅ1-Xを有する特性基の材料からなる任意の化合物を意味する。
ＩｎＳｅ層２０２が、記憶エリア２１２において結晶状態から非晶質状態に変更されるとき、ＩｎＳｅ層の電気的特性が著しく変化する。したがって、ダイオード接合を越えて移動するキャリアの数は、ＩｎＳｅが結晶状態のときよりも、非晶質状態のときに著しく異なるであろう。
図４では、第２のダイオード層２０４が、相変化層２０２の下に配置され、ダイオード接合２０６を形成する。多結晶のＩｎＳｅタイプの材料はそのままでｎ型であるので、第２のダイオード層２０４にはｐ型半導体層を用いることができるか、あるいは層２０４はｐ型にドープされることができる。第２のダイオード層２０４は、ＣＩＳとしても知られている、銅インジウムセレン化物（ＣｕＩｎＳｅ）の材料から形成されることができる。用語「ＣＩＳ」、「ＣＩＳ化合物」あるいは「ＣＩＳ材料」は、限定はしないが、ガリウムをドープされたＣＩＳ（ＣＩＧＳ）を含む、ＣｕＩｎＳｅ2のような任意の比率の銅、インジウムおよびセレンを有する材料のことを指す。用語「ＣＩＧＳ」は、限定はしないが、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ2およびＣｕ（Ｉｎ1-XＧａX）Ｓｅ2を含む、銅インジウムガリウムセレン化物からなる種々の化学量論的材料を形成するために、ガリウムをドープされるＣｕＩｎＳｅのことを指す。
ＣＩＳ材料は、数多くの理由のために、メモリダイオード材料として望ましい。ＣＩＳ化合物はＩｎＳｅタイプの材料に類似であるが、Ｃｕ元素が付加されることと、結晶構造の変化とが異なる。これら２つの化合物の構造は異なるが、２つの化合物の層間のダイオード界面は有効である。また、ＣＩＳは、ＩｎＳｅと協動するために必要とされるｐ型ドーパントを容易にドープされることができる。さらに、ＣＩＳ層は、ＩｎＳｅ層と同じ真空システムにおいて形成されることができ、２つの層間に清浄で高品質の界面を形成できる。付加的な製造段階のためにかかる時間がなくなるので、このダイオード構造は処理コストも低減する。さらに、ＣＩＳおよびＣＩＧＳ材料は、ＩｎＳｅタイプの材料と比べて、相対的に高い溶融温度を有する傾向があるので、相変化層に加えられる熱がＣＩＳあるいはＣＩＧＳ層には影響を及ぼさないはすである。最後に、ＣＩＳ材料は良好なダイオード接合特性を有する傾向もある。
図４に示されるダイオード構成２００は、全て先に記載される光起電性デバイス、陰極線起電性デバイス、フォトルミネセンスデバイスおよびカソードルミネセンスデバイスのような種々のデータ記憶検出デバイス内の検出デバイスとして用いられることができる。
図５は、図４に示されるダイオード構造の製造方法３００を開示する。ダイオード構造２００の製造はステップ３１０で開始し、ステップ３１０では、シリコンあるいは種々のシリコン酸化物材料から基板層２１０が選択される。この実施形態では、基板２１０は、後続の層の成長を促進する、ナトリウムをドープされることができる材料からなることが好ましい。そのような材料は、限定はしないが、シリコン、シリコン酸化物、ソーダ石灰ガラス、および他の半導体材料を含む。ステップ３１２では、電位フィールド層、すなわち背面コンタクト２０８が基板２１０の表面上に形成される。電位フィールド層２０８は、当業者に知られているスパッタリング技術を用いて、モリブデン（Ｍｏ）から０．５〜２．０ミクロンの厚さに形成され、この実施形態では１ミクロンが用いられている。他の適当な導電性材料には、インジウム、窒化チタン、プラチナ、金、酸化亜鉛、酸化インジウムスズおよび／またはニッケルがある。
次に、ステップ３１４では、電位フィールド層２０８上に第２のダイオード層２０４が形成される。他の適当な相変化材料を用いることもできる。この実施形態では、ダイオード２０４は、ＣＩＳ化合物で形成され、ｐ型ドーパントをドープされることが好ましい。第２のダイオード２０４は約１〜６ミクロンの範囲の厚みを有し、この実施形態では３．５ミクロンが用いられており、真空中で元素蒸着によって被着される。他の形成方法は、Ｋ2ＳＯ4、ＣｕＳＯ4、Ｉｎ2Ｓ（ＳＯ4）3および／またはＳｅＯ2電解質を用いるスパッタリングあるいは電着を含むことができる。先に述べられたように、第２のダイオード層２０４は、ガリウムをドープされ、ＣｕＩｎＧａＳｅ2あるいは他のＣＩＧＳ化合物を形成することもできる。
ステップ３１６では、第２のダイオード層２０４の被着後に、層２０８上に第１のダイオード層２０２が形成される。この実施形態では、第１のダイオード層２０２は、そのままでｎ型材料であるＩｎ2Ｓｅ3で形成される。第１の層２０２は５０〜２００ｎｍの範囲の厚みを有し、この実施形態では１００ｎｍが用いられている。第１の層２０２は、真空中の元素蒸着によって被着されることができ、それには、第２の層２０４を被着するために用いられるのと同じ真空を用いることができる。別の実施形態では、第１の層２０２の形成は電解質を用いる電着法で実行されることができる。
層２０４がＣＩＧＳ材料である実施形態では、３ステージの同時蒸着工程を用いて層２０４を成長させることができる。最初に、４００℃で（ＩｎＧａ）2Ｓｅ3層が堆積され、その後、５５０℃でＣｕおよびＳｅが蒸着されて、わずかにＣｕを豊富に含む薄膜が形成される。その組成は、（ＩｎＧａ）2Ｓｅ3を再び付加することにより、わずかにＣｕが不足した組成に戻される。次に、ＩｎＳｅ層が、加熱された表面上に、元素源から熱蒸着される。ＩｎＳｅはそのままでｎ型材料であるので、ドーピングは不要である。さらに、ＣｕＩｎＳｅの第２のダイオード層からＩｎＳｅ上層内にＣｕが拡散し、ｎ型ドーピングを促すことができる。
ステップ３１８では、電気的なグリッドコンタクト２１４が層２０２の表面上に形成される。なぜなら、ＩｎＳｅの第１の層２０２の導電率が低いためである。コンタクト２１４は、電位フィールド層２０８と同じか、あるいは類似の導電性材料から形成される。たとえば、グリッドコンタクト２１４は０．５〜５ミクロンの範囲の厚みでＭｏから形成されることができ、この実施形態では１ミクロンが用いられている。別法では、そのグリッドはＡｕあるいはＩｎのような他の適当な材料から形成されることができる。その材料はスパッタ堆積されることができるか、あるいは当業者に知られている任意の他の適当な製造技術によって形成されることができる。グリッドコンタクト２１４および電位フィールド層２０８は、読出し動作中にダイオード２００に電圧源回路を適用するための接続点にすることができる。
本発明において具現されるようなサンプルダイオードにおいて試験が行われた。その試験はダイオードのＩ−Ｖ特性を測定することと、量子効率（光）測定を実行することと、電子ビームによって引き起こされる電流（ＥＢＩＣ）の測定を実行することとを含んでおり、ＥＢＩＣ測定はデータ記憶のための「読出し」モードをシミュレートする。
図６は、上層としてＩｎ2Ｓｅ3を有し、ＩｎあるいはＡｕコンタクトを備え、下層としてＳｉあるいはＣＩＧＳを有するダイオードの場合の放出器ビーム電圧の関数としてのＥＢＩＣ利得を示す棒グラフを含む。ＥＢＩＣ利得は、ダイオード電流出力を電子ビーム流で割ったものである。最初の２つのサンプルでは、Ｉｎ2Ｓｅ3は、基板が空気にさらされた後に被着された。次の２つのサンプル（現場）は、その工程において空気にさらされることなく真空中で両方の層を堆積することにより製造された。
図６のグラフに示されるように、ＥＢＩＣの変化は、放出器ビームエネルギーの変化に対して線形ではない。なぜなら、より強力な電子ビームによって、電子‐正孔対が増え、侵入が深くなるためである。５ｋＶビームを用いることもできるが、大部分の応用形態では、１ｋＶ以下のビームが利用されるであろう。ビーム電流は０．５ｎＡから２００ｎＡ程度まで様々にすることができるが、いくつかの応用形態では約２０ｎＡが用いられている。グラフから明らかなように、ＥＢＩＣ利得は、下側のダイオード層としてＳｉを用いるよりも、ＣＩＧＳを用いるほうがはるかに良好である。また、その利得は、ダイオードが真空中で形成される場合に、著しく高くなる。
図７は、図６に示される第１のダイオードの３つのサンプルのための電流‐電圧特性を示す。図７に示されるように、電圧を印加しても、その電圧が約２００ｍＶに達するまでは、電流は概ね０になり、その後、電流が急峻に増加する。この開回路電圧は５ｍＶであり、短絡電流密度は約２〜３ｍＡｃｍ2である。
先に参照された構成は本発明の原理のための応用形態を例示することは理解されたい。本発明は、本発明の例示的な実施形態（１つあるいは複数）とともに図示され、説明されるが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、数多くの変更および代替の構成が考案されることができる。添付の請求の範囲に記載されるような本発明の原理および概念から逸脱することなく、数多くの変更がなされることができることは当業者には明らかであろう。
Claims (10)
- 相変化ダイオードメモリセルを利用し、指向性エネルギーのビームを送るための複数の放出器と、複数のデータ記憶セルを形成するための層と、該記憶セルのメモリあるいはデータ状態を検出するための層状のダイオード構造とを有する超高密度データ記憶デバイスであって、
前記放出器からの前記ビームに応答して状態を変更することができる相変化データ記憶層と、
前記層状のダイオード構造内の１つの層を形成する第２の層であって、銅、インジウムおよびセレンを含む材料を含む、第２の層と、
を備える超高密度データ記憶デバイス。 - 前記第２の層を構成する前記材料は、ガリウムをドープされたＣｕＩｎＳｅ材料である請求項１に記載の記憶デバイス。
- 前記第２の層は、ｐ型ドーパントをドープされる請求項１に記載の記憶デバイス。
- 前記相変化データ記憶層および前記第２の層は、前記層状のダイオード構造を形成する請求項１に記載の記憶デバイス。
- 前記相変化層は、インジウムセレン化物材料を含む請求項１に記載の記憶デバイス。
- 前記ダイオード構造は、光起電性デバイス、陰極線起電性デバイス、フォトルミネセンスデバイスおよびカソードルミネセンスデバイスからなるグループから選択される、データ記憶検出デバイスのグループの１つにおける検出素子である請求項１に記載の記憶デバイス。
- 複数のデータ記憶セルダイオードを形成するように構成される複数の薄膜層を有する、相変化データ記憶アレイのためのダイオード構造を形成する方法であって、
基板上にＣｕＩｎＳｅ材料からなる第１のダイオード層を堆積する工程と、
前記第１のダイオード層上に相変化材料からなる第２のダイオード層を堆積する工程と、を含む、相変化データ記憶アレイのためのダイオード構造を形成する方法。 - ＣｕＩｎＳｅ材料からなる前記層にガリウムをドープする工程を、さらに含む請求項７に記載の相変化データ記憶アレイのためのダイオード構造を形成する方法。
- 前記第１のダイオード層および前記第２のダイオード層を堆積する工程は、同じ真空システム内で行われる請求項７に記載の相変化データ記憶アレイのためのダイオード構造を形成する方法。
- 前記第１のダイオード層および前記第２のダイオード層を堆積する工程は、同じ電着法によって行われる請求項７に記載の相変化データ記憶アレイのためのダイオード構造を形成する方法。
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