JP4157264B2

JP4157264B2 - 不揮発性メモリ及び不揮発性メモリの記録再生装置

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Publication number: JP4157264B2
Application number: JP2000294762A
Authority: JP
Inventors: 博三浦
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2000-09-27
Filing date: 2000-09-27
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2020-09-27
Also published as: JP2002109797A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体メモリには、ＤＲＡＭのよ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。
【０００３】
ＤＲＡＭ、強誘電体メモリは、情報を記録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。
【０００４】
フラッシュメモリは、フローティングゲー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。
【０００５】
また、いずれの構造においてもメモリセルは、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。
【０００６】
例えば、従来のフラッシュメモリセルサイ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。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の固体メモリでは、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。
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑みて成されたものであり、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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、２端子の配線形状であり、かつ、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し、かつレーザビームを走査した際に、配線形状の記録材料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不揮発性メモリにおいて、記配線形状の配線幅が周期的に変化していることを特徴とする。
【００１０】
請求項１に記載したようにカルコゲナイド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。
【００１１】
本発明によるメモリ素子では、上記特性を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。
【００１２】
図１は、記録方法の説明図である。メモリ素子は、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１５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。
【００１３】
最高パワーＰｗを１とすると、Ｐｅは０．２〜０．８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。
【００１４】
以上の方法により、記録情報に応じてレ−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。
【００１６】
また、レーザビーム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。
【００１７】
ＤＶＤ−ＲＷやＤＶＤ−ＲＡＭのようなデ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。
【００１９】
また、記録層の形態を配線形状とする。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。
【００２１】
また、記録層は２端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。
【００２２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、記録層よりも抵抗値が小さいＡｇ、Ｃｕ、Ａｌからなる金属を少なくとも含む低抵抗層を設けたことを特徴とする。
【００２３】
請求項２に記載したように記録層以外に低抵抗層を設け、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。
【００２４】
図３は、一定パワーのレーザビーム３６が記録ドメイン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よりも高く、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。
【００２５】
請求項３記載の発明は、請求項２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。
【００２６】
請求項３に記載したように、記録層と低抵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。
【００２７】
請求項４記載の発明は、請求項２または３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。
【００２８】
請求項４に記載したように、記録層と低抵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、Ａｌ₂Ｏ₃、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。
【００２９】
請求項５記載の発明は、請求項２から４のいずれか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（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。
【００３０】
請求項５に記載したように、記録層と低抵抗層間に導電性の層を設ける。導電性層の材質をＴｉｎ、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。
【００３１】
請求項６記載の発明は、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、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。
【００３２】
請求項７記載の発明は、請求項６記載の発明において、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。
【００３３】
請求項７に記載したように、レーザ光の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。
【００３４】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照しながら本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。
【００３５】
〈第１の実施例〉
図４は、本発明の第１の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。
【００３６】
４２はメモリ素子の上方視である。図示のように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。
【００３７】
４３は一部分の拡大図である。配線４３１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ＰＬ、ＰＤ＝０．５μｍである。以上の形状にＧｅＳｂＴｅ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。
【００３８】
４４は記録ドメインの状態を示す。Ｘ方向では０．２５μｍピッチ、Ｙ方向では０．５μｍでドメインを形成する。
【００３９】
図５は、記録再生装置を示す概略ブロック図である。
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６５０ｎｍ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５１４、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５１７、フォトダイオード５１８よりなる検出系で構成される。
【００４０】
レーザダイオード５１１から出射されたレーザビームは、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５１３、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。
【００４１】
以上の反射光変化をアクセス信号Ｉ−３とする。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。
【００４２】
信号検出部５２について説明する。メモリ素子の一方の端子に直流電源５２１を接続し、ＧｅＳｂＴｅ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。
【００４３】
〈第２の実施例〉
図６は、本発明の第２の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、ＧｅＳｂＴｅ薄膜６１２を膜厚５００ｎｍで成膜する。ＧｅＳｂＴｅ上に誘電体層としてＺｎＳ−ＳｉＯ２６１３をＲＦスパッタ法を用いて膜厚２０ｎｍで成膜する。ここで、ＺｎＳ−ＳｉＯ２の組成は、ＺｎＳ８０ａｔ％、ＳｉＯ２２０ａｔ％とする。ＺｎＳ−ＳｉＯ２上に低抵抗層としてＡｌＴｉ６１４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。
【００４４】
ＡｌＴｉ上に保護膜としてＳｉＯ２６３１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。
【００４５】
〈第３の実施例〉
図７は、本発明の第３の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、ＴｉＮ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。
【００４６】
次に、カルコゲン半導体としてＡｇＩｎＳｂＴｅ薄膜７１５をＤＣスパッタ法にて、膜厚１００ｎｍ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ＵＶ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。
【００４７】
７２はメモリ素子の上方視である。ＡｌＴｉ配線７１２の幅は０．５μｍである。ＡｇＩｎＳｂＴｅ７１５は、５ｎｍ×５ｎｍの正方形であり、そのピッチは５．２５μｍである。
【００４８】
記録再生装置の基本構成は、本発明の第１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２０μｍ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。
【００４９】
７３は上方視の一部分の拡大図でありアドレス方法を表す。レーザビームは、ＡｇＩｎＳｂＴｅ配線７１５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。
【００５０】
ＡおよびＣのように、ビームが正方形の対角を横切る場合、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。
【００５１】
以上のように、上記メモリ構成では、ＡｇＩｎＳｂＴｅ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、ＡｇＩｎＳｂＴｅ中に記録ドメイン７３１をＸ―Ｙ方向ともに０．２５μｍ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。
【００５２】
本発明の実施例によれば、従来の固体メモリにおける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。
【００５３】
例えば、一般的なスプリットゲート型のフ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。
【００５４】
なお、上述される実施形態は本発明の好適な実施形態であり、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。
【００５５】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の記録再生装置による記録方法を示す図である。
【図２】本発明の記録再生装置による第１の再生方法を示す図である。
【図３】本発明の記録再生装置による第２の再生方法を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施例を示す図である。
【図５】記録再生装置の概略構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第２の実施例を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１１基板
１２記録層
１３記録ドメイン
１４未記録部分
１５レーザビーム
１６パワーレベル

Claims

２端子の配線形状であり、かつ、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し、かつレーザビームを走査した際に、前記配線形状の記録材料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不揮発性メモリにおいて、
前記配線形状の配線幅が周期的に変化していることを特徴とする不揮発性メモリ。
前記記録層よりも抵抗値が小さいＡｇ、Ｃｕ、Ａｌからなる金属を少なくとも含む低抵抗層を設けたことを特徴とする請求項１記載の不揮発性メモリ。
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記載の不揮発性メモリ。
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２または３記載の不揮発性メモリ。
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２から４のいずれか１項に記載の不揮発性メモリ。
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請求項１から５のいずれか１項に記載の不揮発性メモリに記録再生する不揮発性メモリの記録再生装置。
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６記載の請求項１から５のいずれか１項に記載の不揮発性メモリに記録再生する不揮発性メモリの記録再生装置。