JP4959578B2 - 保持時間及び書き込み速度の改善したイオン導電体物質メモリ及びそのマトリックス - Google Patents
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Description
本発明は、書き換え可能メモリの分野に係り、特に不揮発性メモリの分野に関する。
目的とする性能や応用に応じて、異なる種類のメモリが利用される。
超高速の書き込み時間が要求される場合には（例えば、マイクロプロセッサによる計算時等）、複数のトランジスタを配列した構成であるＳＲＡＭメモリが採用される。
このメモリの欠点は揮発性である点と、メモリ部分のサイズが比較的大きいという点とであり、大記憶容量とならない。
大記憶容量に対しては、電荷がキャパシタに加えられるＤＲＡＭメモリが用いられる。
このメモリは書き込み時間がより高速であるが（数十ｎｓ）、同様に揮発性であり、情報の保持時間が数十ｍｓのオーダである。最後に、電圧を切っても情報が記憶されている必要とされる応用に対しては、電界効果によってトランジスタのフローティンググリッドに電荷を蓄えるＥＥＰＲＯＭやフラッシュメモリが用いられる。これらのメモリは不揮発性である。この種類のメモリの欠点は、書き込み時間が長い点と（数マイクロ秒）、書き込みサイクルが１０６回までに限定される点とである。
現在使用されている書き換え可能不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭまたはフラッシュメモリ）の動作原理は、電界効果によってトランジスタのフローティンググリッドに電荷を蓄えることによる。
従って、それぞれのメモリ部分は一つ以上のシリコンの構成要素によって構成されているが、そのサイズの減少によって、読み出し信号が減少し、また、情報保持の継続時間が減少する。従って、この種類のメモリの密度が限定されてしまうことは明らかである。
また、これらのメモリにおいては、書き込み時間が比較的長いが（数マイクロ秒）、これは、この時間が、トンネル効果によって電子がフローティンググリッドへと通過する時間であるからである。
また、これらのメモリは、サイクル性も限られている（１０６回）。実際、酸化物中に欠陥が生じることによって電子がフリーティンググリッドから抜け出してしまうようになるので、書き込みサイクルを通じて保持力は減少する。
新生代の書き換え可能不揮発性メモリとして、異なるメモリの設計が試みられている。
可能性のある物質として、強誘電体物質（ＦＥＲＡＭ）、磁性物質（ＭＲＡＭ）、相変化物質（ＰＣ−ＲＡＭ）、イオン導電体物質（ＰＭＣメモリ）が挙げられる。
本発明は、特にＰＭＣメモリの分野に関するものである。
従来技術によるＰＭＣメモリセル及びメモリ部分のマトリックスをそれぞれ図１及び２に示す。
ＰＭＣメモリの動作原理は、不活性な陰極６（例えばＮｉ）と可溶性の陽極８（例えばＡｇ）との間に配置された固体電解質４（例えばＧｅＳｅ）中のイオン（例えばＡｇ＋）の移動による。
参照符号１０、１２はコンタクト部分を表し、参照符号１４は絶縁媒体を表す。
ＯＮ状態とＯＦＦ状態との間の電気抵抗の違いによって、読み出し信号が生じる。
オフ状態では、イオンは主要な抵抗相を形成するマトリックス内に分散している。数十ｎｓのインパルスとして、陽極と陰極との間に数百ｍＶの電位差を与えると、金属析出物を形成することによって、イオンが陰極へと移動する。これによって、低抵抗のＯＮ状態となる。
強度及び継続時間は同じであるが逆符号の電位差を与えることによって、金属析出物が再び電解質中のイオンへと崩壊して、ＯＦＦ状態へと戻る。
図２に示されるのは、上述のようなＰＭＣメモリ部分のマトリックスであり、ＷＬライン信号とＢＬコラムによって制御される。
ＰＭＣメモリの主たる利点は、書き込み電圧が１Ｖ未満と、他の不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ、ＭＲＡＭ、ＰＣＲＡＭ）に対して相対的に低い点である。
先行技術（例えば、特許文献１）において述べられているようなＰＭＣメモリの欠点は、短い書き込み時間と長い保持時間とが同時に生じないという点であり、これら２つのパラメータは逆方向に変化する。即ち、高速な書き込み時間が達成されると、保持時間が短くなりすぎる。そして、保持時間が長くなると、書き込みは一般的に遅くなる。
従って、高速書き込み時間と長期保持時間とが相容れる構造及び動作のＰＭＣ型メモリを見つけ出すことが課題となる。
本発明は、保持時間及び書き込み速度が同時に最適化されたＰＭＣメモリに関する。
本発明は、書き込み時において活性物質の温度が局所的かつ移行的に上昇するような発熱エレメントを備えたＰＭＣの構造を提案する。
本名発明は、メモリセルと、メモリの書き込み時におけるセルの加熱手段とを備えたＰＭＣメモリに関する。
本発明によるＰＭＣメモリにおいては、メモリ部分のレベルにおいてはその温度が局所的に上昇し、書き込み時においてはその温度が移行的に上昇する。
メモリの動作温度（Ｔｆ）とは、書き込み段階以外のメモリ部分の温度のことである。一般的に、メモリが使用される際には、この温度は環境温度を僅かに上回り、８０℃のオーダである。
メモリの書き込み温度（Ｔｅ）とは、書き込み段階時に達する温度のことである。従来技術のＰＭＣメモリにおいては、書き込み温度Ｔｅは、動作温度Ｔｆに等しい。
従来技術のＰＭＣの構造においては、温度Ｔｅと温度Ｔｆは合わさっている。
本発明によるＰＭＣの構造においては、書き込み温度Ｔｅは動作温度Ｔｆよりも高いが、例えばアモルファスカルコゲニド等のメモリの活性エレメントを構成する物質のガラス転移温度よりは低い。
本発明では、温度Ｔｅと温度Ｔｆとの間の区別がつき、書き込み速度と保持時間との間のより良い折衷案が得られる。
このような熱的に補助されたメモリを用いることによって、メモリ部分の温度は、例えば３００Ｋと４５０Ｋとの間の温度での、書き込み時において、局所的且つ移行的に高められる。
本発明においては、化学的な拡散係数はメモリの動作温度においては低いが、書き込み時における電場の下での拡散係数は高いというシステムが用いられる。
これによって、保持時間及び書き込み速度が同時に上昇する。
従って、本発明においては、ＰＭＣメモリの書き込み速度と保持時間とが最適化される。
メモリセルは、カルコゲニド型の物質を有する固体電解質を備えることができ、金属ドーピングされていてもよく、例えば、ＡｇＧｅＳｅ型、ＡｇＧｅＳｂＳｅ型、ＡｇＧｅＳ型、ＡｓＳ型が挙げられる。
固体電解質は酸化物であってもよく、例えば、ＷＯ３が挙げられる。
熱バリアを形成する手段を更に備えることができ、特にセル内の加熱手段の反対側に備えることができる。
加熱手段は活性領域近傍に配置することができるし、少なくとも一つの電極によって、そこから離隔することもできる。
加熱手段は不活性な陰極に接触させて配置することも可能であるし、不活性な陰極の少なくとも一つのコンタクト電極によって、そこから離隔することもできる。
本発明によるメモリは３つのコンタクトを含むことができ、そのうちの一つは加熱手段とセルとに共有されている。または、４つのコンタクトを含み、そのうちの二つは加熱手段用であり、二つはセル用である。
物質の構成の選択によって、活性領域における金属の拡散速度、並びに、温度に対するこの速度の変化具合を制御可能である。
セルの構造（特に、セル内の発熱エレメントと活性エレメントとの相対的な位置関係）を、熱的に補助された書き込みを得るために、更に最適化することが可能である。
書き込みパルスのパラメータと、加熱パルスのパラメータとについても同様である。
また、本発明は、上述のようなＰＭＣ型メモリのマトリックスに係り、ラインのアドレス付け手段と、コラムのアドレス付け手段と、発熱エレメントのアドレス付け手段とを備える。
本発明によるＰＭＣメモリの第一例を図３Ａに示す。
発熱抵抗体（ｈｅａｔｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔｏｒ）等の発熱エレメント２０は、活性領域４の近傍に配置されている。これは、二つのコンタクト１６、１８によって活性化可能である。
動作時には、電流はこれを通過し、ジュール効果によって熱が生じる。その後、この熱は、活性領域４に伝導される。
図３Ａに示すように、発熱エレメントをそれぞれ活性エレメントと対応させることが可能である。
加熱効率を高めるために、図３Ｂに示すように、熱バリア３０を発熱エレメントの反対側に追加することができる。このバリアは、例えば、陽極８とコンタクト１０との間に配置される。
図３は他の例を示し、加熱手段が活性エレメントから独立している。即ち、４つのターミナル１０、１６、１７、１８が与えられ、二つは活性エレメント用であり、二つは発熱エレメント用である。
三例全ての場合において、発熱エレメントを活性エレメント４の可能な限り近くに配置するが、陽極と陰極との間の短絡は避けるようにすることによって、構造を更に最適化することが可能である。
図４には、本発明によるメモリ部分のマトリックスの図が示されている。基本構成（図２）と比較すると、電流がそれぞれの発熱エレメント２０を通過するようにするライン３４が追加されている。
この構造の電熱シミュレーションの結果を図５に示す。書き込み時における、メモリ部分の１４０Ｋの局所的な発熱が示されている。シミュレーションの条件は以下の通りである。即ち、直径１μｍのＡｇＧｅＳｅ活性エレメント、ＴｉＮ発熱エレメント、０．６Ｖの熱パルス、上部熱バリア（図３Ｂ）の使用である。この図には、本発明によるメモリ部分の構成要素が示されており、その参照符号は図３Ｂのものである。領域Ａは、温度が最も高い領域である。領域Ｂは領域Ａよりも温度が低く、領域Ｃは領域Ｂよりも温度が低い。
書き込み段階における、局所的かつ移行性の加熱を生じさせる他の構成も可能であり、例えば、図６の構成を提案する。発熱エレメント２０は、不活性な陰極６の直下に配置されており、陽極８と陰極６との間にはコンタクトが形成されない。更には、発熱エレメント２０を陰極６として使用することも可能である。
結果として、装置は３つのコンタクト１０、１６、１８を備え、コンタクト１０、１６間の電圧の印加によって、セル４に書き込みが行われ、コンタクト１６、１８間の電圧の印加によって加熱が行われる。
発熱エレメントの物質、寸法、構成は、電熱シミュレーションによる好ましい温度上昇の関数として、最適化可能である。
このシミュレーションには、市販のマルチ物理モデリングソフトウェアが使用可能であり、例えば、図５に示す結果が得られたＦＥＭＬＡＢが挙げられる。
本発明は、書き込み時における局所的かつ移行性の温度上昇によって、保持現象及び書き込み現象の分離を可能にする。
これによって、保持時間及び書き込み速度の最適化が可能になる。
本発明の範囲内においては、様々な物質（特にカルコゲニド型）が利用可能である。
表１は、Ａｇがドーピングされた様々なカルコゲニド物質の性質を示す。ここで、Ｔｇはガラス転移温度を表し、Ｇは３００Ｋと４５０Ｋとにおける移動流の比を表す（Ｇはまた、この二つの温度におけるイオン伝導率の比に等しい）。このデータは、物質２から４に対しては、非特許文献１からのものであり、物質１に対しては、非特許文献２からのものである。
本発明と組み合わせてこれらの物質のそれぞれを採用する利点は以下の通りである。
物質１について：これは、従来技術において利用されてきた物質である。この物質を用いた本発明による装置は、保持時間を劣化させずに書き込み速度を５０倍にすることができる（Ｇは、書き込み速度の乗算を可能にする因子に対応する）。
物質２について：これは、カルコゲニド元素がＳｅではなくてＳである他の物質である。この物質は、物質１よりも遅い書き込み速度にも関わらず、その高いガラス転移温度によって利用されている。この物質を用いた本発明による装置は、物質１の場合よりも速い書き込み速度を示し、物質２の高いガラス転移温度の利点を保持している。
物質３について：これは、物質２のＡｇ含有量を低くしたものである。これは、予測される書き込み速度が遅いため、従来において使用されてこなかった物質である。この物質を用いた本発明による装置は、保持時間からの利得によって物質２の書き込み速度の３０倍の速度を示す。また、ガラス転移温度は物質１よりも高い。この物質では、高性能な折衷案が得られる。
物質４について：これは、物質１のカルコゲニド元素の含有量を、Ｓｅ原子を一部Ｓｂで置き換えることによって低くしたものである。カルコゲニド元素の含有量が減少することで、Ａｇ拡散の速度が遅くなることが予測される。これが、この物質が従来において使用されてこなかった理由であり、その書き込み速度は遅いものと予測される。この物質を用いた本発明による装置においては、物質１に比較して、書き込み速度及び保持時間が改善している。
これらの例及びその比較から、書き込み温度Ｔｅを４５０Ｋとする。何故ならば、この温度は、上述の物質の全てのガラス転移温度よりも低いからである。それぞれの場合における物質のガラス転移温度にまで書き込み温度を上昇させることが可能であり、書き込み速度が更に上昇する。
一例によると、本発明によるセルは、典型的には以下の寸法を有する：
‐ 光ドーピングされた（ｐｈｏｔｏｄｏｐｅｄ）カルコゲニドのターミナルの直径は１μｍ未満であり、好ましくは０．１μｍ未満である。
‐ 発熱エレメント２０の直径は、光ドーピングされたカルコゲニドのターミナルの直径または最大サイズと同じオーダであり、好ましくは、カルコゲニドのターミナルの直径を越える。好ましくは、発熱エレメントの直径は１μｍ未満であり、好ましくは０．１μｍ未満である。
‐ 各層の厚さ：
ａ ‐ 下部電極６及び上部電極８ ： ５０ｎｍ〜２００ｎｍ
ｂ ‐ 光ドーピングされたカルコゲニド ： 厚さ２０ｎｍと４０ｎｍとの間
ｃ ‐ 発熱エレメント２０ ： 厚さ１００ｎｍと２００ｎｍとの間。
‐ 光ドーピングされた（ｐｈｏｔｏｄｏｐｅｄ）カルコゲニドのターミナルの直径は１μｍ未満であり、好ましくは０．１μｍ未満である。
‐ 発熱エレメント２０の直径は、光ドーピングされたカルコゲニドのターミナルの直径または最大サイズと同じオーダであり、好ましくは、カルコゲニドのターミナルの直径を越える。好ましくは、発熱エレメントの直径は１μｍ未満であり、好ましくは０．１μｍ未満である。
‐ 各層の厚さ：
ａ ‐ 下部電極６及び上部電極８ ： ５０ｎｍ〜２００ｎｍ
ｂ ‐ 光ドーピングされたカルコゲニド ： 厚さ２０ｎｍと４０ｎｍとの間
ｃ ‐ 発熱エレメント２０ ： 厚さ１００ｎｍと２００ｎｍとの間。
例えば、本発明によるセルにおいて、下記の金属及びカルコゲニドの構成を用いることができる：
第一例 ： 金属はＡｇであり、カルコゲニドはＧｅＳｅ、ＧｅＳまたはＧｅＳｂＳｅである。
第二例 ： 金属はＣｕであり、カルコゲニドはＡｓＳである。
第一例 ： 金属はＡｇであり、カルコゲニドはＧｅＳｅ、ＧｅＳまたはＧｅＳｂＳｅである。
第二例 ： 金属はＣｕであり、カルコゲニドはＡｓＳである。
本発明による装置を製造するための手順の第一例について説明する。ここで、装置は図３Ａに関連して上述した装置である。
第一段階は、アドレス付けトランジスタの製作段階である。
次に、発熱エレメント２０の下部コンタクト１６が作成され、その後、発熱エレメント２０自体が作成される。
その後、絶縁体を堆積させる。
次の段階は、活性エレメントの下部コンタクト２２の製作段階であり、下部電極２２が作成される。
その後、三重層を堆積させる。即ち、不活性な陰極６／カルコゲニド４／金属を堆積させて、光溶解（ｐｈｏｔｏｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ）がこれに続く。その後、陽極を堆積させる。
次に、この積層体をリソグラフィ及びエッチングによって、ターミナルの形状にする。
絶縁物質（例えばＳｉＯ２）を堆積させて、その後、平坦化させる。
その後、上部電極１０を作成する。最後に、発熱エレメントに対するコンタクト１８を元に戻す。
本発明による装置を製造するための手順の第二例について説明する。ここで、装置は図６に関連して上述した装置である。
第一段階は、アドレス付けトランジスタの製作段階である。
次に、発熱エレメントの下部コンタクト１６が作成され、その後、発熱エレメント２０自体が作成される。
その後、三重層を堆積させる。即ち、不活性な陰極６／カルコゲニド４／金属を堆積させて、光溶解がこれに続く。その後、陽極を堆積させる。
次に、この積層体をリソグラフィ及びエッチングによって、ターミナルの形状にする。
絶縁物質（例えばＳｉＯ２）を堆積させて、その後、平坦化させる。
その後、上部電極１０を作成する。最後に、発熱エレメントに対するコンタクト１８を元に戻す。
本発明は、ＰＭＣ型の不揮発性書き換え可能メモリに適用される。
書き込み期間における発熱エレメントによる局所的かつ移行性の加熱によって、本発明は、ＰＭＣメモリにおける保持時間と書き込み速度とを別々に最適化可能である。
書き込み時においては、１５０℃付近の温度に達し、電場の下での、活性領域の種の拡散係数を好ましいものにし、従って、書き込み速度を好ましいものにする。
次に、例えば８０℃付近の低温に対しては、伝導性析出物の自発的な溶解がなく、保持時間が改善する。
書き込み時における、電場の下での、活性領域内の金属の急速な拡散及び移動は、書き込み温度（〜１５０℃）における高い拡散係数によって達成される。結果として、書き込み速度が改善される。
本発明によると、発熱抵抗体等の発熱エレメントは、活性エレメントに平行に配置される。活性物質は、高抵抗性であり、微弱な電流がそこを通過する。加熱は、発熱エレメントをメモリ部分に局在化させることによって、行われる。
４ 固体電解質
６ 陰極
８ 陽極
１０ 上部電極
２０ 発熱エレメント
２２ 下部電極
３０ 熱バリア
６ 陰極
８ 陽極
１０ 上部電極
２０ 発熱エレメント
２２ 下部電極
３０ 熱バリア
Claims (15)
- 陰極（６）と、陽極（８）と、該陰極と該陽極間で挟まれた固体電解質（４）とによって構成されたメモリセルと、前記固体電解質の近傍に配置された、前記セルの加熱手段（１６、１８、２０）とを備え、メモリの書き込み時には、前記加熱手段を、書き込み段階以外における動作温度よりも高い書き込み温度で作動させるイオン導電体物質メモリ。
- 前記メモリセルは、カルコゲニド型の物質を有する固体電解質を備えた請求項１に記載のメモリ。
- 前記固体電解質は、酸化物である請求項２に記載のメモリ。
- 前記カルコゲニドは金属ドーピングされている請求項２または請求項３のいずれかに記載のメモリ。
- 前記金属ドーピングされているカルコゲニドはＡｇＧｅＳｅ型から成る請求項４に記載のメモリ。
- 前記金属ドーピングされているカルコゲニドはＡｇＧｅＳｂＳｅ型から成る請求項４に記載のメモリ。
- 前記金属ドーピングされているカルコゲニドはＡｇＧｅＳ型から成る請求項４に記載のメモリ。
- 前記カルコゲニドはＡｓＳ型から成る請求項２に記載のメモリ。
- 前記金属ドーピングされているカルコゲニドは銅がドーピングされているＡｓＳ型から成る請求項４に記載のメモリ。
- 熱バリアを形成する手段（３０）を更に備えた請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のメモリ。
- 前記加熱手段（２０）は、前記陰極に接触して配置されている請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のメモリ。
- 前記加熱手段は、前記陰極（６）の少なくとも一つのコンタクト電極（２２）によって前記陰極から離隔されている請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載のメモリ。
- ３つのコンタクト（１０、１６、１８）を備え、その内の一つは、前記メモリセルと前記加熱手段とに共有されている請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載のメモリ。
- ４つのコンタクト（１０、１６、１８）を備え、その内の二つは前記メモリセル用であり、二つは前記加熱手段用である請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載のメモリ。
- ライン（ＷＬ）に対するアドレス付け手段と、コラム（ＢＬ）に対するアドレス付け手段と、前記発熱エレメント（２０）に対するアドレス付け手段とを備えた、請求項１から請求項１４のいずれか一項に記載のイオン導電体物質メモリの、マトリックス。
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