JP5188671B2 - メモリセルのしきい値電圧を調節する方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般的にはメモリ素子、より詳しくは、メモリセルのしきい値電圧を調節する方法に関する。

カルコゲン化物メモリセルは、不揮発性であり、また、相変化を比較的迅速に行える。したがって、このようなメモリセルは次世代メモリとしての大きな可能性を秘めている。現在までのところ、カルコゲン化物メモリセルに関する研究開発では、カルコゲン化物材料がアモルファス相と結晶相との間で変化できる能力に焦点が合わされている。特に、メモリ／固体素子への応用のための研究開発ではカルコゲン化物材料の抵抗に焦点が合わされ、光学的応用のための研究開発ではカルコゲン化物材料のｎおよびｋの変化に焦点が合わされてきた。例えば、特許文献１（米国特許第３，５３０，４４１号）の図７および図８には、カルコゲン化物材料にエネルギを付与することによってこの材料の抵抗を変化させることができることが示されている。現在、当業者は、カルコゲン化物材料のしきい値電圧Ｖｔｈが「ごちゃごちゃ」した性質であると考えており、したがって、メモリ／固体素子への応用や光学的応用のための研究開発においてこの性質に焦点が合わされたことがない。
米国特許第３，５３０，４４１号

広く言えば、本発明では、メモリセルのしきい値電圧Ｖｔｈを、カルコゲン化物材料のＶｔｈと同様に、調整ないし調節することを可能にする。

本発明の１つの観点では、メモリセルのしきい値電圧を調節する方法を提供する。この方法では、しきい値電圧を変化させることのできる材料から構成された膜にエネルギが付与される。一実施例では、この膜がカルコゲン化物材料から構成されている。

一実施例では、このエネルギを付与することが、膜に電気パルスを印加することを備えている。一実施例では、この電気パルスが電圧パルスであり、電圧パルスは、所定の強さを有し、所定の波形（ｐｒｏｆｉｌｅ）を有し、所定の期間だけ印加される。一実施例では、電気パルスが電流パルスであり、電流パルスは、所定の強さを有し、所定の波形を有し、所定の期間だけ印加される。

一実施例では、エネルギを付与することが、膜に光パルスを印加することを備えている。一実施例では、この光パルスがレーザパルスであり、レーザパルスは、所定の強さを有し、所定の波形を有し、所定の期間だけ印加される。

一実施例では、エネルギを付与することが、膜に熱パルスを印加することを備えている。一実施例では、この熱パルスが、所定の強さを有し、所定の波形を有し、所定の期間だけ印加される。一実施例では、エネルギを付与することが、膜にマイクロ波エネルギのパルスを印加することを備えている。一実施例では、このマイクロ波エネルギのパルスが、所定の強さを有し、所定の波形を有し、所定の期間だけ印加される。

本発明の別の観点では、カルコゲン化物材料のしきい値電圧を調節する方法を提供する。この方法では、カルコゲン化物材料にエネルギが付与される。

当業者には、本発明に係るＶｔｈを調節する方法が様々なメモリ／固体素子に応用できることが理解できるであろう。本発明に係る方法の著しい長所の１つは、Ｖｔｈを調節する際の速度である。つまり、エネルギパルスを印加した後の失活時間が、通常、約５０ｎｓより短い。これに対して、カルコゲン化物材料の相変化には、通常、少なくとも１００ｎｓかかる。

以下の一般的記述や詳細な記述は例示および説明のために行うに過ぎず、請求範囲に記載した本発明を制限しないことに留意されたい。

以下では、添付図面を参照しながら本発明のいくつかの実施例を詳細に説明する。

本発明では、しきい値電圧Ｖｔｈを変化させることのできる材料にエネルギを付与することにより、この材料のＶｔｈを調節する。Ｖｔｈを変化させることのできる材料の例としては、カルコゲン化物材料（特にアモルファスカルコゲン化物材料）やその他の半導体材料（例えばアモルファスシリコン）が挙げられる。本明細書では、「カルコゲン化物材料」の用語は、周期表の１６族（古い表現ではＶＩ族）元素、すなわち、Ｏ，Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ，Ｐｏ、から選択した少なくとも１つの元素を含む合金を指す。カルコゲン化物材料の例は、米国特許第５，１７７，５６７号と、この米国特許第５，１７７，５６７号に挙げられており参照によって組込まれている各特許とに開示されている。これらの特許は、米国特許第３，２７１，５９１号、第３，３４３，０３４号、第３，５７１，６６９号、第３，５７１，６７０号、第３，５７１，６７１号、第３，５７１，６７２号、第３，５８８，６３８号、第３，６１１，０６３号、第３，６１９，７３２号、第３，６５６，０３２号、第３，８４６，７６７号、第３，８７５，５６６号、第３，８８６，５７７号、第３，９８０，５０５号である。米国特許第５，１７７，５６７号の開示と、この米国特許第５，１７７，５６７号に挙げられており参照によって組込まれている各特許の開示は、この参照によって本明細書に組込まれる。

図１は、カルコゲン化物メモリセルのＩ−Ｖ曲線を示す図である。図１に示したように、Ｖｔｈは１Ｖ（規格化した値）のところにある。したがって、Ｖｔｈより低い電圧をセルに印可した場合の電流値は非常に低い。一方、Ｖｔｈより高い電圧をセルに印可した場合には電流値は非常に高いレベルにまで上昇する。図１に示したように、Ｖｔｈより高い電圧と低い電圧とに対する電流の差は容易に判別できる。以下で詳細に説明するように、セルのＶｔｈは、このカルコゲン化物膜にエネルギを付与することによって、高くも低くも（図１で両方向矢印で示したように）調節できる。

図２は、異なるパルス幅でのＶｔｈ対パルス電圧のグラフである。曲線１００（上の曲線）でのパルス幅はｔであり、曲線１０２（下の曲線）でのパルス幅は２ｔであった。曲線１００および１０２から、或るパルス幅（または波形）を持った或る電圧（または電流）のパルスをセルに印可することによって、カルコゲン化物メモリセルのＶｔｈが調節できることが分かる。

Ｖｔｈを変化させることのできる材料、例えばメモリセルのカルコゲン化物膜、に対して、どの様な適切な形式でエネルギが付与されても良い。例えば、このエネルギが、電気パルス、光パルス、マイクロ波エネルギ、または熱パルス、の形で付与されても良い。図３は、カルコゲン化物メモリセルに対する電気パルスの印加を示す模式図である。図３に示したように、電圧／電流源１２０がカルコゲン化物メモリセルの上部電極１２２に結合されている。このメモリセルは、また、カルコゲン化物膜１２４と下部電極１２６とを備えている。セルに電圧パルス（または電流パルス）が印可されると、符号Ｒを付した矢印で示した部分のカルコゲン化物膜１２４のＶｔｈが変化する。電圧パルス（または電流パルス）の期間（波形）の例を図４に示してある。

図５は、カルコゲン化物メモリセルに対する光パルスの印加を示す模式図である。図５に示したように、光源１３０から光パルスがセルに投射される。一実施例では、この光パルスはレーザパルスである。セルに光パルス、例えばレーザパルス、が印可されると、符号Ｒを付した矢印で示した部分のカルコゲン化物膜１２４のＶｔｈが変化する。例えば、この光パルスは、図４に示した期間（波形）を有していても良い。当業者ならば、図５において上部電極が省略されており、上部電極は、膜１２４の光パルスが印加される領域からはずれた場所に設けてあることが理解できるであろう。

図６は、カルコゲン化物メモリセルに対する熱パルスの印加を示す模式図である。図６に示したように、熱源１４０がセルに対して熱パルスを発生させる。一実施例では、熱源１４０は加熱された物体である。別の実施例では、熱源１４０はマイクロ波発生器である。セルに熱パルス、例えば加熱された物体からの熱パルスまたはマイクロ波エネルギのパルス、が印可されると、符号Ｒを付した矢印で示した部分のカルコゲン化物膜１２４のＶｔｈが変化する。例えば、この熱パルスは、図４に示した期間（波形）を有していても良い。当業者ならば、図６において上部電極が省略されており、上部電極は、膜１２４の熱パルスが印加される領域からはずれた場所に設けてあることが理解できるであろう。

図７は、Ｖｔｈを変化させることのできる材料のＶｔｈを調節する方法を実施しても良いメモリセル構造体の断面図である。図７に示したように、このメモリセル構造体は、上部電極１２２と、Ｖｔｈを変化させることのできる材料の膜１２８と、下部電極１２６とを備えている。上部電極１２２および下部電極１２６は、金属、半金属（メタロイド）、半導体（例えばシリコン）、元素、化合物、合金、複合材料などのどの様な適切な導電性材料で形成されても良い。例えば、膜１２８がカルコゲン化物材料やアモルファスシリコンで形成されても良い。これらの材料は例に過ぎず、Ｖｔｈを変化させることのできるその他の材料を用いて膜１２８を形成しても良いことに留意されたい。メモリセルアレイでは、上部電極１２２および下部電極１２６に対して、それぞれ、電気接続ＡおよびＢが設けてある。例えば、電気接続Ａがビット線であっても良く、電気接続Ｂがワード線であっても良い。本明細書で説明した方法でエネルギを付与することによって膜１２８のＶｔｈを調節した後、このセルに流れる電流を検査することによりメモリセル構造体の状態が判定できる。

当業者には、本発明に係るＶｔｈを調節する方法が様々なメモリ／固体素子に応用できることが理解できるであろう。本発明に係る方法の著しい長所の１つは、Ｖｔｈを調節する際の速度である。つまり、エネルギパルスを印加した後の失活時間が、通常、約５０ｎｓより短い。これに対して、カルコゲン化物材料の相変化には、通常、少なくとも１００ｎｓかかる。

要約すれば、本発明では、メモリセルのＶｔｈを調節する方法と、カルコゲン化物材料のＶｔｈを調節する方法とが提供される。本明細書では、本発明をいくつかの実施例を用いて説明した。本発明の明細書および実施例を考察すれば、本発明のその他の実施例も可能であることが当業者には明らかであろう。上述の実施例および好適な特徴は例示であって、本発明の範囲は添付した請求範囲およびそれに同等のものによって規定される。

本明細書に組込まれてその一部分を構成する添付図面は、本発明の実施例を例示するために添付したのであり、記載と共に参照されて本発明の原理を説明するためのものである。

カルコゲン化物メモリセルのＩ−Ｖ曲線を示す図である。 異なるパルス幅でのＶｔｈ対パルス電圧のグラフである。 カルコゲン化物メモリセルに対する電気パルスの印加を示す模式図である。 エネルギパルスの期間（波形）の例を示す図である。 カルコゲン化物メモリセルに対する光パルスの印加を示す模式図である。 カルコゲン化物メモリセルに対する熱パルスの印加を示す模式図である。 Ｖｔｈを変化させることのできる材料のＶｔｈを調節する方法を実施しても良いメモリセル構造体の断面図である。

Claims (16)

1. しきい値電圧を変化させることのできるカルコゲン化物材料から構成された膜に、所定の強さと所定の波形を有するパルスの形式のエネルギを所定の期間付与して、前記膜のしきい値電圧が、前記付与されたパルスの強さが増大するに従って増大するように前記膜のしきい値電圧を調整するメモリセルのしきい値電圧を調節する方法。
2. 前記エネルギを付与することが、膜に電気パルスを印加することを備えている、請求項１に記載の方法。
3. 前記電気パルスが電圧パルスである請求項２に記載の方法。
4. 前記電気パルスが電流パルスである請求項２に記載の方法。
5. 前記エネルギを付与することが、膜に光パルスを印加することを備えている、請求項１に記載の方法。
6. 前記光パルスがレーザパルスである請求項５に記載の方法。
7. 前記エネルギを付与することが、膜に熱パルスを印加することを備えている、請求項１に記載の方法。
8. 前記エネルギを付与することが、膜にマイクロ波のパルスを印加することを備えている、請求項１に記載の方法。
9. カルコゲン化物材料に、所定の強さと所定の波形を有するパルスの形式のエネルギを所定の期間付与して、前記カルコゲン化物材料のしきい値電圧が、前記付与されたパルスの強さが増大するに従って増大するように前記カルコゲン化物材料のしきい値電圧を調整する、カルコゲン化物材料のしきい値電圧を調節する方法。
10. 前記エネルギを付与することが、カルコゲン化物材料に電気パルスを印加することを備えている、請求項９に記載の方法。
11. 前記電気パルスが電圧パルスである請求項１０に記載の方法。
12. 前記電気パルスが電流パルスである請求項１０に記載の方法。
13. 前記エネルギを付与することが、カルコゲン化物材料に光パルスを印加することを備えている、請求項９に記載の方法。
14. 前記光パルスがレーザパルスである請求項１３に記載の方法。
15. 前記エネルギを付与することが、カルコゲン化物材料に熱パルスを印加することを備えている、請求項９に記載の方法。
16. 前記エネルギを付与することが、カルコゲン化物材料にマイクロ波のパルスを印加することを備えている、請求項９に記載の方法。
    
    
    

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