JPH07503332A - レジスティブメモリ・エレメント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 レジステイブメモリ・エレメント この発明は、ニューラルネットワーク内にシナブチイックエレメントとして使用 するのに最適なレジステイブ（抵抗性）メモリエレメントに関する。

レジステイブメモリエレメントは、通常、　２つの電極間に配設される抵抗層（ レジステイブメモリ）を形成する０例えば、そのエレメントにアクセスを与える ような金属層である。

その抵抗層は通常、ホストマテリアル（主材料）例えばアモルファスシリコンで 形成され、それはその主要な特性を改善するために１つのドーパントを含んでい る。また、そのメモリエレメントは１つのアクティブスペシーズ（放射性種）を 含み。

それはまた、電気的な流れの状態における実質的な一部分を演じ、その抵抗層の 抵抗の度合いを調整する。このアクティブスペシーズは通常、そのホスト中に分 散された微分子または原子と同じ程度の小さな金属である。

（シナブチイックエレメントは通常、多数のエレメント内の層を構成する０例え ば、１０’〜１０”個が単一基板の上にサポートされている。この基板はそれら エレメントの全てをサポートする機構を提供するが、この基板はそのエレメント の性能においては、僅かな効果が有るか、または効果が皆無である。） 各エレメント（戯　独自の分離した電極を持っていてもよく、　また所望により それらの層がネットワークに接続できてもよい、　また、　どのエレメントが他 のエレメントと、その１つまたは両方の電極を共用してもよい、これは、それら エレメントが固有なネットワークパターンに永久的に接続されていることを意味 する。エレメントの層は１つの適当な基板上にさまざまな層をデポジット（沈積 ）することによって便宜的に製造されている。それらの層は、例えばマスキング およびエツチングなどのよく確立された技術を利用することによりパターン化さ れてもよい。

上述された抵抗層は通常、アクティブスペシーズを含んだホストマテリアルから 形成されている。それらのエレメント、Ｖ、Ｇｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、ＦｅおよびＭｎ は、ホストマテリアルとしてアモルファスシリコンと共に使用するためのアクテ ィブスペシーズとしては特に最適なものである。

そのアクティブスペシーズは、このアクティブスペシーズの無い１つの電極を作 ることにより、あるいは、そのホストへマイグレート（移動）させるようにする ことで、便宜的にメモリエレメントに導入（ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ）される、この マイグレーションの行程は「フォーミング」であり、これは、高電圧の供給、例 えば８〜３５ボルト程度の電圧を短時間、例えば２００〜１０００ｎｓ与える行 程から構成される。　このフォーミング行程は、極めて高い値（実際には無限値 ）からそのエレメントの抵抗を、ニューラルネットワークに使用するのに最適な 仇　例えば１０５〜ｌＯφΩ以内の値に減少させる。

このようなフォーミングは、そのホストマテリアルをその抵抗に初期の値を与え るためアクティブスペシーズを導入することが強調されている。このフォーミン グ後には、抵抗値は目標値に調整されることもでき、またその抵抗値をエレメン トの寿命内に幾度も調整することも可能である。そのエレメントの抵抗はそのメ モリバラメ・−夕として使用される。

抵抗性のエレメントはニューラルネットワークにおけるプログラム可能なメモリ として使用される。ニューラルネットワークの回路はそのエレメントにアドレス 電圧を供給することによって最適なエレメントをアドレスするが、　これによっ て。

そのエレメントの抵抗値が適切な電流を生成する。

ここで、各エレメントが２つの電圧のしきい値を有していることに気づくことが 重要である。その内の低い方のしきい値電圧は、そのアドレス電圧の上限を代表 する。つまり、その低い方のしきい値より少ない値の１つの電圧をエレメントに 適用することによってこのエレメントはアドレスされている。大きい方のしきい 値電圧は、このフォーミング行程が発生する時期における値に設定されている。

よって、大きい方のしきい値の超過時における電圧がフォーミングするため通常 に各々のエレメントに適用される。これら上限と下限を表わす２つのしきい値の 間にある電圧は１便宜上「プログラミング」電圧と呼ばれる。何故ならば、この 範囲内の電圧は、そのエレメントの抵抗を調整するために利用されるからである 。そのエレメントの抵抗はそのメモリパラメータを規定する故に、それら上限と 下限のしきい値の間にある電圧は、データの格納記憶と同等なプロセスのために 利用される。

（このシナブチイックエレメント中に格納されたデータは、ニューラルネットワ ークのプログラムの重要な一部である。）所望の結果を生み出すために選ばれた 電圧値を供給することによって、このシナブチイックエレメントの抵抗を調整す ることが提案されている。しかし、この方法の実施が困難であることが分かフて いる。なぜならば、所望する結果を達成するためにその電圧値を確認することは 難しい故である。

この発明の目的は、メモリエレメントの抵抗の目標値への調整を容易にすること である。

この発明は予期されなかった発見に基づくものであり、（電圧の大きさに代わっ て）電圧が供給される時間を変化させることによって、エレメントの抵抗が目標 値に調整され得る。よってエレメントの抵抗は、最適な電圧を選択して適切な継 続時間（デュレーション）のパルスを与えることにより、目標値に調整できる。

パルスの持続時間は、　ｌＯ〜１０００ｎｓである。なお、そのパルスの極性は 重要事項であり、ある一方の極性において抵抗値の減少を生じ、また逆の極性は その抵抗値の増加を生じる。

本発明は請求項に規定されている。

パルスの持続時間と抵抗値との間の相関関係（コレレーション）を確立すること が可能である。このような相関関係を使用し、目標となる抵抗値は、適切な持続 時間および極性のパルスを適用することによって達成され得る。　しかし、この フォーミング段階の変化は、広く一般的な応用性を有するような正確な相関関係 を確立することを困難にする。

本発明は、正確な相関関係が獲得可能でない場合においても、メモリエレメント の抵抗を調整するために使用できるようなパルス幅を許容する好適実施例を含ん でいる。

本発明の好適実施例は、異なる持続時間の数個のパルスがメモリエレメントに適 用される場合の開示を基にしたものであり、その結果は最も長いパルスによって のみ確定される。

したがって、最も短いパルスは最長のパルスの後で適用され、それに続くさらに 短いパルスは顕著な効果を生み出さない。

この観測の結果は好適なる方法を喚起する。

（ａ）　そのエレメントの抵抗が極端に高いかまたは低すぎるかによって、その 適切な極性が選択される。

（ｂ）　パルスの連続したものが供給される。抵抗値の測定はこれらパルスの後 に行うほうが都合がよい、この連続パルスは初期のパルスよりも長い持続時間を 有する後続のパルスも含んでいる。好適には、各パルスの持続時間はそのプレデ セッサ（ｐｒｅｄｅｃｅｓｓｏｒ）の持続時間よりも大きい。

（Ｃ）　そのエレメントの抵抗がその目標値に近似するかまたはそれを超過する 時に、この連続パルスは終結する。

この行程ステップ（Ｃ）の完了時において、その完了として偶然にもその目標値 に十分に近似する値になってもよい。

さもないとこの行程はオーバーシュート状態となる。

このオーバーシュートは同じ極性による継続によっては修正できない、しかし次 の処理によって、作られるべき抵抗値への更なる調整を可能にする。また更なる 処理は、前述の（ａ　）、（ｂ　）および（Ｃ）ステップの繰り返しによって構 成され。

但し、ステップ（ａ）における逆極性（リバースポラリティ）の選択を除く、加 えて、パルスの持続時間におけるさらに少量の加算増加が、その結果がどうであ れ、小さなオーバーシュートによりステップ（ｂ）の期間中において所望により 行なわれる。この処理はまた。逆極性および各々の繰り返しによるパルス持続時 間における少量の加算増加を使い、それは所望する頻度で繰り返され得る。

例えば、パルスの第１の連続において、そのパルスデュレーションは固定的な１ ｏｏｎｓの増分によって増加されてもよい１例えば、　ｌ　ＯＯｎｓ、２００ｎ ｓ、３００ｎｓ等はその目標値をオーバーシュートするまで適用される。

次の連続においてその逆極性が使用され、そのパルス持続時間がＩｏｎｓの増分 で加算される０例えばＩｏｎｓ、２０ｎｓ。

３０ｎｓ等のパルス持続時間値が適当であろう、また、更なるシーフェンスが用 いられてもよく、各シーフェンスは、そのプレデセッサに対してより短いパルス の増分加算を有している。はとんどの場合においては、その目標値にできるだけ 近似するようＩｏｎｓの増分が生成される。

本発明＋１　単一のシナブチイックエレメントを表わす添付の図面を参照する例 により次に記述され、このシナブチイックエレメントは同様の複数のエレメント から成る１つの層（図示）であるとみなされる。

図中に示されたエレメントは、基板１０の上に機械的に支持されている。多数、 例えば１０４個、但し他の同様なエレメント（不図示）は、その同じ基板上に支 持されている。ここで、その基板が高い電気的抵抗値を有していることが重要な 事項である。ガラスシートは適当ではあるが、表面が酸化されて５ｉｎ２になっ ているシリコンのシートがより望ましい。

その基板１０の厚さは、そのデバイスを支持できることに関する主要な重要事項 ではない。

そのシナブチイックエレメントは、　１つの金属層（メタリックレイア）から成 り１通常、符号１２で示されている。　レイア１２は便宜的に５０〜１１００ｎ の厚さを有し、Ｃｒが最適な金属材料である。ホストマテリアル１１、例えば少 量のボロンによりドープされたアモルファスシリコンは、基板１０の上に支持さ れているが、そのホストマテリアルは部分的に重畳（オーバラップ）し、その金 属層１２のある部分に電気的に接続されている。このように、レイア１２は２つ の機能的は部位から成り、　これらはいわゆる、ホストマテリアル１１と接続す るいわゆる第１の電極１３と外部の電線に接続する第１のコンタクト１４が付加 されてもよい。

このホストマテリアル１１は、インシュレーティング・マトリクス１５により取 り囲まれている。第２金属部位１６はこのインシュレーティング・マトリクス１ ５に重畳している。この第２金属部位１６は好ましくはバナジュームであり、そ の厚さは４０〜７０ｎｍである。その好適材料（Ｖ）に対しての他の材料は１例 えば、Ｇｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、ＦｅおよびＭｎがあげられ、極めて良好な結果をもた らす、その第２金属部位１６は、　１つのキャップ電極１７と１つの第２コンタ クト部位１８を含み、それは基板１０と機械的に結合されている。このキャップ 電極１７は、インシュレーティング・マトリクス１５における１つのアパーチャ （開口）を通過し、そのホストマテリアル１１との電気的な結合が図られている 。このアパーチャのサイズとロケーションは、その電極１７を規定する。

このホストマテリアル１１には部位１９が在り、この部位はキャップ電極１７と 第１電極１３との間に位置している。この部位１９は、シナブチイックエレメン トを通る電気的流れの通路（パッセジ）においてプレドミネート（事前抑止）を 行う。

フォーミングおよびプログラミングは恐らくその部位１９の特性に影響を与える であろう。

使用上、例えばそのエレメントがニューラルネットワークに接続される時に、外 部コネクタがコンタクト１４と１８に取り付けられ、そのホストマテリアルによ って、所望によりその部位１９が外部回路にインコーホレート（合体）されてい る。

シナブチイックエレメントの１つのアレイを制作する方法が図面に示されるよう に、−例として次のように記述されている。

第１に、エバボレーティプ技術を用い、　１つのユニフォーム金属層が元板１０ の上にデポジットされた。また、従来の技術を用いてそのユニフォーム層が金属 シート１２にエツチングされた。ホストマテリアルは、　２ＺＯ〜３００°にお けるプラズマエンハンスト・ケミカルベーパデポジションを用いデポジットされ 、好適な６０〜１５０ｎ＋＊の厚さの完全な一層を形成した。従来のマスクおよ びエツチングを用いて、その完全なる層は個別なシナブチイックエレメント１１ に分離された。

次に、　１つの絶縁層（インシュレーティングレイア）εＬホスト部位１１およ び第１電極１３を含むこの基板の全面に適用された。不要な絶縁材は従来技術の マスキングおよびエツチング技術を利用することで取り除かれた。このようにエ レメント間の絶縁材は除去され第１コンタクト１４が露出された。また、それぞ れのエレメント間の基板も露出された。

このエツチングの顕著なる特徴ＩＬ　１つのアパーチャ（絶縁材中）が各ホスト 部位１１の頂部に創設されたことである。このアパーチャはそのキャップ電極１ ７の正確なポジションとサイズを規定する故に重要である。その絶縁層のエツチ ングは、正確なアパーチャを提供するための便利なる一方法である。

最後に、楕円状を成す第２の金属層がデポジットされ、エツチングされてキャッ プ電極１７および第２コンタクト部位１８が作られた。この第２金属層はそのキ ャップ電極１７がそのアパーチャにより正確に規定されるように、その絶縁層中 にそのアパーチャをはめ込んだ、第２金属層のエツチングでこの行程の当該部分 を完了し、図面に示される如くに各エレメントを付与する。

デポジションおよびシェービングが完了した後には、　「フォーミング」によっ てシナブチイックエレメントの準備が完了した。フォーミングはそのキャップ電 極１７へ３００ｎｓの期間に、＋１６ボルトの電圧を供給することがら成る。こ の電圧の適用はそのエレメントの抵抗を喚起し、　１〜２０００にΩの範囲内で 極めて高い値がら低い値にその値を降下させる。

このフォーミング行程は抵抗性のシナブチイックエレメントとして使用できるエ レメントに変化させるが、この抵抗値は目標値に調整されることが必要であり、 これは必要時にその抵抗を制御するためのプログラミング電圧の適用によって行 われ得る。フォーミングパルスがポジティブな極性を有していたことは興味深い ことであり、それはその抵抗の減少を引き起こした。フォーミングパルスを適用 した後（Ｌ　ポジティブな（＋）電圧はそのエレメントの抵抗を増加させ、ネガ ティブな（−）電圧はそれを減少させる。すなわち、フォーミング後は極性の作 用は逆転される。

ここでフォーミングには、その抵抗を任意の値にしておくということを明記すべ きである。この状況を施すためには次の３つの方法がある。

（ａ）　その抵抗を低い値に調整するために、長時間、例えば１０μｓに、−３ Ｖのネガティブパルスを供給すること、このように、第１のプログラミングは常 に低い初期値をさらに高い目標値に増加させる必要がある。

（ｂ）　その抵抗を高い値に調整するために、長時間、例えば１０μｓに、＋３ Ｖのポジティブパルスを供給すること、このように、第１のプログラミングは常 に高い初期値を低い目標値に減少させる必要がある。

（ｅ）　フォーミング後に起こる抵抗の初期値を調整するための予備的な動作は とらない、これは、初期のプログラミングにおける抵抗値が任意であり、最初の プログラムのために使うのはどちらの極性であるのかを判定するため、その抵抗 を測定する必要があることを意味している。

フォーミング行程およびプログラミング行程が適切にその抵抗を創り出すことが 経験的にデモンストレーションされたと仮定しても、これらの行程がすべからく は理解され得ない、フォーミングはある材料物質を電極１７からある部位１９に 転送すると信じられている。それにより、　この転送された材料はそのエレメン トを通じて１つの電気的流れのコンダクションのために１つのアクティブスペシ ーズとしての役を演する。この仮説によれば、プログラミング電圧はそれらアク ティブスペシーズの分散および／または集中に影響を与え、それによってそのエ レメントの抵抗が作用される。この説明がどうであろうとも、この発明によるパ ルスの適用によって、そのエレメントの抵抗を目標値に調整することが経験的に 観察されている。

この仕様においては、各電圧は電極１７と電極１３とにゼロレファレンスとして 適用されたものが規定されている。

また、フォーミングは＋１６Ｖで達成された。

以下に示された表１．２．３および４は、前述の３つのシナブチイックエレメン ト上のベアリングな持続時間のパルスによって生成される作用効果を表わした表 である。すべての場合において、処理（ａ）が付加されている６　すなわち、フ ォーミング後、プログラミングがその抵抗値を増加するように要求されたことに より、その抵抗は低い値に調整された。

表１ パルス高　÷２．６ｖ パルス高　＋２．４ｖ 衷−１ パルス高　＋２．１３Ｖ 表１のパルス４は１００ｎｓの持続時間を有し、それは。

５６．２にΩの抵抗を与えた。パルス２はパルス４に先行し。

このパルス２の持続時間は２０ｎｓであり、またそれは１０にΩの抵抗を与えた 。もし仮に、パルス４の後に２０ｎｓの１パルスが適用されたならば、その抵抗 値は５６．２にΩのままに留まったであろう、すなわち、より短いパルスは作用 しない。

また１表１のパルス７は１ｏｏｏｎｓの持続時間を有し、それは６６０にΩの抵 抗を与える結果となったことも明記されよう。

もし仮に、　１ｏｏｏｎｓの１パルスがフォーミングの直後に適用されたならば 、すなわち、パルス１〜６が省略された場合、その結果は６６０にΩのままであ ったであろう、このことは。

最長のパルスの持続時間のみが重大な意味を持つことを強調している。より短い パルスは、例えそれが以前または以後に適用されたとしても、その作用効果は小 さいか皆無である。

もし仮に１表１．２および３に与えられた図が信頼できる相関関係を構成すれば 、どんな目標値を生成することが必要とされたパルスの持続時間も選択され適用 され得たことを強調する。　しかし、信頼に足るような相関関係を確立すること は非常に難しいので、図４に描かれた代わりの技術が所望される。

告−庄 目標値　２００にΩ 表４は、　２００にΩの目標値に（対する）初期の低い抵抗値を増加させるため の処理を表している。

パルス１〜４は、その抵抗を増加させるためにポジティブな極性を使用している 。パルス３の後は、その抵抗が１８５にΩにおいて極めて低い値であるので、２ ３０にΩにおいて極めて高い抵抗値をつくるパルス４が適用される。そして、極 性は反転し、より短いパルスがその抵抗を減少させるために適用される。パルス ９の後はその抵抗値は１９８にΩとなり、２にΩの誤差は許容できる範囲である とみなされる。もし仮に、更なる精度が要求されれば、その極性は反転され（す なわち。

ポジティブに戻り）そして、幾分短か目の増分加算が適用される。

補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）平成６年４月２２日

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．抵抗性メモリエレメントにおけるエレメントの抵抗を調整する方法は、次の 各々から構成されることを特徴とする。 （ａ）同類または同じエレメントの何れかに適用されたパルスの持続時間と、前 記持続時間のパルスが適用された後の前記エレメントの抵抗との間の相関関係を 確立する。 （ｂ）目標値を生成するために最適なパルスの持続時間を決定するため前記相関 関係を利用する。 （ｃ）前記目標値を生成するための前記相関関係によって規定されたその持続時 間のパルスを過用する。
2. ２．抵抗性メモリエレメントの抵抗を目標値に調整する方法は、 所望する目標値に向かって前記抵抗値を変動するように起因し前記目標値に合致 するように調整された極性を選択し、前記極性の複数パルスを前記エレメントに 適用し、前記エレメントの抵抗が前記目標値の方向に変動され、前記エレメント の抵抗が前記目標値を超過（オーバーシュート）するか、または前記目標値に等 しくなる時に前記パルスの適用が完了されることを特徴とする方法。
3. ３．前記の複数パルスは、前記パルスの各々の持続時間がプレデセッサのその即 時の持続時間よリ大きい１つのシーケンスを構成することを特徴とする、請求項 ２に記載の方法。
4. ４．それらパルスは、同じ極性および実質的に同じ電圧を有するが、持続時間を 異ならせることを特徴とする、請求項２または請求項３のいずれかに記載の方法 。
5. ５．最初の極性における第１の取扱いの次には、逆極性における第２の取扱いが 続いて成り、 前記第２の取扱いは、前記第１取扱いの場合よりも小さい持続時間の増分加算を 利用し、 前記第１の取扱いよりも前記第２の取扱いにおいて、目標値に更なる近似が達成 されるように、前記抵抗が前記第２の取扱いにおいて徐々に変動されて行われる ことを特徴とする、請求項２〜４のいずれか１つに記載の方法。
6. ６．前記抵抗性メモリエレメントは、２つの金属電極の間に配置された抵抗層か ら構成され、 前記抵抗層は、１つのアクティブスペシーズ（放射性種）を含むホストマテリア ル（主材料）から形成されて成り、前記アクティブスペシーズは、電気的な流れ において実質的にその一部を演じ、前記抵抗値の抵抗を調整する１つの前記アク ティブスペシーズを含むことを特徴とする、以上に記載された請求項のいずれか １つに記載の方法。
7. ７．前記アクティブスペシーズは、１つの金属が前記ホストマテリアル中に徴分 子または原子ほどの小ささで分散されて成ることを特徴とする、請求項６に記載 の方法。
8. ８．前記アクティブスペシーズは、１つの電極として同じ金属で形成されて成る ことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. ９．前記ホストマテリアルは、アモルファスシリコンまたはドープされたアモル ファスシリコンであり、１つの電極および前記アクティブスペシーズは、Ｖ，Ｃ ｏ，Ｎｉ，Ｐｄ，ＦｅおよびＭｎから選択されることを特徴とする、請求項８に 記載の方法。