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技術 相変化型不揮発性記憶装置及びその駆動回路

出願人 株式会社東芝
発明者 市原勝太郎與田博明
出願日 2001年9月27日 (20年0ヶ月経過) 出願番号 2001-296102
公開日 2003年4月4日 (18年6ヶ月経過) 公開番号 2003-100085
状態 特許登録済
技術分野 特殊メモリ(超電導/光/流体)
主要キーワード 絶縁チャネル 溶融潜熱 質円筒 結晶柱 熱伝導損失 提案者 結晶化レベル 動作環境温度
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (16)

課題

相変化材料記憶セルとして用いる相変化不揮発性記憶装置(Ovonic-memory)の原理的問題点を解決し、記憶装置として確実且つ容易に動作する相変化型不揮発性記憶装置を提供することを目的とする。

解決手段

記憶セルに情報を記録する前に、記憶セルの記録状態読みとり遷移に最適な書き込みパルスを選択して印加する。この際に、遷移が不要な場合には、書き込みパルスを印加しなくてもよい。あるいは、非晶質状態に遷移させるか結晶状態に遷移させるかに応じて、パルス立ち下がり部の波形を調節し、結晶化保持時間を制御する。

概要

背景

記憶装置メモリ)は、計算機システムに限らず、電気ガス、水道、交通通信等の社会インフラ制御系家電製品の制御系など至る所で使われており、記憶装置無しでは、現代社会成立しない。理想的な記憶装置の姿は、大容量、高速、低ビットコスト不揮発性低消費電力高信頼性の全てを併せ持つことであるが、このような素子が存在しないため、システムとして最適化するメモリ階層が組まれているのが現状である。

例えばパソコンのメモリ階層を例にとると、上位のメモリから順番に、MPU(MicroProcessing Unit)と直接対話する超高速だがビット単価が非常に高いSRAM(Static Random Access Memory)、SRAMほど高速ではないが、固体メモリとしては比較的大容量でありビット単価がSRAMよりは安いDRAM(Dynamic Random Access Memory)、DRAMより数桁もアクセス速度は低いが機械的アクセスとしては高速で大容量でビット単価が安く但し媒体可換性の無いHDD(Hard Disk Drive)、HDDよりは低速だがビット単価が極めて安く媒体可換性や信頼性に優れる光ディスクフロッピーディスク登録商標)、磁気テープ、というような階層が組まれている。

このようなメモリ階層を構築することにより、システムとしての性能と価格の最適化が図られているが、理想的な記憶装置、例えばDRAMの速度とHDDの容量と不揮発性とを併せ持つ全能的なメモリ(ユニバーサルメモリ)が出現すれば、システム設計が大幅に簡略化され、飛躍的に高性能で低価格なシステムの構築が可能となる。

また一方で、全能的なメモリという立場でなく、個別の記憶装置に焦点を当てた場合でも、「産業の米」と言われ電子産業を牽引してきたDRAMの大容量化限界に近づいている、という具体的な課題もある。例えば、日経エレクトロニクス2001−2−12号に、DRAMの限界とそれに置き換わる記憶装置の候補が説明されている。

DRAMの限界は、大容量化即ち記憶セル微細化に伴う、容量占有面積の相対的な増大であり、もはやトレンチ構造スタック構造で所定の容量(30fF)を得ることが困難になってきている。DRAMに置き換わり得る記憶装置の候補は、FeRAM(Ferroelectric RAM:強誘電体ランダムアクセスメモリ)、MRAM(Magnetoresistive RAM:磁気抵抗ランダムアクセスメモリ)、PRAM(Phase-change RAM:相変化型ランダムアクセスメモリ)の三種類である。

FeRAMは、強誘電体の残留分極を利用して記憶保持するもので、信号量は蓄積電荷量に比例する。蓄積電荷量は記憶セル面積に比例するのでDRAM同様、記憶セルの微細化に伴い強誘電体記憶部の構造は三次元的に複雑化する宿命にある。

MRAMは、磁気抵抗効果を利用するもので、比較的大きな抵抗変化を示すTMR(Tunneling MagnetoResistance effect)素子や、CPPGMR(CurrentPerpendicular to Plane GiantMagnetoResistance effect)素子が主に検討されている。MRAMの課題は、素子の微細化に伴い磁化反転時の反磁界が増加し、記録電流が増大する点にある。また、抵抗変化率が比較的大きいと言っても高々50%程度である。

PRAMは、本発明に関わる素子であり、相変化材料比抵抗の変化を利用して情報を記録する素子である。その原理的な提案は、1966年の米国特許第3,271,591号の開示、及び1970年の米国特許第3,530,441号の開示に遡り、提案者のOvshinsky氏の名前を取りオボニック・メモリ(Ovonic-memory)とも呼ばれることがある。

その動作原理を簡単に説明すると、以下の如くである。

相変化材料を収容した記憶セルに非晶質化ベルの記録電流を通電して相変化材料を溶融してから急冷し、室温に非晶質状態を持ち来たすことにより、非晶質状態が得られる。一方、このような相変化材料に結晶化レベルの記録電流を通電することによってアニールすると、相変化材料は結晶化して結晶状態が得られる。このようにして、非晶質状態と結晶状態とのいずれかを各セルに書き込むことができる。

一方、再生は、非晶質化レベル未満で且つ結晶化レベル未満の電流をセルに通電し、非晶質状態と結晶状態の抵抗の違いを電圧変化もしくは電流変化として読み取って行う。ある種の相変化材料においては、非晶質状態の比抵抗と結晶状態の比抵抗が2〜3桁程度も違うため、再生信号品質は極めて高く、例えば米国特許第5,296,716号公報に開示されているように多値記録に技術展開することも可能である。

PRAMのセルの構造は基本的に電極と相変化材料からなり、これにセル選択用のダイオードもしくはトランジスタ直列接続してマトリクスアレイを構成する。DRAMやFeRAMのようにセルの微細化によって記憶保持部が相対的に肥大化するといった問題は無く、また、MRAMのように微細化によって記録しににくなる、といった問題も無い。PRAMの相変化記憶部は、セルの微細化と共にスケーリング則通りに縮小し、記録電流は微細化により低下する。

このように、PRAMはDRAMの置換えとしての優れてポテンシャルを有する。また、前記したように多値記録が可能なため、前述した「ユニバーサルメモリ」の有力な候補としても位置付けられる。上述のようにPRAMの抵抗変化は100〜1000倍にも達するので、例えば、上述したMRAMで得られる50%の抵抗変化を二つの信号レベル割振ると、一つの相変化記憶セルで200〜2000値の情報を記憶することが可能、ということになる。従って、二値動作で1Gbのマトリクスでは、実質的に200Gb〜2Tbの情報の記憶が可能となる。このように、PRAMは、まさしくDRAMの高速性とHDDの大容量性とを併せ持つユニバーサルメモリの有力候補ということができる。

PRAMに関しては、前記した文献以外に、米国特許第5,341,328号、米国特許第5,359,205号、米国特許第5,406,509号、米国特許第5,414,271号、米国特許第5,534,711号、米国特許第5,534,712号、米国特許第5,596,522号、米国特許第5,687,112号、米国特許第6,087,674号公報などにおいて、改良技術が開示されている。

概要

相変化材料を記憶セルとして用いる相変化型不揮発性記憶装置(Ovonic-memory)の原理的問題点を解決し、記憶装置として確実且つ容易に動作する相変化型不揮発性記憶装置を提供することを目的とする。

記憶セルに情報を記録する前に、記憶セルの記録状態読みとり遷移に最適な書き込みパルスを選択して印加する。この際に、遷移が不要な場合には、書き込みパルスを印加しなくてもよい。あるいは、非晶質状態に遷移させるか結晶状態に遷移させるかに応じて、パルス立ち下がり部の波形を調節し、結晶化保持時間を制御する。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
3件
牽制数
13件

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請求項1

結晶状態非晶質状態との間で相変化可能な相変化材料を含む記憶セルを有し、前記記憶セルの前記相変化材料の少なくとも一部分を前記結晶状態と前記非晶質状態との間で相変化させ、前記結晶状態に対応づけた第1の記録状態または前記非晶質状態に対応づけた第2の記録状態として情報の記録を可能とした相変化型不揮発性記憶装置を駆動する駆動回路であって、前記記憶セルに情報を記録する前に、前記記憶セルの記録状態を読みとることを特徴とする駆動回路。

請求項2

前記記憶セルを前記第1の記録状態から前記第2の記録状態に遷移させるための第1の記録信号と、前記記憶セルを前記第2の記録状態から前記第1の記録状態に遷移させるための第2の記録信号と、を発生可能とし、前記第1の記録状態にある記憶セルを前記第2の記録状態に遷移させる場合は、前記記憶セルに対して前記第1の記録信号を与え、前記第2の記録状態にある記憶セルを前記第1の記録状態に遷移させる場合は、前記記憶セルに対して前記第2の記録信号を与えることを特徴とする請求項1記載の駆動回路。

請求項3

前記第1及び第2の記録信号のいずれか一方は、定電圧信号であり、前記第1及び第2の記録信号のいずれか他方は、定電流信号であることを特徴とする請求項2記載の駆動回路。

請求項4

前記記録する前に読みとった前記記憶セルの記録状態が、記録すべき記録状態と同一の場合には、前記記憶セルの状態を保存することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の駆動回路。

請求項5

前記相変化型不揮発性記憶装置は、前記記憶セルの前記相変化材料の少なくとも一部分を前記結晶状態と前記非晶質状態とが混在した中間相状態とすることにより、前記第1の記録状態とも前記第2の記録状態とも異なる第3の記録状態を形成可能とし、前記駆動回路は、前記記憶セルを前記第1の記録状態から前記第3の記録状態に遷移させるための第3の記録信号と、前記記憶セルを前記第2の記録状態から前記第3の記録状態に遷移させるための第4の記録信号と、を発生可能とし、前記第1の記録状態にある記憶セルを前記第3の記録状態とする場合は、前記記録セルに対して前記第3の記録信号を与え、前記第2の記録状態にある記憶セルを前記第3の記録状態とする場合は、前記記憶セルに対して前記第4の記録信号を与えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の駆動回路。

請求項6

結晶状態と非晶質状態との間で相変化可能な相変化材料を含む記憶セルを有し、前記記憶セルの前記相変化材料の少なくとも一部分を前記結晶状態と前記非晶質状態との間で相変化させ、前記結晶状態に対応づけた第1の記録状態または前記非晶質状態に対応づけた第2の記録状態として情報の記録を可能とした相変化型不揮発性記憶装置を駆動する駆動回路であって、前記記憶セルの前記相変化材料の前記少なくとも一部分を前記非晶質状態に変化させる際には第1の記録信号パルスを前記記憶セルに与え、前記記憶セルの前記相変化材料の前記少なくとも一部分を前記結晶状態に変化させる際には第2の記録信号パルスを前記記憶セルに与え、前記第1の記録信号パルスと前記第2の記録信号パルスとは、立ち下がり部の波形が異なることを特徴とする駆動回路。

請求項7

前記第1の記録信号パルスの前記立ち下がり部は、前記記憶セルの前記相変化材料が前記記録信号パルスにより加熱された後に降温する際の結晶化保持時間が前記相変化材料の結晶化開始時間よりも短くなるように調節され、前記第2の記録信号パルスの前記立ち下がり部は、前記記憶セルの前記相変化材料が前記記録信号パルスにより加熱された後に降温する際の結晶化保持時間が前記相変化材料の結晶化完了時間以上となるように調節されてなることを特徴とする請求項6記載の駆動回路。

請求項8

前記相変化型不揮発性記憶装置は、前記記憶セルの前記相変化材料の少なくとも一部分を前記結晶状態と前記非晶質状態とが混在した中間相状態とすることにより、前記第1の記録状態とも前記第2の記録状態とも異なる第3の記録状態を形成可能とし、前記駆動回路は、前記記憶セルを前記第3の記録状態とすべき場合には、前記記憶セルの前記相変化材料の前記少なくとも一部分を溶融させた後に前記中間相状態とする第3の記録信号パルスを前記記憶セルに与え、前記第1の記録信号パルスと前記第3の記録信号パルスとは、立ち下がり部の波形が異なることを特徴とする請求項6または7に記載の駆動回路。

請求項9

請求項1〜8のいずれか1つに記載の駆動回路を備えたことを特徴とする相変化型不揮発性記憶装置。

技術分野

0001

上記目的を達成するため、本発明の相変化不揮発性記憶装置駆動回路は、結晶状態非晶質状態との間で相変化可能な相変化材料を含む記憶セルを有し、前記記憶セルの前記相変化材料の少なくとも一部分を前記結晶状態と前記非晶質状態との間で相変化させ、前記結晶状態に対応づけた第1の記録状態または前記非晶質状態に対応づけた第2の記録状態として情報の記録を可能とした相変化型不揮発性記憶装置を駆動する駆動回路であって、前記記憶セルに情報を記録する前に、前記記憶セルの記録状態を読みとることを特徴とする。

背景技術

0001

本発明は、相変化型不揮発性記憶装置及びその駆動回路に関し、特に記憶セルに収容した相変化材料の抵抗の変化によって情報を記憶し再生する相変化型不揮発性記憶装置及びその駆動回路に関する。

0002

0002

記憶装置メモリ)は、計算機システムに限らず、電気ガス、水道、交通通信等の社会インフラ制御系家電製品の制御系など至る所で使われており、記憶装置無しでは、現代社会成立しない。理想的な記憶装置の姿は、大容量、高速、低ビットコスト不揮発性低消費電力高信頼性の全てを併せ持つことであるが、このような素子が存在しないため、システムとして最適化するメモリ階層が組まれているのが現状である。

0003

0003

例えばパソコンのメモリ階層を例にとると、上位のメモリから順番に、MPU(MicroProcessing Unit)と直接対話する超高速だがビット単価が非常に高いSRAM(Static Random Access Memory)、SRAMほど高速ではないが、固体メモリとしては比較的大容量でありビット単価がSRAMよりは安いDRAM(Dynamic Random Access Memory)、DRAMより数桁もアクセス速度は低いが機械的アクセスとしては高速で大容量でビット単価が安く但し媒体可換性の無いHDD(Hard Disk Drive)、HDDよりは低速だがビット単価が極めて安く媒体可換性や信頼性に優れる光ディスクフロッピーディスク登録商標)、磁気テープ、というような階層が組まれている。

0004

0004

このようなメモリ階層を構築することにより、システムとしての性能と価格の最適化が図られているが、理想的な記憶装置、例えばDRAMの速度とHDDの容量と不揮発性とを併せ持つ全能的なメモリ(ユニバーサルメモリ)が出現すれば、システム設計が大幅に簡略化され、飛躍的に高性能で低価格なシステムの構築が可能となる。

0005

0005

また一方で、全能的なメモリという立場でなく、個別の記憶装置に焦点を当てた場合でも、「産業の米」と言われ電子産業を牽引してきたDRAMの大容量化限界に近づいている、という具体的な課題もある。例えば、日経エレクトロニクス2001−2−12号に、DRAMの限界とそれに置き換わる記憶装置の候補が説明されている。

0006

0006

DRAMの限界は、大容量化即ち記憶セルの微細化に伴う、容量占有面積の相対的な増大であり、もはやトレンチ構造スタック構造で所定の容量(30fF)を得ることが困難になってきている。DRAMに置き換わり得る記憶装置の候補は、FeRAM(Ferroelectric RAM:強誘電体ランダムアクセスメモリ)、MRAM(Magnetoresistive RAM:磁気抵抗ランダムアクセスメモリ)、PRAM(Phase-change RAM:相変化型ランダムアクセスメモリ)の三種類である。

0007

0007

FeRAMは、強誘電体の残留分極を利用して記憶保持するもので、信号量は蓄積電荷量に比例する。蓄積電荷量は記憶セル面積に比例するのでDRAM同様、記憶セルの微細化に伴い強誘電体記憶部の構造は三次元的に複雑化する宿命にある。

発明を実施するための最良の形態

0008

発明が解決しようとする課題

0008

MRAMは、磁気抵抗効果を利用するもので、比較的大きな抵抗変化を示すTMR(Tunneling MagnetoResistance effect)素子や、CPPGMR(CurrentPerpendicular to Plane GiantMagnetoResistance effect)素子が主に検討されている。MRAMの課題は、素子の微細化に伴い磁化反転時の反磁界が増加し、記録電流が増大する点にある。また、抵抗変化率が比較的大きいと言っても高々50%程度である。

0009

0009

PRAMは、本発明に関わる素子であり、相変化材料の比抵抗の変化を利用して情報を記録する素子である。その原理的な提案は、1966年の米国特許第3,271,591号の開示、及び1970年の米国特許第3,530,441号の開示に遡り、提案者のOvshinsky氏の名前を取りオボニック・メモリ(Ovonic-memory)とも呼ばれることがある。

0010

0010

その動作原理を簡単に説明すると、以下の如くである。

0011

0011

相変化材料を収容した記憶セルに非晶質化ベルの記録電流を通電して相変化材料を溶融してから急冷し、室温に非晶質状態を持ち来たすことにより、非晶質状態が得られる。一方、このような相変化材料に結晶化レベルの記録電流を通電することによってアニールすると、相変化材料は結晶化して結晶状態が得られる。このようにして、非晶質状態と結晶状態とのいずれかを各セルに書き込むことができる。

0012

0012

一方、再生は、非晶質化レベル未満で且つ結晶化レベル未満の電流をセルに通電し、非晶質状態と結晶状態の抵抗の違いを電圧変化もしくは電流変化として読み取って行う。ある種の相変化材料においては、非晶質状態の比抵抗と結晶状態の比抵抗が2〜3桁程度も違うため、再生信号品質は極めて高く、例えば米国特許第5,296,716号公報に開示されているように多値記録に技術展開することも可能である。

0013

0013

PRAMのセルの構造は基本的に電極と相変化材料からなり、これにセル選択用のダイオードもしくはトランジスタ直列接続してマトリクスアレイを構成する。DRAMやFeRAMのようにセルの微細化によって記憶保持部が相対的に肥大化するといった問題は無く、また、MRAMのように微細化によって記録しににくなる、といった問題も無い。PRAMの相変化記憶部は、セルの微細化と共にスケーリング則通りに縮小し、記録電流は微細化により低下する。

0014

0014

このように、PRAMはDRAMの置換えとしての優れてポテンシャルを有する。また、前記したように多値記録が可能なため、前述した「ユニバーサルメモリ」の有力な候補としても位置付けられる。上述のようにPRAMの抵抗変化は100〜1000倍にも達するので、例えば、上述したMRAMで得られる50%の抵抗変化を二つの信号レベル割振ると、一つの相変化記憶セルで200〜2000値の情報を記憶することが可能、ということになる。従って、二値動作で1Gbのマトリクスでは、実質的に200Gb〜2Tbの情報の記憶が可能となる。このように、PRAMは、まさしくDRAMの高速性とHDDの大容量性とを併せ持つユニバーサルメモリの有力候補ということができる。

0015

PRAMに関しては、前記した文献以外に、米国特許第5,341,328号、米国特許第5,359,205号、米国特許第5,406,509号、米国特許第5,414,271号、米国特許第5,534,711号、米国特許第5,534,712号、米国特許第5,596,522号、米国特許第5,687,112号、米国特許第6,087,674号公報などにおいて、改良技術が開示されている。

0015

0016

しかし、本発明者は、相変化材料を用いた記憶装置の動作について独自の検討を行った結果、原理的な問題を見出した。そして、この知見に基づき、記憶セルを試作して動作を試みた結果、本発明の発明者等の見出した問題が本質的であることを確認し、さらにこの原理的問題を解決する新規な手法を開発して、本発明に至った。

0016

0017

以下、従来のPRAMの動作に関して本発明者が見いだした本質的な問題点について説明する。これは、一言で言うと、これまでに開示されているPRAM技術では、書き込みすなわち記録を「オーバーライトモード」で行うことが困難であった、ということである。つまり、記録前のセルが非晶質状態であっても結晶状態であっても、一意的に決められた所定の非晶質化電力を通電すればセルは非晶質化し、一意的に決められた所定の結晶化電力を通電すればセルは結晶化する、という公式が成り立たないということである。

0017

0018

ここで、セルが非晶質状態に有る時のセルの抵抗をRa、セルが結晶状態に有る時のセルの抵抗をRcとする。記録は定電圧印加して行っても定電流を流して行っても良いが、まず、定電圧駆動する場合について説明する。表1は、記録前の状態から記録後の状態への遷移、非晶質化電圧Va、結晶化電圧Vc、セルに流れる電流Ic、セルで消費される電力Pcの関係を纏めた表である。ここで、aは非晶質状態を表し、cは結晶状態を表す。例えば表1において、c→aは、結晶状態から非晶質状態への遷移を意味する。

0018

0019

ID=000003HE=045 WI=106 LX=0520 LY=1350
セルへの記録は、電流通電によるセルの加熱により行われる。そして、セルの温度Tはセル以外の部分への熱伝導損失を無視するとPcに比例する。表1において、Ic、Pcは記録過程初期の値を表すが、実際には、後述するように相変化に伴ってIc、Pcは記録過程の途中で変化する。

0019

0020

さてここで、前述したように、Ra=(100〜1000)×Rcという関係がある。本発明者が見出した従来のPRAMの原理的な問題は、このRa、Rcの抵抗の差と表1のPcに関連しており、RaとRcの差が大きいほど深刻となる。以下、一例として問題が最も軽いケースとして、Ra=100Rcの場合について説明する。

0020

0021

相変化記憶層に用いられるカルコゲン系の化合物融点Tmと結晶化温度Txは、材料や組成に依存し、例えばGe2Sb2Te5の場合、Tm=600℃、Tx=160℃である。

0021

0022

図12及び図13は、定電圧モードすなわち印加電圧を一定とした場合のセルの温度T(∝Pc)と通電時間tとの関係を模式的に表すグラフ図である。それぞれのグラフは、表1に表したそれぞれの遷移に対応するセルの温度変化を表す。また、ここで、温度上昇過程では、相変化記憶層から周囲への熱伝導損失は簡略化のために無視した。

0022

0023

前述したように、PRAMに対するオーバーライトは、書き込み前のセルの状態に関わらず、一意的に決定された所定の非晶質化電流パルスを通電してセルを非晶質化させ、一意的に決定された所定の結晶化電流パルスを通電してセルを結晶化せんとするものである。つまり、Va、Vcが各々一意的に決定される他、Va、Vcのパルス幅も一意的に決定される。

0023

0024

しかしながら、前述したようにRa=100Rcとすると、同一の電圧を印加して通電した場合、結晶状態(c)の消費電力は、非晶質状態(a)の消費電力の100倍となる。従って、通電によるセル温度の時間に対する上昇率は、結晶状態(c)のほうが非晶質状態(a)よりも100倍大きい。セルの温度は、消費電力と時間との積、即ちセルへの投入エネルギーで決まるから、同一の電圧を印加した場合、結晶状態(c)のセルの温度は、非晶質状態(a)のセルの温度よりも100倍速く上昇することとなる。以下、図12及び図13を参照しつつこの点について詳しく説明する。

0024

0025

まず、結晶(a)→結晶(a)遷移について説明する。

0025

0026

図12(a)は、a→a遷移において、パルス幅が比較的長い場合のセルの温度変化を表す。

0026

0027

非晶質化電圧Vaの印加によりセルに通電すると、セルがメモリの動作環境温度TaにあるO点から温度が上昇し、A点で結晶化温度Txに至る。TaからTxの間は相変化が起こらないので、セルへ投入される電力は表1に示した値のままである。従ってOからAへの温度上昇は直線的であり、その傾斜は表1に表したように、Pc=Va2/Raで与えられる。

0027

0028

A点からさらに温度が上昇すると、次第にセルが結晶化する。結晶化に要する時間は相変化記憶層の材料の選定にも依存するが一般的にはサブナノ秒から数10ナノ秒である。結晶化の途中の段階では、セルは非晶質状態と結晶状態との中間的な状態にある。この中間的な状態においては、従来のPRAMに関して開示されたように微細結晶粒非晶質マトリクスが取り囲む状態以外にも、本発明者が見出したところによれば、セルの上下を略連通する略柱状の結晶柱もしくは略円筒状の結晶円筒が形成され、これら結晶柱の周囲を非晶質円筒が取り囲んでいる状態や、結晶円筒中に非晶質柱が残留している状態なども有り得る。

0028

0029

いずれの場合も、結晶化に伴ってセルの抵抗は減少して電流が流れやすくなり、温度上昇の傾斜は図12(a)のA→Bに示すように増大し、B点においてセルはほぼ完全に結晶化する。A点とB点の途中で通電を中断すれば、中間的な状態(結晶と非晶質とが混在した状態)を形成できるので多値記録ができる。

0029

0030

B点を経過した後の融点Tm未満の温度帯における温度上昇率はPc=Va2/Rcであり、この経路傾斜角は経路OAの傾斜角の100倍である。C点に至ると、結晶化したセルは溶融する。溶融潜熱が必要なので極く短い時間ではあるがC点からD点まではセルの温度は融点に保持される。C点からD点に至る間においても、セルは結晶状態と溶融状態との中間的な状態に有るので、CD間でパルスオフすると、結晶状態と非晶質状態との中間的な状態(混在した状態)を形成でき、グレー記録即ち多値記録が可能である。

0030

0031

D点においてセルはほぼ完全に溶融し、経路OAと概ね同じ傾斜角で温度上昇しE点に至りパルスオフされる。経路DEの傾斜角が経路OAと概ね一致するのは、溶融状態の比抵抗が非晶質状態の比抵抗にほぼ一致するためである。パルスオフのタイミングは、D点以降ならいつでも良くD点でパルスオフしても良い。

0031

0032

パルスオフ後、セルは急峻に冷却されてF点で保持温度Taに戻り、a→a(非晶質→非晶質)の記録が完了する。

0032

0033

ここで、経路EFの冷却過程においても、セルはTmからTxの間の温度帯を通過するが、相変化記憶材料結晶化時間に比べてTmとTxの間を通過する時間が十分に短い場合、保持温度に溶融したランダムな状態がクエンチされて非晶質状態の記録ができる。このことは、図12(a)において、AからBにいたる時間に比べEからFにいたる時間の中でTmとTxの間にセルが有る時間が十分に短いことを意味している。

0033

0034

次に、図12(b)を参照しつつ、定電圧モードにおけるc→a(結晶→非晶質)遷移について説明する。

0034

0035

非晶質化の記録であるから、オーバライトモードを採用する場合には、記録電圧記録パルス幅共に上述したa→a遷移と同一となる。

0035

0036

まず、同図においてO点の結晶状態のセルにVaを印加すると、Pc=Va2/Rcの傾斜角で急峻に温度が上昇する。セルが結晶状態に有るので、Txを過ぎても相変化は起こらずTmまで直線的に温度上昇してG点に至る。そして、溶融潜熱領域に対応する経路GHを経て、H点以降は概ねPc=Va2/Raの緩い傾斜角で温度上昇を続け、a→a遷移のパルスオフ時間に相当するI点に至り、パルスオフ後急冷されてc→aの記録が完了する。

0036

0037

この場合は、H点からI点までの時間帯の加熱は不必要な加熱時間ということができるが、オーバライト記録の場合は、a→a遷移とパルス幅が同じなので無駄が生じてしまう訳である。また、E点に比較してI点の温度は高いのでセルに不必要な温度上昇を与えることにもなり、繰返し記録の安定性を損ないやすいという問題も有する。

0037

0038

これらの点も、従来のPRAMの問題点であり、本発明はこれらの問題も解決するものである。但し、これらの問題は、前述した原理的問題とは異なる。本発明者が見出した原理的問題とは、後述するa→c遷移とc→c遷移の両立の困難性のことである。

0038

0039

次に、従来のPRAMの原理的問題として、本発明者が見出したa→c遷移とc→c遷移の両立困難性について説明する。

0039

0040

図13は、定電圧モードでa→c遷移およびc→c遷移を起こさせる場合のセルの温度T(∝Pc)と通電時間tとの関係を模式的に表すグラフ図である。

0040

0041

まず、図13(a)に表したa→c遷移から説明する。

0041

0042

この場合、動作環境温度TaにあるO点からJ点、及びJ点からK点までの温度上昇の挙動は、図12(a)に表したa→a遷移の場合のO点からA点及びA点からB点の場合と同様である。但し、OAの傾斜角はPc=Vc2/Raであり、VaがVcになっている点が異なる。a→c遷移を実現するためには、K点までの加熱は必須である。K点を含みセルが融点に至る前の点Lでパルスオフすることでa→c遷移を実現することができる。

0042

0043

次に、図13(b)に表したc→c遷移について説明する。

0043

0044

この場合、結晶状態の比抵抗が小さいためにO点からM点まで温度上昇する時間は極めて短く、例えば図13(a)に表した非晶質状態のO点からJ点に至る時間の数10分の1程度である。従って、a→c遷移(図13(a))を完了させるために必要とされる時間だけ電圧を印加してc→c遷移(図13(b))を行おうとすると、セルはM点に至り溶融を開始する。状態Oから状態Mに至る時間は極く短く、そのままa→c遷移を完了させる電圧印加時間と同じ時間だけ電圧を印加すると、セルはO→M→N→Pと温度上昇を続けパルスオフによってF点で非晶質状態に遷移してしまう。つまり、c→c遷移の筈が、c→a遷移となってしまう。

0044

0045

一方、c→c遷移を実現するために、例えばQ点でパルスオフすればR点に結晶状態が持ちきたされてc→c遷移を実現できる。しかし、この様な短パルスを印加した場合、図13(a)に表したa→c遷移において、J点に至る前に電圧パルスがオフされることになり、a→c遷移を実現できない。

0045

ID=000005HE=045 WI=098 LX=0560 LY=0600
表3に纏めたように、書き込み前後のセルの状態が一致している場合は記録パルスを特に印加する必要はない。従って、基本的にはc→a遷移とa→c遷移の2通りの場合にのみ記録パルスを印加すればよい。

0046

つまり、図13(a)及び(b)に表したように、定電圧モードでa→c遷移とc→c遷移を実現させる場合、それぞれに必要とされる電圧パルスの印加時間は大きく異なり、同一の電圧パルスを用いてa→c遷移とc→c遷移とを実現することができない。

0046

0047

本発明は、このような従来のPRAMが有する原理的問題を解決するものである。

0047

0048

以上、従来のPRAMが有する原理的な問題点について、相変化セルを定電圧駆動させる場合を例に挙げて説明した。

0048

0049

この問題は、定電圧駆動の場合に限定されず、相変化セルを定電流駆動する場合も同様に生ずる。

0049

0050

以下に相変化セルを定電流駆動する場合の、従来のPRAMの問題点について、上記した定電圧駆動の説明と重複しない部分について説明する。

0050

0051

定電流源を用いた場合、非晶質化電流をIa、結晶電流をIcとおくと、セルの遷移に対応するセル端電圧、セルの消費電力は表2のようになる。

0051

0052

ID=000004HE=045 WI=104 LX=0530 LY=1400
表2からわかるように、定電流動作させた場合のセルの単位時間あたりの消費電力は、定電圧動作した場合とは逆に、非晶質状態の方が結晶状態よりも大きい。

0052

0053

図14及び図15は、定電流駆動時の各遷移におけるセルの温度履歴を表すグラフ図である。

0053

0054

定電流駆動の場合は、図15(a)及び(b)に表したようにa→c遷移とc→c遷移は同一の電流パルスによって両立が可能であるが、図14(a)及び(b)に表したようにa→a遷移とc→a遷移の両立が困難となる。

0054

0055

すなわち、a→a遷移では、図14(a)に表したように、環境温度にあるO点から結晶化温度のA点までRaIa2の大きな傾斜角で温度上昇し、A点以降で次第に結晶化して温度上昇の傾斜角が小さくなり、B点で結晶化を完了した後、融点にあるC点まではRcIa2の小さい傾斜角で温度上昇し、C点からD点に向けて溶融し、D点以降概ねRaIa2の大きな傾斜角で温度上昇し、パルスオフと共にTaに急冷しTaに非晶質状態をクエンチして記録が完了する。

0055

ID=000006HE=045 WI=098 LX=0560 LY=2300
定電流駆動モードの場合も、書き込み前後のセルの状態が一致している場合は記録パルスを特に印加する必要はなく、基本的にはc→a遷移とa→c遷移の2通りの場合にのみ記録パルスを印加すればよい。

0056

これに対して、図14(b)に表したように、c→a遷移をa→a遷移と同一の電流パルスで行おうとすると、O点から融点に至るまでRcIa2の小さい傾斜角で温度上昇するため、a→a遷移に比較して時間を要する。図14(b)に表した例では、c→a遷移させようとしても融点に至る前にG点においてパルスオフされてしまい冷却されてF点に到達し、c→c遷移になってしまう。

0056

0057

c→a遷移を起こすためには、例えば図14(b)に一点鎖線により表したように通電時間をさらに長くする必要がある。しかし、このように通電時間を長くすると、a→a遷移(図14(a))において、E点の温度が非常に高くなってしまい、相変化記憶層に熱的な損傷を与え信頼性を損ねる虞がある。

0057

0058

以上説明したように、定電流駆動の場合は、a→a遷移とc→a遷移の両立が困難となる。

0058

0059

なお、再生について説明を加えておくと、定電圧駆動の際の再生は、相変化材料に相変化が発生しない程度の再生電圧パルスVrを印加し、非晶質状態の信号電流Vr/Raと結晶状態の信号電流Vr/Rc及び中間状態の信号電流を読み取って行う。又、定電流駆動の際の再生は、相変化材料に相変化が発生しない程度の再生電流パルスIrを通電し、非晶質状態のセル端電圧RaIrと結晶状態のセル端電圧RcIr及び中間状態の電圧を読み取って行う。

0059

0060

以上、図12乃至図15を参照しつつ、PRAMにおいて同一の電圧パルスあるいは電流パルスを用いてオーバーライト・モードの書き込みを行うことが困難であることを説明した。

0060

0061

本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものである。すなわち、その目的は、相変化材料を記憶セルとして用いる相変化型不揮発性記憶装置(Ovonic-memory)の原理的問題点を解決し、記憶装置として確実且つ容易に動作する相変化型不揮発性記憶装置を提供することにある。

0061

0062

0063

0064

0065

0066

Ra=ρa×(d/S)
Rc=ρc×(d/S)
従って、定電圧駆動モードの場合には、非晶質化電圧をVa、結晶化電圧をVc、再生電圧をVrとした時に、Ra、RcとVa、Vc、Vrとの関係から、好適な非晶質化電力、結晶化電力及び好適な非晶質再生電流、結晶再生電流が得られるようにd、Va、Vc、Vrを調整すれば良い。

0067

0068

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0070

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発明の効果

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図面の簡単な説明

0090

--

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ta<τxs<τxe≦tc1
ta<τxs<τxe≦tc2
すなわち、記憶セルを非晶質化する場合には、セルが冷却する時の結晶化保持時間taが相変化材料の結晶化開始時間τxsよりも短くなるように記録パルスの立下り部が調整されている。一方、記憶セルを結晶化する場合には、セルが冷却する時の結晶化保持時間tc1、tc2が相変化材料の結晶化完了時間τxe以上となるように記録パルスの立下り部が調整されている。

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0150

0151

図1本発明のPRAMの要部構成を例示する模式図である。
図2本発明のPRAMのメモリセルCの断面構造を例示する模式図である。
図3定電圧駆動モードにおいて、選択した記憶セル1への記録方法の一例を表すグラフ図である。
図4定電流駆動モードにおいて、選択した記憶セル1への記録方法の一例を表すグラフ図である。
図5PRAMのメモリセル部22とドライバ23との接続例を表す模式図である。
図6(a)は、図12(a)のAB部または図13(a)のJK部を拡大したグラフ図であり、(b)は、図12(b)のGH部または図13(b)のMN部を拡大したグラフ図である。
図7ある中間状態にあるセルを、それとは異なる中間状態に遷移させる場合の記録プロセスを説明するためのグラフ図である。
図8選択したセルに対して定電圧駆動モードにより記録する場合の記録パルスの波形を例示するグラフ図である。
図9図8(b)に例示した結晶化パルスを用いた場合のセルの温度履歴を表すグラフ図である。
図10昇温過程における中間状態を表す模式図である。すなわち、同図(a)は、図12(a)のAB部分または図13(a)のJK部分を拡大したグラフ図であり、同図(b)は、図12(b)のGH部分または図13(b)のMN部分を拡大したグラフ図である。
図11立ち下がりを調整した場合の、冷却過程におけるセル温度とτxs、τxeの関係を表すグラフ図である。
図12定電圧モードすなわち印加電圧を一定とした場合のセルの温度T(∝Pc)と通電時間tとの関係を模式的に表すグラフ図である。
図13定電圧モードすなわち印加電圧を一定とした場合のセルの温度T(∝Pc)と通電時間tとの関係を模式的に表すグラフ図である。
図14定電流駆動時の各遷移におけるセルの温度履歴を表すグラフ図である。
図15定電流駆動時の各遷移におけるセルの温度履歴を表すグラフ図である。

0152

1相変化記憶セル
選択用ダイオード
11基板
12 Yアドレス線
13n型半導体
14p型半導体
15 第1電極
16 相変化記憶層
17 第2電極
18 Xアドレス線
19 保護層
20 第1の絶縁チャネル
21 第2の絶縁チャネル
22 相変化記憶アレイ(メモリセル)
23 ドライバ

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