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JP4621897B2 - 固体メモリ - Google Patents

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Description

本願発明は、Ｔｅを主成分とするカルコゲン化合物の相変態を利用して、その結晶とアモルファス間に生じる電気抵抗又は光学的特性の相違をデータとして記録・消去する固体メモリ（相変化ＲＡＭ又はＰＲＡＭ）に関する。
相変化ＲＡＭにおけるデータの記録および消去は、これまで、その記録材料であるＴｅを含むカルコゲン化合物の結晶状態とアモルファス状態の一次相変態と呼ばれる変化で生じる物理的特性変化によって行なわれているとされ、この基本原理に基づいて相変化ＲＡＭが設計されてきた（例えば、下記特許文献１参照）。
相変化ＲＡＭの記録消去を司る記録材料は、一般に、スパッタリング等の真空成膜法を利用して電極間に形成されるが、通常は化合物組成からなるターゲットを用いて一層からなる合金薄膜を用いている。
このため、２０〜５０ｎｍの厚さからなる記録薄膜は、単結晶ではなく、多結晶から構成されている。
この各微結晶間の界面電気抵抗の差異が全体としての相変化ＲＡＭの電気抵抗値の均一性に影響を及ぼし、結晶状態の抵抗値をある平均値からのバラツキを生じさせる原因となっている（下記「非特許文献１」参照）。
また、結晶／アモルファス間の相転移の際に発生する１０％程度の体積変化がそれぞれの微結晶に異なる応力を発生させ、物質流動と膜全体の変形が記録読み出し回数を制限するものと考えられてきた（下記「非特許文献２」参照）。
特開２００２−２０３３９２号公報 奥田昌宏監修、「次世代光記録技術と材料」、シーエムシー出版、２００４年１月３１日発行、ｐ１１４ 角田義人監修、「光ディスクストレージの基礎と応用」、電子情報通信学会編、平成１３年６月１日初版第３刷発行、ｐ２０９ Ｙ．Ｙａｍａｎｄａ ＆ Ｔ．Ｍａｔｓｕｎａｇａ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， ８８， （２０００） ｐ７０２０−７０２８ Ａ．Ｋｏｌｏｂｏｖ ｅｔ ａｌ． Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ３ （２００４） ｐ７０３
Ｔｅを含むカルコゲン化合物の結晶構造およびアモルファス構造に関して、１９８０年後半頃から、その構造解析がエックス線等を用いて調べられてきたが、Ｔｅとその化合物をなすＳｂ原子の原子番号が隣接しており、電子数が一個しか異ならないため、エックス線回折や電子線回折では、その区別がほとんどつかず、詳細な結晶構造が如何なるものであるかが２００４年まで不明であった。
特に、すでに書き換え型の光ディスクにおいて商品化されている、ＧｅＳｂＴｅ（２２５組成）と呼ばれる化合物、および擬二元組成化合物線上にある組成（ＧｅＴｅ−Ｓｂ２Ｔｅ３のライン上にある化合物、２２５、１４７、１２５組成）は、特性が非常に良好であることが実験的にわかっていたが、その結晶構造に関しては、岩塩構造をとり、そのＮａが占めるサイト（これをａサイト）をＴｅが占めるが、残りのＣｌが占めるサイト（ｂサイト）をＧｅまたはＳｂが占めるが、その入り方はランダムであるとされてきた（上記「非特許文献３」参照）。
放射光軌道装置等を用いてＧｅＳｂＴｅ化合物の構造解析を詳細に検討すると、以下の点で従来の構造とは異なる様相をＴｅを含むカルコゲン化合物がとることを発見した（上記「非特許文献４」参照）。
１．結晶相において、Ｇｅ原子とＳｂ原子がＮａＣｌ型の単純立方格子内でＣｌの位置（（ｂ）サイト）を占める配列は、これまで考えられていたような「ランダム」状態ではなく、原子の配列位置がきちんと「決定」されている。また、格子は歪んでいる（図１参照）。
２．アモルファス状態は、完全なランダムではなく、結晶格子内部のＧｅ原子が中心位置（わずかにずれて強誘電的であるが）から２ＡほどＴｅ原子側に移動した配置をとり、そのユニットを維持したままでねじ曲がった構造をもつ（図２参照）。
３．このねじ曲がったユニットが復元することで高速スイッチングが安定に繰り返される（図３参照）。
上記新しい書き込み読み出し原理から、以下の手法でＴｅを含むカルコゲン化合物を構成すれば、微結晶間の界面電気抵抗を極力低減し、かつ繰り返し書き換え回数を大幅に向上可能な新規相変化ＲＡＭを提供できることに気づいた。
すなわち、ＧｅＳｂＴｅからなる化合物を、ＧｅＴｅの薄膜とＳｂ２Ｔｅ３薄膜から構成される超格子を形成し、ＧｅＴｅ層内にあるＧｅ原子をＳｂ２Ｔｅ３層との界面にメモリに入力される電気エネルギーを手段として拡散させることにより結晶状態と同様の構造を、「異方性をもった結晶」として形成させること（消去（記録）状態））、また、逆に界面に蓄積されたＧｅ原子を元々のＧｅＴｅ層内に電気エネルギーを手段として戻すことで、従来、アモルファスと呼ばれてきたランダム構造と同等の電気抵抗値をもつ「アモルファスに類似した構造」に還元すること（記録（消去）状態）で、これまでの相変化ＲＡＭの特性を大幅に改善できる新しい相変化ＲＡＭを提供できことがわかった。
図４に、この構成の基本構造を示すが、ＧｅＴｅ層の厚さは、約０．４ｎｍ、Ｓｂ２Ｔｅ３層の厚さは、約０．５ｎｍである。一般的には、各層の厚みは、０．３ｎｍから２ｎｍ程度が好ましい。
たとえば、スパッタリング法を用いて本特許の構造を構成する場合、ＧｅＴｅあるいはＳｂ２Ｔｅ３から構成された化合物ターゲットを用いて（あるいは単体のターゲットを用いて）、予め時間当りの膜形成速度をスパッタリングのための投入電力パワーに対して測定しておけば、成膜時間とを管理するだけで簡単にこれらの膜からなる超格子構造を構成することが出来る。
ＧｅＳｂＴｅのある組成からなる化合物ターゲットを用いて一層の記録膜として構成した場合においてでは、構成される微結晶内でのＧｅ原子の動きは微結晶毎にランダムであり、Ｇｅ原子を移動させるための投入される電気エネルギーはコヒーレント性をもたないため、熱力学的に多くの熱エネルギーを系に対して放出しなければならないないのに対して、本発明の超格子構造においては、Ｇｅの原子の動きは、記録膜中では図４に示すように一方向であり（つまり、コヒーレント性をもつ）、仕事としてのエネルギーに多くの入力エネルギーが利用でき、熱としてのエネルギー放出量を押さえることが可能となる。つまり、相変態を行なうためのエネルギー効率が向上する。
また、書き換えに対して発生する体積変化（結晶−アモルファス間の体積変化）は、アモルファス類似構造を用いることで低減でき、かつ、一軸方向にのみ発生させることで、組成偏析の生じない安定した繰り返し書き換え動作を提供できる。
本願発明の構成によりＴｅを含むカルコゲン化合物を構成すれば、微結晶間の界面電気抵抗を極力低減し、従来の相変化ＲＡＭのデータ記録時の電流値を十分の一以下にすることができ、かつ繰り返し書き換え回数をこれまでより２〜３桁以上向上させることが可能な新規相変化ＲＡＭを提供することができる。
以下に、発明を実施するための最良の形態を説明する。
一般的な自己抵抗加熱型の基本構成により相変化ＲＡＭを作成した。電極にはＴｉＮを使用し、記録膜には［ＧｅＴｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３］の超格子を２０層積層した。超格子からなる記録膜全体の厚さは１０ｎｍであった。セルの大きさは、１００Ｘ１００ｎｍ２である。
このデバイスに、電圧をプログラム的に与えて、記録及び消去時の電流値を測定した。その結果、記録時の電流値は０．２ｍＡでパルス時間５ｎｓ、消去時の電流値は０．０５ｍＡでパルス時間６０ｎｓであった。この電流値での繰り返し記録消去回数を測定したところ、その値は１０１５回であった。
＜参考例＞
実施例１と同様に一般的な自己抵抗加熱型の基本構成により相変化ＲＡＭを作成した。記録膜にはＧｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５の単層膜を２０ｎｍ形成した。セルの大きさは、１００Ｘ１００ｎｍ２である。このデバイスに、電圧をプログラム的に与えて、記録及び消去時の電流値を測定した。その結果、記録時の電流値は、１．０ｍＡ、消去時の電流値は０．４ｍＡであった。なお、パルスの照射時間は、実施例１と同じとした。この電流値での繰り返し記録消去回数を測定したところ、その値は１０１２回であった。
本願発明の構成によりＴｅを含むカルコゲン化合物を構成すれば、微結晶間の界面電気抵抗を極力低減し、かつ繰り返し書き換え回数を大幅に向上可能な新規相変化ＲＡＭを提供することができる。
ＧｅーＳｂーＴｅ合金結晶構造 四角形はＴｅ、三角形はＧｅ、丸印はＳｂを表す。 ＧｅーＳｂーＴｅ合金アモルファス構造（短距離構造） 相変化ＲＡＭスイッチングための基本セル ＧｅＴｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３から構成される超格子構造

Claims (5)

  1. テルル（Ｔｅ）を主成分とする固体メモリであって、相変態に起因して電気特性が変化するものであり、
    データを記録及び再生する材料が、該相変態を生じる、ゲルマニウム（Ｇｅ）とテルル（Ｔｅ）から形成される薄膜及びアンチモン（Ｓｂ）とテルル（Ｔｅ）から形成される薄膜の人工的な超格子構造の積層構造によって構成され、電気エネルギー手段により記録又は消去されることを特徴とする固体メモリ。
  2. 前記積層構造は、ＧｅＴｅ層とＳｂ ２ Ｔｅ ３ 層の積層構造であることを特徴とする請求項１記載の固体メモリ。
  3. 請求項１に記載の固体メモリにおいて、前記薄膜の膜厚は、０．３ｎｍ以上２ｎｍ以下であることを特徴とする固体メモリ。
  4. 請求項１に記載の固体メモリにおいて、前記ゲルマニウム（Ｇｅ）とテルル（Ｔｅ）から形成される薄膜から前記アンチモン（Ｓｂ）とテルル（Ｔｅ）から形成される薄膜との界面に向かってゲルマニウム（Ｇｅ）原子を異方性拡散させることによってデータを記録することを特徴とする固体メモリ。
  5. 請求項１に記載の固体メモリにおいて、前記ゲルマニウム（Ｇｅ）とテルル（Ｔｅ）から形成される薄膜と前記アンチモン（Ｓｂ）とテルル（Ｔｅ）から形成される薄膜との界面に蓄積したゲルマニウム（Ｇｅ）原子を、前記ゲルマニウム（Ｇｅ）とテルル（Ｔｅ）から形成される薄膜に向かって異方性拡散させることによってデータを消去することを特徴とする固体メモリ。
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