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1 相変化ランダムアクセスメモリ素子 (PRAM) の結晶化過程を用いた 多値記録素子 研究者 : 群馬大学大学院工学研究科 教授保坂純男 内容 1. 研究背景とアプローチ 2. PRAM の原理と課題 3. 低消費電力化 4. 結晶化過程の多値記録 5. 実験結果とまとめ

2 背景 メモリの特性 FeRAM MRAM PRAM DRAM フラッシュ 不揮発性 書き込み時間 80ns 30ns 50ns 100ms 50ns 読み出し時間 80ns 30ns 20ns 60ns 50ns 書き換え回数 データ保持期間 ~10 年 ~10 年 ~10 年 10 年 0.1s 書き換え消費電力 ~10μW ~30μW ~30μW 30mW 300mW 読み出し信号 mV ~5xR 10x-100xR mV mV 実用化 :PRAM が有力

3 PRAM におけるメモリ構造 Memory Cell;PCM+MOS

4 PRAM の構造 結晶相 ρ: 低論理値 :0 アモルファス相 ρ: 高 論理値 :1 Ref) S. Hudgens and B. Johnson:MRS BULLETIN(2004)1

5 相変化動作 TEM images of GeSbTe アニーリング ( 結晶化 緩冷 ) (a) (b) (c) (d) (crystalline phase) 融解 急冷 (amorphous phase)

6 PRAM の書き換え ジュール熱を利用 P=I 2 R P m >P C T T m T c 結晶相 アモルファス相 急冷徐冷 アモルファス相 結晶相 R A >R C I m =(P m /R C ) 1/2 >> I C =(P c /R A ) 1/2 結晶相 アモルファス相書き換え電流を減らす必要がある Ref) S. Hudgens and B. Johnson:MRS BULLETIN(2004)1 time

7 PRAM の原理 ( 基礎特性 ) 結晶相 ρ: 低論理値 :0 アモルファス相 ρ: 高論理値 :1 Ref) S. Hudgens and B. Johnson:MRS BULLETIN(2004)1

8 SET と RESET 抵抗値 [Ω] 100k 10.6 kω 10k 860 Ω 1k 690 Ω 200 nm Sb 2 Te 3 / 30 nm TiN Heater Lc = 0.4μm, Wc = 0.5μm RESET operation: 20ns 10.7 kω 10 倍 SET operation: 1μss 0.1k パルス電圧 [V] Fig. 22 SET と RESET

9 Threshold field of filament generation ( アモルファス相 結晶相 ) Threshold voltage V th (V) Current I (ma) STN1 only structure L=700 nm 500 nm 400 nm Voltage V (V) STN1 Threshold field: 14.3 V/μm Gap length L (nm)

10 PRAM メモリ開発の課題 消費電力( 電流 ) の減少 バッテリー保持時間向上 集積化 PRAMの書き換え電流 = ~1 ma PRAMの実用化 : 再現性書き換え電流抑制技術の確立相変化メカニズムの研究 検討項目相変化素子の構造相変化材料

11 書き換え電流を減らす方法 T m P 大小 4. 融点を下げる材料探索 大 3. 結晶抵抗を上げる R c 小 P m =R c I m 2 1. 構造 : 直熱型傍熱型 2. 加熱体積 : 減少 I 3. Ge 2 Sb 2 Te 5 (ρ c 2x10-3 Ωm) より高い結晶抵抗 ( 結晶 ) 4. Ge 2 Sb 2 Te 5 (T m 620 ) より低い融点

12 Proposal of Lateral type PCM with top and bottom heater layers Top electrode c-gst Resistive heater Bottom electrode Ge 2 Sb 2 Te 5 (GST) PC Resistance Bottom heater layer Top heater 1μmlayer Fig.1 Vertical type PCM (V-PCM) TiN electrodes Fig.3 Lateral type PCM (L-PCM) Fig.2 Endurance of V-PCM Very interested in novel structure of L-PCM (It is easy to make series and parallel resistances in lateral type PCM.) 1) S Lai et al:iedm Technical Digest, (2003)

13 Lateral type PCM (L-PCM) with top and bottom heater layers GST TiN-E R e bh R e GST I 1 I 2 I 3 R th R GST R c bh R e GST R e bh Top heater layer Bottom heater layer TiN-E R th Fig.4 Lateral type PCM with a bottom heater layer R e GST I 1 I 2 R e GST For example I 3 R e bh R GST R c bh R e bh I 2 >>I 1, I 3 R e bh >> R GST : Indirect heating R e bh << R GST : Direct heating Fig. 5 Equivalent circuits

14 Reversible switching Resistance [Ω] 100k 200 nm Sb 2 Te 3 / 30nm TiN heater Lc = 0.4μm, Wc = 0.5μm 10k RESET state 1.2mW 200mW SET state 1k RESET-to-SET pulse: 3.5 V, 1 μs SET-to-RESET pulse: 14 V, 20 ns 0.1k Switching number Fig. 19 Endurance of the L-PCM. robust

15 L-PCM with a top heater layer Top heater layer Ge 2 Sb 2 Te 5 (GST) PC Resistance ZnS-SiO 2 To reduce large input power Control small phase change area for small input power! current R th TiN electrode TiN electrode R e GST R e GST Phase change R c GST (b) Equivalent circuits Phase change Fig. 20 Lateral type PCM (L-PCM) with an upper heater layer (a) and the equivalent circuits (b).

16 Calculation of electric field for amorphous to crystal TiSiN ρ heater =0.01[Ωcm] (ρ heater /ρ a-gst : 10 5 ) SiO 2 SiN GST TiSiN TiSiN ρ heater =1[Ωcm] (ρ heater /ρ a-gst :10 3 ) TiSiN ρ heater =100[Ωcm] (ρ heater /ρ a-gst :10) 4.9[V] 5.6[V] 16.4[V] Fig. 21 Simulation of electric field in L-PCM with a top heater layer. C-GST (0.5 Ωcm) ρ heater =0.01 [Ωcm] (ρ heater /ρ c-gst = 0.02) Direct heating Threshold field: 3.8x10 5 [V/cm] Joule heating simulation of phase change to amorphous (RESET) Top heater (SET) field[v/cm ] Temp. [K] ρ heater =1 [Ωcm] 900 (ρ heater /ρ c-gst =2) Indirect heating A-GST (10 3 Ωcm) Fig. 24 Simulation model of phase change to amorphous. 5.5[V] 7[V],20[ns] 28[V],20[ns] Fig.25 Temperature of the device at Joule heating

17 Endurance of L-PCM with a top heater layer Resistance [MΩ] Set for crystallization (5v, 1μs) P: 17μW Device: L c : 0.4 μm, W c : 0.7 μm Reset for amorphous (8 v, 20 ns) P: 200μW Number of switching Fig. 27 Phase change of L-PCM with a top heater layer (TiSiN) with a resistivity of 0.01Ωcm (40 nm thickness) on GST (80 nm thickness).

18 Multi-levels crystalline area control type ML-PCM with a top heater layer (A C) SiO 2 Top heater PCM-STN Electrode Insulator r 1 r 2 r 3 r h Basic operation Substrate Device structure (1) r a r 1 (filament path due to electric field) (2) r a r 2 (Joule heating) (3) r a r 3 (Joule heating) r h r 1 r 2 r 2 r 1 r 3 r 3 Equivalent circuits Current increase You Yin et al. APL (2008)..

19 Multi-levels levels in crystallization due to current sweep Experiments (1) (SET mode from amorphous to crystal phase) Resistance (kω) Current I (ma) e a Voltage V (V) a ma b ma c ma d ma e ma 5 0 W c =1μm; L c =1μm Read at 20 μa Programming current (ma)

20 Experiments (2) (SET from amorphous to crystal phase) Resistance (kω) Current I(mA) Read at 0.02 ma a' ma b' ma c' ma d' ma e' ma Programming current (ma) e' a' Voltage V (V)

21 まとめ 多値記録方式提案 :1 多チャンネル方式 2 多層方式 3 結晶領域制御方式 (1) 多チャンネル方式シミュレーションにより多値記録可能であることを確認 ( アモルファス化過程において ) (2) 多層方式上部ヒータ付きラテラル型 PCMを用い 多層方式多値記録素子を提案 ( 結果 )2 層積層素子で3レベルの多値記録を確認 (3) 結晶領域制御方式上部ヒータ付きラテラル型 PCMを用いた多値記録素子を提案 1 結晶化過程 2 定電流方式 ( 結果 ) 6 値多値記録を確認

22 発明の名称 : メモリ装置 電子機器 相変化メモリ素子への記録方法 出願番号 : 特願 2008 ー 発明者 : 尹友 (Yin You) 保坂純男 曾根逸人 r 1 r h 絶縁層ヒーター層相変化層 r h r 2 r r 1 1 電極 r n -1 r n -2 r 2 絶縁層基板 r n -2 r n -1 等価回路による動作原理 r 1 r 1c ( 電界集中による結晶化から ) r 2 r 2c ( 加熱による結晶領域の拡大 1 ) r n-2 r n-2c ( 加熱による結晶領域の拡大 n-2 ) r n-1 r n-1c ( 加熱による結晶領域の拡大 n-1 )

23 実用化に向けた課題 垂直相変化記録素子への適用 多値記録バラツキ抑制技術 16 値多値記録技術 * メモリ素子 スイッチ素子への応用に向け 企業との共同研究 企業への期待 * 本技術導入先を見つけたい

24 本技術に関する知的財産権 発明の名称 : メモリ装置 電子機器 相変化メモリ素子への記録方法 出願番号 : 特願 出願人 : 群馬大学 発明者 : 尹友 (Yin You) 保坂純男 曾根逸人 お問い合わせ先 < 特許の取り扱い等 > 群馬大学研究 知的財産戦略本部群馬大学 TLO TLO 長大澤隆男 TEL FAX rip-admin@eng.gunma-u.ac.jp

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詳細な説明 研究の背景 フラッシュメモリの限界を凌駕する 次世代不揮発性メモリ注 1 として 相変化メモリ (PCRAM) 注 2 が注目されています PCRAM の記録層には 相変化材料 と呼ばれる アモルファス相と結晶相の可逆的な変化が可能な材料が用いられます 通常 アモルファス相は高い電気抵抗 平成 30 年 1 月 12 日 報道機関各位 東北大学大学院工学研究科 次世代相変化メモリーの新材料を開発 超低消費電力でのデータ書き込みが可能に 発表のポイント 従来材料とは逆の電気特性を持つ次世代不揮発性メモリ用の新材料開発に成功 今回開発した新材料を用いることで データ書換え時の消費電力を大幅に低減できることを確認 概要 東北大学大学院工学研究科知能デバイス材料学専攻の畑山祥吾博士後期課程学生

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