イベントレポート

相変化メモリ技術が大きく進化、書き換え電流を5分の1に低減

～VLSI技術シンポジウム2016レポート

福田昭

2016年6月17日 11:43

　米国のIBM T. J. Watson Research Centerと台湾のMacronix Internationalは、データの書き換え電流を従来の5分の1に下げた相変化メモリ(PCM)技術を開発し、国際学会「VLSI技術シンポジウム」で6月15日にその概要を発表した(講演番号12.4)。

　相変化メモリ(PCM: Phase Change Memory)は、「カルコゲナイド合金」と呼ぶ材料が2つの状態(相)を持ち、どちらかの状態(相)に電気的に移行可能な性質を利用したメモリである。2つの相は結晶相とアモルファス相で、結晶相では電気抵抗が低く、アモルファス相では電気抵抗が高い。

相変化メモリ(PCM)の記憶素子。カルコゲナイド合金の状態(相)を結晶相とアモルファス相のどちらかにすることで、電気抵抗の値を変える

　電源を切っても2つの状態は残るので、不揮発性メモリとなる。カルコゲナイド合金の記憶素子とメモリセルの選択素子で1個のメモリセルを構成できるので、原理的にはDRAMに近い高密度メモリを作れる。また相変化メモリ(PCM)には、抵抗値を比較的自在に制御できるという特長がある。

　これらの特長からPCMは、ストレージクラスの大容量メモリ、ニューロコンピューティング用メモリ、非ノイマン型コンピュータ用メモリ、IoT(Internet of Things)用メモリとして期待がかかっており、研究開発が進められている。

　ただしPCMには、相の変化、すなわち、データの書き換えに必要な電流が高いという弱点がある。これには主に2つの理由がある。1つは、電気抵抗を利用した加熱による温度変化が、相変化には必要なこと。もう1つは、記憶素子に放熱性の良い材料、つまり、金属や合金などを使うので熱が周囲に逃げ、加熱の効率が低くなってしまうことである。

　特に問題となるのが、結晶相をアモルファス相に変化させるデータ書き換え(「リセット」と呼ぶ)動作で、高い温度を必要とするので消費電流が高くなってしまう。

アモルファス領域に粒状結晶を埋め込む

　リセット動作の消費電流を下げるためには、どのような手段を取るべきか。IBMとMacronixの共同研究チームは、以下の2つの手段を講演で挙げていた。

1つは、相変化を起こす領域の体積を極力、小さくすること
もう1つは、熱を逃さずに、閉じ込めること

　これらの手段を実現するために考案したのが、アモルファス領域の内部に多数の粒状結晶(1個の粒状結晶の寸法は5nm以下)を埋め込んだ構造である。粒状結晶の間(Inter-Granular)でだけ、相変化を起こす。すると相変化領域の体積が極めて小さくなるとともに、電流が結晶間だけに集中するので熱の広がりが抑えられる。この方法を発表者は、「Inter-Granular Switching(IGS)」と呼んでいた。

　「Inter-Granular Switching(IGS)」の効果は絶大だった。記憶素子のリセット電流を比較すると、温度950Kに加熱するために必要な電流値は従来技術では43μAであったのに対し、IGS技術では8.3μAと大幅に減少した。なお従来技術では950Kに達するまでに必要な時間は約15ns、IGS技術では約20nsである。遅延時間で5nsのペナルティはあるものの、電流量は約5分の1に下がっている。

記憶素子を950Kに加熱するために必要な電流値の比較。左はIGS技術、右は従来技術による温度上昇曲線

試作した粒状結晶構造の透過型電子顕微鏡(TEM)観察像。左の写真は高抵抗(リセット)状態の領域。「C」とあるのは孤立した粒状結晶。セット動作に入ると、粒状結晶「C」がお互いに接触しようと成長を始める。そして抵抗の低い経路ができる。右の写真は低抵抗(セット)状態の領域。「A」とあるのはアモルファス部分。リセット動作に入ると2つの「A」部分の間に矢印のように電流が流れ、粒状結晶間の導電領域をアモルファス化する

　IGS技術で試作した記憶素子の抵抗比(高抵抗状態と低抵抗状態の比率)は、約10倍～約100倍を確保した。直径が35nm、厚みが1.5nmのリング状下部電極で評価した値である。リセット電流の必要値は20μAで、寸法を考慮すると0.2μA/nmと極めて低い値になっているとする。従来技術での試作例では直径20nmに対して4.5μA/nmという値があり、単純に比較すると20分の1以下になっていることが分かる。

リセット電流と電気抵抗の値。グラフ内の「Reset」が高抵抗状態(アモルファス相)、「Set」が低抵抗状態(結晶相)を意味する