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» 2016年12月27日 09時30分 UPDATE

福田昭のストレージ通信(53) 抵抗変化メモリの開発動向(12):SanDiskが語る、抵抗変化メモリのセル選択スイッチ技術(前編)

抵抗変化メモリ(ReRAM)の記憶容量当たりの製造コストをDRAM以下にするためには、セレクタを2端子のスイッチにする必要がある。2端子セレクタを実現する技術としては、“本命”があるわけではなく、さまざまな技術が研究されている。

[福田昭,EE Times Japan]

メモリセル面積を最小化するセレクタ技術とは

 半導体メモリの研究開発に関する国際学会「国際メモリワークショップ(IMW:International Memory Workshop)」のショートコース(2016年5月15日)から、SanDiskによる抵抗変化メモリ(ReRAM)の研究開発動向に関する講演概要をご紹介している。今回はシリーズの12回目に相当する。


 講演者はスタッフエンジニアのYangyin CHEN氏、講演タイトルは「ReRAM for SCM application」である。タイトルにあるSCMとはストレージ・クラス・メモリ(storage class memory)の略称で、性能的に外部記憶装置(ストレージ)と主記憶(メインメモリ)の間に位置するメモリとされる。ここで性能とは、メインメモリよりもコスト(記憶容量当たりのコスト)が低く、ストレージよりも高速であることを意味する。

 本シリーズの11回目である前回は、半導体メモリの基本技術であるメモリセルアレイと、アレイから特定のメモリセルを選択する手段を紹介した。今回は、メモリセルアレイから所望のメモリセルを選択するとともに、シリコン面積を最小化する、セル選択スイッチ(セレクタ)技術をご報告する。

2端子のセレクタを実現するさまざまな技術

 前回の後半で述べたように、抵抗変化メモリの記憶容量当たりの製造コストをDRAM以下にするためには、セレクタを一般的な3端子のトランジスタではなく、2端子のスイッチにする必要がある。それも「クロスポイント・メモリ」と呼ぶ、ワード線とビット線の交点(クロスポイント)と同じ小さなシリコン面積に1個のメモリセルをレイアウトする構造である。言い換えると、ワード線とビット線の間に、記憶素子(抵抗変化素子)とセレクタ(セル選択スイッチ)を縦に重ねた構造のメモリセルを挿入する。

 2端子のセレクタ技術には、しきい電圧を有するスイッチや、酸化物ベースのダイオード、シリコンベースのダイオードなどがある。どれが本命の技術、ということはなく、さまざまな技術が研究されているというのが現状だ。

セル選択素子(セレクタ)の候補技術。研究開発の主力は3端子のトランジスタ技術ではなく、2端子のスイッチ技術である。出典:SanDisk(クリックで拡大)

印加電圧によって電流を大きく変化させる

 2端子のセレクタが動作する様子は単純である。印加電圧が高いときはセレクタ(あるいはスイッチ)がオンとなって電流が大きく流れ、印加電圧が低いときはセレクタがオフとなって電流があまり流れない。オンとオフの電流の差は、極めて大きいことが望ましい。

 実際にセレクタを試作して電流電圧特性を測定した結果が、国際学会に発表されている。主な国際学会に発表された特性をまとめたグラフ(縦軸が印加電圧が高いときの電流密度、横軸は印加電圧を半分に下げたときの電流密度の変化率)を見た限りでは、シリコンベースのダイオード(金属/シリコン/金属構造のダイオード(MSMダイオード))と酸化物ベースのダイオード(金属/絶縁物/金属構造のダイオード(MIMダイオード))に比べると、しきい電圧を有するスイッチの方が、オンとオフの電流差が大きい。

2端子セレクタ技術と試作されたセレクタの特性。縦軸がオン状態の電流密度、横軸がオン状態に比べて印加電圧を半分に下げたときの電流変化の度合い。例えば横軸で「103」は、電流密度がオン状態の1000分の1になっていることを示す。グラフ中では右上の方向が、スイッチとしての特性が良好であることを意味する。出典:SanDisk(クリックで拡大)

(後編に続く)

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