相変化メモリセルは、時間の経過とともに変化します。結晶相またはアモルファス相に一旦設定されると、材料は他の状態へと変化し、セルの抵抗レベルが不明瞭になり、1または0の2進数を記録する能力が弱まります。
PCM（相変化メモリ）は、NAND技術が15nmセルサイズあたりで勢いを失った後、不揮発性メモリの速度と密度を向上させるための永続ストレージ技術の候補の一つです。Intel/Micronのクロスポイント（XPoint）もその一つです。PCM技術の製品化には、他の類似技術と同様に課題があり、セルの耐久性と読み取り性能はその2つです。
セル内のカルコゲニド材料に電気を流すと、分子状態が拡散した非晶質から結晶へと変化します。それぞれの状態は異なる抵抗レベルを持ち、各レベルの検出は2進数の1または0のアナログとして使用されます。
抵抗レベルは信号であり、ノイズの影響を受けます。ノイズは時間の経過とともに増加する可能性があり、信号検出が困難になります。材料の分子状態は、非晶質から結晶質へ、あるいはその逆に変化するため、信号検出がさらに困難になります。
チューリッヒのIBM研究者たちは、より安定した材料でできたパイプでセルを囲み、PCMセルの抵抗状態をこのパイプに投影することで安定的に保存するという概念を考案しました。セルの読み取りは、セル自体ではなくパイプを通して電気を流すことで行われるため、ドリフト効果を回避し、セルの直接読み取りに伴うノイズを回避できます。
このアイデアを最初に思いついたのは、オランダの科学者でIBMの研究員でもあるワベ・コールマンス氏で、彼と彼の同僚は実験結果に関する論文をネイチャー誌に発表しました。*彼らは「投影型メモリデバイス」というコンセプトを説明しています。このデバイスの特長は、抵抗値の保存という物理的なメカニズムが情報検索プロセスから切り離されていることです。
投影されたPCMの概念図。白い線は電流の流れです。
図では;
アモルファス相は対応する抵抗 R AMORで AMOR と表記され、結晶相は対応する抵抗 R CRYSTで CRYST と表記されます。突出セグメントは抵抗 R PROJで PROJ と表記されます。書き込みモードでは、書き込み電圧がしきい値電圧を超えると、アモルファス セクションはオン状態になり、抵抗 R AMOR,ONは R PROJより低くなります。これにより、ほとんどの電流が相変化セグメントを流れ、ジュール熱とそれに続く相転移が生じます。読み取りモードでは、低電場時に R PROJ がR AMORよりはるかに低くなるように選択されるため、電流はアモルファス セクションに平行な突出セグメントのセクションを優先的に流れます。その他の場所では、電流は結晶セクションを優先的に流れます。
研究者の実験デバイスは、「2.8 nm 厚の TiN 投影コンポーネントと、15 nm 厚の AgInSbTe (AIST) または 30 nm 厚の GeTe の相変化コンポーネントで構成されています。」
円周状の物質のパイプは読み取り操作にのみ使用されます。論文には、「通常、アモルファス領域の長さに記憶される情報は、ある意味で投影コンポーネントに投影される」と記載されていますが、この投影がどのように行われるのかは説明されていません。
この設計の結果、読み取り信号はノイズの影響を大幅に低減し、より安定し、ドリフトの影響も著しく低減します。ノイズとドリフトの影響が軽減されるため、相変化材料とその特性の設計がより自由になります。これにより、PCMの開発が加速されることを期待しています。®
*投影された相変化メモリデバイス。
