(57)【要約】【課題】相変化メモリにおいて、相変化物質と下部電極との接触面積を画期的に減らして、低電力で動作可能であり、かつ、集積度をさらに向上させることができる炭素ナノチューブを利用した相変化メモリ及びその製造方法を提供すること。【解決手段】外部電流を供給する電流源電極と、少なくとも２つの異なる状態を有する相変化物質層と、電流源電極と相変化物質層との間に複数配列した炭素ナノチューブ電極と、炭素ナノチューブ電極の外側に形成される絶縁体と、炭素ナノチューブ電極と相変化物質層との間に位置し、炭素ナノチューブ電極と接触する熱生成抵抗層とを備えることを特徴とする炭素ナノチューブを利用した相変化メモリ。【選択図】図５
2010287910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部電流を供給する電流源電極と、
少なくとも２つの異なる状態を有する相変化物質層と、
前記電流源電極と前記相変化物質層との間に複数配列した炭素ナノチューブ電極と、
該炭素ナノチューブ電極の外側に形成される絶縁体と、
前記炭素ナノチューブ電極と前記相変化物質層との間に位置し、前記炭素ナノチューブ電極と接触する熱生成抵抗層と
を備えることを特徴とする炭素ナノチューブを利用した相変化メモリ。
【請求項２】
前記炭素ナノチューブ電極の直径が、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブを利用した相変化メモリ。
【請求項３】
前記炭素ナノチューブ電極が、単層ナノチューブで形成されることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブを利用した相変化メモリ。
【請求項４】
前記熱生成抵抗層は、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｃｒ、又はニクロムのいずれか１つで形成されることを特徴とする請求項１に記載の炭素ナノチューブを利用した相変化メモリ。
【請求項５】
（ａ）外部電流を供給する電流源電極上に複数の炭素ナノチューブを形成する触媒を配列するステップと、
（ｂ）前記触媒をシードとして垂直方向に成長させることにより、複数の炭素ナノチューブ電極を形成するステップと、
（ｃ）前記電流源電極上に前記炭素ナノチューブ電極が完全に覆われるように、絶縁体を蒸着させるステップと、
（ｄ）前記蒸着するステップ後、前記炭素ナノチューブ電極が前記絶縁体の表面に露出するように、前記絶縁体の表面を研磨するステップと、
（ｅ）前記絶縁体の表面上に前記絶縁体の表面に露出した前記炭素ナノチューブ電極と接触するように熱生成抵抗層を蒸着させるステップと、
（ｆ）前記熱生成抵抗層上に相変化物質層を形成するステップと
を含むことを特徴とする炭素ナノチューブを利用した相変化メモリの製造方法。
【請求項６】
前記（ａ）ステップにおいて、
前記触媒が、Ｆｅ２Ｏ３、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｏのうち、少なくともいずれか１つ以上で形成されることを特徴とする請求項５に記載の炭素ナノチューブを利用した相変化メモリの製造方法。
【請求項７】
前記（ｂ）ステップにおいて、
前記複数の炭素ナノチューブ電極が、単層ナノチューブで形成されることを特徴とする請求項５に記載の炭素ナノチューブを利用した相変化メモリの製造方法。
【請求項８】
前記（ｂ）ステップにおいて、
前記複数の炭素ナノチューブ電極が、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲の直径に形成されることを特徴とする請求項５に記載の炭素ナノチューブを利用した相変化メモリの製造方法。
【請求項９】
前記（ｅ）ステップにおいて、
前記熱生成抵抗層が、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｃｒ、又はニクロムのいずれか１つで形成されることを特徴とする請求項５に記載の炭素ナノチューブを利用した相変化メモリの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相変化メモリに関し、さらに詳細には、低電力動作が可能であり、かつ集積度を向上させることができる炭素ナノチューブ（ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏ  ｔｕｂｅ）を利用した相変化メモリ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
相変化メモリとは、特定材料の結晶相と非結晶相（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｐｈａｓｅ）の電気的な導電性の差を利用して情報を格納するメモリ素子のことである。
【０００３】
このような相変化メモリは、閾電圧の大きな余裕と速い動作速度、優れた耐久力、長いデータ維持時間を有しているため、近年、次世代不揮発性メモリとして注目されつつある。さらに、近年、商業用フラッシュメモリと同等の集積度を有する相変化メモリの大量生産の立証に成功した。
【０００４】
相変化メモリが次世代メモリの主流となるためには、小さなメモリセルサイズ及びメモリセルの動作特性分布が一定に維持されなければならない。メモリセルのサイズは、動作電流の大きさに大きく影響され、必要な動作電流の大きさは、相変化物質と下部電極との接触面積に影響を受ける。したがって、相変化物質と下部電極との接触面積を減らして、小さな動作電流レベルで大きい動作電流密度を持たせることが必要である。
【０００５】
ところが、相変化メモリの製造の際、下部電極を形成するためのエッチング工程において、接触部分の直径の大きさを一定に形成することは難しい。また、大きな電流密度を得るためには、相変化メモリと下部電極との接触部分の大きさを小さくすることが必要であるが、これは、一定の接触部分の大きさを得ると同時に相変化メモリを高集積化する場合において、さらなる他の技術的難題となっており、これにより、相変化メモリの信頼度及び集積度の向上に対する障害物となっている。
【０００６】
これにより、相変化メモリのセルサイズを減らして高集積化するための方法は、大きく２種類に分けられる。
【０００７】
第１に、相変化物質と下部電極との接触面積を減らして、小さな動作電流でも大きい動作電流密度を持たせることにより、相変化メモリのセルサイズを減らすことである。
【０００８】
第２に、発熱物質である下部電極の抵抗を大きくして、同じ電流密度でも大きい熱を発生させ得るようにして、相変化メモリのセルサイズを減らすことである。相変化物質に伝達される熱は、ジュール（Ｊｏｕｌｅ）の法則により、熱を発生させる媒体の抵抗に比例し、媒体に流れる電流の自乗に比例する。
【０００９】
以下、これに基づいて、従来の相変化メモリの構造を説明する。
【００１０】
まず、従来の相変化メモリは、相変化物質の下方に小さな孔部を形成し、その孔部に熱を発生させる物質である下部電極を充填することにより、熱発生物質である下部電極と相変化物質とが当接する部分が２次元の面積を有するように構成される。このような従来の相変化メモリは、外部から供給される動作電流が接触面積分だけ拡散して流れるため、相変化を起こす程度の大きい熱を得るのは難しい。
【００１１】
したがって、上述した問題を解決するために、リング状の接触工程が開発された。リング状の接触工程を利用した従来の相変化メモリ（以下、リングタイプの相変化メモリと称す）は、熱発生物質が流入する小さな孔部の表面のみに下部電極を充填し、残りの部分には、絶縁物質を充填する構造を取っている。
【００１２】
図１Ａは、従来の技術に係る相変化メモリの構造を示した透視図であり、図１Ｂは、図１Ａに示す１ｂ−１ｂ´の断面図であり、図１Ｃは、従来の技術に係る相変化メモリにおける下部電極を示す平面図である。
【００１３】
図１Ａに示すように、従来の技術に係るリングタイプの相変化メモリは、外部電流を供給する外部電流源電極１０１と、相変化を起こしてメモリ特性を表す相変化物質層１０５とが、側方向に互いに対向しており、外部電流源電極１０１と相変化物質層１０５との間に熱発生物質である下部電極１０２がリング状に形成されており、下部電極１０２の内部に、下部電極から発生した熱の放出を防止するための絶縁物質１０３が円状に充填されている。そして、下部電極１０２と絶縁物質１０３を誘電物質１０４が取り囲んでいる。
【００１４】
このような従来のリングタイプの相変化メモリは、相変化物質層１０５と下部電極１０２との接触面積が円周長の１次元的になるため、既存の２次元の面接触からなる相変化メモリより小さな動作電流でも、高い動作電流密度を表すことができる。また、絶縁物質１０３を下部電極１０２が取り囲んでいるため、下部電極１０２から発生した熱が外部に漏れるのを防止する。
【００１５】
ところが、従来のリングタイプの相変化メモリは、熱発生物質である下部電極１０２が小さな孔部内に充填されなければならないため、下部電極１０２として用いられる物質が制限されるという問題がある。その上、新しいリング状の接触工程を使用するにも関わらず、相変化メモリの集積度が現在のフラッシュメモリの集積度の半分にしかならないため、上述した従来の構造では、フラッシュタイプの不揮発性メモリの集積度を超えることができないという点で根本的な限界を有している。
【００１６】
結局、相変化メモリにおいて、さらに小さな動作電流を得ることができる新しい構造が必要とされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
そこで、本発明は、上述した従来の技術の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、相変化物質と下部電極との接触面積を画期的に減らして、低電力で動作が可能であり、かつ集積度をさらに向上させた炭素ナノチューブを利用した相変化メモリを提供することにある。
【００１８】
また、本発明の他の目的は、炭素ナノチューブを利用して相変化物質と下部電極との接触面積を画期的に減らした相変化メモリの製造方法を提供することにある。
【００１９】
本発明が解決しようとする技術的課題は、以上で言及した技術的課題に制限されず、言及していないさらに他の技術的課題に関しては、以下の記載から本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者にとって明確に理解されるはずである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記の目的を達成すべく、本発明の一実施形態に係る炭素ナノチューブ（ｃａｒｂｏｎ
ｎａｎｏ  ｔｕｂｅ）を利用した相変化メモリは、外部電流を供給する電流源電極と、電流源電極と側方向に対向する相変化物質層と、電流源電極と相変化物質層との間に複数配列した炭素ナノチューブ電極と、炭素ナノチューブ電極の外側に形成されて、炭素ナノチューブ電極から生成される熱が外部に伝達されるのを抑制する絶縁体とを備えることを特徴とする。
【００２１】
このとき、前記炭素ナノチューブ電極の直径が、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲であることを特徴とする。
【００２２】
また、前記炭素ナノチューブ電極が、単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ；Ｓｉｎｇｌｅ  Ｗａｌｌ  Ｎａｎｏ  Ｔｕｂｅ）で形成されることを特徴とする。
【００２３】
さらに、上記の目的を達成すべく、本発明の一実施形態に係る炭素ナノチューブを利用した相変化メモリの製造方法は、（ａ）外部電流を供給する電流源電極上に複数の炭素ナノチューブを形成する触媒を配列するステップと、（ｂ）触媒をシード（ｓｅｅｄ）として垂直方向に成長させることにより、複数の炭素ナノチューブ電極を形成するステップと、（ｃ）電流源電極上に炭素ナノチューブ電極が完全に覆われるように、絶縁体を蒸着させるステップと、（ｄ）蒸着するステップ後、炭素ナノチューブ電極が絶縁体の表面に露出するように、絶縁体の表面を研磨するステップと、（ｅ）絶縁体の表面上に炭素ナノチューブ電極と接触するように相変化物質層を形成するステップとを含むことを特徴とする。
【００２４】
前記（ａ）ステップにおいて、前記触媒が、Ｆｅ２Ｏ３、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｏのうち少なくともいずれか１つ以上で形成されることを特徴とする。
【００２５】
前記（ｂ）ステップにおいて、前記複数の炭素ナノチューブ電極が、単層ナノチューブで形成されることを特徴とする。
【００２６】
前記（ｂ）ステップにおいて、前記複数の炭素ナノチューブ電極が、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲の直径に形成されることを特徴とする。
【００２７】
さらに、上記の目的を達成すべく、本発明の他の実施形態に係る炭素ナノチューブを利用した相変化メモリは、外部電流を供給する電流源電極と、電流源電極と側方向に対向する相変化物質層と、電流源電極と相変化物質層との間に複数配列し、一方が拡張されて相変化物質層にオーバーラップされる炭素ナノチューブ電極と、炭素ナノチューブ電極の外側に形成されて、炭素ナノチューブ電極から生成される熱が外部に伝達されるのを抑制する絶縁体とを備えることを特徴とする。
【００２８】
このとき、前記炭素ナノチューブ電極の直径が、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲であることを特徴とする。
【００２９】
また、前記炭素ナノチューブ電極が、全体長に対して前記相変化物質層にオーバーラップされる長さが１／１０〜８／１０であることを特徴とする。
【００３０】
また、前記炭素ナノチューブ電極が、単層ナノチューブで形成されることを特徴とする。
【００３１】
さらに、上記の目的を達成すべく、本発明の他の実施形態に係る炭素ナノチューブを利用した相変化メモリの製造方法は、（ａ）外部電流を供給する電流源電極上に複数の炭素ナノチューブを形成する触媒を配列するステップと、（ｂ）触媒をシードとして垂直方向に成長させることにより、複数の炭素ナノチューブ電極を形成するステップと、（ｃ）電流源電極上に炭素ナノチューブ電極が完全に覆われるように、絶縁体を蒸着させるステップと、（ｄ）蒸着するステップ後、炭素ナノチューブ電極が絶縁体の表面に露出するように、絶縁体の表面を研磨するステップと、（ｅ）絶縁体の表面に露出した炭素ナノチューブ電極が突出するように、絶縁体を選択的にエッチングするステップと、（ｆ）絶縁体上に相変化物質を蒸着して、突出した炭素ナノチューブ電極をオーバーラップさせるステップとを含むことを特徴とする。
【００３２】
前記（ａ）ステップにおいて、前記触媒が、Ｆｅ２Ｏ３、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｏのうち、少なくともいずれか１つ以上で形成されることを特徴とする。
【００３３】
前記（ｂ）ステップにおいて、前記複数の炭素ナノチューブ電極が、単層ナノチューブで形成されることを特徴とする。
【００３４】
前記（ｂ）ステップにおいて、前記複数の炭素ナノチューブ電極が、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲の直径に形成されることを特徴とする。
【００３５】
前記（ｅ）ステップが、前記突出する炭素ナノチューブ電極の長さが、全体長に対して約１／１０〜８／１０の範囲となるようにエッチングするステップであることを特徴とする。
【００３６】
さらに、上記の目的を達成すべく、本発明のさらに他の実施形態に係る炭素ナノチューブを利用した相変化メモリは、外部電流を供給する電流源電極と、電流源電極と側方向に対向する相変化物質層と、電流源電極と相変化物質層との間に複数配列した炭素ナノチューブ電極と、炭素ナノチューブ電極の外側に形成されて、炭素ナノチューブ電極から生成される熱が外部に伝達されるのを抑制する絶縁体と、炭素ナノチューブ電極と相変化物質層との間に位置し、炭素ナノチューブ電極と接触する熱生成抵抗層とを備えることを特徴とする。
【００３７】
ここで、前記炭素ナノチューブ電極の直径が、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲であることを特徴とする。
【００３８】
また、前記炭素ナノチューブ電極が、単層ナノチューブで形成されることを特徴とする。
【００３９】
さらに、上記の目的を達成すべく、本発明のさらに他の実施形態に係る炭素ナノチューブを利用した相変化メモリの製造方法は、（ａ）外部電流を供給する電流源電極上に複数の炭素ナノチューブを形成する触媒を配列するステップと、（ｂ）触媒をシードとして垂直方向に成長させることにより、複数の炭素ナノチューブ電極を形成するステップと、（ｃ）電流源電極上に炭素ナノチューブ電極が完全に覆われるように、絶縁体を蒸着させるステップと、（ｄ）蒸着するステップ後、炭素ナノチューブ電極が絶縁体の表面に露出するように、絶縁体の表面を研磨するステップと、（ｅ）絶縁体の表面上に絶縁体の表面に露出した炭素ナノチューブ電極と接触するように熱生成抵抗層を蒸着させるステップと、（ｆ）熱生成抵抗層上に相変化物質層を形成するステップとを含むことを特徴とする。
【００４０】
前記（ａ）ステップにおいて、前記触媒が、Ｆｅ２Ｏ３、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｏのうち、少なくともいずれか１つ以上で形成されることを特徴とする。
【００４１】
前記（ｂ）ステップにおいて、前記複数の炭素ナノチューブ電極が、単層ナノチューブで形成されることを特徴とする。
【００４２】
前記（ｂ）ステップにおいて、前記複数の炭素ナノチューブ電極が、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲の直径に形成されることを特徴とする。
【００４３】
その他、実施形態の具体的な事項は、詳細な説明及び図面に含まれている。本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付する図面と共に詳細に後述されている実施形態を参照すると、明確になるはずである。なお、明細書全体にわたって同一の構成要素には同一の参照符号を付してある。
【発明の効果】
【００４４】
本発明の好ましい実施形態に係る炭素ナノチューブを利用した相変化メモリは、従来の下部電極を炭素ナノチューブで構成することによって、従来の相変化メモリより小さな動作電流でも大きい電流密度を維持することができ、メモリの閾電圧の余裕を大きく改善して、多重レベルセル技術を適用することができるという効果が得られる。
【００４５】
また、相変化メモリの素子サイズを低減することができるため、相変化メモリの高集積化時の問題として指摘されていた大きな動作電流の限界を克服し、持続的な相変化メモリの高集積化、低電力、高効率に寄与できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１Ａ】従来の技術に係る相変化メモリの構造を示した透視図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示す１ｂ−１ｂ´の断面図である。
【図１Ｃ】従来の技術に係る相変化メモリにおいて、下部電極を示す平面図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態に係る相変化メモリの構造を示した透視図である。
【図２Ｂ】図２Ａに示す２ｂ−２ｂ´の断面図である。
【図２Ｃ】本発明の一実施形態に係る相変化メモリにおいて、下部電極を示す平面図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態に係る相変化メモリの製造方法を順次に示す工程図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態に係る相変化メモリの製造方法を順次に示す工程図である。
【図３Ｃ】本発明の一実施形態に係る相変化メモリの製造方法を順次に示す工程図である。
【図３Ｄ】本発明の一実施形態に係る相変化メモリの製造方法を順次に示す工程図である。
【図３Ｅ】本発明の一実施形態に係る相変化メモリの製造方法を順次に示す工程図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る相変化メモリの構造を示した断面図である。
【図５】本発明のさらに他の実施形態に係る相変化メモリの構造を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい実施形態に係る炭素ナノチューブを利用した相変化メモリ及びその製造方法について詳細に説明する。
【００４８】
＜第１の実施形態＞
【００４９】
図２Ａは、本発明の一実施形態に係る相変化メモリの構造を示した透視図であり、図２Ｂは、図２Ａに示す２ｂ−２ｂ´の断面図であり、図２Ｃは、本発明の一実施形態に係る相変化メモリにおいて下部電極を示す平面図である。
【００５０】
まず、図２Ａに示すように、本発明の一実施形態に係る相変化メモリは、外部電流を供給する電流源電極２０１と、電流源電極２０１と側方向に対向する相変化物質層２０７、電流源電極２０１と相変化物質層２０７との間に配列される複数の炭素ナノチューブ電極２０３、及び炭素ナノチューブ電極２０３の外側に形成される絶縁体２０５を備える。
【００５１】
電流源電極２０１は、相変化物質層２０７に相変化を誘導するのに必要な電流密度を得るために、外部電流を供給する。
【００５２】
炭素ナノチューブ電極２０３は、電流源電極２０１と相変化物質層２０７との間に複数配列され、相変化物質層２０７と接触する。このような炭素ナノチューブ電極２０３は、相変化物質層２０７に相変化を誘導するのに必要な外部電流を、電流源電極２０１から相変化物質層２０７に伝達する移動通路及び熱発生物質であり、従来の下部電極（図１Ａの１０２）と対応し得る。
【００５３】
炭素ナノチューブ電極２０３は、図２Ｃに示すように、その大きさや配列などにおいて一定の規則性を有する所定のパターンに形成され得るが、規則性を有する所定のパターンでなくても良い。
【００５４】
そして、炭素ナノチューブ電極２０３の直径ｄは、約１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲で、ほぼ点のような小さな面積を有し、大きい抵抗を有する単層ナノチューブで形成することが好ましい。これは、発熱物質である炭素ナノチューブ電極２０３の抵抗を大きくすることにより、同じ電流密度でも大きい熱を発生させるための本発明の目的を達成するためである。これに対する詳細な説明は、後述する。
【００５５】
絶縁体２０５は、電流源電極２０１と相変化物質層２０７との間に配列された炭素ナノチューブ電極２０３の外側を取り囲み、熱発生物質である炭素ナノチューブ電極２０３から発生する熱が外部に伝達されるのを抑制する機能を果たす。このような絶縁体２０５は、ＳｉＯ２、Ｓｉ４Ｎ４、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３及びＣｅＯ２からなる群から選択されたいずれか１つで形成される。
【００５６】
相変化物質層２０７は、相変化物質の電気的な導電性の差を利用して情報を格納するメモリ層である。相変化物質は、非結晶及び結晶状態のように、少なくとも２つの異なる状態を有するが、非結晶状態が結晶状態より高い抵抗率を表すため、相変化物質の非結晶及び結晶状態は、互いに区別され得る。したがって、相変化物質層２０７は、炭素ナノチューブ電極２０３から電流が伝達されて電気的に加熱され、相変化物質が結晶相と非結晶相に可逆的に変換されることによって、情報が格納されるのである。
【００５７】
このように構成される本発明の一実施形態に係る相変化メモリは、熱発生物質である炭素ナノチューブ電極２０３と相変化物質層２０７が、炭素ナノチューブ電極２０３の直径と対応する極めて小さな面積で接触されるため、従来の円周長の１次元的な構造で接触された相変化メモリに比べて、接触面積を画期的に減らすことができる。
【００５８】
したがって、本発明の一実施形態に係る相変化メモリは、従来の相変化メモリに比べて集積度を上げることができる色々な特徴を有する。
【００５９】
第１に、本発明の一実施形態に係る相変化メモリは、電流源電極２０１と相変化物質層２０７との間の電流通路としての下部電極を炭素ナノチューブで形成することによって、相変化に必要な動作電流を画期的に減らすことができるという特徴を有する。
【００６０】
すなわち、外部から電流を供給する電流源電極２０１と相変化物質層２０７との間の炭素ナノチューブ電極２０３が直径約１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲の極めて小さな円状の面積を有するため、小さな電流でも大きい電流密度を得ることができる。これにより、従来の集積度の向上に対する障害物となった大きな動作電流を克服することができる。
【００６１】
第２に、本発明の一実施形態に係る相変化メモリは、電流源電極２０１と相変化物質層２０７との間の電流通路としての下部電極を炭素ナノチューブで構成することによって、炭素ナノチューブ自体の高い熱伝導率を利用することができるという特徴を有する。
【００６２】
一般に、炭素ナノチューブの熱伝導率は、ダイアモンドより２倍以上大きく、略６０００（Ｗ／ｍｋ）であることが知られている。このように熱伝導率が高いというのは、炭素ナノチューブから発生した熱が外部に容易に伝達され得ることを意味する。
【００６３】
第３に、本発明の一実施形態に係る相変化メモリは、下部電極である炭素ナノチューブを相変化物質層２０７の周辺に均一に配列することによって、相変化を起こし得る領域を広く拡張させることができるという特徴を有する。
【００６４】
これにより、相変化メモリの閾電圧の余裕を大きくすることになるので、１つの素子に複数ビットを格納することができる多重レベルセル（ＭＬＣ；Ｍｕｌｔｉ  Ｌｅｖｅｌ  Ｃｅｌｌ）技術を適用することができ、相変化メモリの集積度の向上に寄与することができる。
【００６５】
第４に、本発明の一実施形態に係る相変化メモリは、炭素ナノチューブの電気的な性質により熱生成効率が変わるという特徴を有する。
【００６６】
すなわち、炭素ナノチューブの直径と巻かれた方向（カイラリティ；ｃｈｉｒａｌｉｔｙ）により、様々な電気的な性質を示す。
【００６７】
その中で、多層ナノチューブ（ＭＷＮＴ；Ｍｕｌｔｉ  Ｗａｌｌ  Ｎａｎｏ  Ｔｕｂｅ）は、９９％が金属と似た電気的な特性を示すが、低い抵抗により下部電極として用いるのには適していない。
【００６８】
単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ；Ｓｉｎｇｌｅ  Ｗａｌｌ  Ｎａｎｏ  Ｔｕｂｅ）は、細部的に巻かれた方向（カイラリティ；ｃｈｉｒａｌｉｔｙ）に応じて半導体性質を有するナノチューブと、金属性性質を有するナノチューブとに区分できる。そのうち、半導体性質を有する単層ナノチューブを使用することによって、炭素ナノチューブの抵抗を増加させることができ、熱生成効率を増大させることができる。
【００６９】
したがって、上述したように、本発明の一実施形態に係る相変化メモリは、従来の相変化メモリの構造に比べて動作電流を画期的に減らすことができ、１つの素子に複数ビットを格納することができるため、相変化メモリの集積度をさらに向上させることができる。
【００７０】
以下、本発明の一実施形態に係る相変化メモリの製造方法を説明する。
【００７１】
図３Ａ〜図３Ｅは、本発明の一実施形態に係る相変化メモリの製造方法を順次に示す工程図である。
【００７２】
本発明の一実施形態に係る相変化メモリの製造方法は、（ａ）電流源電極上に触媒を配列するステップと、（ｂ）触媒をシードとして垂直方向に成長させることによって、炭素ナノチューブを形成するステップと、（ｃ）電流源電極上に炭素ナノチューブ電極が完全に覆われるように、絶縁体を蒸着させるステップと、（ｄ）絶縁体の表面を研磨するステップと、（ｅ）絶縁体の表面上に相変化物質層を形成するステップとを含む。
【００７３】
最初の（ａ）ステップは、図３Ａに示すように、相変化を誘導するのに必要な外部電流を供給する電流源電極３０１上に複数の炭素ナノチューブを形成する触媒３０２を配列する。
【００７４】
触媒３０２は、Ｆｅ２Ｏ３、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｏのうち、少なくともいずれか１つ以上で形成し、図３Ａに示すように、その大きさや配列などにおいて一定の規則性を有するパターンに形成され得るが、そうでなくても良い。
【００７５】
次の（ｂ）ステップは、図３Ｂに示すように、前のステップで配列された触媒３０２をシードとして垂直方向に炭素ナノチューブを成長させることによって、柱タイプの炭素ナノチューブ電極３０３を形成する。
【００７６】
このとき、炭素ナノチューブ電極３０３は、上述した通り、下部電極の抵抗を大きくして大きい熱を発生させ得るようにするために、大きい抵抗を有する単層ナノチューブで形成する。そして、炭素ナノチューブ電極３０３の直径は、約１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲に形成する。このような直径は、極めて微細なサイズであるため、ほとんど点のように小さな断面積を有するようになる。
【００７７】
次の（ｃ）ステップは、図３Ｃに示すように、電流源電極３０１上に絶縁体３０５を蒸着させるものの、柱タイプの炭素ナノチューブ電極３０３の全体が十分に覆われるように広く蒸着させる。
【００７８】
次の（ｄ）ステップは、図３Ｄに示すように、化学機械的研磨（ＣＭＰ；Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）を使用して、絶縁体３０５の表面を平らに研磨し、炭素ナノチューブ電極３０３を絶縁体３０５の表面に露出させる。
【００７９】
次の（ｅ）ステップは、図３Ｅに示すように、平らに研磨された絶縁体３０５の表面上に相変化物質を蒸着させることにより、炭素ナノチューブ電極３０３と接触するように相変化物質層３０７を形成する。このとき、炭素ナノチューブ電極３０３と相変化物質層３０７との接触面積は、炭素ナノチューブ電極３０３の直径と対応する断面積であって、ほとんど点のように小さな接触面積を有することができる。
【００８０】
このような工程過程により、本発明の一実施形態に係る炭素ナノチューブを利用した下部電極を有する相変化メモリ素子を製造することが可能となる。
【００８１】
＜第２の実施形態＞
【００８２】
図４は、本発明の他の実施形態に係る相変化メモリの構造を示した断面図である。
【００８３】
同図に示すように、本発明の他の実施形態に係る相変化メモリは、相変化を誘導するのに必要な外部電流を供給する電流源電極４０１、電流源電極４０１と側方向に対向する相変化物質層４０７、電流源電極４０１と相変化物質層４０７との間に複数配列し、一方が相変化物質層４０７に伸びてオーバーラップされた炭素ナノチューブ電極４０３、及び電流源電極４０１と相変化物質層４０７との間に炭素ナノチューブ電極４０３の外側を取り囲むように形成されて、炭素ナノチューブ電極４０３から生成される熱が外部に伝達されるのを抑制する絶縁体４０５を備える。
【００８４】
このとき、相変化物質層４０７にオーバーラップされた炭素ナノチューブ電極４０３は、全体長に対して約１／１０〜８／１０の範囲の長さを有することが好ましい。
【００８５】
このように構成される本発明の他の実施形態に係る相変化メモリは、電流源電極４０１と相変化物質層４０７との間の電流通路として機能する炭素ナノチューブ電極４０３を、第１の実施形態のように、相変化物質層４０７と接触させる構造ではなく、相変化物質層４０７にオーバーラップされるように拡張して、炭素ナノチューブ電極４０３が伝達する熱により相変化を起こす相変化物質層４０７の面積を画期的に広めた構造である。
【００８６】
これによって、本発明の他の実施形態に係る相変化メモリは、小さな動作電流でも高い電流密度を維持することができることはもちろん、相変化メモリの閾電圧の余裕が大きく改善されて、１つの素子に複数ビットを格納することができる多重レベルセル（ＭＬＣ；Ｍｕｌｔｉ  Ｌｅｖｅｌ  Ｃｅｌｌ）技術を適用することができる。
【００８７】
上述した構造を有する本発明の他の実施形態に係る相変化メモリの製造方法は、第１の実施形態の製造方法において、絶縁体の表面を研磨するステップ後、絶縁体４０５を選択的にエッチングするステップをさらに含む。
【００８８】
すなわち、（ａ）相変化を誘導するのに必要な外部電流を供給する電流源電極４０１上に、複数の炭素ナノチューブを形成する触媒４０２を配列するステップと、（ｂ）触媒４０２をシードとして垂直方向に炭素ナノチューブを成長させるステップと、（ｃ）電流源電極４０１上に炭素ナノチューブ電極４０３が完全に覆われるように、絶縁体４０５を蒸着させるステップと、（ｄ）蒸着後、炭素ナノチューブ電極４０３が絶縁体４０５の表面に露出するように、絶縁体４０５を研磨するステップと、（ｅ）絶縁体４０５の表面に露出した炭素ナノチューブ電極４０３が突出するように、絶縁体４０５を選択的にエッチングするステップと、（ｆ）絶縁体４０５上に相変化物質層４０７を形成して、突出した炭素ナノチューブ電極４０３を相変化物質層４０７にオーバーラップさせるステップとを含むことにより、本発明の他の実施形態に係る相変化メモリを製造する。
【００８９】
このとき、（ｅ）ステップでは、炭素ナノチューブ電極４０３の突出した部位が相変化物質層４０７にオーバーラップされるため、炭素ナノチューブ電極４０３の突出した部位が全体長に対して約１／１０〜８／１０となるように絶縁体４０５をエッチングする。
【００９０】
以下、説明していない各構成要素及び製造方法に対する細部技術は、上述した第１の実施形態と同様なので、重複する詳細な説明は省略する。
【００９１】
＜第３の実施形態＞
【００９２】
図５は、本発明のさらに他の実施形態に係る相変化メモリの構造を示した断面図である。
【００９３】
同図に示すように、本発明のさらに他の実施形態に係る相変化メモリは、第１の実施形態の構造において炭素ナノチューブの小さな抵抗による低い熱效率を克服するために、大きい抵抗を有する熱生成抵抗層５０９をさらに付加した構造である。
【００９４】
さらに詳細に説明すれば、本発明のさらに他の実施形態に係る相変化メモリは、相変化を誘導するのに必要な外部電流を供給する電流源電極５０１、電流源電極５０１と側方向に対向する相変化物質層５０７、電流源電極５０１と相変化物質層５０７との間に複数配列した炭素ナノチューブ電極５０３、電流源電極５０１と相変化物質層５０７との間に炭素ナノチューブ電極５０３の外側を取り囲むように形成されて、炭素ナノチューブ電極５０３から生成される熱が外部に伝達されるのを抑制する絶縁体５０５、炭素ナノチューブ電極５０３と相変化物質層５０７との間に位置して、炭素ナノチューブ電極５０３と接触する熱生成抵抗層５０９とを備える。
【００９５】
ここで、炭素ナノチューブ電極５０３を電流の移動経路として用いる場合、炭素ナノチューブが成長した方向には電子の散乱がおきないため、炭素ナノチューブ電極５０３は、１０１０Ａ／ｃｍ２の極めて大きい電流の移動通路としても用いることができる。このように、炭素ナノチューブは、極めて大きい電流密度を得るか、あるいは、導通させるのには容易であるが、熱生成物質として用いた場合、炭素ナノチューブの抵抗が小さいため、相変化物質の相変化を起こすのに充分な熱エネルギーが発生しない。
【００９６】
したがって、上述したように大きい抵抗を有する熱生成抵抗層５０９を炭素ナノチューブ電極５０３と相変化物質層５０７との間に薄く蒸着して炭素ナノチューブ電極５０３と接触させると、炭素ナノチューブ電極５０３の高い電流密度が熱生成抵抗層５０９に供給され、熱生成抵抗層５０９の高い抵抗を利用して熱生成効率を上げることができる。
【００９７】
このような熱生成抵抗層５０９は、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｃｒ、及びニクロムからなる群から選択されたいずれか１つで形成される。
【００９８】
上述したような構造を有する本発明の他の実施形態に係る相変化メモリの製造方法は、（ａ）相変化を誘導するのに必要な外部電流を供給する電流源電極５０１上に複数の炭素ナノチューブを形成する触媒５０２を配列するステップと、（ｂ）触媒５０２をシードとして垂直方向に複数の炭素ナノチューブを成長させることによって、炭素ナノチューブ電極５０３を形成するステップと、（ｃ）電流源電極５０１上に炭素ナノチューブ電極５０３が完全に覆われるように、絶縁体５０５を蒸着させるステップと、（ｄ）蒸着後、炭素ナノチューブ電極５０３が絶縁体５０５の表面に露出するように、絶縁体５０５を研磨するステップと、（ｅ）平らに研磨された絶縁体５０５の表面上に、絶縁体５０５の表面に露出した炭素ナノチューブ電極５０３と接触するように、熱生成抵抗層５０９を蒸着させるステップと、（ｆ）熱生成抵抗層５０９上に相変化物質層５０７を形成するステップとを含む。
【００９９】
以下、説明していない各構成要素及び製造方法に対する細部技術は、上述した第１の実施形態と同様なので、重複する詳細な説明は省略する。
【０１００】
一方、本発明で熱発生物質としての炭素ナノチューブの代わりに、シリコンナノ線、ＳｉＧｅナノ線、ＺｎＯナノ線などのような物質に代替し、点状の電気熱線を形成することによって、電流源電極と相変化物質層との間の電流通路を形成することができる。
【０１０１】
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明に係る技術的思想から逸脱しない範囲内で様々な変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に属する。
【符号の説明】
【０１０２】
２０１、３０１、４０１、５０１      電流源電極
３０２、４０２、５０２      触媒
２０３、３０３、４０３、５０３      炭素ナノチューブ電極
２０５、３０５、４０５、５０５      絶縁体
２０７、３０７、４０７、５０７      相変化物質層
５０９      熱生成抵抗層
【図１Ａ】
2010287910.tif 000003
【図１Ｂ】
2010287910.tif 000004
【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
2010287910.tif 000006
【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
2010287910.tif 000009
【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４】
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【図５】
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