(57)【要約】  多重ターミナル論理デバイス。デバイスは、３つ又は３つ以上の電気端子と電気的に接続している結晶質及び非晶質状態を有する相変化材料を含む。相変化材料は、印加された電気的エネルギに応じて、非晶質状態と結晶質状態との間の可逆的変換を受けることが可能であり、この場合、非晶質状態及び結晶質状態は、測定可能な相異なる電気抵抗を示す。１組の端子間に印加される電流パルスまたは電圧パルスの形態の電気的エネルギは、構造状態及び端子間の測定電気抵抗に影響を及ぼす。本発明のデバイスにおいては、独立した入力信号が、異なる組み合わせの端子間に供給され、出力は、また別の組み合わせの端子間の抵抗として測定される。論理機能性は、印加された入力信号と、測定された出力抵抗の関係によって実現され、この場合、関係は、構造状態と、相変化材料の電気的抵抗とに対する入力信号の影響によって決まる。論理値は、相変化材料の結晶質状態及び非晶質状態と、または、１組の端子間の測定抵抗値と関連付けることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相変化材料と、
前記相変化材料と電気的に接続する第１の端子と、
前記相変化材料と電気的に接続する第２の端子と、
前記相変化材料と電気的に接続する第３の端子と、
を含み、前記第１の端子と第２の端子との間で測定した電気抵抗が、前記第１の端子と第３の端子との間で測定した電気抵抗と異なる、電子デバイス。
【請求項２】
前記相変化材料がカルコゲニド材料である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記相変化材料は、結晶相と非晶相との間で可逆的に転移可能であり、前記結晶相及び前記非晶相が異なる電気的抵抗を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記相変化材料が、Ｓ、ＳｅまたはＴｅを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記相変化材料が、ＧｅまたはＳｂをさらに含む、請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
前記相変化材料が、ＡｓまたはＳｉをさらに含む、請求項４に記載のデバイス。
【請求項７】
前記相変化材料が、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｐ及びＯからなる群から選択される元素をさらに含む、請求項４に記載のデバイス。
【請求項８】
前記測定した電気抵抗の差が少なくとも２倍である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記測定した電気抵抗の差が少なくとも一桁違いである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記第１の端子と第２の端子との間の測定電気抵抗値が、前記第２の端子と第３の端子との間で測定した電気抵抗値と異なる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記デバイスが論理素子である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記論理素子がＯＲ素子である、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記論理素子がＡＮＤ素子である、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記相変化材料が、結晶質領域と非晶質領域とを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記相変化材料が、前記端子のうちの１つを抵抗遮蔽する非晶質領域を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記抵抗遮蔽する非晶質領域が、前記抵抗遮蔽された端子と物理的に接触している、請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記抵抗遮蔽する非晶質領域が、前記抵抗遮蔽された端子を実質的に覆う、請求項１６に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記相変化材料が、前記端子の少なくとも１つの組み合わせ間に連続的な結晶質経路を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１９】
相変化材料と、前記相変化材料と電気的に接続する3つ又は３つ以上の端子とを備える電子デバイスを作動させる方法であって、
前記デバイスの前記端子の第１の組み合わせ間に第１の信号を印加するステップと、
前記デバイスの前記端子の第２の組み合わせ間に第２の信号を印加するステップと、
を含む方法。
【請求項２０】
前記第１及び第２の信号のうちの一方が、非晶質化信号である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記非晶質化信号が、抵抗遮蔽する非晶質領域を形成する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１及び第２の信号のうちの一方が、結晶化信号である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記結晶化信号が抵抗遮蔽する非晶質領域を除去する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１及び第２の信号が電気信号である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
前記電気信号が電流パルスである、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１の信号が、前記第１の組み合わせの端子間で測定した抵抗値を変える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２７】
前記第１の信号が、前記第２の組み合わせの端子間で測定した抵抗値を実質的に変化させない、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記第２の信号が、前記第２の組み合わせの端子間で測定した抵抗値を変える、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
第３のペアの端子間の抵抗を測定するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項３０】
前記第３のペアの端子間の電流を測定するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願情報）
この出願は、その開示を本願明細書に引用する、２００３年３月１０日に出願された、「多重ターミナル・カルコゲニド・スイッチング・デバイス（Ｍｕｌｔｉ−Ｔｅｒｍｉｎａｌ  Ｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓ）」というタイトルの米国特許出願第１０／３８４，９９４号の一部継続出願であり、その開示を本願明細書に引用する、２００３年４月３０日に出願された、「電界効果カルコゲニド・デバイス（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ  Ｄｅｖｉｃｅｓ）」というタイトルの米国特許出願第１０／４２６，３２１号の一部継続出願であり、また、その開示を本願明細書に引用する、９月８日に出願された、「多重ビット・カルコゲニド・記憶デバイス（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｂｉｔ  Ｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ  Ｓｔｏｒａｇｅ  Ｄｅｖｉｃｅ）」というタイトルの米国特許出願第１０／６５７，２８５号の一部継続出願である。
【０００２】
この発明は、情報の処理に有用な電子デバイスに関する。より具体的には、この発明は、適切な入力信号の印加によって実現される、相変化材料の結晶相及び非晶相の相対的比率を制御することによる論理機能性を有する電子デバイスに関する。さらに具体的には、この発明は、入力信号と測定した出力抵抗との関係が、論理関数の真理値表に一致するように、端子の異なる組み合わせの両端への入力信号の印加が、カルコゲニド材料の構造状態及び抵抗を変える、３つ以上の端子を有するカルコゲニド・デバイスに関する。
【背景技術】
【０００３】
新しい演算アプリケーション及びより高度化された演算アプリケーションの要求を満たすために、コンピュータの性能を向上させることが常に必要である。パターン分類、パターンの関連付け、連想メモリ機能、音声及び文字認識などのアプリケーションは、人や他の生物が容易かつ直感的に実行できる他の多くのタスクと同じように、現在のコンピュータによる解決または実現が概して困難な現状である。
【０００４】
情報工学の限界を拡げたいという願望は、現在のコンピュータの限界の要因の研究を促した。シリコンは、今日のコンピュータの中心部である。長年にわたる演算能力及び演算速度の進歩は、概して、シリコンの基本特性を良く理解しその特性を実用に活用することの結果であった。初期の進歩は、シリコンを材料として、トランジスタやダイオード等の基本的な電子コンポーネントを形成することに基礎を置いており、その後の進歩は、集積回路の開発によってもたらされた。最近の進歩は、それらの趨勢の継続を示しており、現在は、微細化及び非常に多くの微小電子デバイスの単一のチップ上での集積化に重点を置いている。より小さなデバイスは、高記憶密度、より高度な集積回路、および同じチップ上の素子間の相互作用の時間の低減につながる。
【０００５】
将来の演算能力及び機能性の改良は、現在のところ、シリコン技術のさらなる向上に基づいているため、シリコンをベースとする電子デバイスの微細化がどれほど継続するかについての予測に関する多くの議論がなされてきている。コンピュータ産業においてはシリコンの性能限界に急速に近づいていると言う考えがますます受け入れられるようになっている。今日の製造技術における特徴寸法は、０．１８ミクロンであり、将来、これを０．１０ミクロン程度まで低減することができると予想されている。しかし、約０．１０ミクロン以下の寸法は、シリコンの基本的な性質の変化を起こすため、特徴寸法のさらなる減少には、問題があると考えられる。より具体的には、シリコンデバイスの寸法が数十ナノメータ以下まで減少すると、シリコンは、量子力学の領域の性質に入り、もはや巨視的物体を支配する古典物理学に従って機能しない。量子力学の領域においては、エネルギ状態は、連続的ではなく量子化され、トンネル現象等の現象は、多くのデバイスの全域に電子の非局在化を引き起こす。トンネル現象の結果は、電子が一つのデバイスから隣接するデバイスへ逃げるような電流の漏れや、一つのデバイスの状態が隣接するデバイスの状態に影響を及ぼすような個々のデバイス独立性の損失を含む。シリコンの性質の根本的な変化に加えて、シリコンデバイスの寸法のこれ以上の減少もまた技術上の困難な問題を提起する。フォトリソグラフィ等の製造方法の新らしくまた高価な改新が、より小さな特徴寸法を実現するのに必要になる。
【０００６】
コンピュータの性能を向上させる１つの方法は、データ処理および／または記憶用途において能動媒体として用いることのできる、シリコン以外の材料を同定することである。そのような別の演算媒体は、シリコンとは独立に、あるいは、シリコンと共に用いて、シリコンによって可能な従来技術に比べてより良好な性能及びより便利な製造法の達成を追求する新たなコンピュータ業界の基礎を形成することができる可能性がある。
【０００７】
本発明者等は、最近、カルコゲニド相変化物質を、データの処理及び記憶のための能動材料として用いることを提案した。その開示を本願明細書に引用する米国特許出願第１０／１４４，３１９号（‘３１９出願）の明細書において、Ｏｖｓｈｉｎｓｋｙ等は、コンピュータ用途における相変化材料の作動原理について記載している。相変化材料は、従来のシリコン製コンピュータの特徴である２進法モード特性で作動するだけでなく、データの非２進法情報記憶および処理のための機会も提供することができる。非２進法情報記憶は、高い情報記憶密度を実現でき、非２進法処理は、演算のさらなる並列性を実現できる。また、‘３１９出願は、加算、減算、乗算及び除算等の数学演算のために非２進法演算媒体を用いる典型的なアルゴリズムについて説明している。さらに、その開示を本願明細書に引用する、Ｏｖｓｈｉｎｓｋｙ等の米国特許出願第１０／１５５，５２７号（‘５２７出願）の明細書は、因数分解、合同方程式演算及び並列演算を含む、相変化演算媒体に基づく数学演算について説明している。
【０００８】
その開示を本願明細書に引用する、米国特許出願第１０／１８９，７４９号(‘７４９出願)明細書において、Ｏｖｓｈｉｎｓｋｙは、相変化材料を能動演算媒体として用いるデバイスに基づいて、コンピュータシステムの構成を検討している。より具体的には、Ｏｖｓｈｉｎｓｋｙは、相変化演算デバイスからなるネットワークを考えて、生物学的な神経回路網にほぼ匹敵する機能性を実証している。この機能性の重要な特徴は、様々な情報源からの入力信号に対する相変化演算デバイスの累積応答、入力信号に重み付けする能力、及び生体ニューロンの発射を模倣する安定で再現可能な物質変換を含む。この機能性は、学習、適応能力及び柔軟性を特徴とするインテリジェント・コンピューティングにおける新しい構想を可能にする。
【０００９】
その開示を本願明細書に引用する、米国特許出願第１０／３８４，９９４号（‘９９４出願）の明細書、同第１０／４２６，３２１号（‘３２１出願）の明細書及び１０／６５７，２８５号（‘２８５出願）の明細書において、Ｏｖｓｈｉｎｓｋｙ等は、別な演算及び記憶装置を検討することにより、相変化演算の概念をさらに発展させている。‘９９４出願は、１つの電気端子に供給される制御信号が、キャリヤの注入によって他の電気端子間に伝達される電流、臨界値電圧または信号を変調するマルチターミナル相変化デバイスについて論じている。‘３２１出願は、他の端子間に伝達される電流、臨界値電圧または信号を変調する電界効果端子を用いる関連する多重ターミナル・デバイスについて記述している。‘９９４出願及び‘３２１出願に記載されたデバイスは、シリコンをベースとするコンピュータには不可欠なトランジスタの機能性と同様の機能性を実現できるように構成することができる。‘２８５出願は、相変化材料を用いる多数の端子を有する多重ビットの記憶デバイスを紹介している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
Ｏｖｓｈｉｎｓｋｙ等による上記の研究は、全体的にまたは部分的に、カルコゲニド材料または他の相変化材料に基づく演算パラダイムを可能にする構想、演算原理及びいくつかの基本デバイスを提供する。実現性のある補足物としての、または、シリコンをベースとする技術の代替としてのカルコゲニド演算の実現を促進するためには、カルコゲニド相変化物質から作ることができるデバイス及び機能性の範囲を拡げることが好ましい。最も関心のあるものは、処理、貯蔵または記憶、及び論理機能が可能なデバイス及びシステムである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、相変化材料に基づく論理機能性を有する電子デバイス及びデバイスを作動させる方法を提供する。本発明のデバイスは、相変化材料と電気的に接続している３つ又は3つ以上の電気端子と共に、作動物質としての相変化物質を含む。相変化材料は、結晶状態、部分的結晶状態及び非晶質状態を含む複数の構造状態の間で可逆的変換が可能であり、かつ数桁の範囲で変化することが出来る電気抵抗を示す。論理機能性は、３つ又は３つ以上の端子の予め選定された対の間の抵抗のパターンが、論理関数の真理値表に一致するように、入力信号を電気端子に印加して、相変化材料の特定部分を、所望の抵抗を有する所定の構造状態を
本発明の一実施形態においては、ＡＮＤ素子が提供される。
【００１２】
本発明の別の実施形態においては、ＯＲ素子が提供される。
【００１３】
本発明のより良好な理解のために、本発明の他の及び別の目的と共に、以下の説明を添付図面及びクレームと併せて行う。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、一般に、非シリコンベースの演算技術における論理素子またはデバイス、及び非シリコンベースのデバイスをプログラミングまたは作動させて論理機能性を実現する方法を提供する。デバイス及び素子は、相変化材料と、相変化材料と電気的に接続する３つ又は３つ以上の電気端子とを含む。１つ又は１つ以上の電気端子へのまたは端子両端への電気的信号の印加は、相変化材料の抵抗を、以下に説明するような論理機能性のための基準を形成する端子の異なる対の間で電気的抵抗が変化または異なるように、全体的にまたは部分的にプログラムする。
【００１５】
本願の論理デバイスでの使用に適した相変化材料は、２つ又は２つ以上の検出可能な異なる構造状態の間で転移することが可能な物質である。異なる構造状態は、例えば、結晶構造、原子配列、秩序状態または無秩序状態、部分結晶性、２つ又は２つ以上の異なる構造状態の相対的比率、物理的（例えば、電気的、光学的、磁気的、機械的）または化学的特性等に基づいて識別することができる。好ましい実施形態において、構造状態の間の転移は、転移した物質の元の状態を構造転移の後に元の状態に戻すことができるように可逆性である。
【００１６】
好ましい実施形態において、カルコゲニド材料は、本発明において、上記相変化材料として用いられている。カルコゲニド材料は、以前から、光学的または電気的記憶装置及びスイッチング用途に用いられてきており、そのいくつかの典型的な組成及び特性は、それらの開示を本願明細書に引用する、米国特許第５，５４３，７３７号の明細書、同第５，６９４，１４６号の明細書、同第５，７５７，４４６号の明細書、同第５，１６６，７５８号の明細書、同第５，２９６，７１６号の明細書、同第５，５３４，７１１号の明細書、同第５，５３６，９４７号の明細書、同第５，５９６，５２２号の明細書及び同第６，０８７，６７４号の明細書、ならびに、それらの開示を本願明細書に引用する、Ｓ．Ｒ．Ｏｖｓｈｉｎｓｋｙによる“Ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ  ｉｎ  Ｄｉｓｏｒｄｅｒｅｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ”（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．２１，ｐ．１４５０〜１４５３（１９６９年））、Ｓ．Ｒ．Ｏｖｓｈｉｎｓｋｙ及びＨ．Ｆｒｉｔｚｓｃｈｅによる“Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ  ｆｏｒ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ，Ｍｅｍｏｒｙ，ａｎｄ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”（電子デバイスに関するＩＥＥＥの報告書、ｖｏｌ．ＥＤ−２０，ｐ．９１〜１０５（１９７３年））を含むいくつかの学術論文で論じられている。相変化材料に関する一般的な特徴及びコメントは、以下の記述において本発明との関連で見られる。
【００１７】
本発明での用途に適した典型的なカルコゲニド材料は、周期表の第６列（カルコゲン元素）からの１つ以上の元素と、場合により、第３、４または５列からの１つ以上の化学変性剤とを含む物質である。Ｓ、Ｓｅ及びＴｅのうちの１つ又は1つ以上は、本発明の記憶装置のカルコゲニド・データ記憶材料に含まれる最も一般的なカルコゲン元素である。適当な変性剤は、Ａｓ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｌ、Ｓｂ、Ｉｎ及びＢｉ等の３価または４価の変性元素のうちの１つ又は１つ以上を含む。また、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ａｇ及びＣｄ等の遷移金属も変性剤として用いることができる。好ましいカルコゲニド組成は、１つ又は１つ以上のカルコゲニド元素と共に、１つ又は１つ以上の３価または４価の変性剤および／または１つ又は1つ以上の遷移金属変性剤を含む。Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５等のＧｅ、Ｓｂ、および／またはＴｅを含む物質は、本発明によるカルコゲニド材料の例である。
【００１８】
カルコゲン元素は、２価結合及び孤立電子対の存在を特徴とする。２価結合は、カルコゲン元素を結合してカルコゲニド材料を形成したときに、鎖及びリング構造の生成を生じ、孤立電子対は、スイッチング用途における導電性フィラメントを形成する電子の供給源を形成する。導電性フィラメントは、異なる構造状態の間で生じる相変化を促進するのに寄与しまたは役に立つ可能性がある。３価、４価または遷移金属の変性剤は、カルコゲン元素の鎖及びリング構造に入ることができ、分岐及び架橋結合のためのポイントを形成することができる。カルコゲニド材料の構造的剛性は、架橋結合の程度に依存し、また、結晶化または他の構造変換あるいは転移を発生する能力に影響を及ぼす。
【００１９】
本発明と関連するカルコゲニド材料の重要な特徴は、２つ又は２つ以上の構造状態の間で可逆相変化をおこす能力である。カルコゲニド材料は、結晶状態、１つまたは１つ以上の部分結晶状態及び非晶質状態を含む構造状態を有する。結晶状態は、単一の結晶状態または多結晶状態であってもよい。本願明細書において用いる場合、部分結晶状態とは、非晶質部分と結晶質部分とを含むカルコゲニド材料全体の構造状態を指す。好ましくは、相変化材料においてその複数の部分結晶状態が、非晶質部分と結晶質部分との相対的比率に基づいて識別することができる相変化材料のように存在する。部分結晶化率は、カルコゲニド相変化材料の構造状態を特徴付ける１つの方法である。結晶状態の部分結晶化率は１００％であり、非晶質状態の部分結晶化率は０％であり、部分結晶状態は、０％（非晶質限界）〜１００％（結晶質限界）の間で連続的に変化する部分結晶化率を有する。従って、相変化カルコゲニド材料は、０％〜１００％の部分結晶化率の間で包含的に変化する複数の構造状態の間で可逆的に変換することができる。
【００２０】
様々な部分結晶化率を有する構造状態の間で構造転移を行うカルコゲニド材料の能力及びその容易さは、カルコゲニド材料の組成及び構造特性に依存する。より高度に架橋したカルコゲニド材料は、構造的により強く、また一般に、高濃度の変性剤を含む。より高度に架橋したカルコゲニド材料は、結晶相の核を生成しそれを成長させるのに必要な原子再配列が、構造の剛性により抑制されるため、結晶化するのがより困難である。より軽度に架橋したカルコゲニド材料は、完全なまたは部分的な結晶化をより容易に行う。
【００２１】
カルコゲニド材料の構造状態の間での転移は、カルコゲニド材料にエネルギを与えることにより誘発される。様々な形態のエネルギが、カルコゲニド材料の部分結晶化率に影響を及ぼすことができ、そのため構造転移を誘発することができる。エネルギの適当な形態は、電気的エネルギ、熱エネルギ、光エネルギ、またはカルコゲニド材料に電気的、熱的または光学的効果を誘発するエネルギの他の形態（例えば、粒子ビームエネルギ）、あるいは、上記のエネルギの形態の組合せを含む。部分結晶化率の連続的な及び可逆的な変化は、カルコゲニド材料のエネルギ環境を制御することによって実現される。結晶状態は、部分結晶または非晶質状態に変換することができ、部分結晶状態は、結晶または非晶質状態に変換することができ、非晶質状態は、カルコゲニド材料のエネルギ環境の正しい制御によって、部分結晶または結晶状態に変換することができる。構造転移を誘発するための熱的、電気的及び光学的エネルギの使用に関連するいくつかの考察を、以下の議論で示す。
【００２２】
構造変換を誘発するための熱エネルギの使用は、結晶質から非晶質への、あるいは非晶質から結晶質への相転移に関する熱力学及び反応速度論を利用している。非晶相は、例えば、カルコゲニド材料を部分結晶状態または結晶状態からその溶融温度以上に加熱し、結晶相の生成を抑えるのに十分な速度で冷却することにより、形成することができる。結晶相は、例えば、カルコゲニド材料を非晶質または部分結晶状態から十分な時間、結晶化温度以上に加熱して、結晶構造領域の生成および／または成長を実現することにより、形成することができる。結晶化温度は、溶融温度以下であり、結晶化が起きる可能性がある最小温度に相当する。結晶化の推進力は、典型的な熱力学的なものであって、結晶状態または部分結晶状態の自由エネルギが非晶質状態の自由エネルギよりも低いために、部分結晶化率が増加するにつれて、カルコゲニド材料の全体のエネルギが減少する。部分結晶状態における結晶状態または結晶質領域の形成（核生成及び成長）は、反応速度論的には抑制されているので、その結果、融点以下で加熱すると、結晶相または結晶質領域を形成するのに必要な原子の再配列を容易にするエネルギを供給することになり、結晶化が促進される。部分結晶状態の部分結晶化率は、結晶状態または部分結晶状態の加熱の温度または時間を制御することにより、あるいは、非晶質または部分結晶状態の冷却の温度または速度を制御することにより、制御することができる。
【００２３】
構造転移を誘発するための電気的エネルギの適用は、カルコゲニド材料への電気的（電流または電圧）パルスの印加により達成される。電気的に誘発される構造転移のメカニズム機構は電子的なものであるが、場合により熱的機構が付随しまたは結果として生として寄与する。カルコゲニド材料に印加される電気的パルスの大きさおよび／または継続時間を制御することにより、部分結晶化率を連続的に変化させることが可能である。カルコゲニド材料構造への電気的エネルギの影響は、カルコゲニド材料に与えられる電気的エネルギの量、または、カルコゲニド材料に印加される電流または電圧パルスの大きさに伴うカルコゲニド材料の電気的抵抗の変動として記述されることが多い。電気的エネルギまたは電流パルスの大きさ（エネルギ／電流）の関数としてのカルコゲニド材料の電気的抵抗（Ｒ）の典型的な挙動を本願明細書において図１に示す。図１は、電気的エネルギまたは電流パルスの大きさに対する、カルコゲニド材料の電気的抵抗の変化を示し、一般に、抵抗プロットと呼ばれる。
【００２４】
抵抗プロットは、カルコゲニド材料対電気的エネルギの２つの特徴的な反応領域を含む。その領域は、図１に示す垂直方向の破線１０によって近似的に区分されている。線１０の左側の領域は、カルコゲニド材料の累積領域と呼ぶことができる。累積領域は、電気的エネルギの増加と共にほぼ一定又は僅かに変化し、あるエネルギ臨界値を超えると抵抗の急激な低下に至る挙動によって識別される。従って、累積領域は、抵抗プロットの左端の点２０から、抵抗の変動が小さいかまたは漸次的である範囲に対応するプラトー領域（総括して３０で示す）を経て、電気的抵抗の急激な低下へと続くセットポイント即ち状態４０まで、エネルギの増大する方向に伸びている。プラトー領域３０は、水平であるか、または緩やかに傾斜している。抵抗プロットの左側は累積領域と呼ばれるが、それはカルコゲニド材料の構造状態が、エネルギが印加されるにつれて、エネルギの全累積量と関連しつつ、構造状態の部分結晶化率と共に連続的に進展するからである。左端の点２０は、累積領域において最低の部分結晶化率を有する構造状態に対応する。この状態は、完全な非晶質であるかあるいは、ある程度の初期結晶質成分を含む。エネルギが付加されるにつれて、部分結晶化率は増加し、カルコゲニド材料は、プラトー領域３０に沿って、複数の部分結晶状態を経過して増大するエネルギの方向に転移する。特に選んだ蓄積状態（累積領域における構造状態）は、図１に四角で表してある。臨界値量のエネルギが蓄積すると、カルコゲニド材料の部分結晶化率は増加して、電気的抵抗の急激な低下及びセット点状態４０の安定化によって特徴付けられるセッテイング転移を引き起こすのに十分になる。累積領域の構造状態は、カルコゲニド材料の蓄積状態と呼ぶことができる。累積領域の構造転移は、プラトー領域３０内においてエネルギの増大する方向に進むという意味において、また、カルコゲニド材料をまず、セットポイント４０を通り越させた後、例えば、‘５２７出願や‘７４９出願に記載されているようにリセットすることによってのみ可逆的でありうるという意味において、単一方向性である。
【００２５】
理論によって制限されることを望むわけではないが、本発明者等は、上記累積領域においてカルコゲニド材料にエネルギを加えることは、新たな結晶質領域の核生成、現存する結晶質領域の成長、またはそれらの組合せを介して部分結晶化率の増加につながると考えている。電気抵抗が、部分結晶化率の増加にもかかわらず、プラトー領域３０に沿って僅かしか変化しないのは、結晶質領域が互いに隔離された状態で生成又は成長して、カルコゲニド材料全体にわたる連続的な結晶質ネットワークの形成を防たげているからと考えられる。この種の結晶化は、広域的未結合結晶化（ｓｕｂ−ｐｅｒｃｏｌａｔｉｏｎ）と呼ぶことができる。セッテイング転移は、カルコゲニド材料内の連続した相互に接続された結晶のネットワークが形成される広域的結合臨界値と一致する。このようなネットワークは、例えば、結晶質領域のサイズが大きくなって、隣接する領域と接触するまたは重なり合う場合に、形成することが出来る。カルコゲニド材料の結晶質相は、非晶質相よりも導電性が良く抵抗が小さいため、広域的結合臨界値は、カルコゲニド材料を貫通する連続した低い抵抗導電性経路の形成に対応する。その結果として、広域的結合臨界値では、カルコゲニド材料の抵抗の劇的な低下を伴うことを特徴とする。上記累積領域の左端の点は、非晶質状態または連続した結晶質ネットワークを持たない部分結晶質状態である。広域的未結合結晶化は、最初の非晶質または部分結晶質状態から出発し、結晶化率が次第に高くなって行く複数の部分結晶質状態を経て、広域的結合臨界値及びセッテイング転移が生じるまで進行する。累積領域におけるカルコゲニド材料の挙動についてのさらなる考察は、‘３１９、‘５２７及び‘７４９出願及び米国特許第５，９１２，８３９号及び同第６，１４１，２４１号の明細書に記載されており、これらの開示を本願明細書に引用する。
【００２６】
図１の線１０の右側の領域は、グレー・スケール領域またはグレー・スケール型と呼ぶことができる。グレー・スケール領域は、セット点の状態４０から複数の中間状態（総括して５０で示す）を経てリセット点または状態６０まで伸びている。グレー・スケール領域内の様々な点は、カルコゲニド材料のグレー・スケール状態と呼ぶことができる。選択されたグレー・スケール状態は、図１の丸点で表示されている。グレー・スケール領域における構造転移は、電流または電圧パルスをカルコゲニド材料に印加することによって誘発することができる。図１には、電流パルスが示されている。グレー・スケール領域において、カルコゲニド材料の抵抗は、印加された電気パルスの大きさに伴って変化する。グレースケール領域における特定の状態の抵抗は、カルコゲニド材料の構造状態の特性であり、カルコゲニド材料の構造状態は、グレースケール領域に印加された電流パルスの大きさによって決定される。カルコゲニド材料の部分結晶化率は、電流パルスが増加するにつれて、減少する。部分結晶化率は、セットポイント４０またはセットポイント４０の近傍におけるグレー・スケール状態において最高になり、リセット状態６０に近づくにつれて減少する。カルコゲニド材料は、セット状態４０で連続した結晶質ネットワークを有する構造状態から、リセット状態６０において非晶質、または実質的に非晶質、又は連続した結晶質ネットワークを有しない部分結晶質である構造状態へ転移する。電流パルスの大きさを次第に増大させて印加すると、結晶質ネットワークの部分を非晶相に転移させるという効果があり、カルコゲニド材料内の連続した高導電性の結晶質経路の妨害または中断へと導く。その結果として、印加された電流パルスがグレー・スケール領域内で増加するにつれてカルコゲニド材料の抵抗は増加する。
【００２７】
累積領域とは対照的に、上記グレー・スケール領域内で起きる構造転移は、可逆的であり、かつ双方向性である。カルコゲニド材料の電流パルスに対する反応は、電流パルスが印加されたときのカルコゲニド材料の初期状態を誘発した電流パルスの大きさに対する相対的な電流パルスの大きさによって決まる。上述したように、グレー・スケール領域内での各状態は、それらの抵抗と電流パルスの大きさによって識別することができ、この場合、その大きさの電流パルスの印加は、部分結晶化率の変化を誘発してその状態における特定の抵抗値を生じさせる。引き続く電流パルスの印加は、カルコゲニド材料の初期状態の部分結晶化率と比して相対的に部分結晶化率を増加させたり又は減少させることができる。引き続く電流パルスが初期状態を確立するのに用いられたパルスよりも大きなものである場合には、カルコゲニド材料の部分結晶化率は低下し、構造状態は、初期状態からリセット状態に向かってグレー・スケール抵抗曲線に沿って転移する。同様に、引き続く電流パルスが、初期状態を確立するのに用いられるパルスよりも小さなものである場合には、カルコゲニド材料の部分結晶化率は増加し、構造状態は、初期状態からセット点に向かってグレー・スケール抵抗曲線に沿って転移する。グレー・スケール領域内でのカルコゲニド材料の特性のさらなる考察は、例えば、米国特許第５，２９６，７１６号の明細書及び同第５，４１４，２７１号の明細書に見出すことができ、それらの開示を本願明細書に引用する。
【００２８】
本発明によるデバイス構造の一実施例を図２に示す。図２は、３端子デバイス構造の断面図を示す。３端子には、Ｔ（１）、Ｔ（２）及びＴ（３）という符号が付けられている。これら複数のデバイスが、６″シリコン・ウェーハ上に形成される。ウェーハ上のデバイス及び層は、従来のスパッタリング、化学蒸着、エッチング及びリソグラフィ技術を用いて形成した。構造は、シリコン・ウェーハ基板３１０と、熱酸化物層３２０と、ＴｉＷから、またはＴｉとＴｉＮとの組合せから形成された導電性層３４０とカーボン隔膜層３５０とを含む底部端子３３０と、ＳｉＯｘ／ＳｉＮｘ絶縁領域３６０と、ＴｉＷから形成された中間端子３７０と、カルコゲニド材料が充填された空孔３８０と、カーボン隔膜層４００とＴｉ及びＴｉＮを含む導電性層４１０とを含む上部端子３９０と、Ａｌ層４２０とを含む。この実施例においては、カルコゲニド材料３８０は、近似的な組成Ｇｅ２Ｔｅ２Ｓｂ５を有し、図２において、ＧＳＴという符号が付けられている。隔膜層は、カルコゲニド領域内への物質の拡散及びエレクトロマイグレーションを阻止し、デバイスの寿命を改善する。典型的な層の厚さは、次の通りである。導電層３４０（１００ｎｍ）、隔膜層３５０（３０ｎｍ）、中間端子３７０（１０〜４０ｎｍ）、隔膜層４００（１００ｎｍ）及び導電層４１０（１００ｎｍ）。この実施例のデバイスにおいて、カルコゲニド材料によって占められている孔領域は、約０．１ミクロンの高さ及び約１ミクロンの直径を有する円筒形である。端子３３０、３７０及び３９０は、カルコゲニドと電気的に接続している。中間端子３７０は、カルコゲニド材料３８０を囲んでいる。これらの端子は、端子間の電気伝導がカルコゲニド材料を介して行われるように、絶縁材によって隔離されている。
【００２９】
本発明による３端子デバイスの中心部の概略図を図３に示す。デバイスは、上部電気端子２４０と接触しているカルコゲニド材料が充填された空孔２０５と、底部電気端子２５０と、中間電気端子２６０とを含む。絶縁体または誘電体２７０は、電気端子２４０、２５０及び２６０を隔離している。空孔の形状は、円筒形または非円筒形状であってもよい。空孔２０５が円筒形の場合、中間端子２６０の形状は、好ましくは環状である。孔２０５が非円筒形状の場合には、中間端子２６０の形状は、好ましくは周囲をとりまく形状である。
【００３０】
図３のデバイスにおける３端子の存在は、空孔内のカルコゲニド材料２１０又はその一部分の構造状態を制御する際の柔軟性及び選択性を可能にする。１組の端子間に適当な電気信号（例えば、電流パルス、電圧パルス）を印加すると、これらの端子の近傍で、カルコゲニド材料の構造状態に影響を及ぼし、それによって、これらの端子間の抵抗に影響を及ぼす。有用な構造状態は、蓄積状態またはグレー・スケール状態あるいはそれらの組合せから選択することができる。デバイスは、３つの端子を含むため、また、３つの端子から選択された端子のいずれかの組を介して電気的エネルギを供給することにより、カルコゲニド材料の構造転移を起こすことが出来るために、３端子デバイスは、カルコゲニド材料の構造状態または抵抗の変換する多数の選択肢を実現でき、また、デバイスの空孔２０５内のカルコゲニド材料の全ての領域または選択された領域に影響を及ぼすことを可能にする。
【００３１】
‘２８５出願には、異なる端子の組への電気信号の印加が、空孔内のカルコゲニド材料の異なる部分における構造転移を実現する３端子多重ビット・カルコゲニド・記憶デバイスが記載されている。‘２８５出願の多重ビット・記憶デバイスにおいては、端子の選択が、カルコゲニド材料からなる連続した材料容積内の特定かつ異なる部分の選択的プログラミングを可能にし、この場合、各選択的にプログラムされた部分は、端子の特定の組み合わせの影響を受け、単一の２進法または非２進法ビットの記憶を可能にする。異なる構造状態は、異なる情報内容として解読され、例えば、カルコゲニド材料の部分結晶化率によって特徴付けることができ、この場合、１つの空孔の１つの部分または領域における部分結晶化率は、１つの空孔の他の部分または領域における部分結晶化率と異ならせることが出来る。
【００３２】
本出願の論理デバイスにおいては、端子の特定の組み合わせは、空孔内のカルコゲニド材料の特定の領域または部分の構造状態にも影響を及ぼす。しかし、本発明の論理デバイスにおいては、空孔内の別々にプログラム可能な領域における部分結晶化率自体は、デバイスの作動、性能または機能を決めるのに必要なものではない。一般的により重要なことは、カルコゲニド材料の抵抗、より具体的には、端子の特定の組み合わせ間で測定したカルコゲニド材料の抵抗である。以下により十分に説明するように、端子の異なる組の間で測定した相対抵抗、及びデバイス内の端子の異なる組のセット間で測定した抵抗のパターンは、論理機能性を実現するのに用いることができる。
【００３３】
電気端子の組み合わせ間の測定抵抗は、上記カルコゲニド材料の抵抗に依存するだけではなく、カルコゲニド材料内の結晶質及び非晶質領域の配列または空間的分布、また組み合わせの一方または両方の端子のサイズ、及び端子間に印加される信号の影響を受けるカルコゲニド材料の体積内でその端子の位置がどこであるかにも依存する。上述したように、カルコゲニド相変化材料の結晶相は、非晶質相よりも低い抵抗を有する。従って、１組の端子間の測定した抵抗は、抵抗測定時に端子間を電流が流れる際に、結晶質領域のみを電流が流れることが可能な場合、より低くなる。抵抗測定時に一方の端子から他方の端子へ流れるときの電流が伝わる経路は、本願明細書において、電流導通経路、電流導通の経路、電流の流れの経路、電流路、電流経路等と呼ぶことができる。１組の電気端子間の測定抵抗は、電流路に沿ったカルコゲニド材料の抵抗に依存する。電流路は、必ずしも空孔の全体積または断面に及ぶ必要はないため、端子間の測定抵抗は、空孔内に配置されるカルコゲニド材料の抵抗とは異なることがある。
【００３４】
抵抗測定時の一方の端子から他方への電流径路は、一方の端子で始まって他方の端子で終わる連続的な経路に沿って伸びる。電流経路は、端子を接続する直線路であってもなくてもよい。また、遠回りのまたは分岐した電流経路も可能である。電流の流れは、低い電気抵抗の方向に沿って優先的に流れ、また、電流の大きさおよび／または密度の可能な範囲内で、電流は、材料の低い抵抗領域を通って流れると共に、高い抵抗領域を避ける。従って、結晶質及び非晶質領域を含む相変化材料においては、電流の流れは、結晶質領域に沿って優先的に流れる。抵抗測定時に、一方の端子から他方の端子へ伸びる連続的な結晶質経路が使用可能な場合、電流の流れは、この経路を通って優先的に流れるが、非晶質領域には電流はほとんど流れないか、または全く流れない。このような状況がある場合、端子間の測定抵抗は、たとえ非晶質領域が存在していても、相変化材料の結晶質状態の抵抗にほぼ一致することになる。連続的な結晶質経路がない場合、または、電流または電流密度の大きさが、結晶質経路を飽和させるほどに十分高い場合には、電流の流れは、非晶質領域内にも生じ、それに応じたより高い測定抵抗値が得られる。非晶質領域の体積分率が空孔内で増加するにつれて、連続的な結晶質経路の利用度は低下し、電流は、非晶質領域を通って次第に流れていき、測定抵抗値が徐々に高くなっていく。
【００３５】
上記の考察に基づいて、結晶化度の体積分率及びデバイスの上記空孔内に含まれるカルコゲニド材料内の結晶質領域の配置は共に、１組の端子間の測定抵抗値に影響を及ぼす。１組の端子間に連続的な結晶質経路の存在する場合には、端子間の測定抵抗の引き下げを容易にし、一方、連続的な結晶質経路がない場合には、電流は１つ又は１つ以上の非晶質領域を少なくとも部分的に流れるように強制されて、それにより、より高い測定抵抗をもたらす。そのため、結晶質の部分の体積が特定の比率で与えられた場合に、結晶質領域の配置または接続性が、１組の端子間の測定抵抗値に影響を与える１つの要因になる。例えば、連続的な結晶質による経路が両端子間に形成している配置は、結晶質領域が、互いに全体的にまたは部分的に、分断され、分離されまたは絶縁されている配置よりも低い測定抵抗値をもたらす。従って、結晶質領域及び非晶質領域の相互の配置および／または接続性を制御することが出来ることは、１組の端子間の測定抵抗値を制御できる自由度を与えることになる。
【００３６】
上記測定抵抗値に影響を及ぼす別の要因は、デバイスの上記空孔内に含まれる相変化材料の結晶質領域及び非晶質領域における１つ又は１つ以上の電気端子のサイズまたは相対的位置である。１つの端子のサイズまたは断面が少なくとも空孔のサイズまたは断面程の大きさである場合、端子は、空孔に完全に重なり、空孔内に含まれる相変化材料の全断面と電気的に接続し、空孔内に存在する可能性のあるどのような連続的な結晶質経路にも直接アクセスできる。連続的な結晶質経路が存在する場合には、電流は、非晶質領域を流れることなく、端子から直接、この経路へ流れることが出来る。従って、測定抵抗値は、たとえ非晶質領域が空孔内に存在する可能性があっても、相変化材料の結晶相の測定抵抗値に非常に近づくことになる。一方、端子が空孔に完全に重ならないように、端子のサイズまたは断面が、空孔のサイズまたは断面よりも小さい場合には、連続的な結晶質経路がもしあれば、それとの相対的な端子の位置が、端子を通ってその経路に流れる電流へのアクセスを決める。端子が、連続した結晶質経路への入り口に重なっている場合には、電流は、端子からこの経路へ直接流れることができる。そうでない場合には、電流は、連続的な結晶質経路に遭遇する前に、非晶質領域を通って流れなければならず、測定抵抗値は、それに応じて増加する。
【００３７】
空孔内のカルコゲニド材料の結晶質及び非晶質領域に対する電気端子の位置の重要性の実例は、図４Ａ〜図４Ｃに記載されている概略図を用いて説明することができる。図４Ａ〜図４Ｃは、電気端子１３０及び１４０と共に、非晶質領域１１０及び結晶質領域１２０を有するカルコゲニド材料が充填されている空孔１００を示す。電気端子１３０及び１４０のサイズは、端子が、空孔を占有するカルコゲニド材料の断面の一部分のみを覆うように、空孔１００の断面よりも小さくなっている。端子１３０及び１４０の位置は、図４Ａ〜図４Ｃに示す異なる実例において変化している。図４Ａにおいては、端子１３０及び１４０は、端子１３０及び１４０の両端で測定した抵抗が、殆ど結晶相の抵抗に一致するように、共に結晶相領域１２０に直接接触している。図４Ａにおいて、非晶質領域１１０の高抵抗は、結晶相領域１２０から非晶質領域１１０への電流の移動または漏れを阻止する。
【００３８】
図４Ｂにおいては、電気端子１３０及び１４０は共に、非晶質領域１１０に直接接触している。電流経路が非晶質領域１１０内にのみ生じた場合、図４Ｂに示す実施例の端子１３０及び１４０の両端の測定抵抗は、殆ど非晶相の抵抗に一致する。電流がまず、非晶質領域１１０から結晶相領域１２０へ流れた後、非晶質領域１１０に戻る場合には電気端子１３０と電気端子１４０との間には低い測定抵抗値を示す。しかし、上記電流経路にかかわらず、電流は、少なくとも部分的に非晶相を流れる必要があり、それに伴って、相変化材料の結晶相の測定抵抗値よりも大きい測定抵抗値が生じる。
【００３９】
図４Ｃにおいて、端子１３０は、非晶質領域１１０に直接接触しており、また、端子１４０は、結晶質領域１２０に直接接触している。この実例においては、電流の流れは、大部分が結晶質領域１２０内を通ると予想されるが、電流経路は、少なくとも、非晶質領域１１０の一部を含まねばならない。図４Ｃの実施例における測定抵抗値は、図４Ａの実施例の抵抗と図４Ｂの実施例の抵抗の中間になると予想される。
【００４０】
図４Ａ〜図４Ｃに示した概略的実例に概要を示した原理は、一般に、上記結晶質領域及び非晶質領域の特定の形状に関係なく、当てはまる。１組の端子間の低い測定抵抗値は、端子を電気的に接続する連続的な結晶質経路が存在する場合に予想される。結晶質経路は、直線状、屈曲状、湾曲状、弓形、二股状、不整形状等とすることができる。図５Ａ〜図５Ｃは、連続的な結晶質経路のより複雑な形状の実施例を示す。図５Ａ〜図５Ｃに示す実例は、非晶質領域５１０と結晶質領域５２０とを含む空孔５００を含む。図５Ａは、湾曲した結晶質経路を示し、図５Ｂは、二股状の結晶質経路を示し、図５Ｃは、より複雑な結晶質ネットワークを示す。これらの例の各々において、空孔の全域の測定抵抗値は、端子の一方が空孔の上部のどこかに配置されており、別の端子が、空孔の底部に配置されている１組の電気端子に対して最低であり、それは電流が、殆ど非晶質領域を通って流れることなく、結晶質領域を流れるように、両端子が連続結晶質領域に直接電気的に接続している場合である。高い測定抵抗値は、電流が、空孔内の非晶質領域の一部を通って流れるように、一方または両方の端子が、完全にまたは部分的に非晶質領域を覆っている場合に生じる。
【００４１】
本発明の論理デバイスは、デバイスの空孔内に配置された相変化材料と電気的に接続している３つ又は３つ以上の端子を含む。３つ又は３つ以上の端子を有するデバイスは、端子の組み合わせを選択する複数の方法を実現でき、また、デバイスの１組の端子間の複数の測定抵抗値を生成する。従って、特定の結晶質の体積分率、及び非晶質領域及び結晶質領域の特定の配置を有する所定のデバイスの範囲内で、選択された端子の異なる組み合わせ間で異なる抵抗値を測定することが可能である。本発明の論理デバイスにおいては、多重ターミナル（すなわち、３つ又は３つ以上の端子）デバイスにおける端子の異なる組み合わせの間の測定抵抗値の関係が、論理機能性の基礎となっている。
【００４２】
例証として、図６Ａに概略的に示す３端子デバイスについて考える。デバイスは、電気端子６０５、６１５及び６２５と電気的に接続している相変化材料６１０が充填された空孔６００を含む。このデバイスにおいては、端子組の抵抗測定を、端子６０５、６１５間、端子６０５、６２５間、及び端子６１５、６２５間で行うことができる。相変化材料６１０内での結晶質領域及び非晶質領域の配置により、端子の異なる組み合わせ間での異なる測定抵抗値が生じる可能性がある。重要な点は、連続的な結晶質経路が、端子の特定の組み合わせ間に存在するか否か、および多重ターミナル・デバイスにおけるどれだけの端子の組み合わせが結晶質経路によって直接接続されているかである。
【００４３】
説明のため、本発明者等は、論理値“０”及び“１”を有する２進法論理システムについて考え、この場合、異なる論理値は、１組の電気端子間の検知可能な異なる測定抵抗値に一致する。便宜上、論理状態をもっとも容易に識別し、かつ判別できるように、２つの論理状態の測定抵抗値に大きな差があることが好ましい。この目的を実現する１つのアプローチは、一方の論理値を、連続した結晶質経路が１組の端子間に存在する状況に関連付け、また、他方の論理値を、連続した結晶質経路が１組の端子間に存在しない状況に関連付けることである。後者の状況において、電流が端子間に流れるためには、少なくとも部分的に非晶質領域を流れることが必要である。その結果として、、電流の流れが殆ど連続した結晶質領域内で起る上記の状況よりも測定抵抗値が増加している。２進法論理の一実施形態においては、基準抵抗を定義することができ、また、基準抵抗以上の測定抵抗に一方の論理値を割り当てることができると共に、基準抵抗以下の測定抵抗には、他方の論理値を割り当てることができる。基準値以上の抵抗は、高い抵抗値または高い論理状態と呼ぶことができ、例えば、論理値“１”に関連付けることができる。同様に、基準値以下の抵抗は、低い抵抗値または低い論理値と呼ぶことができ、例えば、論理値“０”と関連付けることができる。別の実施形態においては、基準抵抗の定義は必要なく、高論理値及び低論理値を、それぞれ、高い及び低い抵抗を有する測定抵抗値の状態に割り当てることができ、この場合、高い及び低い抵抗測定値の状態は、電流が１つ又は１つ以上の非晶質領域を流れる程度が検出可能なほどに異なる１組の端子間の電流経路に一致する。
【００４４】
多重ターミナル・デバイスにおける端子の異なる組み合わせ間の測定抵抗値の差の存在は、結晶質領域と非晶質領域の相対的量及び空間的分布に依存する。図６Ａに示す実施形態においては、例えば、カルコゲニド材料６１０が均質的にまたは一様に非晶質または結晶質である場合、３組の端子間の測定抵抗は、殆ど同一になる。測定抵抗値の小さな変動は、例えば、異なる組の端子の空間的分離の違い、異なる端子の端子サイズの違い、異なる端子の接触面積の違い等によって生じる可能性がある。しかし、このような違いは、上記電流経路が、異なる組み合わせの端子間で結晶質または非晶質であることの程度の違いと比較して、二次的なことである。
【００４５】
上記カルコゲニドの構造状態が一様でないかまたは非均質である場合、異なる組み合わせの端子間の測定抵抗値の相当な違いを観察することが可能になる。図６Ｂは、結晶質領域及び非晶質領域の一様でないか又は均一でない分布を有する図６Ａに示す３端子デバイスの実施形態の例を示す。図６Ｂのデバイスは、空孔６００内に含まれる相変化材料と電気的に接続する電気端子６０５、６１５及び６２５を含み、この場合、相変化材料は、非晶質領域６２０と結晶質領域６３０とを含む。このデバイスにおいては、端子６２５へまたは端子から流れるいかなる電流も、非晶質領域６２０内の相当の距離を必然的に通らなければならず、それによって、高い測定抵抗値が生じる。従って、端子６２５、６０５間、端子６２５、６１５間の測定抵抗値は、連続的な結晶質経路を電流が流れる端子６０５、６１５間の測定抵抗値と比較して高い。
【００４６】
高い測定抵抗値は、一般に、結晶質領域との直接的な接触が不可能であるように、一方または両方の端子が、非晶質領域によって囲まれている場合に、１組の端子間で生じる。図６Ｂに示す端子６２５は、非晶質領域によって囲まれている端子の例である。図６Ｃは、端子６２５が非晶質領域によって囲まれている別の例を示す。図６Ｃは、端子６０５、６１５及び６２５が、非晶質領域６３５及び結晶質領域６４０を有する相変化材料を含む空孔６００と電気的に接続している３端子デバイスを示す。図６Ｃにおける端子の組み合わせ間の抵抗のパターンは、図６Ｂのときと一致する。すなわち、端子６２５、６１５間、端子６２５、６０５間の測定抵抗値は高いが、端子６１５、６０５間の測定抵抗値は低い。図６Ｃの実施例は、非晶質領域は、１組の端子間の高抵抗の導電経路を形成するために、空孔の全直径または全断面に及ぶ必要はないということを示している。
【００４７】
高測定抵抗値は、空孔の全直径または全断面にわたって拡がり介在非晶質領域が端子間に存在している場合、１組の各端子が結晶質領域に直接接触していても生じる可能性がある。この種の状況の実施例が図６Ｄに示されており、図は、電気端子６０５、６１５及び６２５が、非晶質領域６４５と、結晶質領域６５０及び６５５とを有する相変化材料を含む空孔６００に電気的に接続している３端子デバイスを示す。端子６２５は、結晶質領域６５０に直接接触していることに注意すべきである。しかし、図６Ｄの例においては、端子６２５と、端子６０５または端子６１５のいずれかとの間に流れる電流は、必ず非晶質領域６４５を通って流れ、その結果として、端子６２５と、端子６０５または端子６１５との間の測定抵抗値は高くなる。これに反し、端子６０５、６１５間の測定抵抗値は、連続的な結晶質経路が、この組み合わせの端子間に伸びているため、低いままである。
【００４８】
図６Ｂ、図６Ｃ及び図６Ｄの例においては、非晶質領域６２０、６３５及び６４５は、端子６２５を端子６０５と６１５から抵抗遮蔽していると表現することができる。抵抗遮蔽は、非晶質領域が、結晶質導電性経路を介した１つの端子へのまたは１つの端子からの電流の流れを妨げるようなサイズおよび／または形状である場合に生じる。その代わり、抵抗遮蔽された端子への、または抵抗遮蔽された端子からの電流の流れは、遮蔽された端子と、少なくとも１つの他の端子との間の測定抵抗値が、連続した結晶質内での電流経路が利用可能な場合よりも高くなるように、必ず、非晶質領域の少なくとも一部を通って流れる。特定の端子は、多重ターミナルデバイスの全ての端子ではないが、いくつかの端子から抵抗遮蔽されることができる。図６Ｂ、図６Ｃ及び図６Ｄに示す例においては、例えば、端子６２５は、端子６０５及び６１５の各々から抵抗遮蔽されており、端子６０５、６１５の各々は、端子６２５から抵抗遮蔽されている。しかし、端子６０５及び６１５は、連続的な結晶質経路が、端子間の電流の流れにとって使用可能であるため、互いに抵抗遮蔽されていない。
【００４９】
図６Ｂ、図６Ｃ及び図６Ｄの例における領域６２０、６３５及び６４５等の非晶質領域は、１つの端子を他の端子から抵抗遮蔽するようにはたらくため、本願明細書において、抵抗遮蔽する非晶質領域と呼ぶことができる。抵抗遮蔽する非晶質領域は、少なくとも１つの端子間の連続的な結晶質経路が利用できないような形状になっている、または、形状は、少なくとも１つの端子間の測定抵抗値が、抵抗遮蔽された非晶質がない場合よりも高くなるようになっているならば、任意の形状を有することができる。抵抗遮蔽する非晶質領域は、電流が抵抗遮蔽された端子と他の端子との間に流れるのを防ぐのではなく、むしろ、抵抗遮蔽する非晶質領域がない場合と比べて、多重ターミナル・デバイスにおける抵抗遮蔽された端子と、少なくとも１つの他の端子との間の測定抵抗値を増加させるように作用することに注意すべきである。抵抗遮蔽する非晶質領域は、端子を完全に囲んでも囲まなくてもよく、また、空孔の全断面寸法の全域に拡がっても拡がらなくてもよい。
【００５０】
本発明の論理デバイスにおいて、本発明者等は、適切な入力信号の印加によって、相変化デバイスの上記空孔領域内の非晶質領域の形成を選択的に制御することができ、また、特定の組み合わせの端子間の測定抵抗値を選択的に高くできるように、１つ以上の抵抗遮蔽する非晶質領域の配置を指示することができる。本発明者等は、適切な入力信号の印加時に、選択的な結晶化によって、非晶質の抵抗遮蔽領域を選択的に除去することもできる。２進法論理システムにおいては、抵抗遮蔽する非晶質領域の適切な配置によって生じる高い測定抵抗値を、一方の論理値に対応させることができ、一方、抵抗遮蔽する非晶質領域の不足によって生じる低い測定抵抗値を、他方の論理値に対応させることができる。異なる組み合わせの端子間の相対的抵抗（例えば、高い抵抗対低い抵抗）を読み取ることにより、２進法論理機能性を定義することができ、また、本発明のデバイスの論理デバイスとしての適用を、ここで説明したような方法で実現することができる。
【００５１】
上述したように、図２に示すデバイス、及び図３に示す３端子デバイスの中心部の概略図は、本発明による典型的な３端子デバイスである。本発明によるデバイスの別の例を図７に示し、図は、３端子デバイス構造の断面図を示す。６″シリコン・ウェーハ上に、複数のデバイスを形成した。ウェーハ上のデバイス及び層は、従来のスパッタリング、化学蒸着、エッチング及びリソグラフィ技術を用いて形成された。構造は、シリコン・ウェーハ基板７０５と、Ｔｉ及びＴｉＮの組合せから形成された導電性層７２０、及びカーボン隔膜層７２５を含む底部端子７１５と、ＳｉＮｘの絶縁領域７３０と、ＴｉＷから形成された中間端子７３５と、空孔の直径を超えて拡がるカルコゲニド材料７４５を含む空孔７４０と、カーボン隔膜層７５５とＴｉ及びＴｉＮを含む導電性層７６０と、上部端子７５０と、Ｔｉ層７６５とを含む。端子７５０、７３５及び７１５は、本願明細書において、それぞれ、上部、中間及び底部端子と呼ぶことができる。この例において、カルコゲニド材料７４５は、近似的の組成Ｇｅ２Ｔｅ２Ｓｂ５を有する。図７のデバイス内のカルコゲニド材料によって占められている空孔領域は、約５００ｎｍの直径を有する。端子７１５、７３５及び７５０は、カルコゲニドと電気的に接続している。中間端子７３５は、空孔７４０を囲んでいる。端子は、端子間の電気的接続が、主にカルコゲニド材料を介して生じるように、絶縁材料によって分離されている。
【００５２】
図７に示すデバイスは、主に、相変化材料と上部端子との間の接触領域において、図２に示すデバイスとは異なる。図２のデバイスにおいては、空孔の直径を超えて拡がる相変化材料の部分を除去するために、デバイスの製造に追加的な研磨工程が含まれている。図７のデバイスにおいては、空孔の直径を超えて存在する相変化材料は、除去されない。その結果として、上部端子と相変化材料との間の接触領域は、図２に示すデバイスの接触領域よりも大きい。
【００５３】
図７に示すデバイスは、抵抗遮蔽する非晶質領域の選択的な形成を実証するために実験した。連続的な結晶質経路が、与えられた端子の３組み合わせの各々の間に存在しているカルコゲニド材料７４５が主に結晶質状態にある初期状態が選択された。１つ又は１つ以上の非晶質領域が、初期状態において存在する可能性があるが、抵抗遮蔽する非晶質領域は存在しない。この初期状態において、異なる組み合わせの端子の両端で抵抗を測定すると、その結果は、８．５ｋΩ（端子７１５、７５０間の測定抵抗値）、１４ｋΩ（端子７１５、７３５間の測定抵抗値）及び４ｋΩ（端子７３５、７５０間の測定抵抗値）であった。
【００５４】
本発明によれば、一般に、非晶質領域は、特に抵抗遮蔽する非晶質領域は、電気端子の組み合わせ間に適切な電気信号を与えることにより、デバイスの上記空孔内に含まれている相変化材料即ちカルコゲニド材料内に選択的に形成または除去することができる。電気信号は、電流または電圧の形でもよく、また、持続性またはパルス状でもありうる。結晶質の体積分率の変化、または、デバイスの上記空孔内の相変化材料の構造状態の転移をもたらす電気信号は、本願明細書において、プログラミング信号と呼ぶことができる。プログラミング信号は、新しい非晶質領域の形成、現存する非晶質領域の拡大または低減、および／または現存する非晶質領域の削除（すなわち、除去／結晶化）を誘発することにより、結晶質の体積分率または構造状態を変更する。好ましい実施形態においては、プログラミング信号は、結晶質領域を変換することにより、または、現存する非晶質領域のサイズおよび／または接続性に影響を及ぼすことにより、抵抗遮蔽する非晶質領域を形成または破壊する。結晶質領域または抵抗遮蔽しない非晶質領域から抵抗遮蔽する非晶質領域の形成することを促進するために、サイズおよび／または接続性を増大させることも出来る。同様に、現存する抵抗遮蔽する非晶質領域は、抵抗遮蔽しない非晶質領域および／または結晶質領域を形成するために、全体的にまたは部分的に削除あるいは分断することも出来る。
【実施例１】
【００５５】
抵抗遮蔽する非晶質領域の選択的形成は、適当なプログラミング信号の印加によって、図７に示すデバイスを用いて、本発明者等により実証された。電流パルスは、この実証において、プログラミング信号として用いられた。第１の実験において、デバイスは、上述した初期状態にあり、次いで電流パルスが端子７３５、７５０間に印加された。電流パルスは、約２〜５ｍＡの振幅と、約１００ｎｓの持続期間とを有した。電流パルスを印加した後、異なる組み合わせの端子間の抵抗が測定された。その結果は、８．０ｋΩ（初期状態の８．５ｋΩと比較した、端子７１５、７５０間の測定抵抗値）、５０ｋΩ（初期状態の１４ｋΩと比較した、端子７１５、７３５間の測定抵抗値）及び３４ｋΩ（初期状態の４ｋΩと比較した、端子７３５、７５０間の測定抵抗値）であった。結果は、中間端子７３５と、端子７１５または端子７５０のいずれかとの間の測定抵抗値が劇的に増加する一方、端子７１５、７５０間の測定抵抗値は、殆ど変化しないことを示している。本発明の論理アプリケーションの観点から考えると、この結果は、この実験で使用されたプログラミング・パルスが、中間端子７３５を他の端子から抵抗遮蔽するという効果があったことを示している。抵抗遮蔽は、中間端子７３５の近傍での抵抗遮蔽する非晶質領域の選択的形成の結果である。従って、この実施例で印加されたプログラミングパルスは、端子７３５に対する遮蔽パルスと呼ぶことができる。遮蔽とは、抵抗遮蔽する非晶質領域の形成を意味するので、遮蔽パルスは、本願明細書においては、非晶質化パルスと呼ぶこともできる。非晶質化パルスは、より一般的には、本発明に関する場合、非晶質領域の体積分率および／または１組の入力端子間の非晶質領域の配置を増加させるように作用する入力信号である。
【実施例２】
【００５６】
底部端子７１５の抵抗遮蔽は、図７に示すデバイスを用いた別の実験で実証された。デバイスは、相変化材料が、デバイス内の３組の端子の各々の間に連続的な結晶質経路を形成するように、十分に結晶質である状態に前例と同様に初期化された。この初期状態における端子間の測定抵抗値は、８ｋΩ（端子７１５、７５０間の測定抵抗値）、１４ｋΩ（端子７１５、７３５間の測定抵抗値）及び６ｋΩ（端子７３５、７５０間の測定抵抗値）であった。次に、約２〜５ｍＡの振幅と、約１００ｎｓの持続期間とを有するプログラミングパルスを端子７１５、７３５間に印加した。その後、３組の端子間の抵抗を測定し、その結果は、１５００ｋΩ（端子７１５、７５０間の測定抵抗値）、１２００ｋΩ（端子７１５、７３５間の測定抵抗値）及び８．５ｋΩ（端子７３５、７５０間の測定抵抗値）であった。結果は、底部端子７１５と、端子７３５または端子７５０のいずれかとの間の測定抵抗値が劇的に増加する一方、端子７３５、７５０間の抵抗は、殆ど変わらないことを示している。本発明の論理アプリケーションの観点から考えると、結果は、この実験で使用したプログラミングパルスが、底部端子７１５を他の端子から抵抗遮蔽するという効果があったということを示している。抵抗遮蔽は、底部端子７１５の近傍での抵抗遮蔽する非晶質領域の選択的形成の結果である。従って、この実施例で印加されたプログラミングパルスは、端子７１５に対する遮蔽パルスまたは非晶質化パルスと呼ぶことができる。
【実施例３】
【００５７】
先の２つの実施例は、適切な非晶質化パルスの使用によって、端子７１５及び７３５の近傍での非晶質領域の選択的形成を実証する。この実施例においては、本発明者等は、選択的結晶化によって、非晶質領域の除去または分裂を実証する別の実験を終了した。選択的結晶化は、パルス状または持続性であり、かつ１つの端子へ向かって出て、または端子から出て、結晶質経路を実質的に通って生じる電流のフローを可能にするのに十分な抵抗遮蔽をする非晶質領域の結晶相への変換をもたらす結晶化信号（例えば、電流または電圧）の印加によって実現することができる。結晶化信号の印加によって、抵抗遮蔽された端子を、抵抗遮蔽されない端子に変換することができる。より具体的には、本発明に関する限り、結晶化信号は、１組の入力端子間の結晶質領域の結晶質の体積分率および／または配置を増大させるように作用する信号である。
【００５８】
この実施例においては、図７に示すデバイスは、中間端子７３５が抵抗遮蔽されている初期状態で用いられる。初期状態における端子間の抵抗は、次の通り、すなわち、１０ｋΩ（端子７１５、７５０間の測定抵抗値）、５５ｋΩ（端子７１５、７３５間の測定抵抗値）及び６７ｋΩ（端子７３５、７５０間の測定抵抗値）であった。中間端子７３５と端子７１５、７５０との間で測定した高抵抗は、中間端子７３５の近傍での抵抗遮蔽する非晶質領域の存在を証明し、一方、上部端子７５０と底部端子７１５との間で測定した低抵抗は、中間端子７３５または他の抵抗遮蔽する非晶質領域の存在がある場合に、抵抗遮蔽する非晶質領域からの著しい干渉を伴うことなく、殆ど結晶質経路のみを通って生じる電流の流れのある証拠となる。
【００５９】
その後、約１〜２．５ｍＡの振幅と、約６００ｎｓの持続期間とを有する結晶化電流パルスを、中間端子７３５と底部端子７１５との間に印加した。結晶化パルスの印加後、端子間の抵抗を測定し、その結果は、８ｋΩ（端子７１５、７５０間の測定抵抗値）、１４ｋΩ（端子７１５、７３５間の測定抵抗値）及び６ｋΩ（端子７３５、７５０間の測定抵抗値）であった。中間端子７３５へ流れるまたは中間端子から流れる測定抵抗値は、大幅に低下し、この実施例の結晶化パルスによって誘発された選択性結晶化を実証する。上部端子７５０と底部端子７１５との間の測定抵抗値は、低いままであり、結晶化パルスの影響をほとんど受けない。
【実施例４】
【００６０】
この実施例においては、図７に示すデバイスは、底部端子７１５が抵抗遮蔽されている初期状態を使用する。初期状態における端子間の抵抗は、次の通りであり、すなわち、１３００ｋΩ（端子７１５、７５０間の測定抵抗値）、１７００ｋΩ（端子７１５、７３５間の測定抵抗値）及び５．５ｋΩ（端子７３５、７５０間の測定抵抗値）である。端子７１５と、端子７３５及び端子７５０との間で測定された高抵抗は、底部端子７１５の近傍での抵抗遮蔽する非晶質領域の存在を証明し、一方、上部端子７５０と、中間端子７３５との間で測定された低抵抗は、底部端子７１５または他の抵抗遮蔽する非晶質領域の存在がある場合に、抵抗遮蔽領域からの著しい干渉を伴うことなく、殆ど結晶質経路のみを通って生じる電流の流れがある証明となる。
【００６１】
次に、約１〜２．５ｍＡの振幅と、約６００ｎｓの持続期間とを有する結晶化電流パルスを、中間端子７３５と底部端子７１５との間に印加した。結晶化パルスの印加後、端子間の抵抗を測定し、その結果は、３０ｋΩ（端子７１５、７５０間の測定抵抗値）、３４ｋΩ（端子７１５、７３５間の測定抵抗値）及び６．５ｋΩ（端子７３５、７５０間の測定抵抗値）であった。底部端子７１５へ流れるまたは端子から流れる測定抵抗値は、かなり低下し、この実施例の結晶化パルスによって誘発される選択性結晶化を証明する。上部端子７５０と、中間端子７３５との間の測定抵抗値は低いままであり、結晶化パルスの影響はほとんど受けない。
【実施例５】
【００６２】
上記の実施例は、多重ターミナル・カルコゲニド・デバイスの選択した端子の近傍に、抵抗遮蔽する非晶質領域を選択的に形成または分断し、それによって、本発明者等が、多重ターミナル・デバイスにおける異なる組み合わせの端子間の抵抗のパターンに選択的に影響を及ぼす非晶質化及び結晶化信号を用いることが出来るということを実証した。この実施例においては、本発明者等は、中間に介在するカルコゲニド材料の選択的非晶質化または結晶化により、特定の組み合わせの端子間の抵抗を増減する入力信号の能力に基づいて、３端子カルコゲニドデバイスが論理機能を持つことを実証する。図７に示すデバイスは、本発明による典型的なデバイスであり、論理機能性を説明するのに用いることができる。この実施例において、本発明者等は、ＯＲ論理機能を実行するために、図７に示すデバイスの使用を考える。
【００６３】
ＯＲ論理機能においては、２つの入力が１つのデバイスに供給されて、以下の真理値表に従って出力を生成するように処理される。
【表１】
2007519254.tif 000003
【００６４】
ここにおいて、入力及び出力は、２進法の０及び１の状態に相当する。従来の論理デバイスでは、０及び１は、一般的に、それぞれ、低電圧及び高電圧に相当する。本発明の論理デバイスにおいては、端子の組み合わせ間の測定抵抗値が、論理演算の真理値表を定義するのに用いられる０及び１の状態に対応させることができる。本発明の一実施形態において、０及び１の状態は、それぞれ低抵抗及び高抵抗に相当し、また別の実施例においては、０及び１の状態は、それぞれ高抵抗及び低抵抗に相当する。この実施例において、本発明者等は、ＯＲ論理機能について説明し、低い測定抵抗値及び高い測定抵抗値をそれぞれ論理０及び論理１の値に対応させるように選択する。
【００６５】
論理真理値表に適合させるためには、２つの独立した入力と、１つの独立した出力が必要とされる。本発明の論理デバイスにおいては、２つの異なる端子の組み合わせの両端に印加される信号は、必要な入力に相当し、第３の組み合わせの端子間で測定した抵抗は、出力に相当する。図７のデバイスは、３つの端子を含むため、３つの異なる組み合わせの端子が、３つの独立した測定抵抗値与える、および／または論理入力及び出力と対応する信号を与える。この実施例のために、本発明者等は、底部端子７１５と上部端子７５０とが、１つの入力に相当する１組の端子になり、中間端子７３５と上部端子７５０とが、第２の入力に相当する１組の端子になるように選定する。底部端子７１５と中間端子７３５との間の測定抵抗値は、出力に相当する。この実施例で実行された、入力及び出力とに対応した端子の選定は、説明のためのものであり、特定の端子の組み合わせを入力及び出力に割り当てる他の方式も可能であり、かつ本発明の範囲内にある。
【００６６】
この実施例の論理デバイスの入力信号は、第１の組み合わせの端子（端子７１５及び７５０）と、第２の組み合わせの端子（端子７３５及び７５０）との間に印加される電流パルスとして供給される。この実施例において、入力信号は、それぞれ、結晶化パルス及び非晶質化パルスのかたちで供給される。上述したように、１組の端子間に印加される結晶化パルスは、端子間の電流の流れを殆ど結晶質の経路のみに形成することを促進するように、１組の端子間の相変化材料の構造状態を変える。従って、結晶化パルスは、本発明のデバイスにおいて、１組の端子間に低い測定抵抗値を実現することができ、また、この実施例に関するかぎり、論理値０に相当する入力信号を構成する。同様に、１組の端子間の非晶質化パルスは、端子間の電流の流れのための経路内での非晶質および／または抵抗遮蔽する非晶質領域の形成を促進するように、１組の端子間の相変化材料の構造状態を変える。従って、非晶質化パルスは、１組の端子間に高い測定抵抗値を実現し、また、この実施例に関するかぎり、論理値１に相当する入力信号を構成する。
【００６７】
本発明の好ましい実施形態においては、上記入力信号は、独立して作用し、また、１組の端子間に供給された入力信号によって影響を受ける相変化材料の部分が、異なる組み合わせの端子間に供給された入力信号によって影響を受ける相変化材料を実質的に変えないように、互いに干渉しない。異なる組み合わせの端子間に印加される信号の影響を受ける領域の介在または重複は、米国特許出願第１０／６５７，２８５号の明細書に記述されている。この好ましい実施形態においては、論理機能性を実現できるのに加えて、本発明のデバイスは、入力信号の不揮発性記憶も実現できる。例えば、１組の入力端子間の結晶化パルスは、端子間の連続的な結晶質経路の形成を促進し、かつ入力端子間の低い測定抵抗値を可能にし、それによって、入力値０の記憶を実現できる。同様に、１組の端子間の非晶質化信号の印加は、入力値１の記憶を実現できる。
【００６８】
入力値の上記不揮発性記憶は、上記入力信号が互いに干渉する場合、異なる端子間に印加される入力信号の影響を受ける相変化材料の部分が重なる場合、または、米国特許出願第１０／６５７，２８５号の明細書に記載されているように、１つの領域から生じる熱エネルギまたは電気的エネルギが、他の領域に消散するかまたは別の領域に影響を及ぼす場合に、安全ではない。干渉の程度によっては、異なる組み合わせの端子に次の信号が印加されたときの、構造状態即ちもとの１組の端子間の測定抵抗値の変化を干渉により起こす可能性がある。そのような状況においては、干渉の程度が、構造状態、または、以前に信号が印加された端子間の測定抵抗値を本質的に変えるのに十分である場合、以前の入力値の記憶は、不揮発性ではなく、揮発性になる可能性がある。
【００６９】
上記入力信号のどのような重複または干渉にも関係なく、本発明のデバイスの論理出力は、入力信号に対して、本願明細書における実施例に記載した真理値表に忠実に従って適合する。入力信号同士が干渉する、または干渉しない実施形態は、入力信号が、不揮発性で記憶される、または記憶されない実施形態と同様に、本発明の範囲内に含まれる。パルスの振幅、パルスの電圧、パルスの持続期間、デバイスの寸法、相変化材料の選択等の因子は、異なる組み合わせの入力端子の両端に供給される信号同士が干渉するか否かに影響を及ぼすのに、また、そのような場合、干渉の程度に影響を及ぼすのに用いることができる。
【００７０】
この実施例の上記論理デバイスの出力は、底部端子７１５と中間端子７３５との間で測定した抵抗値に相当し、デバイスの１つ又は１つ以上の他の組み合わせの端子間への１つ又は１つ以上の入力信号の印加によって得られる。高い測定抵抗値は、出力値１に相当し、低い測定抵抗値は、出力値０に相当する。上述したように、測定抵抗値は、主に、底部端子７１５と中間端子７３５との間の電流経路内の結晶質領域と非晶質領域との相対的比率及び空間的配置および／または連続性の影響を受ける。抵抗遮蔽する非晶質領域の存在は、高抵抗及び出力値１の発現を促進する。抵抗測定で用いられる電流によって飽和しないまたは限定されない連続的な結晶質経路の存在は、低い測定抵抗値及び出力値０の発現を促進する。別法として、出力は、１組の出力端子間に流れる測定電流になるように定義することができる。電流出力は、低抵抗が、高抵抗よりも所定の電圧の場合により高電流をもたらすので、必然的に抵抗から得られる。それに伴って、電流のレベル（高電流対低電流）も、本発明の上記デバイスにおける出力信号として用いることができる。この実施例においては、本発明者等は、測定抵抗値の観点から出力を考える。
【００７１】
相変化材料の抵抗は、相変化材料の組成によって変化するため、本発明による論理デバイスの結晶質領域および／または非晶質領域の特定の体積分率及び配置に対する測定抵抗値は、デバイスに用いられる相変化材料により変化する。特定の測定抵抗値が高いかまたは低いかの判断、つまり、特定の出力が１かまたは０かの判断は、デバイスに用いる相変化材料の選択による。本発明のある実施形態においては、特定の抵抗値を、高抵抗の出力状態または低抵抗の出力状態に割り当てることもあり得る。別の実施形態においては、基準抵抗を選択し、この場合、基準抵抗を超える測定出力抵抗は、高抵抗及び１の出力に対応させ、また、基準抵抗以下の測定出力抵抗は、低抵抗及び０の出力に対応させることも出来る。非晶相と結晶相との間の測定抵抗値は、一般に、少なくとも２倍異なり、多くの場合、数桁の違いがあるため、高及び低出力値を明確に区別できる基準抵抗を設定することは容易なことである。実際には抵抗の小さな差でさえも容易に測定することが可能であるから、基準抵抗の選択はさらに容易になり、かつ選択に柔軟性を与える。
【００７２】
本発明の論理デバイスのこの実施形態の作動特性の概要を以下の表に示す。入力１は、端子７１５、７５０間に印加された入力信号であり、入力２は、端子７３５、７５０間に印加された入力信号であり、出力は、２つの入力信号の印加後の端子７３５、７５０間の測定抵抗値である。入力は、結晶化パルスまたは非晶質化パルスとして表に載っており、この場合、パルスの振幅及び持続期間は、上述した実施例１〜実施例４に記載したものに相当する。
【表２】
2007519254.tif 000004
【００７３】
この実施例において、出力は、２０ｋΩの基準抵抗と比較して決定されている。１４〜５０ｋΩ間の抵抗値は何でも、この実施例において、適切な基準抵抗として使うことが出来る。入力と出力との関係の実験は、この実施例のデバイスが、論理ＯＲ演算を実行することを示している。
【実施例６】
【００７４】
この実施例においては、論理ＡＮＤ演算を実行するデバイスの実施例について説明する。この実施例におけるデバイスは、上述した実施例５で説明したものと一致するが、論理値を抵抗値と関連付ける処理手順が異なる。上記の実施例５において、論理値０は、結晶化入力信号に割当てられ、論理値１は、非晶質化入力信号に割当てられ、出力値０及び１は、それぞれ、低及び高出力抵抗に割当てられている。
【００７５】
この実施例においては、論理値の異なる割当てがなされている。具体的には、論理値０は、非晶質化入力信号に割当てられ、論理値１は、結晶化入力信号に割当てられ、出力値０及び１は、それぞれ、高抵抗及び低抵抗出力に割当てられている。上記の実施例５と同様に、この実施例の論理デバイスの入力信号は、端子の第１の組み合わせ（端子７１５及び端子７５０）と端子の第２の組み合わせ（端子７３５及び端子７５０）との間に印加される電流パルスの形で供給され、出力は、底部端子７１５と中間端子７３５との間で測定した抵抗値に相当する。実施例５で説明したパルスを入力信号として用い、１４〜５０ｋΩの基準抵抗、およびこの実施例のために記載した論理値の異なる割当てを用いて、出力特性に関する次の表が得られた。
【表３】
2007519254.tif 000005
【００７６】
従って、この実施例は、ＡＮＤ機能性に従った論理を実証する。
【００７７】
上記の例示的実施例は、相変化材料と電気的に接続している３つの端子を有するデバイスに重点を置いているが、作動の原理及び論理機能性が、一般の、多重ターミナルデバイスにおいても同様に適用できることは明白である。２つ又は２つ以上の入力信号を、入力端子の異なる組み合わせに印加してもよく、また、１つ又は１つ以上の出力信号を、出力端子の異なる組み合わせ間の抵抗を測定することにより、得ることができる。論理機能性は、印加する入力信号の種類（例えば、結晶化、非晶質化、低または高、０または１等）、入力信号のそれぞれの種類の数、及び出力信号の関係に基づいて同様に定義することができる。本願明細書において上述した３端子の実施形態と同様に、真理値表は、多重ターミナル・デバイスの論理演算の場合にも作成することができる。
【００７８】
本願明細書に記載した開示及び論議は、例示的なものであり、本発明の実施を限定しようとするものではない。本発明の好ましい実施形態であると考えられるものをここには記述してきたが、当業者は、本発明の趣旨を逸脱することなく、この他の又さらなる変形及び変更を実施形態にほどこして、実行することができ、また、本発明の全範囲内に含まれるそのような変形及び変更の全てを特許請求することが意図されていることを明確に理解すべきである。本発明の範囲を定義するのは全ての等価物を含む以下の特許請求の範囲であって、またそれと共に上記の開示及び当業者が一般に入手可能な知識を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】エネルギまたは電流の関数としてのカルコゲニド材料の電気抵抗の典型的な依存関係。
【図２】本発明による３端子デバイスの一実施形態。
【図３】３端子カルコゲニド・記憶デバイスの概略図。
【図４Ａ】２端子デバイスの空孔領域内の相変化材料の結晶質領域及び非晶質領域に対する端子の配置の概略図。
【図４Ｂ】２端子デバイスの空孔領域内の相変化材料の結晶質領域及び非晶質領域に対する端子の配置の概略図。
【図４Ｃ】２端子デバイスの空孔領域内の相変化材料の結晶質領域及び非晶質領域に対する端子の配置の概略図。
【図５Ａ】本発明による結晶質経路の概略図。
【図５Ｂ】本発明による結晶質経路の概略図。
【図５Ｃ】本発明による結晶質経路の概略図。
【図６Ａ】空孔領域内に均質なまたは同質の相変化材料を有する、本発明の３端子実施形態の概略図。
【図６Ｂ】空孔領域内に非均質なまたは非同質の相変化材料を有する、本発明の３端子実施形態の概略図。
【図６Ｃ】空孔領域内に非均質なまたは非同質の相変化材料を有する、本発明の３端子実施形態の概略図。
【図６Ｄ】空孔領域内に非均質なまたは非同質の相変化材料を有する、本発明の３端子実施形態の概略図。
【図７】本発明による３端子デバイスの実施形態。
【図１】
2007519254.tif 000006
【図２】
2007519254.tif 000007
【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【国際調査報告】
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