(57)【要約】【課題】各種電気機器に使用される抵抗変化型メモリにおいて、低消費電力化を目的とする。【解決手段】電極１２の間の絶縁性溶媒に導電性ＤＮＡ分子を封入する。電極１２の間に時間的に振幅が変化する電界を印加することにより、絶縁性溶媒中のＤＮＡ分子の形態（伸張構造と折りたたみ構造）を制御する。伸張構造では電極１２の間がＤＮＡ分子によって結線され低抵抗化し、折りたたみ構造では電極１２の間がＤＮＡ分子で結線できず高抵抗化する。ＤＮＡ分子の太さは２ｎｍ程度とたいへん微細であるため、電極１２の間の電流値は小さく低消費電力な抵抗変化型メモリが得られる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性を有する線状の高分子と、絶縁性の溶媒とを有し、当該溶媒中に当該線状高分子を浮遊させ、かつ当該高分子に電界を印加する電極を設けた抵抗変化型メモリ。
【請求項２】
線状高分子が溶媒中で伸張構造と折りたたみ構造の２形態をとり、これらの形態に応じてデータの０と１、若しくは１と０に対応させることを特徴とする請求項１記載の抵抗変化型メモリ。
【請求項３】
電極間の抵抗値が低抵抗状態のとき、線状高分子が伸張構造であり、かつ線状高分子が両電極に接触若しくは近接していることを特徴とする請求項１−２記載の抵抗変化型メモリ。
【請求項４】
電極間の抵抗値が高抵抗状態のとき、線状高分子が折りたたみ構造であり、かつ線状高分子が少なくとも一方の電極から隔たっていることを特徴とする請求項１−２記載の抵抗変化型メモリ。
【請求項５】
線状高分子の最大伸張時の長さをＬ、当該高分子の折りたたみ時の直径をＷ、絶縁性溶媒を閉じ込める円筒状空間の高さをＨ、当該円筒状空間の直径をＤとしたとき、Ｌ＞ＨかつＷ＜ＤかつＨ／Ｄ＞１０なる関係を満足する請求項１−４記載の抵抗変化型メモリ。
【請求項６】
絶縁性溶媒を閉じ込める円筒状空間において線状高分子と接触する内壁面が親水性であることを特徴とする請求項１−５記載の抵抗変化型メモリ。
【請求項７】
メモリセルを形成する基板若しくはフィルムに貫通孔を設ける工程と、その貫通孔の一方に絶縁物をスパッタ堆積して貫通孔を狭める工程と、スパッタ堆積した裏側の貫通孔側から線状高分子が分散した溶液を透過する工程を有する請求項１−６記載の抵抗変化型メモリの製造方法。
【請求項８】
正負の両極性をもつ交番電圧と一方の極性の一定電圧を時間的に交互に印加することにより、線状高分子を折りたたみ状態から伸長状態に変化させる請求項１−７記載の抵抗変化型メモリ。
【請求項９】
極性が正若しくは負において周期的に変化する電圧を印加することにより、線状高分子を伸張状態から折りたたみ状態に変化させる請求項１−７記載の抵抗変化型メモリ。
【請求項１０】
線状の高分子がデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）である請求項１−９記載の抵抗変化型メモリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、抵抗値の変化を制御してデータの記録（書込み）や制御を行うことができる抵抗変化型メモリに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、抵抗変化型メモリは相変化材料を用いたものが知られている（例えば特許文献１参照）。以下に、図面を用いて従来の技術を説明する。
【０００３】
図５は従来の抵抗変化型メモリの構造を示しており、下部電極５１と上部電極５２との間に相変化材料層５３が形成されており、下部電極５１及び上部電極５２を介して相変化材料層５３は、高抵抗のアモルファス（非晶質）状態と低抵抗の結晶状態との間で可逆的に相変化するカルコゲナイド材料からなり、通電によって非晶質状態と結晶状態に変化させて、抵抗値を制御することができる。例えば、データの格納時（書き込み時）は、相変化材料層５３をアモルファス状態から結晶状態に変化させて低抵抗値にする一方、データの消去時は、相変化材料５３を結晶質状態からアモルファス状態に変化させて高抵抗値にして、抵抗値の差を読み取ることにより、メモリとさせて機能させることができる。
【０００４】
図５に示す構成において、下部電極５１と相変化材料層５３との接続部５１ａは切頭円錐形に形成されており、これによって電極面積を少なくし電流密度を改善して、２ｍＡ程度で動作させている。接続部５１ａはフォトリソグラフィー工程によって形成されたパターン（図示せず）の下方部分をアンダーカットすることにより形成され、当該パターンを除去した後に、接続部５１ａの上方に相変化材料層５３をフォトリソグラフィー工程によって形成する。
【０００５】
【特許文献１】
特表２００１−５０４２７９号公報
【特許文献２】
特開平１１−２０６３７３号公報
【非特許文献１】
Ｄｅｓｉｇｉｎ  ＆  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  ＯＮＬＩＮＥ、［ｏｎｌｉｎｅ］、２００２年１月１２日、日経メカニカル、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｄｍ．ｎｉｋｋｅｉｂｐ．ｃｏ．ｊｐ／ｍｅｍｂｅｒｓ／ＤＭ／ＤＭＮＥＷＳ／２００２０１１１／４／＞
【非特許文献２】
Ｙ．  Ｏｋａｈａｔａ，  Ｔ．  Ｋｏｂａｙａｓｈｉ，  Ｋ．  Ｔａｎａｋａ，  ａｎｄ  Ｍ．  Ｓｈｉｍｏｍｕｒａ，  Ｊ．  Ａｍ．  Ｃｈｅｍ．  Ｓｏｃ．  １２０，  ６１６５  （１９９８）．
【非特許文献３】
Ｈ．  Ｗ．  Ｆｉｎｋ  ａｎｄ  Ｃ．  Ｓｃｈｏｅｎｅｎｂｅｒｇｅｒ，  Ｎａｔｕｒｅ  （Ｌｏｎｄｏｎ）  ３９８，  ４０７  （１９９９）．
【非特許文献４】
Ａ．  Ｙ．  Ｋａｓｕｍｏｖ，  Ｍ．  Ｋｏｃｉａｋ，  Ｓ．  Ｇｕｅｒｏｎ，  Ｂ．  Ｒｅｕｌｅｔ，  Ｖ．  Ｔ．  Ｖｏｌｋｏｖ，  Ｄ．  Ｖ．  Ｋｌｉｎｏｖ，  ａｎｄ  Ｈ．  Ｂｏｕｃｈｉａｔ，  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２９１，  ２８０  （２００１）．
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように電極面積を小さくすることは、データ書込み時および消去時におけるメモリの省電力化を図る観点から有効である。ところが、接続部５１ａのサイズを直径１０ｎｍ以下にすることは困難であるという問題があった。また、相変化材料を結晶状態からアモルファス状態に変化させるには相変化材料を融点以上に昇温しなければならないので、このような高温度でも相変化材料と反応しない不活性な電極・誘電体５４が必要という問題もあった。
【０００７】
また、ＤＮＡは太さが２ｎｍ程度の線状の高分子であり、導電性を有することが知られている（例えば、非特許文献１−３参照）。ＤＮＡは液体中では一般に折りたたみ構造で丸まっているが、ＤＮＡに電界を印加することにより伸張させる手法も知られている（例えば、特許文献２および非特許文献１参照）。
【０００８】
このように、抵抗変化型メモリにおいては、更なる低消費電力化が要求されている。
【０００９】
本発明は、電流経路を分子レベルまで微細化し電流量を低減することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明は、電極間に導電性ＤＮＡ分子と絶縁性流体を閉じ込める構造を構成し、絶縁性流体中の当該ＤＮＡ分子の形態を、伸張構造と折りたたみ構造の２状態の遷移を電極間に交番電界を印加することにより制御し、電極間の抵抗値を変化させるように構成したものである。
【００１１】
これにより、２ｎｍ程度の微細なＤＮＡ分子が電極間の電流経路となり、低消費電力な抵抗変化メモリが得られる。
【００１２】
本発明の請求項１に記載の発明は、導電性を有する線状の高分子と、絶縁性の溶媒とを有し、当該溶媒中に当該線状高分子を浮遊させ、かつ当該高分子に電界を印加する電極を設けた抵抗変化型メモリとしたものであり、線状高分子の形態変化を電界によって誘起するという作用を有する。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、線状高分子が溶媒中で伸張構造と折りたたみ構造の２形態をとり、これらの形態に応じてデータの０と１、若しくは１と０に対応させることを特徴とする請求項１記載の抵抗変化型メモリとしたものであり、線状高分子の形態を情報に対応させるという作用を有する。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、電極間の抵抗値が低抵抗状態のとき、線状高分子が伸張構造であり、かつ線状高分子が両電極に接触若しくは近接していることを特徴とする請求項１−２記載の抵抗変化型メモリとしたものであり、線状高分子を介して電流を流すという作用を有する。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、電極間の抵抗値が高抵抗状態のとき、線状高分子が折りたたみ構造であり、かつ線状高分子が少なくとも一方の電極から隔たっていることを特徴とする請求項１−２記載の抵抗変化型メモリとしたものであり、線状高分子を折りたたんで電極間を絶縁するという作用を有する。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、線状高分子の最大伸張時の長さをＬ、当該高分子の折りたたみ時の直径をＷ、絶縁性溶媒を閉じ込める円筒状空間の高さをＨ、当該円筒状空間の直径をＤとしたとき、Ｌ＞ＨかつＷ＜ＤかつＨ／Ｄ＞１０なる関係を満足する請求項１−４記載の抵抗変化型メモリとしたものであり、線状高分子が伸張構造と折りたたみ構造の２状態のいずれも取ることを可能とし、かつ伸張状態を保持しやすい空間を提供するという作用を有する。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、絶縁性溶媒を閉じ込める円筒状空間において線状高分子と接触する内壁面が親水性であることを特徴とする請求項１−５記載の抵抗変化型メモリとしたものであり、線状高分子の伸張状態を保持しやすい空間を提供するという作用を有する。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、メモリセルを形成する基板若しくはフィルムに貫通孔を設ける工程と、その貫通孔の一方に絶縁物をスパッタ堆積して貫通孔を狭める工程と、スパッタ堆積した裏側の貫通孔側から線状高分子が分散した溶液を透過する工程を有する請求項１−６記載の抵抗変化型メモリの製造方法としたものであり、１つの貫通孔に注入する線状高分子を１つにするという作用を有する。
【００１９】
請求項８に記載の発明は、正負の両極性をもつ交番電圧と一方の極性の一定電圧を時間的に交互に印加することにより、線状高分子を折りたたみ状態から伸長状態に変化させる請求項１−７記載の抵抗変化型メモリとしたものであり、メモリに情報を書き込むという作用を有する。
【００２０】
請求項９に記載の発明は、極性が正若しくは負において周期的に変化する電圧を印加することにより、線状高分子を伸張状態から折りたたみ状態に変化させる請求項１−７記載の抵抗変化型メモリとしたものであり、メモリの情報を消去するという作用を有する。
【００２１】
請求項１０に記載の発明は、線状の高分子がデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）である請求項１−９記載の抵抗変化型メモリとしたものであり、長さおよび分子配列が同一の線状高分子を多量に取得するという作用を有する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の具体例を説明する。
【００２３】
（実施例１）
図１は本発明の一実施の形態による抵抗変化型メモリを示す要部断面図である。図１において誘電体１１は、絶縁性溶媒１３を保持する作用を行うもので、有機若しくは無機材料からなる絶縁体から構成されている。電極１２は、ＤＮＡ分子１４に電界を印加すると共にメモリセルの抵抗値を読み取る作用を行うもので、金属から構成されている。
【００２４】
絶縁性溶媒１３は、ＤＮＡ分子１４に構造変化をもたらす場を提供する作用を行うもので、界面活性剤を添加した水溶液から構成されている。ＤＮＡ分子１４は、電極１２間の電流経路を提供する作用を行うもので、糖とリン酸と塩基の分子から構成されている。
【００２５】
堆積膜１５は、絶縁性溶媒１３中に１個のみＤＮＡ分子１４を注入する作用を行うもので、スパッタ法で堆積した絶縁物から構成されている。なお、使用したＤＮＡ分子１４の分子鎖の直径は約２ｎｍ、最大伸張時の長さＬは約１０μｍ、当該分子の折りたたみ時の直径Ｗは５０ｎｍであった。なお、このＤＮＡ分子は、特許文献２に基づいて、蕪の葉より細胞核を単離し、この核の懸濁液を試料台面上に滴下して乾燥させることによりＤＮＡ分子１４を得た。
【００２６】
図２を用いて、本発明の一実施の形態による抵抗変化型メモリの製造方法を説明する。図２（ａ）は用意したＳｉＯ２の基板の断面を示し、厚さＨ＝２μｍの基板１１を貫通する直径Ｄ＝６０ｎｍの孔２１を開けた。孔は半導体製造プロセスで一般的なリソグラフィー技術を用いてもよいし、個々の孔をレーザー加工で開けてもかまわない。また、高エネルギーを有する中性子やイオンを基板面に照射し、基板内部に形成された損傷領域（トラック）をエッチングして孔２１を開けてもかまわない。続いて、基板１１の片面に堆積膜１５をスパッタ堆積し、直径３０ｎｍの狭窄孔２１ａが形成された。
【００２７】
孔２１ａのアスペクト比（Ｈ／Ｄ）が１０を超える程度まで大きくなると孔２１の奥まではスパッタ物質は到達できず、図２（ｂ）に示す狭窄形状が形成された。孔２１を狭めることは飛来物質に直進性がある堆積法であれば可能であり、真空蒸着法でも同様な構造を形成することが可能である。
【００２８】
また、スパッタ堆積する物質は絶縁物でも導電物でも実施可能である。本基板をフィルターとして、孔２１を狭めた面と反対の面からＤＮＡ分子１４を多数溶かし込んだ水溶液を透過させた。基板表面同様、孔内壁は親水性であり、水溶液は孔径が微細であるにも関わらず孔内部に侵入した。また、線状の高分子としてＤＮＡを利用したため、長さおよび分子配列が同一の線状高分子を多量に取得できた。
【００２９】
しばらくして、水溶液の透過量が低下したので、フィルターを取り出し乾燥させたところ、各孔にはほぼ１個のＤＮＡ分子１４が詰まっていた。その様子を図２（ｃ）に示す。ＤＮＡ分子１４は水溶液中では折りたたまれた構造をとって丸くなっており、そのＤＮＡ分子１４が本フィルターの孔の狭められた部分に詰まることにより、その孔の水流が停止し、それ以上その孔にはＤＮＡ分子１４は入り込まなかったものと思われる。
【００３０】
続いて、界面活性剤を添加した水溶液を用意し、ＤＮＡ分子１４が詰まった基板表面に少量滴下した。孔内壁は基板表面同様、親水性であったため、孔内部は図２（ｄ）の様に水溶液１３で満たされた。最後に孔の両側を金属よりなる電極１２で封じて、メモリセルが完成した。
【００３１】
完成直後の各メモリセルは１０ＭΩ以上の高抵抗状態であった。これは、セル内のＤＮＡ分子１４が折りたたみ状態で電極１２の間を電気的につないでいないためである。そこで、ＤＮＡ分子１４を伸張させ、電極１２の間をつなぎ低抵抗化させるため、図３に示す電圧波形を電極１２の間に印加した。
【００３２】
図３において、時刻ｔ１に０．０５Ｖの電圧Ｖ１を電極１２の間に印加し、０．１Ｖの振幅Ｖ２（＞Ｖ１）の正弦波の電圧を加えた。この電圧波形によりＤＮＡ分子１４はその折りたたみ構造が徐々に解れて伸張していった。Ｖ１がほぼ０に近い値でも伸張が見られたが、一定のＶ１（＜Ｖ２）なる電圧を与え電極１２の間の一方から他方へ電気泳動させたほうが、伸張しやすかった。時刻ｔ２において、まだ伸張が不十分な状態で一方の電極壁まで電気泳動してしまったため、再度電気泳動するようにＶ１とは逆極性のＶ３（−０．５Ｖ）をあたえて、最初の電極壁までＤＮＡ分子１４を電気泳動させて戻し（時刻ｔ３）、再び振幅Ｖ２の正弦波を加えた。
【００３３】
このような一連の電圧波形により、ＤＮＡ分子１４の最大伸張時の長さＬは電極１２の間の距離すなわち絶縁性溶媒を閉じ込める円筒状空間の高さＨより長いので、ＤＮＡ分子１４は両電極１２の間の距離まで伸張し、電極１２の間の抵抗値が低下し１ＭΩを得た。ＤＮＡ分子１４が伸張しトンネル電流が流れるほどに電極近傍に接近した程度から電極１２の間の抵抗値は低下しはじめるので必ずしも電極にＤＮＡ分子１４が接触しなくても低抵抗状態としてかまわない。
【００３４】
逆にメモリセルを低抵抗状態から高抵抗状態に変化させるには、図４に示す電圧波形を電極１２の間に印加した。図４において、時刻ｔ５に０．５Ｖの電圧Ｖ４を電極１２の間に印加し、０．１Ｖ振幅Ｖ５（＜Ｖ４）の正弦波の電圧を加えた。この電圧波形によりＤＮＡ分子１４は一方の電極へ電気泳動し、ついに電極壁に押さえつけられ、折りたたみ構造へと変化していった。
【００３５】
Ｖ５が０に近い値でも折りたたみが見られたが、一定のＶ５（＜Ｖ４）なる電圧を与えたほうが、折りたたみ構造へ変化しやすかった。このような一連の電圧波形によりＤＮＡ分子１４は折りたたみ構造へと変化し、電極１２の間の抵抗値が１０ＭΩ以上に上昇した。
【００３６】
高抵抗状態と低抵抗状態の２状態はデータの０と１に対応させた。もちろん、１と０に対応させてもかまわない。其々の抵抗値の保持時間に関しては、ＤＮＡ分子１４の折りたたみ時の直径Ｗが、基板の孔２１すなわち絶縁性溶媒を閉じ込める円筒状空間の直径Ｄと同程度であった場合が最も長い保持時間を有した。Ｗ＜＜ＤであればＤＮＡ分子１４を孔２１に容易に挿入できたが、低抵抗状態の保持時間が短くなる傾向が認められた。
【００３７】
なお、以上の抵抗値の計測は印加電圧０．１以下で行っており、最大電流は１ｎＡ以下であった。
【００３８】
本発明による抵抗変化型メモリを用いれば、電極１２の間の電流経路が２ｎｍと分子レベルの細さとなり、メモリ動作の消費電力が著しく低減されるという効果が得られていることがわかる。更に、ＤＮＡ分子１４の形態変化すなわち、空間的に電流経路を変形することにより、電極１２の間の抵抗値を変化させており、従来のように相変化材料を融点以上に加熱することがないことも、低消費電力化に有利となっている。
【００３９】
なお、以上の説明では、線状高分子をＤＮＡとした例で説明したが、導電性を有すればＲＮＡやその他のタンパク質分子についても同様に実施可能である。
【００４０】
なお、以上の説明では、線状高分子を未加工のＤＮＡとした例で説明したが、絶縁性溶媒を閉じ込める円筒状空間の直径Ｄより小さい微小粒子を末端に化学結合させたＤＮＡ分子を使用しても同様に実施可能である。
【００４１】
なお、以上の説明では、絶縁性溶媒として界面活性剤を添加した水溶液を使用した例で説明したが、アガロースゲルなどのゲル状物質を用いた場合についても同様に実施可能である。
【００４２】
なお、以上の説明では、絶縁性溶媒として界面活性剤を添加した水溶液を使用した例で説明したが、絶縁性溶媒に凝固点降下剤を添加した場合についても同様に実施可能であり、絶縁性溶媒の凝固点が低下し、より低温までメモリ動作するという好ましい効果がある。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、電流経路を分子レベルまで微細化したことにより、低消費電力化という有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による抵抗変化型メモリを示す要部断面図
【図２】本発明の一実施の形態による抵抗変化型メモリの製造方法に関する説明図
【図３】メモリセルを低抵抗化する電圧波形図
【図４】メモリセルを高抵抗化する電圧波形図
【図５】従来の抵抗変化型メモリの構成を示す要部断面図
【符号の説明】
１１  誘電体
１２  電極
１３  水溶液
１４  ＤＮＡ分子
１５  堆積膜
２１  孔
２１ａ  狭窄孔
５１  下部電極
５１ａ  接続部
５２  上部電極
５３  相変化材料層
５４  誘電体
【図１】
2004273615.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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