相変化メモリ (PCM)とは？未来の不揮発性メモリ技術✨

半導体Times

2024年8月8日 19:18

相変化メモリ（Phase Change Memory: PCM） は、次世代の不揮発性メモリとして注目されています。

この革新的なメモリ技術は、データ記録のためにカルコゲン化物と呼ばれる材料を使用し、その物理的状態を変化させることで情報を保存します。これにより、高い耐久性と高速なデータ転送が実現されます。

この記事では、相変化メモリの基本原理、特徴、技術的課題、応用分野、そして将来の展望について詳しく解説します。

相変化メモリの基本原理🌟

PCMは、カルコゲン化物ガラスを使用します。この材料は、結晶相では低抵抗、アモルファス相では高抵抗を示し、この特性を利用してデジタルデータを表現します。

具体的には、材料の物理的な状態を変化させることでデータの書き込みと消去を行います。

結晶相: 低抵抗状態で、データの「0」を表現
アモルファス相: 高抵抗状態で、データの「1」を表現

この変化は、材料を急速に加熱・冷却することで実現されます。PCMでは、GST（ゲルマニウム、アンチモン、テルルの合金）が主に使用されます。この材料を600℃以上に加熱するとアモルファス状態になり、冷却すると結晶状態に戻ります。

相変化メモリの動作原理。高抵抗となるアモルファス層を0、低抵抗となる結晶層を1としてデータを保存する（引用元：https://www.st.com/content/st_com/ja/about/innovation---technology/PCM.html）

相変化メモリの特徴✨

それでは、PCMの特徴について詳しく見ていきましょう。

不揮発性✨

不揮発性は、電源を落としてもデータを保持可能であるということです。PCMはデータを物理的な状態変化に基づいて記録します。具体的には、材料が結晶相（低抵抗）とアモルファス相（高抵抗）という異なる物理状態に変化することでデータを保持します。

この物理的な状態は電源を切っても変わらないため、データが揮発しません。従って、電源を切った後でもデータが保持されるのです。

結晶（Crystal）とアモルファス（Amorphous）の構造の違い。結晶は原子が秩序を維持して配列しているが、アモルファスは無秩序に配列している。（引用元：https://solid-mater.com/entry/amor#google_vignette）

高速書き込み🚀

PCMは材料の急速な加熱と冷却によってデータを書き込みます。GSTなどのカルコゲン化物材料は、急速な加熱によってアモルファス状態に変化し、冷却することで結晶状態に戻ります。

このプロセスはナノ秒（1ナノ秒は10億分の1秒）レベルで行われるため、従来のフラッシュメモリよりも高速にデータを書き込むことができます。フラッシュメモリは電子のトンネル効果を利用して書き込みを行うため、比較的時間がかかりますが、PCMは物理的な状態変化だけでデータの書き込みを行うため、高速化が可能です。

様々な相変化メモリ材料における結晶化温度と動作速度。数ナノ秒から数十ナノ秒の極めて短い時間で動作することが見て取れる（引用元：https://www.eng.tohoku.ac.jp/news/detail-,-id,1013.html）

高耐久性🔧

PCMは材料の物理的変化を利用してデータを書き込みます。これは、フラッシュメモリのような電荷トラップ（電荷の蓄積と放出）によるストレスが少ないことを意味します。

電荷トラップ方式では、電荷の移動が繰り返されることで材料の劣化が進みやすく、寿命が短くなります。一方、PCMでは物理的な状態変化によるデータの書き込みが行われるため、材料の劣化が少なく、書き込み回数が多くても長寿命を保つことができます。

実際に、NANDフラッシュメモリの書き込み回数が1万回～10万回であるのに対して、PCMの書き込み回数は約1億回～10億回と、非常に耐久性が高いことが分かります。

Ge/Te薄膜とSb2Te3薄膜を交互に積み重ねた超格子構造を利用した相変化メモリ。書き換え回数（書き換えサイクル）は1億回を超えていることが分かる（引用元：https://www.semiconportal.com/archive/editorial/technology/process/131212-leap.html）

多値メモリ特性🧩

PCMは、結晶相とアモルファス相の間の複数の中間状態を利用することで、多値メモリ特性を実現します。

具体的には、結晶相とアモルファス相の間に複数の異なる抵抗値の状態を作り出し、それぞれの状態を異なるビットとして記録します。このように一つのメモリセルで複数のビットを表現できるため、メモリの密度が向上します。

例えば、2ビットを1セルに記録する場合、4つの異なる状態（00、01、10、11）を持つことができます。これにより、より多くのデータを同じ面積内に格納でき、メモリ容量が向上します。

実際にIBMは3ビット/セルの相変化メモリを開発しました。この技術は、単一のメモリセルに3ビットのデータを記録することを可能にし、従来の1ビット/セルのメモリに比べて容量を大幅に増加させます。

IBMの研究では、カルコゲナイド合金を使用し、抵抗値の違いを利用して多値化を実現しています。この技術により、PCMの実用化がさらに進展することが期待されています。

左(a)はイタレーションの回数とメモリセルの割合。右(b)は、書き込んだ3bit(8通り)の値の分布。（引用元：https://pc.watch.impress.co.jp/img/pcw/docs/759/832/html/photo007.jpg.html）

技術的課題🛠️

相変化メモリ（Phase Change Memory, PCM）は、次世代の不揮発性メモリ技術として注目されていますが、技術的な課題を抱えているのも事実です。以下では、PCMが抱える主要な技術的課題について詳しく説明します。

高い書き込み電流密度

PCMの動作には高い電流密度が必要です。具体的には、書き込み時に材料を急速に加熱してアモルファス状態にし、冷却することで結晶状態に戻すために高い電流が必要となります。これが消費電力の増加につながるため、PCMの商業化や大量生産を妨げる要因となっています。

電流密度の具体例: PCMの書き込み電流密度は一般的に1cm²あたり$$10^7 A}$$ 以上と非常に高い値を示します。
解決策の一例: スタンフォード大学の研究では、超格子材料とフレキシブル基板を組み合わせることで、書き込み電流密度を1〜2桁低減することに成功しました。具体的には、1cm²当たり約0.2メガアンペアという低いスイッチング電流密度を実証しています。

絶縁体とのコンタクト問題

PCMの動作中に発生する高温は、絶縁体とのコンタクトに問題を引き起こします。具体的には、以下のような問題が発生します。

リークの問題: 高温により絶縁体がリークしやすくなる。
膨張の問題: 高温により材料が膨張し、絶縁体との密着性が低下する。

これらの問題は、PCMの信頼性と耐久性に影響を与えるため、解決が求められています。

解決策の一例: 東北大学の研究では、新しい相変化材料（Cr₂Ge₂Te₆）を開発し、高温データ保持性や高速動作性を維持しつつ、データ書き込みの消費電力を大幅に低減することに成功しました。この材料は従来のものとは逆の電気特性を持ち、絶縁体とのコンタクト問題を軽減する可能性があります。

熱管理

PCMは動作中に高温を発生するため、効果的な熱管理が求められます。高温は材料の劣化やデータ保持性に悪影響を与えるため、以下の点が重要です。

熱の発生: PCMは書き込み時に材料を急速に加熱するため、短時間で高温が発生します。
熱の拡散: 高温が周囲の材料に伝わることで、デバイス全体の性能に影響を与える可能性があります。
解決策の一例: スタンフォード大学の研究では、フレキシブル基板と超格子材料を組み合わせることで、デバイス内部の熱を閉じ込めることに成功しました。これにより、低い抵抗ドリフトを備えたマルチレベルの性能を発揮し、熱管理の問題を軽減しています。

相変化メモリの応用と未来🚀

PCMは、さまざまな分野での応用が期待されています。以下にその例を示します：

高密度3Dメモリ: PCMは高密度な3Dメモリの実現に適しており、大容量データの保存に有効です。
ニューロモーフィック・コンピューティング: PCMの高速性と不揮発性を利用して、人間の脳を模倣した計算システムの開発が進められています。
データセンター: 大規模なデータセンターでは、PCMの高速書き込みと高耐久性が活用され、効率的なデータ管理が可能になります。

データセンターについてはこちらの記事で詳しく説明しているので、良ければ読んでみて下さい👇

まとめ✨

相変化メモリ（PCM）は次世代の不揮発性メモリとして大きな期待が寄せられています。
カルコゲン化物を利用し、結晶相とアモルファス相の変化でデータを記録します。
高耐久性、高速書き込み、低消費電力が特徴です。
技術的課題として高い書き込み電流密度が挙げられますが、将来の技術革新によって解決されることが期待されています。

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最後まで読んでいただき、ありがとうございました！

専門用語の解説📚

カルコゲン化物: ゲルマニウム、アンチモン、テルルなどを含む化合物。
結晶相: 材料が規則正しく並んだ状態。
アモルファス相: 材料が不規則に並んだ状態。
GST: ゲルマニウム、アンチモン、テルルの合金。
不揮発性: 電源を切ってもデータが消えない性質。

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