プログラム可能なメタライゼーションセル

プログラマブルメタライゼーションセル（PMC ）は、アリゾナ州立大学で開発された不揮発性 コンピュータメモリです。PMCは、広く使用されているフラッシュメモリを置き換えるために開発された技術で、寿命の延長、消費電力の低減、メモリ密度の向上を組み合わせています。 2004年にこの技術のライセンスを取得したインフィニオンテクノロジーズは、これを導電性ブリッジングRAM（CBRAM ）と呼んでいます。CBRAMは、2011年にアデストテクノロジーズの登録商標になりました。^[1] NECには「ナノブリッジ」と呼ばれる変種があり、ソニーは自社のバージョンを「電解メモリ」と呼んでいます。

PMCは、アリゾナ州立大学で開発された2端子抵抗メモリ技術です。PMCは、導電性フィラメントの形成と溶解に酸化還元反応を利用する電気化学金属化メモリです。 ^[2] デバイスの状態は、2つの端子間の抵抗によって決まります。端子間にフィラメントが存在すると低抵抗状態（LRS）が生成され、フィラメントがない場合は高抵抗状態（HRS）になります。PMCデバイスは、2つの固体金属電極で構成されており、一方は比較的不活性（タングステンやニッケルなど）で、もう一方は電気化学的に活性（銀や銅など）で、その間に固体電解質の薄膜が入っています。^[3]

PMC の抵抗状態は、セルの 2 つの端子間の金属導電性フィラメントの形成 (プログラミング) または溶解 (消去) によって制御されます。形成されたフィラメントはフラクタル ツリーのような構造です。

PMC は、低抵抗状態 (LRS) に遷移するために金属導電性フィラメントの形成に依存しています。フィラメントは、カソード接点(不活性金属)を接地しながら、アノード接点 (活性金属) に正電圧バイアス ( V )を適用することによって生成されます。正バイアスは活性金属 (M)を酸化します。

^M → M ⁺ e −

印加バイアスにより、2 つの金属接点の間に電界が生成されます。イオン化された (酸化された) 金属イオンは電界に沿ってカソード接点に向かって移動します。カソード接点では、金属イオンが還元されます。

M ⁺ + e ⁻ → M

活性金属が陰極に堆積すると、陽極と堆積物の間の電界が増加します。成長するフィラメントと陽極の間の局所電界 ( E ) の変化は、次のように単純に関連付けることができます。

${\displaystyle E=-{\frac {V}{d}}}$

ここで、dはアノードと成長するフィラメントの上部との間の距離です。フィラメントは数ナノ秒以内に成長してアノードに接続します。^[4] 電圧が除去されるまで、金属イオンはフィラメントで還元され続け、導電性フィラメントが広がり、時間の経過とともに接続の抵抗が減少します。電圧が除去されると、導電性フィラメントは残り、デバイスはLRS状態になります。

導電性フィラメントは連続的ではなく、電着島またはナノ結晶の鎖である可能性があります。^{[5]これは、低いプログラミング電流（} 1μA未満）で優勢になる可能性がありますが、プログラミング電流が高くなると、ほとんどが金属導体になります。

PMC は、負の電圧バイアスをアノードに適用することで、高抵抗状態 (HRS) に「消去」できます。導電性フィラメントを作成するために使用される酸化還元プロセスが逆転し、金属イオンが反転した電界に沿って移動して、アノード接点で還元されます。フィラメントが除去されると、PMC は接点間の 抵抗が数M ΩからG Ωの高抵抗である平行板コンデンサに類似します。

個々の PMC は、セル全体に小さな電圧を印加することで読み取ることができます。印加された読み取り電圧がプログラミング電圧しきい値と消去電圧しきい値の両方よりも低い限り、バイアスの方向は重要ではありません。

CBRAM は金属酸化物 ReRAM とは異なり、CBRAM では金属イオンが 2 つの電極間の材料に容易に溶解しますが、金属酸化物では電極間の材料に高電界が必要となり、誘電破壊に似た局所的な損傷が発生し、導電性欠陥の跡 (「フィラメント」と呼ばれることもあります) が生成されます。したがって、CBRAM では 1 つの電極が溶解イオンを提供する必要がありますが、金属酸化物 RRAM では、局所的な損傷を生成するために 1 回限りの「形成」ステップが必要です。

現在使用されている主な固体不揮発性メモリはフラッシュメモリであり、以前はハードドライブが担っていた役割のほとんどで使用されています。しかし、フラッシュには問題があり、フラッシュに代わる製品を導入する取り組みが数多く行われてきました。

フラッシュはフローティング ゲートの概念に基づいており、基本的にはトランジスタを改良したものです。従来のフラッシュ トランジスタには、ソース、ドレイン、ゲートの 3 つの接続があります。ゲートはトランジスタの重要なコンポーネントで、ソースとドレイン間の抵抗を制御し、スイッチとして機能します。フローティング ゲート トランジスタでは、ゲートは電子をトラップする層に接続されており、長時間オン (またはオフ) の状態になります。フローティング ゲートは、エミッタ コレクタ回路に大電流を流すことで書き換えることができます。

この大電流こそがフラッシュの主な欠点であり、それにはいくつかの理由があります。まず、電流を流すたびにセルが物理的に劣化し、最終的には書き込み不能になります。書き込みサイクルは 10 ⁵～ 10 ⁶程度が一般的であるため、フラッシュの用途は、連続書き込みが一般的ではない用途に限定されます。また、この電流を生成するには、チャージ ポンプと呼ばれるシステムを使用した外部回路が必要です。このポンプは、かなり長い充電プロセスを必要とするため、書き込みは読み取りよりもずっと遅くなります。また、ポンプにははるかに多くの電力が必要です。したがって、フラッシュは、従来のRAMやハード ドライブ よりもはるかに「非対称」なシステムです。

フラッシュのもう 1 つの問題は、フローティング ゲートにリークが発生し、電荷がゆっくりと放出されることです。この問題は、強力な絶縁体で周囲を囲むことで解決されますが、これらが機能するには一定の物理的サイズが必要であり、また、一般的なCMOSレイアウトとは異なる特定の物理的レイアウトも必要になるため、いくつかの新しい製造技術の導入が必要でした。フラッシュのサイズが急速に縮小するにつれて、電荷のリークがますます問題となり、その終焉が予測されました。しかし、市場の巨額の投資により、ムーアの法則を上回る速度でフラッシュの開発が進み、 2007 年後半には 30 nm プロセスを使用する半導体製造工場が稼働を開始しました。

フラッシュとは対照的に、PMCは比較的低電力で高速に書き込みます。速度は印加電力に反比例するため（ある程度、機械的な限界があります）、パフォーマンスを調整できます。^[6]

PMCは理論上、フラッシュよりもはるかに小さいサイズに縮小可能で、理論上はイオン幅の数倍の大きさまで縮小可能です。銅イオンは約0.75オングストロームなので^[7] 、ナノメートルオーダーの線幅も可能と思われます。PMCはフラッシュよりもレイアウトがシンプルであると宣伝されました。^[6]

PMC技術は、1990年代にアリゾナ州立大学の電気工学教授マイケル・コジッキによって開発されました。 ^{[8] [9] [10] [11] [12] [13] [14]初期の実験的なPMCシステムは、銀ドープ}ゲルマニウムセレン化ガラス をベースとしていました。研究は銀ドープ硫化ゲルマニウム電解質に移り、次に銅ドープ硫化ゲルマニウム電解質に移りました。^[4] 銀ドープゲルマニウムセレン化デバイスは、その非常に高い抵抗状態のために新たな関心を集めています。銅ドープ二酸化ケイ素ガラスPMCは、CMOS製造プロセスと互換性があります。

1996年、PMC技術を商業化するためにアクソンテクノロジーズが設立されました。 マイクロンテクノロジーは2002年にPMCとの協力を発表しました。^[15] インフィニオンは2004年に続きました。^[16] PMC技術は2007年までにアデストテクノロジーズにライセンス供与されました。 ^{[6]インフィニオンはメモリ事業を}キマンダ社 にスピンオフさせ、キマンダ社はそれをアデストテクノロジーズに売却しました。2010年にはさらなる研究のためにDARPAの助成金が授与されました。 ^[17]

2011年、アデスト・テクノロジーズはCBRAMの開発・製造のためフランスのアルティス・セミコンダクター社と提携した。 ^{[18] 2013年、アデストは1メガビットの部品を}EEPROMの 代替として宣伝したCBRAMのサンプル製品を発表した。^[19]

_{NECは、Cu 2} Sまたは五酸化タンタルを誘電体として使用する、いわゆるナノブリッジ技術を開発しました。これにより、銅（ICの銅メタライゼーションと互換性がある）がCu ₂ SまたはTa ₂ O ₅を介して銅を移動させ、銅とルテニウム電極間の短絡を生成または切断します。^{[20] [21] [22] [23]}

このタイプのメモリは本質的に放射線に対して耐性があるため、宇宙アプリケーションで主に使用されます。

• 静的ランダムアクセスメモリ

• アクソンテクノロジーズ株式会社
• マイケル・N・コジッキ
• アデストテクノロジーズ