JP2008251108A - Information recording and reproducing device - Google Patents

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Takayuki Tsukamoto
隆之 塚本
Shingi Kamata
親義 鎌田
Takatomo Hirai
隆大 平井
Shinya Aoki
伸也 青木
Koichi Kubo
光一 久保
Toshiro Hiraoka
俊郎 平岡
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nonvolatile information recording device of low power consumption and high thermal stability. <P>SOLUTION: The information recording and reproducing device includes a recording layer containing a first compound: the compound has a pyrochlore structure represented by Al<SB>a</SB>M1<SB>2</SB>X1<SB>x</SB>(0.5≤a≤2, 6≤x<7), where A1 and M1 are elements different from each other, at least one of A1 and M1 is a transition element, and X1 contains at least one selected from (oxygen), F (fluorine), N (nitrogen), and S (sulfur), and a voltage application part for applying a voltage to the recording layer to cause a phase change in the recording layer, thereby recording information. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は情報記録再生装置に関し、特に不揮発性の情報記録再生装置に関する。   The present invention relates to an information recording / reproducing apparatus, and more particularly to a nonvolatile information recording / reproducing apparatus.

近年、小型携帯機器が世界的に普及し、同時に、高速情報伝送網の大幅な進展に伴い、小型大容量不揮発性メモリの需要が急速に拡大してきている。その中でも、NAND型フラッシュメモリ及び小型HDD(hard disk drive)は、特に、急速な記録密度の進化を遂げ、大きな市場を形成するに至っている。   In recent years, small portable devices have spread worldwide, and at the same time, with the rapid progress of high-speed information transmission networks, the demand for small and large-capacity nonvolatile memories has been rapidly expanding. Among them, the NAND flash memory and the small HDD (hard disk drive), in particular, have rapidly evolved in recording density and formed a large market.

一方、記録密度の限界を大幅に超えることを目指した新規メモリのアイデアがいくつか提案されている。例えば、ペロブスカイトなどの遷移金属元素を含む三元系酸化物や(例えば、特許文献1および2を参照)、遷移金属の二元系酸化物(例えば、特許文献3を参照)などが検討されている。これらの材料を用いた場合、電圧パルスの印加によって、高抵抗状態(オフ)と低抵抗状態(オン)とを繰り返し変化させることができ、この2つの状態を2値データ“0”,“1”に対応させてデータを記録する、という原理を採用する。   On the other hand, several new memory ideas aiming to greatly exceed the limit of recording density have been proposed. For example, ternary oxides containing transition metal elements such as perovskite (for example, see Patent Documents 1 and 2), binary oxides of transition metals (for example, see Patent Document 3), and the like have been studied. Yes. When these materials are used, a high resistance state (off) and a low resistance state (on) can be repeatedly changed by applying a voltage pulse, and these two states are represented by binary data “0”, “1”. The principle that data is recorded in correspondence with "is adopted.

書き込み/消去に関しては、例えば、低抵抗状態相から高抵抗状態相に変化させるときと、高抵抗状態相から低抵抗状態相に変化させるときとで、逆向きのパルスを印加する方法が三元系酸化物では用いられている。一方、二元系酸化物では、パルス振幅やパルス幅の異なるパルスを印加することにより、書き込み/消去が行われる場合もある。   For writing / erasing, for example, there are three ways to apply reverse pulses when changing from a low resistance state phase to a high resistance state phase and when changing from a high resistance state phase to a low resistance state phase. Used in system oxides. On the other hand, in binary oxides, writing / erasing may be performed by applying pulses having different pulse amplitudes and pulse widths.

読み出しに関しては、記録材料に書き込み/消去が起こらない程度の小さな読み出し電流を流し、記録材料の電気抵抗を測定することにより行う。一般に高抵抗状態相の抵抗と低抵抗状態相の抵抗との比は10程度である。 Reading is performed by passing a small read current that does not cause writing / erasing to the recording material and measuring the electrical resistance of the recording material. In general, the ratio of the resistance in the high resistance state phase to the resistance in the low resistance state phase is about 10 3 .

これらの材料の最大の特長は、素子サイズを10nm程度にまで縮小しても原理的に動作可能であり、この場合には、約10Tbpsi(tera bite par square inch)の記録密度を実現できるため、高記録密度化への候補のひとつとされる。   The greatest feature of these materials is that they can be operated in principle even if the element size is reduced to about 10 nm. In this case, a recording density of about 10 Tbpsi (tera bite par square inch) can be realized. One of the candidates for higher recording density.

このような新規メモリの動作メカニズムとしては、以下のような提案がある。ぺロブスカイト材料に関しては、酸素欠損の拡散、界面準位への電荷蓄積などが提案されている。一方、二元系酸化物に関しては、酸素イオンの拡散、モット転移などである。メカニズムの詳細が明らかにされているとは言い難いものの、さまざまな材料系において同様な抵抗変化が観測されているため、高記録密度化への候補の一つとして注目されている。   As an operation mechanism of such a new memory, there are the following proposals. For perovskite materials, diffusion of oxygen vacancies, charge accumulation at interface states, and the like have been proposed. On the other hand, the binary oxide includes oxygen ion diffusion and Mott transition. Although it is difficult to say that the details of the mechanism have been clarified, the same resistance change has been observed in various material systems, and therefore, it has been attracting attention as one candidate for increasing the recording density.

これらの他、MEMS(micro electro mechanical systems)技術を使ったMEMSメモリが提案されている。このようなMEMSメモリの最大の特長は、ビットデータを記録する各記録部に配線を設ける必要がないため、記録密度を飛躍的に向上できる点にある。記録媒体および記録原理としてはさまざまなものが提案されており、MEMS技術と新たな記録原理とを組み合わせ、消費電力、記録密度や、動作速度などに関して大きな改善を達成しようという試みがなされている。   In addition to these, a MEMS memory using MEMS (micro electro mechanical systems) technology has been proposed. The greatest feature of such a MEMS memory is that the recording density can be drastically improved because it is not necessary to provide a wiring in each recording section for recording bit data. Various recording media and recording principles have been proposed, and attempts have been made to achieve great improvements in terms of power consumption, recording density, operating speed, etc. by combining MEMS technology and new recording principles.

しかしながら、このような新たな記録材料を用いた新規情報記録媒体は実現されていない。その理由のひとつに、消費電力が大きいこと、および各抵抗状態の熱安定性が低いことが指摘されている(例えば非特許文献1を参照)。
なお、パイロクロア構造については、例えば非特許文献2に記載されている。
特開2005−317787号公報 特開2006−80259号公報 特開2006−140464号公報 S.Seo et al.、Applied Physics Letters, vol.85, p.p.5655-5657,(2004) H.Wiggers et al.、Solid State Ionics vol.107、p.p.111-116 (1998)
However, a new information recording medium using such a new recording material has not been realized. One of the reasons is pointed out that the power consumption is large and the thermal stability of each resistance state is low (see, for example, Non-Patent Document 1).
The pyrochlore structure is described in Non-Patent Document 2, for example.
JP-A-2005-317787 JP 2006-80259 A JP 2006-140464 A S. Seo et al., Applied Physics Letters, vol.85, pp5655-5657, (2004) H. Wiggers et al., Solid State Ionics vol.107, pp111-116 (1998)

本発明は、低消費電力で、かつ、熱安定性が高い不揮発性の情報記録再生装置を提案する。   The present invention proposes a nonvolatile information recording / reproducing apparatus with low power consumption and high thermal stability.

本発明の一態様によれば、A1M1X1(0.5≦a≦2、6≦x<7)で表されるパイロクロア構造であって、前記A1と前記M1は互いに異なる元素であり、前記A1と前記M1の少なくともいずれかは電子が不完全に満たされたd軌道を有する遷移元素であり、前記X1はO(酸素)、F(フッ素)、N(窒素)を及びS(硫黄)よりなる群から選択された少なくともいずれかを含む第1化合物を有する記録層と、前記記録層に電圧を印加して前記記録層に相変化を発生させて情報を記録する電圧印加部と、を備えたことを特徴とする情報記録再生装置が提供される。 According to one embodiment of the present invention, a pyrochlore structure represented by A1 a M1 2 X1 x (0.5 ≦ a ≦ 2, 6 ≦ x <7), wherein A1 and M1 are different elements from each other. And at least one of the A1 and the M1 is a transition element having d orbital incompletely filled with electrons, and the X1 includes O (oxygen), F (fluorine), N (nitrogen), and S ( A recording layer having a first compound containing at least one selected from the group consisting of sulfur), and a voltage application unit for recording information by applying a voltage to the recording layer to cause a phase change in the recording layer An information recording / reproducing apparatus including the above is provided.

本発明によれば、低消費電力で、かつ、熱安定性が高い不揮発性の情報記録再生装置が提供される。   According to the present invention, a nonvolatile information recording / reproducing apparatus with low power consumption and high thermal stability is provided.

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態にかかる情報記録再生装置における情報の記録/再生の基本原理を説明するための概念図である。
図1(a)は、記録部の断面図である。この記録部は、パイロクロア構造の材料を含む記録層12の両側を電極層11、1 3Aにより挟んだ構造を有する。すなわち、記録層12は、A1M1X1(0.5≦a≦2、6≦x<7)で表されるパイロクロア構造であって、A1とM1は互いに異なる元素であり、A1とM1の少なくともいずれかは電子が不完全に満たされたd軌道を有する遷移元素であり、X1はO(酸素)、F(フッ素)、N(窒素)を及びS(硫黄)よりなる群から選択された少なくともいずかれを含む第1化合物を有する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a conceptual diagram for explaining the basic principle of information recording / reproduction in the information recording / reproducing apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 1A is a cross-sectional view of the recording unit. This recording part has a structure in which both sides of a recording layer 12 containing a pyrochlore structure material are sandwiched between electrode layers 11 and 13A. That is, the recording layer 12 has a pyrochlore structure represented by A1 a M1 2 X1 x (0.5 ≦ a ≦ 2, 6 ≦ x <7), and A1 and M1 are elements different from each other. At least one of M1 is a transition element having d orbital incompletely filled with electrons, and X1 is selected from the group consisting of O (oxygen), F (fluorine), N (nitrogen), and S (sulfur) A first compound comprising at least

なお、電極13Aは、保護層としての役割を有していてもよい。図1において、大きな白丸はX1イオンを、小さな黒丸はM1イオンを、そして小さな白丸はA1イオンを表す。図1(a)に表した構造においては、A1イオンの拡散パスが直線状に存在するので、外部電場によりA1イオンが容易に拡散できるように、原子種を選定することが可能となる。   Note that the electrode 13A may have a role as a protective layer. In FIG. 1, large white circles represent X1 ions, small black circles represent M1 ions, and small white circles represent A1 ions. In the structure shown in FIG. 1A, since the diffusion path of A1 ions exists in a straight line, it is possible to select the atomic species so that the A1 ions can be easily diffused by an external electric field.

記録層12に電圧を印加し、記録層12内に電位勾配を発生させると、A1イオンの一部が結晶中を移動する。そこで、本実施形態では、記録層12の初期状態を絶縁体(高抵抗状態相)とし、電位勾配により記録層12を相変化させ、記録層12に導電性を持たせる(低抵抗状態相)ことにより情報の記録を行う。   When a voltage is applied to the recording layer 12 to generate a potential gradient in the recording layer 12, some of the A1 ions move in the crystal. Thus, in the present embodiment, the initial state of the recording layer 12 is an insulator (high resistance state phase), the recording layer 12 is phase-changed by a potential gradient, and the recording layer 12 is made conductive (low resistance state phase). To record information.

まず、例えば、電極層13Aの電位が電極層11の電位よりも相対的に低い状態を作る。電極層11を固定電位(例えば、接地電位)とすれば、電極層13Aに負の電位を与えればよい。   First, for example, a state in which the potential of the electrode layer 13A is relatively lower than the potential of the electrode layer 11 is created. If the electrode layer 11 is set to a fixed potential (for example, ground potential), a negative potential may be applied to the electrode layer 13A.

この時、記録層12内のA1イオンの一部が電極層(陰極)13A側に移動し、記録層(結晶)12内のA1イオンの数がX1イオンに対して相対的に減少する。電極層13A側に移動したA1イオンは、電極層13Aから電子を受け取り、メタルであるA1原子として析出してメタル層14を形成する。従って、電極層13Aに近い領域では、A1イオンが還元されてメタル的に振舞うので、その電気抵抗が大きく減少する。   At this time, some of the A1 ions in the recording layer 12 move to the electrode layer (cathode) 13A side, and the number of A1 ions in the recording layer (crystal) 12 decreases relative to the X1 ions. The A1 ions that have moved to the electrode layer 13A side receive electrons from the electrode layer 13A and precipitate as A1 atoms that are metal to form the metal layer 14. Therefore, in the region close to the electrode layer 13A, the A1 ions are reduced and behave like a metal, so that the electrical resistance is greatly reduced.

記録層12の内部では、X1イオンが過剰となり、結果的に、記録層12内に残されたA1イオンあるいはM1イオンの価数を上昇させる。このとき、その価数があがったときに電気抵抗が減少するようにA1イオンあるいはM1イオンを選択すると、メタル層14、記録層12内ともにA1イオンの移動により電気抵抗が減少するので、記録層全体として低抵抗状態相へと相変化する。つまり、情報記録(セット動作)が完了する。   Inside the recording layer 12, X1 ions become excessive, and as a result, the valence of A1 ions or M1 ions left in the recording layer 12 is increased. At this time, if the A1 ion or the M1 ion is selected so that the electric resistance is reduced when the valence is increased, the electric resistance is reduced by the movement of the A1 ion in both the metal layer 14 and the recording layer 12, so that the recording layer As a whole, the phase changes to the low resistance state phase. That is, information recording (set operation) is completed.

情報再生に関しては、例えば電圧パルスを記録層12に印加し、記録層12の抵抗値を検出することにより容易に行える。ただし、電圧パルスの振幅は、A1イオンの移動が生じない程度の微小な値であることが必要である。   Information reproduction can be easily performed by, for example, applying a voltage pulse to the recording layer 12 and detecting the resistance value of the recording layer 12. However, the amplitude of the voltage pulse needs to be a minute value that does not cause movement of A1 ions.

以上説明した過程は、一種の電気分解であり、電極層(陽極)11側では電気化学的酸化により酸化剤が生じ、電極層(陰極)13A側では電気化学的還元により還元剤が生じた、と考えることができる。   The process described above is a kind of electrolysis, in which an oxidizing agent is generated by electrochemical oxidation on the electrode layer (anode) 11 side, and a reducing agent is generated by electrochemical reduction on the electrode layer (cathode) 13A side. Can be considered.

このため、低抵抗状態相を高抵抗状態相に戻すには、例えば、記録層12を大電流パルスによりジュール加熱して、記録層12の酸化還元反応を促進させればよい。すなわち、大電流パルスによるジュール熱のため、A1イオンは熱的により安定な結晶構造12内へと戻り、初期の高抵抗状態相が現れる(リセット動作)。   Therefore, in order to return the low resistance state phase to the high resistance state phase, for example, the recording layer 12 may be Joule-heated with a large current pulse to promote the oxidation-reduction reaction of the recording layer 12. That is, due to Joule heat due to a large current pulse, A1 ions return into the thermally more stable crystal structure 12, and an initial high resistance state phase appears (reset operation).

あるいは、セット動作時とは逆向きの電圧パルスを印加してもリセット動作を行うことができる。つまり、セット時と同様に電極層11を固定電位とすれば、電極層13Aに正の電位を与えればよい。すると、電極層13A近傍のA1原子は電極層13Aに電子を与えA1イオンとなった後、記録層12内の電位勾配により結晶構造12内に戻っていく。これにより、価数が上昇していた一部のA1イオンは、その価数が初期と同じ値に減少するため、初期の高抵抗状態相へと変化する。   Alternatively, the reset operation can be performed by applying a voltage pulse in the opposite direction to that in the set operation. That is, if the electrode layer 11 is set to a fixed potential as in the setting, a positive potential may be applied to the electrode layer 13A. Then, A1 atoms in the vicinity of the electrode layer 13A give electrons to the electrode layer 13A to become A1 ions, and then return to the crystal structure 12 due to a potential gradient in the recording layer 12. As a result, some of the A1 ions whose valences have increased have their valences reduced to the same values as in the initial stage, so that they change to the initial high resistance state phase.

ただし、この動作原理を実用化するには、室温でリセット動作が生じないこと(十分に長いリテンション時間の確保)と、リセット動作の消費電力が十分に小さいこととを確認しなければならない。
前者に対しては、イオン半径の制御で対応できる。つまり、パイロクロア構造では、A1イオンの半径が大きいので、室温で、かつ電位勾配がない状態でのA1イオンの移動を妨げることができる。
However, in order to put this operating principle into practical use, it must be confirmed that the reset operation does not occur at room temperature (a sufficiently long retention time is ensured) and that the power consumption of the reset operation is sufficiently small.
The former can be dealt with by controlling the ion radius. That is, in the pyrochlore structure, since the radius of the A1 ion is large, the movement of the A1 ion at room temperature and without a potential gradient can be prevented.

また、後者に対しては、結晶破壊を引き起こすことなく、記録層(結晶)12内を移動するA1イオンの移動パスを見つけ出すことにより対応できる。前述したように、パイロクロア構造ではA1イオンの拡散パスが直線状に存在するので、A1イオンの拡散が生じやすく、そのような記録層12として用いるのに適している。   Further, the latter can be dealt with by finding a movement path of A1 ions moving in the recording layer (crystal) 12 without causing crystal destruction. As described above, since the diffusion path of A1 ions is linear in the pyrochlore structure, the diffusion of A1 ions is likely to occur, which is suitable for use as such a recording layer 12.

ここで、A1イオン、あるいはM1イオンのどちらかは、A1イオンの拡散に伴ってその価数を変化させる必要がある。効率的に価数の変化を生ぜしめるためには、A1イオンあるいはM1イオンのいずれかは、電子が不完全に満たされたd軌道を有する遷移元素である必要がある。
特にA1イオンが、電子が不完全に満たされたd軌道を有する遷移元素である場合には、A1イオンが拡散した後に、拡散せずに結晶構造12内に残されたA1イオンの価数が上昇することによっても、電荷の中性条件を満たすことができる。特にM1イオンの価数が、それ以上上昇することができないときには、A1イオンがすべて拡散してしまうと、M1イオンのみでは電荷の中性条件を満たすことができない。従って、ある程度の割合のA1イオンが拡散した後、さらにA1イオンが拡散しようとすると、クーロン力によって拡散が妨げられる。つまり、A1イオンの拡散量には上限があり、低抵抗化に寄与するA1イオンの価数変化量に上限があるため、低抵抗状態の抵抗が比較的大きな値となる。前述のリセット過程のように、記録層に熱を加えてA1イオンを移動させ母体構造内に戻す場合には、低抵抗状態の抵抗が大きい方が、熱が効率的に発生し、低消費電力化が可能となるため好ましい。
Here, either the A1 ion or the M1 ion needs to change its valence with the diffusion of the A1 ion. In order to produce a valence change efficiently, either the A1 ion or the M1 ion needs to be a transition element having a d orbital incompletely filled with electrons.
In particular, when the A1 ion is a transition element having d orbital incompletely filled with electrons, the valence of the A1 ion remaining in the crystal structure 12 without being diffused after the A1 ion diffuses is determined. The neutral condition of the charge can also be satisfied by increasing. In particular, when the valence of the M1 ion cannot be increased any more, if all of the A1 ions diffuse, the neutral condition of the charge cannot be satisfied only by the M1 ions. Therefore, after a certain proportion of A1 ions diffuse, if further A1 ions try to diffuse, the Coulomb force prevents the diffusion. That is, the diffusion amount of A1 ions has an upper limit, and the valence change amount of A1 ions that contributes to lowering the resistance has an upper limit. Therefore, the resistance in the low resistance state becomes a relatively large value. When heat is applied to the recording layer to move the A1 ions back into the host structure as in the reset process described above, heat is more efficiently generated when the resistance in the low resistance state is larger, and power consumption is lower. This is preferable because it is possible to achieve the above.

また、パイロクロア構造では、A1イオンのイオン半径が比較的大きく、空隙サイトのない結晶内では、効率的にA1イオンの拡散が生じにくい。従って、パイロクロア構造をこのような抵抗変化型素子の記録膜として用いるためには、図1(a)に表したように、結晶格子中に空隙サイトがあることが重要である。従って、本実施形態では、記録層として、化学式1:A1M1X1(0.5≦a≦2、6≦x<7)に示すように、少なくともX1サイトに空隙を有する材料を用いる。A1イオンの拡散が容易に生じるためには、6≦x≦6.5であることがより望ましい。 In the pyrochlore structure, the ionic radius of A1 ions is relatively large, and diffusion of A1 ions does not easily occur efficiently in a crystal without void sites. Therefore, in order to use the pyrochlore structure as a recording film of such a resistance variable element, it is important that there are void sites in the crystal lattice as shown in FIG. Therefore, in the present embodiment, as the recording layer, a material having a gap at least at the X1 site is used as shown in Chemical Formula 1: A1 a M1 2 X1 x (0.5 ≦ a ≦ 2, 6 ≦ x <7). . In order for the diffusion of A1 ions to occur easily, it is more desirable that 6 ≦ x ≦ 6.5.

パイロクロア構造を有する材料としては、X1としてO(酸素)を用いたものが最も容易に成膜できるので、X1としてはOを用いるのが望ましい。
さらに、このようなX1サイトに空隙を伴うパイロクロア構造を作製するには、A1として、1A族、2A族、希土類、Ln(ランタノイド)、4A族、1B族、2B族、Al、Ga、In、Tl、Sn、Pb、Biのグループから選択される少なくとも1種類の元素を用い、M1として4A族、5A族、6A族、7A族、8族、Sn、Sbのグループから選択される少なくとも1種類の元素を用いるのが望ましい。
As a material having a pyrochlore structure, a film using O (oxygen) as X1 can be most easily formed, so it is desirable to use O as X1.
Furthermore, in order to produce a pyrochlore structure with voids at such an X1 site, as A1, 1A group, 2A group, rare earth, Ln (lanthanoid), 4A group, 1B group, 2B group, Al, Ga, In, Using at least one element selected from the group of Tl, Sn, Pb, Bi, and at least one element selected from the group of 4A group, 5A group, 6A group, 7A group, 8 group, Sn, Sb as M1 It is desirable to use these elements.

さらには、容易にパイロクロア構造を作製するには、A1が、Rb、Cs、Ca、Sr、Ba、希土類、Ln(ランタノイド)、Zr、Ag、Au、Cd、Hg、Tl、Sn、Pb、Biのグループから選択される少なくとも1種類の元素を含むことがより望ましい。一方、M1が、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Mn、Tc、Re、Ru、Os、Sn、Sbのグループから選択される少なくとも1種類の元素を含むことがより望ましい。   Furthermore, in order to easily produce a pyrochlore structure, A1 is Rb, Cs, Ca, Sr, Ba, rare earth, Ln (lanthanoid), Zr, Ag, Au, Cd, Hg, Tl, Sn, Pb, Bi. It is more desirable to include at least one element selected from these groups. On the other hand, M1 contains at least one element selected from the group of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Mn, Tc, Re, Ru, Os, Sn, and Sb. desirable.

さらに、A1イオンの半径が大きい場合には、A1イオンの価数が1価であると、電圧を印加した状態ではA1イオンの拡散が容易に生じるが、電圧が印加されない場合には、A1イオンの拡散が生じにくいので各抵抗状態の安定性の点で望ましい。このためには、A1が、Rb、Cs、Ag、Au、Hg、Tlがさらに望ましい。
このとき、M1は5価のイオンとなることができる、V、Nb、Ta、Mo、W、Mn、Ru、Os、Sbのグループから選択される少なくとも1種類の元素を含むことが望ましい。
Further, when the radius of A1 ions is large, if the valence of A1 ions is monovalent, diffusion of A1 ions occurs easily when a voltage is applied, but if no voltage is applied, A1 ions are diffused. This is desirable in terms of stability of each resistance state. For this purpose, A1 is more preferably Rb, Cs, Ag, Au, Hg, and Tl.
In this case, M1 preferably contains at least one element selected from the group of V, Nb, Ta, Mo, W, Mn, Ru, Os, and Sb, which can be pentavalent ions.

A1イオンが1価であると、電荷の中性条件を満たすためには、M1イオンの価数は5価程度となる。このように、M1イオンの価数が大きい場合には、M1イオンの結晶格子からのずれに対して大きなクーロン反発力が働き、M1イオンがその位置を変えることなく安定に存在しやすい。さらには、M1イオンとしてNb、Ta、Mo、W、Ru、Os、Sbを用いた場合には、質量が大きいため、やはりM1イオンの移動が生じにくい。従って、これらの元素からなるM1イオンを用いた場合には、M1イオンの位置が熱的に安定であり、その結果、結晶構造の崩れが生じにくい。このため、A1イオンの拡散パスが熱的に安定である。   If the A1 ion is monovalent, the valence of the M1 ion is about five in order to satisfy the neutral condition of the charge. Thus, when the valence of the M1 ion is large, a large Coulomb repulsive force acts on the deviation of the M1 ion from the crystal lattice, and the M1 ion tends to exist stably without changing its position. Furthermore, when Nb, Ta, Mo, W, Ru, Os, and Sb are used as M1 ions, the mass is large, so that the movement of M1 ions is hardly caused. Therefore, when M1 ions composed of these elements are used, the position of the M1 ions is thermally stable, and as a result, the crystal structure is not easily broken. For this reason, the diffusion path of A1 ions is thermally stable.

また、図1に表したようなXイオンのインターカレーション/ディインターカレーションが印加電圧に対して効率的に生じるためには、Xイオンが拡散する方向と電場が加えられている方向が一致していることが望ましい。図1に表したように、記録層が[1−10]方向に配向していると、Xイオンの拡散パスが電場方向と平行に配置するので、記録層は[1−10]方向に配向していることが望ましい。   In addition, in order for the intercalation / deintercalation of X ions as shown in FIG. 1 to occur efficiently with respect to the applied voltage, the direction in which the X ions diffuse and the direction in which the electric field is applied are the same. It is desirable to do it. As shown in FIG. 1, when the recording layer is oriented in the [1-10] direction, the X ion diffusion path is arranged in parallel to the electric field direction, so the recording layer is oriented in the [1-10] direction. It is desirable that

各原子の混合比の最適値について説明する。
図1に関して説明したように、A1イオンサイトに空隙サイトがある状態でも結晶構造が安定に存在しうるので、各状態の抵抗、あるいはA1イオンの拡散係数が最適値になるように、A1イオンの混合比を最適化することが可能である。A1イオンの混合比が小さすぎると、結晶構造を安定に製造および保持することが困難になり、A1イオンの混合比が大きすぎるとイオンの拡散が困難になる。従ってA1イオンの混合比は0.5≦a≦2であることが好ましい。製造ムラを抑制するためには、A1イオンの混合比は1.5≦a≦2.0であることがより好ましい。
X1イオンも、ある程度の欠陥があっても結晶構造が安定に存在しうる。しかし、X1イオンのサイトに空隙がない結晶内では、A1イオンの拡散が生じにくいので、X1イオンの混合比は6≦x<7であることが好ましい。さらに、拡散を容易にするためには、6≦x≦6.5であることがより好ましい。
The optimum value of the mixing ratio of each atom will be described.
As described with reference to FIG. 1, since the crystal structure can exist stably even when there are void sites in the A1 ion site, the resistance of each state or the diffusion coefficient of the A1 ion has an optimum value. It is possible to optimize the mixing ratio. If the mixing ratio of A1 ions is too small, it is difficult to stably produce and maintain the crystal structure, and if the mixing ratio of A1 ions is too large, diffusion of ions becomes difficult. Therefore, the mixing ratio of A1 ions is preferably 0.5 ≦ a ≦ 2. In order to suppress manufacturing unevenness, the mixing ratio of A1 ions is more preferably 1.5 ≦ a ≦ 2.0.
Even if X1 ions have a certain amount of defects, the crystal structure can exist stably. However, since the diffusion of A1 ions hardly occurs in a crystal having no void at the site of X1 ions, the mixing ratio of X1 ions is preferably 6 ≦ x <7. Further, in order to facilitate diffusion, it is more preferable that 6 ≦ x ≦ 6.5.

ところで、セット動作後の電極層(陽極)11側には酸化剤が生じるため、電極層11は、酸化され難い材料(例えば、電気伝導性窒化物、電気伝導性酸化物など)から構成されることが望ましい。あるいは、記録層12と電極層11との間に、酸化され難い材料が設けられているのが望ましい。また、このような材料としては、イオン伝導性を有しないものがよい。   By the way, since an oxidizing agent is generated on the electrode layer (anode) 11 side after the setting operation, the electrode layer 11 is made of a material that is not easily oxidized (for example, electrically conductive nitride, electrically conductive oxide, etc.). It is desirable. Alternatively, it is desirable that a material that is difficult to be oxidized is provided between the recording layer 12 and the electrode layer 11. Moreover, as such a material, the thing which does not have ion conductivity is good.

そのような材料としては、以下に示されるものがあり、その中でも、電気伝導率の良さなどを加味した総合的性能の点から、TiN, SiNは、最も望ましい材料ということができる。   Examples of such materials include those shown below, and among these, TiN and SiN can be said to be the most desirable materials from the viewpoint of overall performance taking into account good electrical conductivity and the like.

・ MN
Mは、Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W のグループから選択される少なくとも1種類の元素である。Nは、窒素である。
・ MN
M is at least one element selected from the group consisting of Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, and W. N is nitrogen.

・ MO
Mは、Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Ir, Os, Pt のグループから選択される少なくとも1種類の元素である。モル比xは、1≦x≦4を満たすものとする。
・ MO x
M is selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Ir, Os, and Pt. At least one element. The molar ratio x shall satisfy 1 ≦ x ≦ 4.

・ AMO
Aは、La, K, Ca, Sr, Ba, Ln(ランタノイド) のグループから選択される少なくとも1種類の元素である。
Mは、Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Ir, Os, Pt のグループから選択される少なくとも1種類の元素である。
Oは、酸素である。
・ AMO 3
A is at least one element selected from the group of La, K, Ca, Sr, Ba, and Ln (lanthanoid).
M is selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Ir, Os, and Pt. At least one element.
O is oxygen.

・ AMO
Aは、K, Ca, Sr, Ba, Ln(ランタノイド) のグループから選択される少なくとも1種類の元素である。
Mは、Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Ir, Os, Pt のグループから選択される少なくとも1種類の元素である。
Oは、酸素である。
・ A 2 MO 4
A is at least one element selected from the group of K, Ca, Sr, Ba, and Ln (lanthanoid).
M is selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Ir, Os, and Pt. At least one element.
O is oxygen.

また、セット動作後の保護層(陰極)13側には還元剤が生じるため、保護層13としては、記録層12が大気と反応することを防止する機能を持っていることが望ましい。
そのような材料としては、例えば、アモルファスカーボン、ダイヤモンドライクカーボン、SnOなどの半導体がある。
Further, since a reducing agent is generated on the protective layer (cathode) 13 side after the setting operation, the protective layer 13 preferably has a function of preventing the recording layer 12 from reacting with the atmosphere.
Examples of such a material include semiconductors such as amorphous carbon, diamond-like carbon, and SnO 2 .

電極層13Aは、記録層12を保護する保護層として機能させてもよいし、電極層13Aの代わりに保護層を設けてもよい。この場合、保護層は、絶縁体でもよいし、導電体でもよい。
また、リセット動作において記録層12の加熱を効率よく行うために、陰極側、ここでは、電極層13A側に、ヒータ層(抵抗率が約10−5Ωcm以上の材料)を設けてもよい。
The electrode layer 13A may function as a protective layer for protecting the recording layer 12, or a protective layer may be provided instead of the electrode layer 13A. In this case, the protective layer may be an insulator or a conductor.
In order to efficiently heat the recording layer 12 in the reset operation, a heater layer (a material having a resistivity of about 10 −5 Ωcm or more) may be provided on the cathode side, here, on the electrode layer 13A side.

以上説明したように、本実施形態によれば、上述した材料を記録層12に使用することにより陽イオンの拡散を容易にすることができ、抵抗変化に必要な消費電力を小さくし、熱安定性を高めることができる。   As described above, according to the present embodiment, by using the above-described material for the recording layer 12, cation diffusion can be facilitated, power consumption required for resistance change can be reduced, and thermal stability can be achieved. Can increase the sex.

(第2の実施の形態)
次に、本実施形態の第2の実施の形態に係る情報記録再生装置における情報の記録/消去/再生の基本原理について説明する。
図2は、本実施形態の記録部の構造を表す概念図である。
本実施形態の記録部も、パイロクロア構造の材料からなる記録層12の両側を電極層11、1 3Aにより挟んだ構造を有する。ここでも、電極13Aは、保護層としての役割を有していてもよい。
(Second Embodiment)
Next, the basic principle of recording / erasing / reproducing information in the information recording / reproducing apparatus according to the second embodiment of the present embodiment will be described.
FIG. 2 is a conceptual diagram showing the structure of the recording unit of the present embodiment.
The recording portion of this embodiment also has a structure in which both sides of the recording layer 12 made of a pyrochlore structure material are sandwiched between the electrode layers 11 and 13A. Again, the electrode 13A may have a role as a protective layer.

記録層12は、第1化合物を含む第1の層12Aと、第2化合物を含む第2の層12Bと、を有する。第1の層12Aは、電極層11の側に配置され、化学式1:A1M1X1(0.5≦a≦2、6≦x<7)で表される第1化合物を含む。第2の層12Bは、電極層13Aの側に配置され、Oイオンを放出・収容できる第2化合物を含む。 The recording layer 12 includes a first layer 12A containing a first compound and a second layer 12B containing a second compound. The first layer 12A is disposed on the electrode layer 11 side and includes a first compound represented by the chemical formula 1: A1 a M1 2 X1 x (0.5 ≦ a ≦ 2, 6 ≦ x <7). The second layer 12B is disposed on the electrode layer 13A side and includes a second compound that can release and accommodate O ions.

また、第1の層12Aに含まれる第1化合物の電子のフェルミ準位は、第2の層12Bに含まれる第2化合物の電子のフェルミ準位よりも低くする。これは、記録層12の状態に可逆性を持たせるために望ましい条件のひとつである。ここで、フェルミ準位については、いずれも真空準位から測定した値とする。   In addition, the Fermi level of the electrons of the first compound included in the first layer 12A is set lower than the Fermi level of the electrons of the second compound included in the second layer 12B. This is one of the desirable conditions for imparting reversibility to the state of the recording layer 12. Here, all the Fermi levels are values measured from the vacuum level.

このような材料の組み合わせを記録層に使用し、第1の層12Aと第2の層12Bと間のO(酸素)イオンの授受を容易にすることにより、抵抗変化に必要な消費電力を小さくし、熱安定性を高めることができる。   By using such a combination of materials for the recording layer and facilitating exchange of O (oxygen) ions between the first layer 12A and the second layer 12B, the power consumption required for resistance change can be reduced. In addition, thermal stability can be improved.

第1の層12A内の大きな白丸はX1イオンを、小さな黒丸はM1イオンを、小さな白丸はA1イオンを表す。さらに、第2の層12B内の太線の小さな白丸はM2イオンを、そして、斜線で塗りつぶした大きな白丸はO(酸素)イオンを表す。
なお、図3に例示したように、記録層12を構成する第1及び第2の層12A,12Bは、それぞれ、2層以上の複数層を交互に積層させてもよい。
Large white circles in the first layer 12A represent X1 ions, small black circles represent M1 ions, and small white circles represent A1 ions. Further, a small white circle with a thick line in the second layer 12B represents an M2 ion, and a large white circle filled with a diagonal line represents an O (oxygen) ion.
As illustrated in FIG. 3, the first and second layers 12A and 12B constituting the recording layer 12 may be formed by alternately laminating two or more layers.

このような記録部において、第1の層12Aが陽極側、第2の層12Bが陰極側になるように電極層11,13Aに電位を与え、記録層12内に電位勾配を発生させると、第2の層12B内のOイオンの一部が結晶中を移動し、陽極側の第1の層12A内に進入する。   In such a recording unit, when a potential gradient is generated in the recording layer 12 by applying a potential to the electrode layers 11 and 13A so that the first layer 12A is on the anode side and the second layer 12B is on the cathode side, Some of the O ions in the second layer 12B move through the crystal and enter the first layer 12A on the anode side.

第1の層12Aの結晶中には、陰イオンの空隙サイトがあるため、第2の層12Bから移動してきたOイオンは、この空隙サイトに収まる。
従って、第1の層12A内では、A1イオンあるいはM1イオンの一部の価数が増加し、第2の層12B内では、M2イオンの価数が減少する。従って、M2イオンは遷移元素からなるイオンである必要がある。
Since there are anion void sites in the crystal of the first layer 12A, O ions that have moved from the second layer 12B are accommodated in the void sites.
Accordingly, the valence of a part of A1 ions or M1 ions increases in the first layer 12A, and the valence of M2 ions decreases in the second layer 12B. Therefore, the M2 ion needs to be an ion composed of a transition element.

つまり、初期状態(リセット状態)において、第1及び第2の層12A,12Bが低抵抗状態であると仮定すれば、第2の層12B内のOイオンの一部が第1の層12A内に移動することにより、第1及び第2の層12A,12Bの結晶中から電導キャリアが消滅し、両者は、共に、絶縁体となる。
このように、電流/電圧パルスを記録層12に与えることにより、記録層12の電気抵抗値が大きくなるため、セット動作(記録)が実現される。
That is, assuming that the first and second layers 12A and 12B are in the low resistance state in the initial state (reset state), a part of the O ions in the second layer 12B is in the first layer 12A. By moving to, conductive carriers disappear from the crystals of the first and second layers 12A and 12B, and both become insulators.
As described above, by applying the current / voltage pulse to the recording layer 12, the electric resistance value of the recording layer 12 is increased, so that the set operation (recording) is realized.

この時、同時に、第1の層12Aから第2の層12Bに向かって電子も移動するが、第2の層12Bの電子のフェルミ準位は、第1の層12Aの電子のフェルミ準位よりも高いため、記録層12のトータルエネルギーとしては、上昇する。
また、セット動作が完了した後も、このような高いエネルギー状態が継続されるため、記録層12は、自然に、セット状態(高抵抗状態)からリセット状態(低抵抗状態)に戻ってしまう可能性がある。
しかし、本実施形態の例に係る記録層12を用いれば、このような懸念は回避される。すなわち、セット状態を維持し続けることができる。
At the same time, electrons move from the first layer 12A toward the second layer 12B, but the electron Fermi level of the second layer 12B is higher than the electron Fermi level of the first layer 12A. Therefore, the total energy of the recording layer 12 increases.
Further, even after the set operation is completed, such a high energy state is continued, so that the recording layer 12 may naturally return from the set state (high resistance state) to the reset state (low resistance state). There is sex.
However, such a concern can be avoided by using the recording layer 12 according to the example of the present embodiment. That is, the set state can be maintained.

これは、いわゆるイオンの移動抵抗が働いているためである。A1イオン、M1イオンの平均化数が3価より大きくなるように、A1、M1を形成する元素を選択すると、A1イオン、M1イオンの拡散に対して大きなクーロン反発力が働くので、A1イオン、M1イオンの拡散は生じにくい。一方で、パイロクロア構造では、元来酸素サイトに空隙があるが、さらに、定比組成よりも酸素含有量を少なくした第1化合物内では、外部電圧の印加によって、直線状の拡散パスを有する酸素イオンの拡散が容易に生じる。これと同時に、酸素イオンは2価であるので、クーロン反発力が働き、外部電圧が印加されない状況では酸素イオンは拡散しない。
このように、A1イオンの価数を3価にすると、A1イオン、M1イオンともに価数の大きなイオンとなり、陽イオンの拡散を制限することができる。また、Oイオンの価数は2価であるので、クーロン反発力による拡散抵抗が働く。従って、A1が、希土類、Ln(ランタノイド)、In、Tl、Sn、Pb、Biのグループから選択される少なくとも1種類の元素を含むことが望ましい。
This is because so-called ion movement resistance works. When the elements forming A1 and M1 are selected so that the average number of A1 ions and M1 ions is larger than trivalent, a large Coulomb repulsive force acts on the diffusion of A1 ions and M1 ions. The diffusion of M1 ions is difficult to occur. On the other hand, in the pyrochlore structure, the oxygen site originally has voids, but in the first compound in which the oxygen content is smaller than the stoichiometric composition, oxygen having a linear diffusion path is applied by applying an external voltage. Ion diffusion easily occurs. At the same time, since oxygen ions are divalent, Coulomb repulsive force works and oxygen ions do not diffuse in a situation where no external voltage is applied.
Thus, when the valence of the A1 ion is trivalent, both the A1 ion and the M1 ion become ions having a large valence, and the diffusion of the cation can be restricted. In addition, since the valence of O ions is bivalent, diffusion resistance due to Coulomb repulsion acts. Therefore, it is desirable that A1 contains at least one element selected from the group consisting of rare earth, Ln (lanthanoid), In, Tl, Sn, Pb, and Bi.

ところで、セット動作が完了した後には、陽極側に酸化剤が生成されるため、この場合にも、電極層11としては、酸化され難く、イオン伝導性を有しない材料(例えば、電気伝導性酸化物)を用いることが望ましい。あるいは、電極層11と記録層12との間に、酸化され難い材料からなる層が設けられていることが望ましい。その好適な例は前述の通りである。   By the way, since the oxidizing agent is generated on the anode side after the setting operation is completed, in this case as well, the electrode layer 11 is difficult to be oxidized and does not have ionic conductivity (for example, electrically conductive oxidation). It is desirable to use Alternatively, it is desirable that a layer made of a material that is difficult to be oxidized is provided between the electrode layer 11 and the recording layer 12. Suitable examples thereof are as described above.

リセット動作(消去)は、記録層12を加熱して、上述の第1の層12Aの空隙サイト内に収納されたOイオンが第2の層12B内に戻る、という現象を促進してやればよい。   The reset operation (erase) may be performed by heating the recording layer 12 and promoting the phenomenon that the O ions stored in the void sites of the first layer 12A return to the second layer 12B.

具体的には、記録層12に大電流パルスを与えることにより発生するジュール熱とその残留熱とを利用すれば、容易に、記録層12を元の低抵抗状態(導電体)に戻すことができる。
このように、大電流パルスを記録層12に与えることにより、記録層12の電気抵抗値が大きくなるため、リセット動作(消去)が実現される。あるいは、セット時とは逆向きの電場を印加することによってもリセット動作は可能である。
Specifically, the recording layer 12 can be easily returned to the original low resistance state (conductor) by using Joule heat generated by applying a large current pulse to the recording layer 12 and its residual heat. it can.
As described above, by applying a large current pulse to the recording layer 12, the electrical resistance value of the recording layer 12 is increased, so that a reset operation (erasing) is realized. Alternatively, the reset operation can be performed by applying an electric field in the opposite direction to that at the time of setting.

ここで、低消費電力を実現するには、結晶破壊を引き起こすことなく、電気エネルギーの印加によって容易に酸化還元反応が生じることが重要になる。
化学式2:M2O(0.5≦y≦2.5)(ただし、M2は、4A族、5A族、6A族、7A族、8族及び1B族から選択される少なくとも1種の元素である)であらわされる材料を第2の層12Bとして用いた場合には、このような条件を満たし、低消費電力を実現するのに有効である。ここで特に、M2として、Ti、Zr、V、Nb、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuのいずれかを用いた場合には、低消費電力で酸化還元反応が生じるのでよい。またさらに、特に、M2として、Cr、Mn、Fe,Coを用いた場合には、さらに低消費電力で酸化還元反応が生じる。
また、空隙サイトを伴うパイロクロア構造を有する第1化合物内では、Oイオンの拡散パスが直線状に形成されており、その拡散が容易に生じるので、第1化合物として用いるのに好適である。
Here, in order to realize low power consumption, it is important that an oxidation-reduction reaction easily occurs by applying electric energy without causing crystal destruction.
Chemical formula 2: M2O y (0.5 ≦ y ≦ 2.5) (wherein M2 is at least one element selected from Group 4A, Group 5A, Group 6A, Group 7A, Group 8 and Group 1B) ) Is used as the second layer 12B, it is effective to satisfy such conditions and realize low power consumption. Here, in particular, when any one of Ti, Zr, V, Nb, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu is used as M2, a redox reaction may occur with low power consumption. Furthermore, particularly when Cr, Mn, Fe, or Co is used as M2, a redox reaction occurs with lower power consumption.
Further, in the first compound having a pyrochlore structure with void sites, the diffusion path of O ions is formed in a straight line, and the diffusion easily occurs, so that it is suitable for use as the first compound.

各原子の混合比の最適値について説明する。
A1イオンサイトに空隙サイトがある状態でも結晶構造が安定に存在しうるので、各状態の抵抗、あるいはOイオンの拡散係数が最適値になるように、A1イオンの混合比を最適化することが可能である。A1イオンの混合比が小さすぎると、結晶構造を安定に製造および保持することが困難になり、A1イオンの混合比が大きすぎるとイオンの拡散が困難になる。従ってA1イオンの混合比は0.5≦a≦2であることが好ましい。製造ムラを抑制するためには、A1イオンの混合比は1.5≦a≦2.0であることがより好ましい。
X1イオンも、ある程度の欠陥があっても結晶構造が安定に存在しうる。しかし、X1イオンのサイトに空隙がない結晶内では、Oイオンの拡散が生じにくいので、X1イオンの混合比は、6≦x≦6.5であることがより好ましい。
The optimum value of the mixing ratio of each atom will be described.
Since the crystal structure can exist stably even when there are void sites at the A1 ion site, it is possible to optimize the mixing ratio of A1 ions so that the resistance of each state or the diffusion coefficient of O ions becomes an optimum value. Is possible. If the mixing ratio of A1 ions is too small, it is difficult to stably produce and maintain the crystal structure, and if the mixing ratio of A1 ions is too large, diffusion of ions becomes difficult. Therefore, the mixing ratio of A1 ions is preferably 0.5 ≦ a ≦ 2. In order to suppress manufacturing unevenness, the mixing ratio of A1 ions is more preferably 1.5 ≦ a ≦ 2.0.
Even if X1 ions have a certain amount of defects, the crystal structure can exist stably. However, since the diffusion of O ions hardly occurs in a crystal having no voids at the site of X1 ions, the mixing ratio of X1 ions is more preferably 6 ≦ x ≦ 6.5.

次に、第2化合物の膜厚の好適な範囲について説明する。
十分な量の酸素イオンを供給し、十分な抵抗変化効果を得るためには、第2化合物の膜厚は、3nm以上の膜厚であることが望ましい。
Next, a preferable range of the film thickness of the second compound will be described.
In order to supply a sufficient amount of oxygen ions and obtain a sufficient resistance change effect, the film thickness of the second compound is desirably 3 nm or more.

一方、第2化合物の膜厚が大きくなりすぎると、第1化合物から遠い領域の酸素イオンは抵抗変化に寄与することが難しくなり、その結果、第2化合物の抵抗変化量が小さくなってしまう。このため、第2化合物の膜厚は10nm以下であることが望ましい。
第2化合物はいかなる結晶構造を有してもよいが、微結晶状に存在している場合には、その表面において酸素の放出・吸収が生じやすいので望ましい。
第1化合物と下部電極、あるいは第2化合物と上部電極の間には、一般に、リセット動作をさらに促進するためのヒータ層(抵抗率約10−5Ωcm以上の材料)を設けてもよい。
On the other hand, if the film thickness of the second compound becomes too large, it becomes difficult for oxygen ions in a region far from the first compound to contribute to the resistance change, and as a result, the resistance change amount of the second compound becomes small. For this reason, it is desirable that the film thickness of the second compound be 10 nm or less.
The second compound may have any crystal structure, but when it exists in the form of a microcrystal, it is desirable because release and absorption of oxygen easily occur on the surface.
In general, a heater layer (a material having a resistivity of about 10 −5 Ωcm or more) for further promoting the reset operation may be provided between the first compound and the lower electrode or between the second compound and the upper electrode.

プローブメモリでは、陰極側に還元性の材料が析出するため、大気との反応を防ぐために、表面保護層を設けることが望ましい。
ヒータ層と表面保護層を、両方の機能を持つ1つの材料で構成することも可能である。例えば、アモルファスカーボン、ダイヤモンドライクカーボン、SnOなどの半導体は、ヒータ機能と表面保護機能とを併せ持っている。
In the probe memory, since a reducing material is deposited on the cathode side, it is desirable to provide a surface protective layer in order to prevent reaction with the atmosphere.
The heater layer and the surface protective layer can be formed of one material having both functions. For example, semiconductors such as amorphous carbon, diamond-like carbon, and SnO 2 have both a heater function and a surface protection function.

再生に関しては、電流パルスを記録層12に流し、記録層12の抵抗値を検出することにより容易に行える。
ただし、電流パルスは、記録層12を構成する材料が抵抗変化を起こさない程度の微小な値であることが必要である。
Reproduction can be easily performed by passing a current pulse through the recording layer 12 and detecting the resistance value of the recording layer 12.
However, the current pulse needs to be a minute value that does not cause a resistance change in the material constituting the recording layer 12.

(第3の実施の形態)
次に、本実施形態の第3の実施の形態に係る情報記録再生装置における情報の記録/消去/再生の基本原理について説明する。
図4は、本実施形態の記録部の構造を表す模式図である。
本実施形態の記録部も、パイロクロア構造の材料からなる記録層12の両側を電極層11、1 3Aにより挟んだ構造を有する。ここでも、電極13Aは、保護層としての役割を有していてもよい。
記録層12は、第3の層12Cと、第1の層12Aと、を有する。第3の層12Cは、電極層11の側に配置され、少なくとも2種類の陽イオン元素を有する複合化合物から構成され、前記陽イオン元素の少なくとも1種類は電子が不完全に満たされたd軌道を有する遷移元素とされている。第1の層12Aは、電極層13Aの側に配置され、化学式1:A1M1X1(0.5≦a≦1、6≦x<7)で表される第3化合物を含む。
(Third embodiment)
Next, the basic principle of information recording / erasure / reproduction in the information recording / reproducing apparatus according to the third embodiment of the present embodiment will be described.
FIG. 4 is a schematic diagram showing the structure of the recording unit of the present embodiment.
The recording portion of this embodiment also has a structure in which both sides of the recording layer 12 made of a pyrochlore structure material are sandwiched between the electrode layers 11 and 13A. Again, the electrode 13A may have a role as a protective layer.
The recording layer 12 includes a third layer 12C and a first layer 12A. The third layer 12C is disposed on the electrode layer 11 side, and is composed of a composite compound having at least two kinds of cation elements. At least one of the cation elements is d orbital in which electrons are incompletely filled. It is considered as a transition element having The first layer 12A is disposed on the electrode layer 13A side and includes a third compound represented by chemical formula 1: A1 a M1 2 X1 x (0.5 ≦ a ≦ 1, 6 ≦ x <7).

また、第1の層12Aの電子のフェルミ準位は、第3の層12Cの電子のフェルミ準位よりも高くする。これは、記録層12の状態に可逆性を持たせるために望ましい条件のひとつである。ここで、フェルミ準位については、いずれも真空準位から測定した値とする。   The electron Fermi level of the first layer 12A is set higher than the electron Fermi level of the third layer 12C. This is one of the desirable conditions for imparting reversibility to the state of the recording layer 12. Here, all the Fermi levels are values measured from the vacuum level.

このような材料の組み合わせを記録層に使用し、第1の層12Aと第3の層12Cと間の陽イオンの授受を容易にすることにより、抵抗変化に必要な消費電力を小さくし、熱安定性を高めることができる。   By using such a combination of materials for the recording layer and facilitating the exchange of cations between the first layer 12A and the third layer 12C, the power consumption required for resistance change is reduced, and the heat Stability can be increased.

第1の層12A内の大きな白丸はX1イオンを、小さな黒丸はM1イオンを、小さな白丸はA1イオンを表す。さらに、第3の層12C内の点線で塗りつぶした大きな白丸はX3イオンを、太線の小さな白丸はM3イオンを、斜線で塗りつぶした小さな白丸はA3イオンを表す。
なお、図3に関して前述したものと同様に、記録層12を構成する第1及び第3化合物12A,12Cは、それぞれ、2層以上の複数層を交互に積層してもよい。
Large white circles in the first layer 12A represent X1 ions, small black circles represent M1 ions, and small white circles represent A1 ions. Further, a large white circle filled with a dotted line in the third layer 12C represents X3 ions, a small white circle with thick lines represents M3 ions, and a small white circle filled with diagonal lines represents A3 ions.
As in the case described above with reference to FIG. 3, each of the first and third compounds 12A and 12C constituting the recording layer 12 may be formed by alternately stacking two or more layers.

このような記録部において、第1の層12Aが陰極側、第3の層12Cが陽極側になるように電極層11、13Aに電位を与え、記録層12内に電位勾配を発生させると、第3化合物を含む第3の層12C内のA3イオンの一部が結晶中を移動し、陰極側の第1の層12A内に進入する。   In such a recording portion, when a potential gradient is generated in the recording layer 12 by applying a potential to the electrode layers 11 and 13A so that the first layer 12A is on the cathode side and the third layer 12C is on the anode side, Part of the A3 ions in the third layer 12C containing the third compound moves in the crystal and enters the first layer 12A on the cathode side.

第1の層12Aの結晶中には、A1イオンの空隙サイトがあるため、第3化合物を含む第3の層12Cから移動してきたA3イオンは、この空隙サイトに収まる。
従って、第1の層12A内では、A1イオンあるいはM1イオンの一部の価数が減少し、第3の層12C内では、A3イオンあるいはM3イオンの価数が増加する。従って、A3イオン、あるいはM3イオンの少なくとも一方は、その価数が容易に変化できるように、電子が不完全に満たされたd軌道を有する遷移元素である必要がある。
Since there are void sites of A1 ions in the crystal of the first layer 12A, A3 ions that have moved from the third layer 12C containing the third compound are accommodated in the void sites.
Accordingly, the valence of a part of A1 ions or M1 ions decreases in the first layer 12A, and the valence of A3 ions or M3 ions increases in the third layer 12C. Therefore, at least one of the A3 ion and the M3 ion needs to be a transition element having a d orbital in which electrons are incompletely filled so that the valence can be easily changed.

つまり、初期状態(リセット状態)において、第1及び第3の層12A,12Cが高抵抗状態(絶縁体)であると仮定すれば、第3の層12C内のA3イオンの一部が第1の層12A内に移動することにより、第1及び第3の層12A,12Cの結晶中に電導キャリアが発生し、両者は、共に、電気伝導性を有するようになる。   That is, assuming that the first and third layers 12A and 12C are in a high resistance state (insulator) in the initial state (reset state), a part of the A3 ions in the third layer 12C is the first. By moving into the first layer 12A, conductive carriers are generated in the crystals of the first and third layers 12A and 12C, and both of them have electric conductivity.

このように、電流/電圧パルスを記録層12に与えることにより、記録層12の電気抵抗値が小さくなるため、セット動作(記録)が実現される。
この時、同時に、第3の層12Cから第1の層12Aに向かって電子も移動するが、第3の層12Cの電子のフェルミ準位は、第1の層12Aの電子のフェルミ準位よりも低いため、記録層12のトータルエネルギーとしては、上昇する。
また、セット動作が完了した後も、このような高いエネルギー状態が継続されるため、記録層12は、自然に、セット状態(低抵抗状態)からリセット状態(高抵抗状態)に戻ってしまう可能性がある。
As described above, by applying the current / voltage pulse to the recording layer 12, the electric resistance value of the recording layer 12 is reduced, so that the set operation (recording) is realized.
At the same time, electrons move from the third layer 12C toward the first layer 12A, but the electron Fermi level of the third layer 12C is higher than the electron Fermi level of the first layer 12A. Therefore, the total energy of the recording layer 12 increases.
Further, even after the set operation is completed, such a high energy state is continued, so that the recording layer 12 may naturally return from the set state (low resistance state) to the reset state (high resistance state). There is sex.

しかし、本実施形態の例に係る記録層12を用いれば、このような懸念は回避される。すなわち、セット状態を維持し続けることができる。
前述のように、イオン半径とイオンの価数を適宜選択すればよい。例えば、2価の陽イオンでイオン半径が小さいものをA3イオンとして選択すれば、A3イオンは、外部電圧が印加されたときには、A1イオンの拡散パスが直線状に形成されたパイロクロア構造内を容易に拡散することができるが、外部電圧が印加されないときには、クーロン反発力が働いて、A3イオンの拡散を制限することができる。
However, such a concern can be avoided by using the recording layer 12 according to the example of the present embodiment. That is, the set state can be maintained.
As described above, the ion radius and the valence of ions may be selected as appropriate. For example, if a divalent cation with a small ionic radius is selected as the A3 ion, the A3 ion can easily travel within the pyrochlore structure in which the diffusion path of the A1 ion is formed linearly when an external voltage is applied. However, when an external voltage is not applied, the Coulomb repulsive force works to limit the diffusion of A3 ions.

また、第1化合物内で、A1イオンおよびM1イオンの拡散が生じてしまうと、それに要するエネルギーのためにスイッチングに要する全エネルギーが増えてしまう。これを避けるためには、A1イオン、M1イオンはともに、拡散しないイオンであることが望ましい。前述のように、A1イオンの価数を3価とすることにより、A1イオンおよびM1イオンの拡散を防ぐことができるので、A1は、希土類、Ln(ランタノイド)、In、Tl、Sn、Pb、Biから選択される少なくとも1種類の元素を含むことが望ましい。あるいは、A1イオンの価数が小さくても、イオン半径の大きなイオンを用いれば、A1イオンおよびM1イオンの拡散を防ぐことができる。このためには、A1イオンとしては、1価のCs、2価のSr、Baなどを用いることが望ましい。   Moreover, if diffusion of A1 ions and M1 ions occurs in the first compound, the total energy required for switching increases due to the energy required for the diffusion. In order to avoid this, it is desirable that both the A1 ion and the M1 ion are ions that do not diffuse. As described above, by making the valence of the A1 ion trivalent, the diffusion of the A1 ion and the M1 ion can be prevented, so that A1 is rare earth, Ln (lanthanoid), In, Tl, Sn, Pb, It is desirable to include at least one element selected from Bi. Alternatively, even if the valence of A1 ions is small, diffusion of A1 ions and M1 ions can be prevented by using ions having a large ion radius. For this purpose, it is desirable to use monovalent Cs, divalent Sr, Ba or the like as the A1 ion.

各原子の混合比の最適値について説明する。
図1に関して説明したように、A1イオンサイトに空隙サイトがある状態でも結晶構造が安定に存在しうるので、各状態の抵抗、あるいは第1化合物内でのA3イオンの拡散係数が最適値になるように、A1イオンの混合比を最適化することが可能である。A1イオンの混合比が小さすぎると、結晶構造を安定に製造および保持することが困難になり、A1イオンの混合比が大きすぎるとA3イオンの拡散が困難になる。従ってA1イオンの混合比は0.5≦a≦1であることが好ましい。
The optimum value of the mixing ratio of each atom will be described.
As described with reference to FIG. 1, since the crystal structure can exist stably even when there are void sites at the A1 ion site, the resistance of each state or the diffusion coefficient of A3 ions in the first compound becomes an optimum value. Thus, it is possible to optimize the mixing ratio of A1 ions. If the mixing ratio of A1 ions is too small, it is difficult to stably produce and maintain the crystal structure, and if the mixing ratio of A1 ions is too large, diffusion of A3 ions becomes difficult. Therefore, the mixing ratio of A1 ions is preferably 0.5 ≦ a ≦ 1.

X1イオンも、ある程度の欠陥があっても結晶構造が安定に存在しうる。しかし、X1イオンのサイトに空隙がない結晶内では、A3イオンの拡散が生じにくいので、X1イオンの混合比は6≦x<7であることが好ましい。さらに、拡散を容易にするためには、6≦x≦6.5であることがより好ましい。   Even if X1 ions have a certain amount of defects, the crystal structure can exist stably. However, in the crystal where there is no void at the site of X1 ions, the diffusion of A3 ions hardly occurs. Therefore, the mixing ratio of X1 ions is preferably 6 ≦ x <7. Further, in order to facilitate diffusion, it is more preferable that 6 ≦ x ≦ 6.5.

ところで、セット動作が完了した後には、陽極側に酸化剤が生成されるため、この場合にも、電極層11としては、酸化され難く、イオン伝導性を有しない材料(例えば、電気伝導性酸化物)を用いることが望ましい。その好適な例は前述の通りである。
リセット動作(消去)は、記録層12を加熱して、上述の第1の層12Aの空隙サイト内に収納されたA3イオンが第3の層12C内に戻る、という現象を促進してやればよい。
By the way, since the oxidizing agent is generated on the anode side after the setting operation is completed, in this case as well, the electrode layer 11 is difficult to be oxidized and does not have ionic conductivity (for example, electrically conductive oxidation). It is desirable to use Suitable examples thereof are as described above.
The reset operation (erasing) may be performed by heating the recording layer 12 and promoting the phenomenon that the A3 ions stored in the void sites of the first layer 12A return to the third layer 12C.

具体的には、記録層12に大電流パルスを与えることにより発生するジュール熱とその残留熱とを利用すれば、容易に、記録層12を元の高抵抗状態(絶縁体)に戻すことができる。
このように、大電流パルスを記録層12に与えることにより、記録層12の電気抵抗値が大きくなるため、リセット動作(消去)が実現される。あるいは、セット時とは逆向きの電場を印加することによってもリセット動作は可能である。
Specifically, the recording layer 12 can be easily returned to the original high resistance state (insulator) by using Joule heat generated by applying a large current pulse to the recording layer 12 and its residual heat. it can.
As described above, by applying a large current pulse to the recording layer 12, the electrical resistance value of the recording layer 12 is increased, so that a reset operation (erasing) is realized. Alternatively, the reset operation can be performed by applying an electric field in the opposite direction to that at the time of setting.

ここで、低消費電力を実現するには、結晶破壊を引き起こすことなく、電気エネルギーの印加によって容易にA3イオンの拡散が生じることが重要になる。
このため、第3化合物内では、A3イオンの拡散が容易であることが、消費電力を低減するために望ましい。つまり、第3化合物内で、A3イオンの拡散パスが形成されていることが望ましい。従って、第3化合物としては、スピネル構造、イルメナイト構造、クリプトメレン構造、ホランダイト構造、ヘテロライト構造、デラフォサイト構造、あるいはウルフラマイト構造を有することが望ましい。これらの構造内では、A3イオンの拡散パスが直線状に形成されているので、外部電圧を印加した場合には、A3イオンの拡散が容易に生じる。
Here, in order to realize low power consumption, it is important that A3 ions diffuse easily by applying electric energy without causing crystal destruction.
For this reason, in order to reduce power consumption, it is desirable that A3 ions be easily diffused in the third compound. That is, it is desirable that an A3 ion diffusion path is formed in the third compound. Therefore, the third compound preferably has a spinel structure, an ilmenite structure, a cryptomelane structure, a hollandite structure, a heterolite structure, a delafossite structure, or a wolframite structure. In these structures, since the diffusion path of A3 ions is formed in a straight line, the diffusion of A3 ions easily occurs when an external voltage is applied.

さらに、第3化合物からA3イオンが拡散した後の安定性について考察する。第3化合物内の連続した領域から、陽イオンが拡散してしまうと、その領域の構造を安定に保持するのが困難になる。従って、第3化合物においては、拡散するA3イオンと、拡散せずに母体構造を保持するM3イオンが異なる原子から形成されていることが必要である。
また、A3イオンが拡散した後に、電荷の中性条件を満たすためには、A3イオンあるいはM3イオンの少なくとも一方は、その価数を容易に変化させることが出来る、電子が不完全に満たされたd軌道を有する遷移元素であることが必要である。
従って、第3化合物は、少なくとも2種類の陽イオンを有する複合化合物から構成され、前記陽イオンの少なくとも1種類は電子が不完全に満たされたd軌道を有する遷移元素であることが必要である。
Furthermore, the stability after A3 ions diffuse from the third compound will be considered. If a cation diffuses from a continuous region in the third compound, it becomes difficult to stably maintain the structure of the region. Therefore, in the third compound, it is necessary that the diffusing A3 ion and the M3 ion that retains the base structure without diffusing are formed from different atoms.
In addition, in order to satisfy the neutral condition of the charge after the A3 ion diffuses, at least one of the A3 ion and the M3 ion can easily change its valence, and the electrons are incompletely filled. It is necessary to be a transition element having d orbitals.
Therefore, the third compound is composed of a composite compound having at least two types of cations, and at least one of the cations needs to be a transition element having a d orbital incompletely filled with electrons. .

次に、第3化合物の膜厚の好適な範囲について説明する。
十分な量のA3イオンを供給し、十分な抵抗変化効果を得るためには、第3化合物の膜厚は、3nm以上の膜厚であることが望ましい。
Next, a preferable range of the film thickness of the third compound will be described.
In order to supply a sufficient amount of A3 ions and obtain a sufficient resistance change effect, the film thickness of the third compound is preferably 3 nm or more.

一方、第3化合物の膜厚が大きくなりすぎると、第3化合物から第1化合物に拡散するA3イオンの割合が少なくなり、A3イオンの拡散による抵抗変化が第3化合物内で得られにくくなる。このため、第3化合物の膜厚は50nm以下であることが望ましい。   On the other hand, when the film thickness of the third compound becomes too large, the ratio of A3 ions diffusing from the third compound to the first compound decreases, and resistance change due to diffusion of A3 ions becomes difficult to obtain in the third compound. For this reason, it is desirable that the film thickness of the third compound be 50 nm or less.

第1化合物と下部電極、あるいは第3化合物と上部電極の間には、一般に、リセット動作をさらに促進するためのヒータ層(抵抗率約10−5Ωcm以上の材料)を設けてもよい。 In general, a heater layer (a material having a resistivity of about 10 −5 Ωcm or more) for further promoting the reset operation may be provided between the first compound and the lower electrode or between the third compound and the upper electrode.

プローブメモリでは、陰極側に還元性の材料が析出するため、大気との反応を防ぐために、表面保護層を設けることが望ましい。
ヒータ層と表面保護層を、両方の機能を持つ1つの材料で構成することも可能である。例えば、アモルファスカーボン、ダイヤモンドライクカーボン、SnOなどの半導体は、ヒータ機能と表面保護機能とを併せ持っている。
In the probe memory, since a reducing material is deposited on the cathode side, it is desirable to provide a surface protective layer in order to prevent reaction with the atmosphere.
The heater layer and the surface protective layer can be formed of one material having both functions. For example, semiconductors such as amorphous carbon, diamond-like carbon, and SnO 2 have both a heater function and a surface protection function.

再生に関しては、電流パルスを記録層12に流し、記録層12の抵抗値を検出することにより容易に行える。
ただし、電流パルスは、記録層12を構成する材料が抵抗変化を起こさない程度の微小な値であることが必要である。
Reproduction can be easily performed by passing a current pulse through the recording layer 12 and detecting the resistance value of the recording layer 12.
However, the current pulse needs to be a minute value that does not cause a resistance change in the material constituting the recording layer 12.

情報記録再生装置の実施例について説明する。
以下、第1〜第3実施形態の記録部を、プローブメモリに適用した場合、半導体メモリに適用した、およびフラッシュメモリに適用した場合の3つについて説明する。
An embodiment of the information recording / reproducing apparatus will be described.
The following describes three cases where the recording unit of the first to third embodiments is applied to a probe memory, applied to a semiconductor memory, and applied to a flash memory.

(プローブメモリ)
図5及び図6は、本実施形態に係るプローブメモリを表す模式図である。
XYスキャナー16上には、第1〜第3の実施形態のいずれかの記録部が設けられた記録媒体が配置される。この記録媒体に対向する形で、プローブアレイが配置される。
(Probe memory)
5 and 6 are schematic views showing the probe memory according to the present embodiment.
On the XY scanner 16, a recording medium provided with the recording unit of any one of the first to third embodiments is disposed. A probe array is arranged to face the recording medium.

プローブアレイは、基板23と、基板23の一面側にアレイ状に配置される複数のプローブ(ヘッド)24と、を有する。複数のプローブ24の各々は、例えば、カンチレバーから構成され、マルチプレクスドライバ25,26により駆動される。
複数のプローブ24は、それぞれ、基板23内のマイクロアクチュエータを用いて個別に動作可能であるが、ここでは、全てをまとめて同じ動作をさせて記録媒体のデータエリアに対するアクセスを行う例を説明する。
The probe array includes a substrate 23 and a plurality of probes (heads) 24 arranged in an array on one surface side of the substrate 23. Each of the plurality of probes 24 is constituted by a cantilever, for example, and is driven by multiplex drivers 25 and 26.
Each of the plurality of probes 24 can be individually operated using the microactuator in the substrate 23. Here, an example will be described in which all of the probes 24 are collectively operated to access the data area of the recording medium. .

まず、マルチプレクスドライバ25,26を用いて、全てのプローブ24をX方向に一定周期で往復動作させ、記録媒体のサーボエリアからY方向の位置情報を読み出す。Y方向の位置情報は、ドライバ15に転送される。
ドライバ15は、この位置情報に基づいてXYスキャナー16を駆動し、記録媒体をY方向に移動させ、記録媒体とプローブとの位置決めを行う。
両者の位置決めが完了したら、データエリア上のプローブ24の全てに対して、同時、かつ、連続的に、データの読み出し又は書き込みを行う。
データの読み出し及び書き込みは、プローブ24がX方向に往復動作していることから連続的に行われる。また、データの読み出し及び書き込みは、記録媒体のY方向の位置を順次変えることにより、データエリアに対して、一行ずつ、実施される。
なお、記録媒体をX方向に一定周期で往復運動させて記録媒体から位置情報を読み出し、プローブ24をY方向に移動させるようにしてもよい。
First, using the multiplex drivers 25 and 26, all the probes 24 are reciprocated in the X direction at a constant cycle, and the position information in the Y direction is read from the servo area of the recording medium. The position information in the Y direction is transferred to the driver 15.
The driver 15 drives the XY scanner 16 based on this position information, moves the recording medium in the Y direction, and positions the recording medium and the probe.
When the positioning of both is completed, data reading or writing is performed simultaneously and continuously on all the probes 24 on the data area.
Data reading and writing are continuously performed because the probe 24 reciprocates in the X direction. Data reading and writing are performed line by line in the data area by sequentially changing the position of the recording medium in the Y direction.
Note that the recording medium may be reciprocated in the X direction at a constant period to read position information from the recording medium, and the probe 24 may be moved in the Y direction.

記録媒体は、例えば、基板20と、基板20上の電極層21と、電極層21上の記録層22とから構成される。
記録層22は、複数のデータエリア、並びに、複数のデータエリアのX方向の両端にそれぞれ配置されるサーボエリアを有する。複数のデータエリアは、記録層22の主要部を占める。
The recording medium includes, for example, a substrate 20, an electrode layer 21 on the substrate 20, and a recording layer 22 on the electrode layer 21.
The recording layer 22 has a plurality of data areas and servo areas arranged at both ends of the plurality of data areas in the X direction. The plurality of data areas occupy the main part of the recording layer 22.

サーボエリア内には、サーボバースト信号が記録される。サーボバースト信号は、データエリア内のY方向の位置情報を示している。   A servo burst signal is recorded in the servo area. The servo burst signal indicates position information in the Y direction within the data area.

記録層22内には、これらの情報の他に、さらに、アドレスデータが記録されるアドレスエリア及び同期をとるためのプリアンブルエリアが配置される。
データ及びサーボバースト信号は、記録ビット(電気抵抗変動)として記録層22に記録される。記録ビットの“1”,“0”情報は、記録層22の電気抵抗を検出することにより読み出す。
In addition to these pieces of information, an address area for recording address data and a preamble area for synchronization are arranged in the recording layer 22.
The data and servo burst signal are recorded on the recording layer 22 as recording bits (electric resistance fluctuation). The “1” and “0” information of the recording bit is read by detecting the electric resistance of the recording layer 22.

本例では、1つのデータエリアに対応して1つのプローブ(ヘッド)が設けられ、1つのサーボエリアに対して1つのプローブが設けられる。
データエリアは、複数のトラックから構成される。アドレスエリアから読み出されるアドレス信号によりデータエリアのトラックが特定される。また、サーボエリアから読み出されるサーボバースト信号は、プローブ24をトラックの中心に移動させ、記録ビットの読み取り誤差をなくすためのものである。
ここで、X方向をダウントラック方向、Y方向をトラック方向に対応させることにより、HDDのヘッド位置制御技術を利用することが可能になる。
In this example, one probe (head) is provided corresponding to one data area, and one probe is provided for one servo area.
The data area is composed of a plurality of tracks. A track in the data area is specified by an address signal read from the address area. The servo burst signal read from the servo area is used to move the probe 24 to the center of the track and eliminate the recording bit reading error.
Here, by making the X direction correspond to the down-track direction and the Y direction correspond to the track direction, it becomes possible to use the head position control technology of the HDD.

次に、このプローブメモリの記録/再生動作について説明する。   Next, the recording / reproducing operation of the probe memory will be described.

図7は、記録(セット動作)時の状態を説明するための概念図である。
記録媒体は、基板(例えば、半導体チップ)20上の電極層21と、電極層21上の記録層22と、記録層22上の保護層13Bとから構成されるものとする。保護層13Bは、例えば、薄い絶縁体から構成される。
記録動作は、記録層22の記録ビット27表面に電圧を印加し、記録ビット27の内部に電位勾配を発生させることにより行う。具体的には、電流/電圧パルスを記録ビット27に与えればよい。
FIG. 7 is a conceptual diagram for explaining a state during recording (set operation).
The recording medium is composed of an electrode layer 21 on a substrate (for example, a semiconductor chip) 20, a recording layer 22 on the electrode layer 21, and a protective layer 13B on the recording layer 22. The protective layer 13B is made of, for example, a thin insulator.
The recording operation is performed by applying a voltage to the surface of the recording bit 27 of the recording layer 22 and generating a potential gradient inside the recording bit 27. Specifically, a current / voltage pulse may be given to the recording bit 27.

(第1実施形態の記録部を用いた場合)
ここで、図1に関して前述した第1実施形態の記録部を用いた場合について説明する。
(When using the recording unit of the first embodiment)
Here, a case where the recording unit of the first embodiment described above with reference to FIG. 1 is used will be described.

図8は、記録について表した模式図である。
まず、図8に表したように、プローブ24の電位が電極層21の電位よりも相対的に低い状態を作る。電極層21を固定電位(例えば、接地電位)とすれば、プローブ24に負の電位を与えればよい。
電流パルスは、例えば、電子発生源又はホットエレクトロン源を使用し、プローブ24から電極層21に向かって電子を放出することにより発生させる。あるいは、プローブ24を記録ビット27表面に接触させて電圧パルスを印加してもよい。
FIG. 8 is a schematic diagram showing recording.
First, as shown in FIG. 8, a state is created in which the potential of the probe 24 is relatively lower than the potential of the electrode layer 21. If the electrode layer 21 is set to a fixed potential (for example, ground potential), a negative potential may be applied to the probe 24.
The current pulse is generated by emitting electrons from the probe 24 toward the electrode layer 21 using, for example, an electron generation source or a hot electron source. Alternatively, the voltage pulse may be applied by bringing the probe 24 into contact with the surface of the recording bit 27.

この時、例えば、記録層22の記録ビット27では、A1イオンの一部がプローブ(陰極)24側に移動し、結晶内のA1イオンがX1イオンに対して相対的に減少する。また、プローブ24側に移動したA1イオンは、プローブ24から電子を受け取ってメタルとして析出する。
記録ビット27では、X1イオンが過剰となり、結果的に、記録ビット27におけるA1イオンあるいはM1イオンの価数を上昇させる。つまり、記録ビット27は、相変化によるキャリアの注入により電子伝導性を有するようになるため、膜厚方向への抵抗が減少し、記録(セット動作)が完了する。
なお、記録のための電流パルスは、プローブ24の電位が電極層21の電位よりも相対的に高い状態を作ることにより発生させることもできる。
At this time, for example, in the recording bit 27 of the recording layer 22, a part of the A1 ions moves to the probe (cathode) 24 side, and the A1 ions in the crystal decrease relative to the X1 ions. The A1 ions that have moved to the probe 24 side receive electrons from the probe 24 and are deposited as metal.
In the recording bit 27, the X1 ion becomes excessive, and as a result, the valence of the A1 ion or M1 ion in the recording bit 27 is increased. That is, since the recording bit 27 has electron conductivity due to carrier injection due to phase change, the resistance in the film thickness direction decreases, and recording (set operation) is completed.
The current pulse for recording can also be generated by creating a state in which the potential of the probe 24 is relatively higher than the potential of the electrode layer 21.

図9は、再生について表した模式図である。
再生に関しては、電流パルスを記録層22の記録ビット27に流し、記録ビット27の抵抗値を検出することにより行う。ただし、電流パルスは、記録層22の記録ビット27を構成する材料が抵抗変化を起こさない程度の微小な値とする。
FIG. 9 is a schematic diagram showing reproduction.
Reproduction is performed by passing a current pulse through the recording bit 27 of the recording layer 22 and detecting the resistance value of the recording bit 27. However, the current pulse has a minute value that does not cause a change in resistance of the material constituting the recording bit 27 of the recording layer 22.

例えば、センスアンプS/Aにより発生した読み出し電流(電流パルス)をプローブ24から記録ビット27に流し、センスアンプS/Aにより記録ビット27の抵抗値を測定する。
第1実施形態に係る材料を使用すれば、セット/リセット状態の抵抗値の差は、103以上を確保できる。
なお、再生では、記録媒体上をプローブ24により走査(スキャン)することで、連続再生が可能となる。
For example, a read current (current pulse) generated by the sense amplifier S / A is passed from the probe 24 to the recording bit 27, and the resistance value of the recording bit 27 is measured by the sense amplifier S / A.
If the material according to the first embodiment is used, a difference of 103 or more in the resistance value in the set / reset state can be secured.
In reproduction, continuous reproduction is possible by scanning the recording medium with the probe 24 (scanning).

消去(リセット)動作に関しては、記録層22の記録ビット27を大電流パルスによりジュール加熱して、記録ビット27における酸化還元反応を促進させることにより行う。あるいは、セット動作時とは逆向きの電位差を与えるパルスを印加してもよい。
消去動作は、記録ビット27ごとに行うこともできるし、複数の記録ビット27又はブロック単位で行うこともできる。
The erase (reset) operation is performed by heating the recording bit 27 of the recording layer 22 with a large current pulse to promote the redox reaction in the recording bit 27. Alternatively, a pulse that gives a potential difference in the opposite direction to that in the set operation may be applied.
The erasing operation can be performed for each recording bit 27, or can be performed in units of a plurality of recording bits 27 or blocks.

(第2実施形態の記録部を用いた場合)
次に、図2及び図3に関して前述した第2実施形態の記録部を用いた場合について説明する。
(When the recording unit of the second embodiment is used)
Next, the case where the recording unit of the second embodiment described above with reference to FIGS. 2 and 3 is used will be described.

図10は、記録する状態を表した模式図である。
まず、図10に表したように、プローブ24の電位が電極層21の電位よりも相対的に低い状態を作る。電極層21を固定電位(例えば、接地電位)とすれば、プローブ24に負の電位を与えればよい。
この時、記録層22の第2化合物(陰極側)12B内のOイオンの一部は、結晶中を移動し、第1化合物(陽極側)12Aの空隙サイトに収まる。これに伴い、第2の層12B内のM2イオンの価数が減少し、第1化合物内12AのA1イオンあるいはM1イオンの価数が増加する。その結果、第1及び第2の層12A,12Bの結晶中から電導キャリアが消滅し、両者は、共に、絶縁体となる。
これにより、セット動作(記録)が完了する。
なお、記録動作に関して、第1及び第2の層12A,12Bの位置関係を逆にすれば、プローブ24の電位を電極層21の電位よりも相対的に高い状態にしてセット動作を実行することもできる。
FIG. 10 is a schematic diagram showing a recording state.
First, as shown in FIG. 10, a state is created in which the potential of the probe 24 is relatively lower than the potential of the electrode layer 21. If the electrode layer 21 is set to a fixed potential (for example, ground potential), a negative potential may be applied to the probe 24.
At this time, a part of the O ions in the second compound (cathode side) 12B of the recording layer 22 moves in the crystal and falls in the void sites of the first compound (anode side) 12A. Along with this, the valence of M2 ions in the second layer 12B decreases, and the valence of A1 ions or M1 ions in the first compound 12A increases. As a result, conductive carriers disappear from the crystals of the first and second layers 12A and 12B, and both become insulators.
Thereby, the set operation (recording) is completed.
Regarding the recording operation, if the positional relationship between the first and second layers 12A and 12B is reversed, the set operation is performed with the potential of the probe 24 relatively higher than the potential of the electrode layer 21. You can also.

図11は、再生時の状態を表す模式図である。
再生動作は、電流パルスを記録ビット27に流し、記録ビット27の抵抗値を検出することにより行う。ただし、電流パルスは、記録ビット27を構成する材料が抵抗変化を起こさない程度の微小な値とする。
FIG. 11 is a schematic diagram showing a state during reproduction.
The reproduction operation is performed by passing a current pulse through the recording bit 27 and detecting the resistance value of the recording bit 27. However, the current pulse has a minute value that does not cause a change in resistance of the material constituting the recording bit 27.

例えば、センスアンプS/Aにより発生した読み出し電流(電流パルス)をプローブ24から記録層(記録ビット)22に流し、センスアンプS/Aにより記録ビットの抵抗値を測定する。既に説明した新材料を採用すると、セット/リセット状態の抵抗値の差は、103以上を確保できる。
なお、再生動作は、プローブ24を走査(スキャン)させることで、連続的に行うことができる。
For example, a read current (current pulse) generated by the sense amplifier S / A is passed from the probe 24 to the recording layer (recording bit) 22 and the resistance value of the recording bit is measured by the sense amplifier S / A. If the new material described above is adopted, the difference in resistance value between the set / reset states can be 103 or more.
The reproduction operation can be continuously performed by scanning the probe 24.

リセット(消去)動作は、記録層(記録ビット)22に大電流パルスを流すことにより発生するジュール熱及びその残留熱を利用して、Oイオンが第1の層12A内の空隙サイトから第2の層12B内に戻ろうとする作用を促進してやればよい。あるいは、セット動作時とは逆向きの電位差を与えるパルスを印加してもよい。
消去動作は、記録ビット27ごとに行うこともできるし、複数の記録ビット27又はブロック単位で行うこともできる。
The reset (erase) operation uses Joule heat generated by flowing a large current pulse to the recording layer (recording bit) 22 and its residual heat to cause O ions to be second from the void sites in the first layer 12A. What is necessary is just to accelerate | stimulate the effect | action which tries to return in the layer 12B of this. Alternatively, a pulse that gives a potential difference in the opposite direction to that in the set operation may be applied.
The erasing operation can be performed for each recording bit 27, or can be performed in units of a plurality of recording bits 27 or blocks.

(第3実施形態の記録部を用いた場合)
次に、図4に関して前述した第3実施形態の記録部を用いた場合について説明する。
図12は、記録する状態を表した模式図である。
まず、図12に表したように、プローブ24の電位が電極層21の電位よりも相対的に低い状態を作る。電極層21を固定電位(例えば、接地電位)とすれば、プローブ24に負の電位を与えればよい。
(When the recording unit of the third embodiment is used)
Next, the case where the recording unit of the third embodiment described above with reference to FIG. 4 is used will be described.
FIG. 12 is a schematic diagram showing a recording state.
First, as shown in FIG. 12, a state is created in which the potential of the probe 24 is relatively lower than the potential of the electrode layer 21. If the electrode layer 21 is set to a fixed potential (for example, ground potential), a negative potential may be applied to the probe 24.

この時、記録層22の第3の層(陽極側)12C内のA3イオンの一部は、結晶中を移動し、第1化合物(陰極側)12Aの空隙サイトに収まる。これに伴い、第3の層12C内のA3イオン、あるいはM3イオンの価数が増加し、第1化合物内12AのA1イオンあるいはM1イオンの価数が減少する。その結果、第1及び第3の層12A,12Cの結晶中に電導キャリアが発生し、両者は、共に、電気伝導性を有するようになる。   At this time, a part of A3 ions in the third layer (anode side) 12C of the recording layer 22 moves in the crystal and falls in the void sites of the first compound (cathode side) 12A. Along with this, the valence of A3 ions or M3 ions in the third layer 12C increases, and the valence of A1 ions or M1 ions in the first compound 12A decreases. As a result, conductive carriers are generated in the crystals of the first and third layers 12A and 12C, and both of them have electric conductivity.

これにより、セット動作(記録)が完了する。
なお、記録動作に関して、第1及び第3の層12A,12Cの位置関係を逆にすれば、プローブ24の電位を電極層21の電位よりも相対的に低い状態にしてセット動作を実行することもできる。
Thereby, the set operation (recording) is completed.
As for the recording operation, if the positional relationship between the first and third layers 12A and 12C is reversed, the setting operation is performed with the potential of the probe 24 relatively lower than the potential of the electrode layer 21. You can also.

図13は、再生時の状態を表す模式図である。
再生動作は、電流パルスを記録ビット27に流し、記録ビット27の抵抗値を検出することにより行う。ただし、電流パルスは、記録ビット27を構成する材料が抵抗変化を起こさない程度の微小な値とする。
例えば、センスアンプS/Aにより発生した読み出し電流(電流パルス)をプローブ24から記録層(記録ビット)22に流し、センスアンプS/Aにより記録ビットの抵抗値を測定する。既に説明した新材料を採用すると、セット/リセット状態の抵抗値の差は、103以上を確保できる。
なお、再生動作は、プローブ24を走査(スキャン)させることで、連続的に行うことができる。
リセット(消去)動作は、記録層(記録ビット)22に大電流パルスを流すことにより発生するジュール熱及びその残留熱を利用して、A3イオンが第1の層12A内の空隙サイトから第3の層12C内に戻ろうとする作用を促進してやればよい。あるいは、セット動作時とは逆向きの電位差を与えるパルスを印加してもよい。
消去動作は、記録ビット27ごとに行うこともできるし、複数の記録ビット27又はブロック単位で行うこともできる。
FIG. 13 is a schematic diagram showing a state during reproduction.
The reproduction operation is performed by passing a current pulse through the recording bit 27 and detecting the resistance value of the recording bit 27. However, the current pulse has a minute value that does not cause a change in resistance of the material constituting the recording bit 27.
For example, a read current (current pulse) generated by the sense amplifier S / A is passed from the probe 24 to the recording layer (recording bit) 22 and the resistance value of the recording bit is measured by the sense amplifier S / A. If the new material described above is adopted, the difference in resistance value between the set / reset states can be 103 or more.
The reproduction operation can be continuously performed by scanning the probe 24.
The reset (erase) operation uses Joule heat generated by flowing a large current pulse to the recording layer (recording bit) 22 and its residual heat, so that A3 ions are third from the void sites in the first layer 12A. What is necessary is just to accelerate | stimulate the effect | action which is going to return in this layer 12C. Alternatively, a pulse that gives a potential difference in the opposite direction to that in the set operation may be applied.
The erasing operation can be performed for each recording bit 27, or can be performed in units of a plurality of recording bits 27 or blocks.

(実施例)
サンプルとしては、図8に表した構造を有する記録媒体を使用し、評価は、先端の径が10nm以下に先鋭化されたプローブ対を使用する。
電極層21は、例えば、半導体基板上に形成されたPt膜とする。半導体基板と下部電極との接着性を高めるために、5nm程度のTiを接着層として用いてもよい。記録層22は、所望の組成比が得られるように成分を調整したターゲットを用い、ディスクの温度を600℃程度の高温に保持したまま、アルゴンと酸素の混合ガス中でRFマグネトロンスパッタを行うことにより、得ることができる。さらに、保護層として、例えば、ダイヤモンドライクカーボンを、CVD法により形成してもよい。各層の膜厚は、低抵抗状態と高抵抗状態の抵抗比、スイッチングに要するエネルギー、スイッチング速度などを最適化するように設計できる。例えばスパッタ時間を調整することで、所望の膜厚を得ることができる。
(Example)
As a sample, a recording medium having the structure shown in FIG. 8 is used, and evaluation uses a probe pair whose tip diameter is sharpened to 10 nm or less.
The electrode layer 21 is, for example, a Pt film formed on a semiconductor substrate. In order to improve the adhesiveness between the semiconductor substrate and the lower electrode, Ti of about 5 nm may be used as the adhesive layer. The recording layer 22 is obtained by performing RF magnetron sputtering in a mixed gas of argon and oxygen while using a target whose component is adjusted so as to obtain a desired composition ratio and maintaining the temperature of the disk at a high temperature of about 600 ° C. Can be obtained. Furthermore, as a protective layer, for example, diamond-like carbon may be formed by a CVD method. The thickness of each layer can be designed to optimize the resistance ratio between the low resistance state and the high resistance state, the energy required for switching, the switching speed, and the like. For example, a desired film thickness can be obtained by adjusting the sputtering time.

プローブ対を保護層13Bに接触させ、書き込み/消去は、そのうちの1つを用いて実行する。例えば、書き込みは、記録層22に、例えば、50nsec幅で、1Vの電圧パルスを印加することにより行う。一方で、例えば、消去は、記録層22に、例えば、200nsec幅で、0.2Vの電圧パルスを印加することにより行うことができる。
また、書き込み/消去の合間に、プローブ対の他の1つを用いて読み出しを実行する。読み出しは、記録層22に、10nsec幅で、0.1Vの電圧パルスを印加し、記録層(記録ビット)22の抵抗値を測定することにより行うことができる。
前述した第1〜第3実施形態を適用した具体例を以下に説明する。
The probe pair is brought into contact with the protective layer 13B, and writing / erasing is performed using one of them. For example, writing is performed by applying a voltage pulse of 1 V to the recording layer 22 with a width of, for example, 50 nsec. On the other hand, for example, erasing can be performed by applying a voltage pulse of 0.2 V to the recording layer 22 with a width of, for example, 200 nsec.
Also, reading is performed using the other one of the probe pair between the writing / erasing. Reading can be performed by applying a voltage pulse of 0.1 V with a width of 10 nsec to the recording layer 22 and measuring the resistance value of the recording layer (recording bit) 22.
Specific examples to which the first to third embodiments described above are applied will be described below.

(第1実施形態の記録部を用いた場合)
パイロクロア構造を有するAgSbO(AgSb)を記録層として用いた場合には、Agイオンの拡散パスが直線状に存在するため、Agイオンの拡散が効率的に生じる。また、Agイオンが拡散した後には、記録層内に残されたAgイオンの価数が2価に上昇し、記録層の低抵抗化を実現できる。このとき、5価で原子量の大きなSbイオンは、Agイオンの有無にかかわらず、価数が変わらず、Oイオンとの結合長が変わらないため、Agイオンが拡散した後も結晶構造が安定に保持されやすい。また、電荷の中性条件を満たすためには、Agイオンがすべて拡散することはできないので、低抵抗状態での抵抗が過小になることはなく、スイッチングに要する電力を小さくすることができる。
(When using the recording unit of the first embodiment)
When AgSbO 3 (Ag 2 Sb 2 O 6 ) having a pyrochlore structure is used as the recording layer, the diffusion path of Ag + ions exists in a straight line, so that diffusion of Ag + ions occurs efficiently. Further, after the Ag + ions are diffused is the valence of Ag + ions left in the recording layer is increased to bivalent, it can realize the resistance of the recording layer. At this time, pentavalent and large atomic weight Sb ions have the same valence regardless of the presence or absence of Ag ions, and the bond length with O ions does not change, so that the crystal structure is stable even after Ag ions diffuse. Easy to hold. Further, since all the Ag ions cannot be diffused in order to satisfy the neutral condition of the charge, the resistance in the low resistance state is not excessively reduced, and the power required for switching can be reduced.

(第2実施形態の記録部を用いた場合)
パイロクロア構造を有するGdZrを第1化合物として、MnOを第2化合物として用いた場合には、Gdイオンの拡散パスは直線状に存在するが、Gdイオンの価数は3価、Zrイオンの平均価数は3価と陽イオンの価数が大きく、大きなクーロン反発力が働くため、第1化合物内での陽イオンの拡散は生じにくい。このため、電場の印加によって、第2化合物からOイオンが第1化合物へと拡散する。このとき、第1化合物内では、Oイオンが空隙サイトに収容されるため、Zrイオンの価数が上昇する。一方で、第2化合物では、Mnイオンの価数が減少する。どちらの場合にもそれぞれの化合物の抵抗を増加させる効果を持つので、Oイオンの拡散により記録層全体として、低抵抗状態から高抵抗状態へと相変化する。
(When the recording unit of the second embodiment is used)
When Gd 2 Zr 2 O 6 having a pyrochlore structure is used as the first compound and MnO 2 is used as the second compound, the diffusion path of Gd ions exists linearly, but the valence of Gd ions is trivalent. Since the average valence of Zr ions is trivalent and the valence of the cation is large, and a large Coulomb repulsive force acts, the diffusion of the cation in the first compound hardly occurs. For this reason, O ions diffuse from the second compound to the first compound by the application of the electric field. At this time, in the first compound, since the O ions are accommodated in the void sites, the valence of the Zr ions increases. On the other hand, in the second compound, the valence of Mn ions decreases. In either case, since the resistance of each compound is increased, the entire recording layer changes from a low resistance state to a high resistance state by the diffusion of O ions.

(第3実施形態の記録部を用いた場合)
パイロクロア構造を有するCs0.886.44を第1化合物とし、スピネル構造を有するMgMnを第3化合物として用いた場合には、第1化合物内では、Csイオンの拡散パスが直線状に存在するが、Csイオンのイオン半径が大きく、Wイオンの価数が大きいため、陽イオンの拡散は容易には生じない。これに対して、スピネル構造内では、Mgイオン、Mnイオン、Oイオンが層状に存在し、Mgイオンのイオン半径が小さいことから、Mgイオンの拡散は容易に生じる。従って、電場の印加によって、Mgイオンは第3化合物内から、第1化合物内へと拡散する。このとき、第1化合物内では、Wイオンの価数が減少し、第3化合物内では、Mnイオンの価数が増加する。どちらの場合にも、それぞれの化合物の抵抗を減少させる効果を持つので、Mgイオンの拡散により記録層全体として、高抵抗状態から低抵抗状態へと相変化する。
以上説明したように、本実施形態のプローブメモリによれば、現在のハードディスクやフラッシュメモリよりも高記録密度及び低消費電力を実現できる。
(When the recording unit of the third embodiment is used)
When Cs 0.88 W 2 O 6.44 having a pyrochlore structure is used as the first compound and MgMn 2 O 4 having a spinel structure is used as the third compound, the diffusion path of Cs ions in the first compound However, since the ionic radius of Cs ions is large and the valence of W ions is large, diffusion of cations does not easily occur. On the other hand, in the spinel structure, Mg ions, Mn ions, and O ions are present in layers, and Mg ions diffuse easily because the ion radius of Mg ions is small. Therefore, the Mg ions diffuse from the third compound into the first compound by applying the electric field. At this time, the valence of W ions decreases in the first compound, and the valence of Mn ions increases in the third compound. In either case, since the resistance of each compound is reduced, the recording layer as a whole changes phase from a high resistance state to a low resistance state due to diffusion of Mg ions.
As described above, according to the probe memory of this embodiment, higher recording density and lower power consumption can be realized than the current hard disk and flash memory.

(半導体メモリ)
次に、半導体素子と組み合わせた情報記録再生装置について説明する。
図14は、第1〜第3実施形態のいずれかの記録層を備えたクロスポイント型半導体メモリを表す模式図である。
ワード線WLi−1,WLi,WLi+1は、X方向に延び、ビット線BLj−1,BLj,BLj+1は、Y方向に延びる。
ワード線WLi−1,WLi,WLi+1の一端は、選択スイッチとしてのMOSトランジスタRSWを経由してワード線ドライバ&デコーダ31に接続され、ビット線BLj−1,BLj,BLj+1の一端は、選択スイッチとしてのMOSトランジスタCSWを経由してビット線ドライバ&デコーダ&読み出し回路32に接続される。
(Semiconductor memory)
Next, an information recording / reproducing apparatus combined with a semiconductor element will be described.
FIG. 14 is a schematic diagram illustrating a cross-point type semiconductor memory including the recording layer according to any one of the first to third embodiments.
Word lines WLi−1, WLi, and WLi + 1 extend in the X direction, and bit lines BLj−1, BLj, and BLj + 1 extend in the Y direction.
One end of the word lines WLi-1, WLi, WLi + 1 is connected to the word line driver & decoder 31 via a MOS transistor RSW as a selection switch, and one end of the bit lines BLj-1, BLj, BLj + 1 is used as a selection switch. The bit line driver & decoder & read circuit 32 is connected via the MOS transistor CSW.

MOSトランジスタRSWのゲートには、1本のワード線(ロウ)を選択するための選択信号Ri−1,Ri,Ri+1が入力され、MOSトランジスタCSWのゲートには、1本のビット線(カラム)を選択するための選択信号Ci−1,Ci,Ci+1が入力される。
メモリセル33は、ワード線WLi−1,WLi,WLi+1とビット線BLj−1,BLj,BLj+1との交差部に配置される。いわゆるクロスポイント型セルアレイ構造である。
メモリセル33には、記録/再生時における回り込み電流(sneak current)を防止するためのダイオード34が付加される。
Selection signals Ri-1, Ri, Ri + 1 for selecting one word line (row) are inputted to the gate of the MOS transistor RSW, and one bit line (column) is inputted to the gate of the MOS transistor CSW. Selection signals Ci-1, Ci, Ci + 1 are input to select.
Memory cell 33 is arranged at the intersection of word lines WLi-1, WLi, WLi + 1 and bit lines BLj-1, BLj, BLj + 1. This is a so-called cross-point cell array structure.
The memory cell 33 is provided with a diode 34 for preventing a sneak current during recording / reproduction.

図15は、図14の半導体メモリのメモリセルアレイ部の構造を表す模式図である。
半導体チップ30上には、ワード線WLi−1,WLi,WLi+1とビット線BLj−1,BLj,BLj+1が配置され、これら配線の交差部にメモリセル33及びダイオード34が配置される。
このようなクロスポイント型セルアレイ構造の特長は、メモリセル33に個別にMOSトランジスタを接続する必要がないため、高集積化に有利な点にある。例えば、図17及び図18に示すように、メモリセル33を積み重ねて、メモリセルアレイを3次元構造にすることも可能である。
FIG. 15 is a schematic diagram showing the structure of the memory cell array portion of the semiconductor memory of FIG.
On the semiconductor chip 30, word lines WLi-1, WLi, WLi + 1 and bit lines BLj-1, BLj, BLj + 1 are arranged, and memory cells 33 and diodes 34 are arranged at intersections of these wirings.
The feature of such a cross-point cell array structure is that it is advantageous for high integration because it is not necessary to individually connect a MOS transistor to the memory cell 33. For example, as shown in FIGS. 17 and 18, it is possible to stack the memory cells 33 so that the memory cell array has a three-dimensional structure.

第1〜第3実施形態のいずれかの記録層を有するメモリセル33は、例えば、図16に表したように、記録層22、保護層13B及びヒータ層35のスタック構造から構成される。1つのメモリセル33により1ビットデータを記憶する。また、ダイオード34は、ワード線WLiとメモリセル33との間に配置される。   For example, as shown in FIG. 16, the memory cell 33 having the recording layer of any one of the first to third embodiments includes a stack structure of the recording layer 22, the protective layer 13 </ b> B, and the heater layer 35. One memory cell 33 stores 1-bit data. The diode 34 is disposed between the word line WLi and the memory cell 33.

図17及び図18は、メモリセルアレイの他の具体例を表す模式図である。
図17に表した具体例においては、Y方向の延びたビット線BLj−1,BLj,BLj+1の上下に、X方向に延びたワード線WLi−1,WLi,WLi+1がそれぞれ設けられている。そして、これらビット線とワード線とのクロスポイントに、メモリセル33、34がそれぞれ配設されている。つまり、ビット線をその上下のメモリセルで共有した構造とされている。
FIGS. 17 and 18 are schematic views showing other specific examples of the memory cell array.
In the specific example shown in FIG. 17, word lines WLi−1, WLi, and WLi + 1 extending in the X direction are provided above and below the bit lines BLj−1, BLj, and BLj + 1 extending in the Y direction, respectively. Memory cells 33 and 34 are arranged at the cross points of these bit lines and word lines, respectively. That is, the bit line is shared by the upper and lower memory cells.

図18に表した具体例においては、Y方向の延びたビット線BLj−1,BLj,BLj+1と、X方向に延びたワード線WLi−1,WLi,WLi+1と、が交互に積層された構造を有する。そして、これらビット線とワード線とのクロスポイントに、メモリセル33、34がそれぞれ配設されている。つまり、ビット線とワード線を、それらの上下のメモリセルで共有した構造とされている。
図17及び図18に例示したような積層構造を採用することにより、記録密度を上げることが可能となる。
In the specific example shown in FIG. 18, a structure in which bit lines BLj-1, BLj, BLj + 1 extending in the Y direction and word lines WLi-1, WLi, WLi + 1 extending in the X direction are alternately stacked. Have. Memory cells 33 and 34 are arranged at the cross points of these bit lines and word lines, respectively. That is, the bit line and the word line are shared by the upper and lower memory cells.
By adopting a laminated structure as exemplified in FIGS. 17 and 18, the recording density can be increased.

次に、図14〜図16を参照しつつ用いて第1〜第3実施形態の記録層を用いた半導体メモリの記録/再生動作について説明する。
ここでは、図14において点線Aで囲んだメモリセル33を選択し、これについて記録/再生動作を実行する場合について説明する。
Next, the recording / reproducing operation of the semiconductor memory using the recording layer of the first to third embodiments will be described with reference to FIGS.
Here, a case will be described in which the memory cell 33 surrounded by the dotted line A in FIG. 14 is selected and the recording / reproducing operation is executed for this.

(第1実施形態の記録層を用いた場合)
記録(セット動作)は、選択されたメモリセル33に電圧を印加し、そのメモリセル33内に電位勾配を発生させて電流パルスを流せばよいため、例えば、ワード線WLiの電位がビット線BLjの電位よりも相対的に低い状態を作る。ビット線BLjを固定電位(例えば、接地電位)とすれば、ワード線WLiに負の電位を与えればよい。
(When the recording layer of the first embodiment is used)
In recording (set operation), it is only necessary to apply a voltage to the selected memory cell 33 and generate a potential gradient in the memory cell 33 to flow a current pulse. For example, the potential of the word line WLi is set to the bit line BLj. It creates a state that is relatively lower than the potential. If the bit line BLj is set to a fixed potential (eg, ground potential), a negative potential may be applied to the word line WLi.

この時、点線Aで囲まれた選択されたメモリセル33では、A1イオンの一部がワード線(陰極)WLi側に移動し、結晶内のA1イオンがX1イオンに対して相対的に減少する。また、ワード線WLi側に移動したA1イオンは、ワード線WLiから電子を受け取ってメタルとして析出する。   At this time, in the selected memory cell 33 surrounded by the dotted line A, some of the A1 ions move to the word line (cathode) WLi side, and the A1 ions in the crystal decrease relative to the X1 ions. . The A1 ions that have moved to the word line WLi side receive electrons from the word line WLi and are deposited as metal.

点線Aで囲まれた選択されたメモリセル33では、X1イオンが過剰となり、結果的に、結晶内におけるA1イオンあるいはM1イオンの価数を上昇させる。つまり、点線Aで囲まれた選択されたメモリセル33は、相変化によるキャリアの注入により電子伝導性を有するようになるため、記録(セット動作)が完了する。   In the selected memory cell 33 surrounded by the dotted line A, X1 ions become excessive, and as a result, the valence of A1 ions or M1 ions in the crystal is increased. That is, since the selected memory cell 33 surrounded by the dotted line A has electron conductivity due to carrier injection due to phase change, recording (set operation) is completed.

なお、記録時には、非選択のワード線WLi−1,WLi+1及び非選択のビット線BLj−1,BLj+1については、全て同電位にバイアスしておくことが望ましい。
また、記録前のスタンバイ時には、全てのワード線WLi−1,WLi,WLi+1及び全てのビット線BLj−1,BLj,BLj+1をプリチャージしておくことが望ましい。
また、記録のための電流パルスは、ワード線WLiの電位がビット線BLjの電位よりも相対的に高い状態を作ることにより発生させてもよい。
During recording, it is desirable that the unselected word lines WLi−1 and WLi + 1 and the unselected bit lines BLj−1 and BLj + 1 are all biased to the same potential.
It is desirable to precharge all word lines WLi-1, WLi, WLi + 1 and all bit lines BLj-1, BLj, BLj + 1 during standby before recording.
The current pulse for recording may be generated by creating a state in which the potential of the word line WLi is relatively higher than the potential of the bit line BLj.

再生に関しては、電流パルスを点線Aで囲まれた選択されたメモリセル33に流し、そのメモリセル33の抵抗値を検出することにより行う。ただし、電流パルスは、メモリセル33を構成する材料が抵抗変化を起こさない程度の微小な値とすることが必要である。   Reproduction is performed by passing a current pulse through the selected memory cell 33 surrounded by the dotted line A and detecting the resistance value of the memory cell 33. However, the current pulse needs to be a minute value that does not cause a resistance change of the material constituting the memory cell 33.

例えば、読み出し回路により発生した読み出し電流(電流パルス)をビット線BLjから点線Aで囲まれたメモリセル33に流し、読み出し回路によりそのメモリセル33の抵抗値を測定する。既に説明した新材料を採用すれば、セット/リセット状態の抵抗値の差は、10以上を確保できる。 For example, a read current (current pulse) generated by the read circuit is passed from the bit line BLj to the memory cell 33 surrounded by the dotted line A, and the resistance value of the memory cell 33 is measured by the read circuit. If the new material already described is adopted, the difference in resistance value between the set / reset states can be 10 3 or more.

消去(リセット)動作に関しては、点線Aで囲まれた選択されたメモリセル33を大電流パルスによりジュール加熱して、そのメモリセル33における酸化還元反応を促進させることにより行う。   The erase (reset) operation is performed by heating the selected memory cell 33 surrounded by the dotted line A with a large current pulse to promote the oxidation-reduction reaction in the memory cell 33.

(第2実施形態の記録層を用いた場合)
記録動作(セット動作)は、選択されたメモリセル33に電圧を印加し、そのメモリセル33内に電位勾配を発生させて電流パルスを流せばよいため、例えば、ワード線WLiの電位をビット線BLjの電位よりも相対的に低くする。ビット線BLjを固定電位(例えば、接地電位)とすれば、ワード線WLiに負の電位を与えればよい。
この時、点線Aで囲まれた選択されたメモリセル33では、第2化合物内のOイオンの一部が第1化合物の空隙サイトに移動する。このため、第1化合物内のA1イオンあるいはM1イオンの価数が上昇し、第2化合物内のM2イオンの価数が減少する。その結果、第1及び第2化合物の結晶中から電導キャリアが消滅し、両者は、共に、絶縁体となる。
(When the recording layer of the second embodiment is used)
In the recording operation (set operation), it is only necessary to apply a voltage to the selected memory cell 33 and generate a potential gradient in the memory cell 33 to flow a current pulse. For example, the potential of the word line WLi is set to the bit line. It is relatively lower than the potential of BLj. If the bit line BLj is set to a fixed potential (eg, ground potential), a negative potential may be applied to the word line WLi.
At this time, in the selected memory cell 33 surrounded by the dotted line A, a part of the O ions in the second compound moves to the void site of the first compound. For this reason, the valence of the A1 ion or M1 ion in the first compound is increased, and the valence of the M2 ion in the second compound is decreased. As a result, the conductive carriers disappear from the crystals of the first and second compounds, and both become insulators.

これにより、セット動作(記録)が完了する。   Thereby, the set operation (recording) is completed.

なお、記録時には、非選択のワード線WLi−1,WLi+1及び非選択のビット線BLj−1,BLj+1については、全て同電位にバイアスしておくことが望ましい。
また、記録前のスタンバイ時には、全てのワード線WLi−1,WLi,WLi+1及び全てのビット線BLj−1,BLj,BLj+1をプリチャージしておくことが望ましい。
電流パルスは、ワード線WLiの電位がビット線BLjの電位よりも相対的に高い状態を作ることにより発生させてもよい。
再生動作は、電流パルスを点線Aで囲まれた選択されたメモリセル33に流し、そのメモリセル33の抵抗値を検出することにより行う。ただし、電流パルスは、メモリセル33を構成する材料が抵抗変化を起こさない程度の微小な値とすることが必要である。
During recording, it is desirable that the unselected word lines WLi−1 and WLi + 1 and the unselected bit lines BLj−1 and BLj + 1 are all biased to the same potential.
It is desirable to precharge all word lines WLi-1, WLi, WLi + 1 and all bit lines BLj-1, BLj, BLj + 1 during standby before recording.
The current pulse may be generated by creating a state in which the potential of the word line WLi is relatively higher than the potential of the bit line BLj.
The reproduction operation is performed by passing a current pulse through the selected memory cell 33 surrounded by the dotted line A and detecting the resistance value of the memory cell 33. However, the current pulse needs to be a minute value that does not cause a resistance change of the material constituting the memory cell 33.

例えば、読み出し回路により発生した読み出し電流(電流パルス)をビット線BLjから点線Aで囲まれたメモリセル33に流し、読み出し回路によりそのメモリセル33の抵抗値を測定する。既に説明した新材料を採用すれば、セット/リセット状態の抵抗値の差は、10以上を確保できる。
リセット(消去)動作は、点線Aで囲まれた選択されたメモリセル33に大電流パルスを流すことにより発生するジュール熱及びその残留熱を利用して、Oイオン元素が第1化合物内の空隙サイトから第2化合物内に戻ろうとする作用を促進してやればよい。
For example, a read current (current pulse) generated by the read circuit is passed from the bit line BLj to the memory cell 33 surrounded by the dotted line A, and the resistance value of the memory cell 33 is measured by the read circuit. If the new material already described is adopted, the difference in resistance value between the set / reset states can be 10 3 or more.
The reset (erase) operation uses Joule heat generated by flowing a large current pulse to the selected memory cell 33 surrounded by the dotted line A and its residual heat, so that the O ion element is a void in the first compound. What is necessary is just to accelerate | stimulate the effect | action which tries to return in a 2nd compound from a site.

(第3実施形態の記録層を用いた場合)
記録動作(セット動作)は、選択されたメモリセル33に電圧を印加し、そのメモリセル33内に電位勾配を発生させて電流パルスを流せばよいため、例えば、ワード線WLiの電位をビット線BLjの電位よりも相対的に低くする。ビット線BLjを固定電位(例えば、接地電位)とすれば、ワード線WLiに負の電位を与えればよい。
この時、点線Aで囲まれた選択されたメモリセル33では、第3化合物内のA3イオンの一部が第1化合物の空隙サイトに移動する。このため、第1化合物内のA1イオンあるいはM1イオンの価数が減少し、第3化合物内のA3イオンあるいはM3イオンの価数が増加する。その結果、第1及び第3化合物の結晶中に電導キャリアが発生し、両者は、共に、電気伝導性を有するようになる。
これにより、セット動作(記録)が完了する。
(When the recording layer of the third embodiment is used)
In the recording operation (set operation), it is only necessary to apply a voltage to the selected memory cell 33 and generate a potential gradient in the memory cell 33 to flow a current pulse. For example, the potential of the word line WLi is set to the bit line. It is relatively lower than the potential of BLj. If the bit line BLj is set to a fixed potential (eg, ground potential), a negative potential may be applied to the word line WLi.
At this time, in the selected memory cell 33 surrounded by the dotted line A, a part of the A3 ions in the third compound moves to the void site of the first compound. For this reason, the valence of A1 ion or M1 ion in the first compound decreases, and the valence of A3 ion or M3 ion in the third compound increases. As a result, conductive carriers are generated in the crystals of the first and third compounds, and both have electrical conductivity.
Thereby, the set operation (recording) is completed.

なお、記録時には、非選択のワード線WLi−1,WLi+1及び非選択のビット線BLj−1,BLj+1については、全て同電位にバイアスしておくことが望ましい。
また、記録前のスタンバイ時には、全てのワード線WLi−1,WLi,WLi+1及び全てのビット線BLj−1,BLj,BLj+1をプリチャージしておくことが望ましい。
電流パルスは、ワード線WLiの電位がビット線BLjの電位よりも相対的に高い状態を作ることにより発生させてもよい。
During recording, it is desirable that the unselected word lines WLi−1 and WLi + 1 and the unselected bit lines BLj−1 and BLj + 1 are all biased to the same potential.
It is desirable to precharge all word lines WLi-1, WLi, WLi + 1 and all bit lines BLj-1, BLj, BLj + 1 during standby before recording.
The current pulse may be generated by creating a state in which the potential of the word line WLi is relatively higher than the potential of the bit line BLj.

再生動作は、電流パルスを点線Aで囲まれた選択されたメモリセル33に流し、そのメモリセル33の抵抗値を検出することにより行う。ただし、電流パルスは、メモリセル33を構成する材料が抵抗変化を起こさない程度の微小な値とすることが必要である。
例えば、読み出し回路により発生した読み出し電流(電流パルス)をビット線BLjから点線Aで囲まれたメモリセル33に流し、読み出し回路によりそのメモリセル33の抵抗値を測定する。既に説明した新材料を採用すれば、セット/リセット状態の抵抗値の差は、10以上を確保できる。
The reproduction operation is performed by passing a current pulse through the selected memory cell 33 surrounded by the dotted line A and detecting the resistance value of the memory cell 33. However, the current pulse needs to be a minute value that does not cause a resistance change of the material constituting the memory cell 33.
For example, a read current (current pulse) generated by the read circuit is passed from the bit line BLj to the memory cell 33 surrounded by the dotted line A, and the resistance value of the memory cell 33 is measured by the read circuit. If the new material already described is adopted, the difference in resistance value between the set / reset states can be 10 3 or more.

リセット(消去)動作は、点線Aで囲まれた選択されたメモリセル33に大電流パルスを流すことにより発生するジュール熱及びその残留熱を利用して、A3イオン元素が第1化合物内の空隙サイトから第3化合物内に戻ろうとする作用を促進してやればよい。
以上説明したように、本実施形態の半導体メモリによれば、現在のハードディスクやフラッシュメモリよりも高記録密度及び低消費電力を実現できる。
The reset (erase) operation uses Joule heat generated by flowing a large current pulse to the selected memory cell 33 surrounded by the dotted line A and its residual heat, and the A3 ionic element becomes a void in the first compound. What is necessary is just to accelerate | stimulate the effect | action which tries to return in a 3rd compound from a site.
As described above, according to the semiconductor memory of this embodiment, higher recording density and lower power consumption can be realized than the current hard disk and flash memory.

(フラッシュメモリ)
本実施形態は、フラッシュメモリに適用することも可能である。
図19は、フラッシュメモリのメモリセルを表す模式断面図である。
フラッシュメモリのメモリセルは、MIS(metal-insulator-semiconductor)トランジスタから構成される。
(Flash memory)
This embodiment can also be applied to a flash memory.
FIG. 19 is a schematic cross-sectional view showing a memory cell of a flash memory.
The memory cell of the flash memory is composed of a MIS (metal-insulator-semiconductor) transistor.

半導体基板41の表面領域には、拡散層42が形成される。拡散層42の間のチャネル領域上には、ゲート絶縁層43が形成される。ゲート絶縁層43上には、第1〜第3実施形態のいずれかの記録層が有する記録層(RRAM:Resistive RAM)44が形成される。記録部44上には、コントロールゲート電極45が形成される。
半導体基板41は、ウェル領域でもよく、また、半導体基板41と拡散層42とは、互いに逆の導電型を有する。コントロールゲート電極45は、ワード線となり、例えば、導電性ポリシリコンから構成される。
記録層44は、第1〜第3実施形態に関して前述した記録層12を構成する材料により形成される。
A diffusion layer 42 is formed in the surface region of the semiconductor substrate 41. A gate insulating layer 43 is formed on the channel region between the diffusion layers 42. On the gate insulating layer 43, a recording layer (RRAM: Resistive RAM) 44 included in any of the recording layers of the first to third embodiments is formed. A control gate electrode 45 is formed on the recording unit 44.
The semiconductor substrate 41 may be a well region, and the semiconductor substrate 41 and the diffusion layer 42 have opposite conductivity types. The control gate electrode 45 becomes a word line and is made of, for example, conductive polysilicon.
The recording layer 44 is formed of the material constituting the recording layer 12 described above with respect to the first to third embodiments.

図19を参照しつつ、その基本動作について説明する。
セット(書き込み)動作は、コントロールゲート電極45に電位V1を与え、半導体基板41に電位V2を与えることにより実行する。
電位V1,V2の差は、記録層44が相変化又は抵抗変化するのに十分な大きさであることが必要であるが、その向きについては、特に、限定されない。
すなわち、V1>V2およびV1<V2のいずれでもよい。
例えば、初期状態(リセット状態)において、記録層44が絶縁体(抵抗大)であると仮定すると、実質的にゲート絶縁層43が厚くなったことになるため、メモリセル(MISトランジスタ)の閾値は、高くなる。
The basic operation will be described with reference to FIG.
The set (write) operation is performed by applying the potential V1 to the control gate electrode 45 and applying the potential V2 to the semiconductor substrate 41.
The difference between the potentials V1 and V2 needs to be large enough for the recording layer 44 to undergo phase change or resistance change, but the direction is not particularly limited.
That is, either V1> V2 or V1 <V2 may be used.
For example, assuming that the recording layer 44 is an insulator (high resistance) in the initial state (reset state), the gate insulating layer 43 is substantially thickened, so that the threshold value of the memory cell (MIS transistor) is reached. Get higher.

この状態から電位V1,V2を与えて記録層44を導電体(抵抗小)に変化させると、実質的にゲート絶縁層43が薄くなったことになるため、メモリセル(MISトランジスタ)の閾値は、低くなる。
なお、電位V2は、半導体基板41に与えたが、これに代えて、メモリセルのチャネル領域に拡散層42から電位V2を転送するようにしてもよい。
If the recording layer 44 is changed to a conductor (low resistance) by applying the potentials V1 and V2 from this state, the gate insulating layer 43 is substantially thinned. Therefore, the threshold value of the memory cell (MIS transistor) is , Get lower.
The potential V2 is applied to the semiconductor substrate 41, but instead, the potential V2 may be transferred from the diffusion layer 42 to the channel region of the memory cell.

リセット(消去)動作は、コントロールゲート電極45に電位V1’を与え、拡散層42の一方に電位V3を与え、拡散層42の他方に電位V4(<V3)を与えることにより実行する。
電位V1’は、セット状態のメモリセルの閾値を越える値にする。
この時、メモリセルは、オンになり、電子が拡散層42の他方から一方に向かって流れると共に、ホットエレクトロンが発生する。このホットエレクトロンは、ゲート絶縁層43を介して記録層44に注入されるため、記録層44の温度が上昇する。
これにより、記録層44は、導電体(抵抗小)から絶縁体(抵抗大)に変化するため、実質的にゲート絶縁層43が厚くなったことになり、メモリセル(MISトランジスタ)の閾値は、高くなる。
このように、フラッシュメモリと類似した原理により、メモリセルの閾値を変えることができるため、フラッシュメモリの技術を利用して、本実施形態の例に係る情報記録再生装置を実用化できる。
The reset (erase) operation is performed by applying the potential V1 ′ to the control gate electrode 45, applying the potential V3 to one of the diffusion layers 42, and applying the potential V4 (<V3) to the other of the diffusion layers 42.
The potential V1 ′ is set to a value exceeding the threshold value of the memory cell in the set state.
At this time, the memory cell is turned on, electrons flow from one side of the diffusion layer 42 to the other side, and hot electrons are generated. Since the hot electrons are injected into the recording layer 44 through the gate insulating layer 43, the temperature of the recording layer 44 rises.
As a result, the recording layer 44 changes from a conductor (low resistance) to an insulator (high resistance), so that the gate insulating layer 43 is substantially thickened, and the threshold value of the memory cell (MIS transistor) is , Get higher.
As described above, since the threshold value of the memory cell can be changed based on a principle similar to that of the flash memory, the information recording / reproducing apparatus according to the example of the present embodiment can be put into practical use by using the technology of the flash memory.

(NAND型フラッシュメモリ)
図20は、NANDセルユニットの回路図である。
また、図21は、本実施形態に係るNANDセルユニットの構造を表す模式図である。
(NAND flash memory)
FIG. 20 is a circuit diagram of the NAND cell unit.
FIG. 21 is a schematic diagram showing the structure of the NAND cell unit according to this embodiment.

P型半導体基板41a内には、N型ウェル領域41b及びP型ウェル領域41cが形成される。P型ウェル領域41c内に、本実施形態の例に係るNANDセルユニットが形成される。
NANDセルユニットは、直列接続される複数のメモリセルMCからなるNANDストリングと、その両端に1つずつ接続される合計2つのセレクトゲートトランジスタSTとから構成される。
メモリセルMC及びセレクトゲートトランジスタSTは、同じ構造を有する。具体的には、これらは、N型拡散層42と、N型拡散層42の間のチャネル領域上のゲート絶縁層43と、ゲート絶縁層43上の記録層(RRAM)44と、記録層44上のコントロールゲート電極45とから構成される。
An N-type well region 41b and a P-type well region 41c are formed in the P-type semiconductor substrate 41a. A NAND cell unit according to the example of the present embodiment is formed in the P-type well region 41c.
The NAND cell unit is composed of a NAND string composed of a plurality of memory cells MC connected in series, and a total of two select gate transistors ST connected to the both ends one by one.
The memory cell MC and the select gate transistor ST have the same structure. Specifically, these include an N-type diffusion layer 42, a gate insulating layer 43 on a channel region between the N-type diffusion layers 42, a recording layer (RRAM) 44 on the gate insulating layer 43, and a recording layer 44. And the upper control gate electrode 45.

メモリセルMCの記録層44の状態(絶縁体/導電体)は、上述した基本動作により変化させることが可能である。これに対し、セレクトゲートトランジスタSTの記録層44は、セット状態、すなわち、導電体(抵抗小)に固定される。
セレクトゲートトランジスタSTの1つは、ソース線SLに接続され、他の1つは、ビット線BLに接続される。
The state (insulator / conductor) of the recording layer 44 of the memory cell MC can be changed by the basic operation described above. On the other hand, the recording layer 44 of the select gate transistor ST is fixed in a set state, that is, a conductor (low resistance).
One of the select gate transistors ST is connected to the source line SL, and the other one is connected to the bit line BL.

セット(書き込み)動作前には、NANDセルユニット内の全てのメモリセルは、リセット状態(抵抗大)になっているものとする。
セット(書き込み)動作は、ソース線SL側のメモリセルMCからビット線BL側のメモリセルに向かって1つずつ順番に行われる。
選択されたワード線(コントロールゲート電極)WLに書き込み電位としてV1(プラス電位)を与え、非選択のワード線WLに転送電位(メモリセルMCがオンになる電位)としてVpassを与える。
It is assumed that all memory cells in the NAND cell unit are in a reset state (resistance is large) before the set (write) operation.
The set (write) operation is sequentially performed one by one from the memory cell MC on the source line SL side to the memory cell on the bit line BL side.
V1 (plus potential) is applied to the selected word line (control gate electrode) WL as a write potential, and Vpass is applied to the unselected word line WL as a transfer potential (a potential at which the memory cell MC is turned on).

ソース線SL側のセレクトゲートトランジスタSTをオフ、ビット線BL側のセレクトゲートトランジスタSTをオンにし、ビット線BLから選択されたメモリセルMCのチャネル領域にプログラムデータを転送する。
例えば、プログラムデータが“1”のときは、選択されたメモリセルMCのチャネル領域に書き込み禁止電位(例えば、V1と同じ程度の電位)を転送し、選択されたメモリセルMCの記録層44の抵抗値が高い状態から低い状態に変化しないようにする。
また、プログラムデータが“0”のときは、選択されたメモリセルMCのチャネル領域にV2(<V1)を転送し、選択されたメモリセルMCの記録層44の抵抗値を高い状態から低い状態に変化させる。
The select gate transistor ST on the source line SL side is turned off, the select gate transistor ST on the bit line BL side is turned on, and program data is transferred from the bit line BL to the channel region of the selected memory cell MC.
For example, when the program data is “1”, a write inhibit potential (for example, the same potential as V1) is transferred to the channel region of the selected memory cell MC, and the recording layer 44 of the selected memory cell MC is transferred. The resistance value should not change from a high state to a low state.
When the program data is “0”, V2 (<V1) is transferred to the channel region of the selected memory cell MC, and the resistance value of the recording layer 44 of the selected memory cell MC is changed from a high state to a low state. To change.

リセット(消去)動作では、例えば、全てのワード線(コントロールゲート電極)WLにV1’を与え、NANDセルユニット内の全てのメモリセルMCをオンにする。また、2つのセレクトゲートトランジスタSTをオンにし、ビット線BLにV3を与え、ソース線SLにV4(<V3)を与える。
この時、ホットエレクトロンがNANDセルユニット内の全てのメモリセルMCの記録層44に注入されるため、NANDセルユニット内の全てのメモリセルMCに対して一括してリセット動作が実行される。
In the reset (erase) operation, for example, V1 ′ is applied to all the word lines (control gate electrodes) WL, and all the memory cells MC in the NAND cell unit are turned on. Further, the two select gate transistors ST are turned on, V3 is applied to the bit line BL, and V4 (<V3) is applied to the source line SL.
At this time, since hot electrons are injected into the recording layers 44 of all the memory cells MC in the NAND cell unit, a reset operation is collectively executed for all the memory cells MC in the NAND cell unit.

読み出し動作は、選択されたワード線(コントロールゲート電極)WLに読み出し電位(プラス電位)を与え、非選択のワード線(コントロールゲート電極)WLには、メモリセルMCがデータ“0”、“1”によらず必ずオンになる電位を与える。
また、2つのセレクトゲートトランジスタSTをオンにし、NANDストリングに読み出し電流を供給する。
選択されたメモリセルMCは、読み出し電位が印加されると、それに記憶されたデータの値に応じてオン又はオフになるため、例えば、読み出し電流の変化を検出することにより、データを読み出すことができる。
In the read operation, a read potential (plus potential) is applied to the selected word line (control gate electrode) WL, and the memory cell MC receives data “0”, “1” on the unselected word line (control gate electrode) WL. A potential to be turned on without fail is given.
Further, the two select gate transistors ST are turned on to supply a read current to the NAND string.
When a read potential is applied to the selected memory cell MC, the selected memory cell MC is turned on or off according to the value of the data stored therein. For example, data can be read by detecting a change in the read current. it can.

なお、図21に表した構造では、セレクトゲートトランジスタSTは、メモリセルMCと同じ構造を有しているが、例えば、図22に表したように、セレクトゲートトランジスタSTについては、記録層を形成せずに、通常のMISトランジスタとすることも可能である。   In the structure shown in FIG. 21, the select gate transistor ST has the same structure as that of the memory cell MC. For example, as shown in FIG. 22, the select gate transistor ST is formed with a recording layer. Alternatively, a normal MIS transistor can be used.

図23は、NAND型フラッシュメモリの変形例を表す模式図である。
この変形例は、NANDストリングを構成する複数のメモリセルMCのゲート絶縁層がP型半導体層47に置き換えられている点に特徴を有する。
高集積化が進み、メモリセルMCが微細化されると、電圧を与えていない状態で、P型半導体層47は、空乏層で満たされることになる。
FIG. 23 is a schematic diagram showing a modification of the NAND flash memory.
This modification is characterized in that the gate insulating layers of the plurality of memory cells MC constituting the NAND string are replaced with a P-type semiconductor layer 47.
When the high integration progresses and the memory cell MC is miniaturized, the P-type semiconductor layer 47 is filled with a depletion layer without applying a voltage.

セット(書き込み)時には、選択されたメモリセルMCのコントロールゲート電極45にプラスの書き込み電位(例えば、3.5V)を与え、かつ、非選択のメモリセルMCのコントロールゲート電極45にプラスの転送電位(例えば、1V)を与える。
この時、NANDストリング内の複数のメモリセルMCのP型ウェル領域41cの表面がP型からN型に反転し、チャネルが形成される。
At the time of setting (writing), a positive write potential (for example, 3.5 V) is applied to the control gate electrode 45 of the selected memory cell MC, and a positive transfer potential is applied to the control gate electrode 45 of the non-selected memory cell MC. (For example, 1V).
At this time, the surface of the P-type well region 41c of the plurality of memory cells MC in the NAND string is inverted from P-type to N-type, and a channel is formed.

そこで、上述したように、ビット線BL側のセレクトゲートトランジスタSTをオンにし、ビット線BLから選択されたメモリセルMCのチャネル領域にプログラムデータ“0”を転送すれば、セット動作を行うことができる。   Therefore, as described above, the set operation can be performed by turning on the select gate transistor ST on the bit line BL side and transferring the program data “0” from the bit line BL to the channel region of the selected memory cell MC. it can.

リセット(消去)は、例えば、全てのコントロールゲート電極45にマイナスの消去電位(例えば、−3.5V)を与え、P型ウェル領域41c及びP型半導体層47に接地電位(0V)を与えれば、NANDストリングを構成する全てのメモリセルMCに対して一括して行うことができる。   The reset (erase) is performed, for example, by applying a negative erase potential (for example, −3.5 V) to all the control gate electrodes 45 and applying a ground potential (0 V) to the P-type well region 41 c and the P-type semiconductor layer 47. This can be performed collectively for all the memory cells MC constituting the NAND string.

読み出し時には、選択されたメモリセルMCのコントロールゲート電極45にプラスの読み出し電位(例えば、0.5V)を与え、かつ、非選択のメモリセルMCのコントロールゲート電極45に、メモリセルMCがデータ“0”、“1”によらず必ずオンになる転送電位(例えば、1V)を与える。   At the time of reading, a positive read potential (for example, 0.5 V) is applied to the control gate electrode 45 of the selected memory cell MC, and the memory cell MC receives the data “ A transfer potential (for example, 1 V) that always turns on regardless of 0 ”or“ 1 ”is applied.

ただし、“1”状態のメモリセルMCの閾値電圧Vth”1”は、0V < Vth”1” < 0.5Vの範囲内にあるものとし、“0”状態のメモリセルMCの閾値電圧Vth”0”は、0.5V < Vth”0” < 1Vの範囲内にあるものとする。
また、2つのセレクトゲートトランジスタSTをオンにし、NANDストリングに読み出し電流を供給する。
このような状態にすれば、選択されたメモリセルMCに記憶されたデータの値に応じてNANDストリングに流れる電流量が変わるため、この変化を検出することにより、データを読み出すことができる。
However, the threshold voltage Vth “1” of the memory cell MC in the “1” state is in the range of 0V <Vth ”1” <0.5 V, and the threshold voltage Vth ”of the memory cell MC in the“ 0 ”state is It is assumed that 0 ″ is in the range of 0.5V <Vth ″ 0 ″ <1V.
Further, the two select gate transistors ST are turned on to supply a read current to the NAND string.
In such a state, since the amount of current flowing through the NAND string changes according to the value of the data stored in the selected memory cell MC, data can be read by detecting this change.

なお、この変形例においては、P型半導体層47のホールドープ量がP型ウェル領域41cのそれよりも多く、かつ、P型半導体層47のフェルミレベルがP型ウェル領域41cのそれよりも0.5V程度深くなっていることが望ましい。
これは、コントロールゲート電極45にプラスの電位を与えたときに、N型拡散層42間のP型ウェル領域41cの表面部分からP型からN型への反転が開始し、チャネルが形成されるようにするためである。
このようにすることで、例えば、書き込み時には、非選択のメモリセルMCのチャネルは、P型ウェル領域41cとP型半導体層47の界面のみに形成され、読み出し時には、NANDストリング内の複数のメモリセルMCのチャネルは、P型ウェル領域41cとP型半導体層47の界面のみに形成される。
つまり、メモリセルMCの記録層44が導電体(セット状態)であっても、拡散層42とコントロールゲート電極45とが短絡することはない。
In this modification, the hole doping amount of the P-type semiconductor layer 47 is larger than that of the P-type well region 41c, and the Fermi level of the P-type semiconductor layer 47 is 0 than that of the P-type well region 41c. It is desirable that the depth is about 5V.
This is because when a positive potential is applied to the control gate electrode 45, inversion from the P-type to N-type starts from the surface portion of the P-type well region 41c between the N-type diffusion layers 42, and a channel is formed. It is for doing so.
Thus, for example, at the time of writing, the channel of the non-selected memory cell MC is formed only at the interface between the P-type well region 41c and the P-type semiconductor layer 47, and at the time of reading, a plurality of memories in the NAND string is formed. The channel of the cell MC is formed only at the interface between the P-type well region 41 c and the P-type semiconductor layer 47.
That is, even if the recording layer 44 of the memory cell MC is a conductor (set state), the diffusion layer 42 and the control gate electrode 45 are not short-circuited.

(NOR型フラッシュメモリ)
図24は、NORセルユニットの回路図である。
また、図25は、本実施形態の例に係るNORセルユニットの構造を表す模式図である。
(NOR flash memory)
FIG. 24 is a circuit diagram of the NOR cell unit.
FIG. 25 is a schematic diagram showing the structure of the NOR cell unit according to the example of the present embodiment.

P型半導体基板41a内には、N型ウェル領域41b及びP型ウェル領域41cが形成されている。P型ウェル領域41c内に、本実施形態の例に係るNORセルが形成されている。
NORセルは、ビット線BLとソース線SLとの間に接続される1つのメモリセル(MISトランジスタ)MCから構成される。
メモリセルMCは、N型拡散層42と、N型拡散層42の間のチャネル領域上のゲート絶縁層43と、ゲート絶縁層43上の記録層(RRAM)44と、記録層44上のコントロールゲート電極45とから構成される。
メモリセルMCの記録層44の状態(絶縁体/導電体)は、上述の基本動作により変化させることが可能である。
An N-type well region 41b and a P-type well region 41c are formed in the P-type semiconductor substrate 41a. A NOR cell according to the example of this embodiment is formed in the P-type well region 41c.
The NOR cell is composed of one memory cell (MIS transistor) MC connected between the bit line BL and the source line SL.
The memory cell MC includes an N-type diffusion layer 42, a gate insulating layer 43 on a channel region between the N-type diffusion layers 42, a recording layer (RRAM) 44 on the gate insulating layer 43, and a control on the recording layer 44. And a gate electrode 45.
The state (insulator / conductor) of the recording layer 44 of the memory cell MC can be changed by the basic operation described above.

(2トランジスタ型フラッシュメモリ)
図26は、2トランジスタ型セルユニットの回路図である。
また、図27は、本実施形態の例に係る2トラセルユニットの構造を表す模式図である。
(2-transistor flash memory)
FIG. 26 is a circuit diagram of a two-transistor cell unit.
FIG. 27 is a schematic diagram showing the structure of a two-tracell unit according to the example of the present embodiment.

2トランジスタ型セルユニットは、NANDセルユニットの特徴とNORセルの特徴とを併せ持った新たなセル構造として最近開発されたものである。
P型半導体基板41a内には、N型ウェル領域41b及びP型ウェル領域41cが形成される。P型ウェル領域41c内に、本実施形態の例に係る2トランジスタ型セルユニットが形成される。
The two-transistor cell unit has been recently developed as a new cell structure that combines the characteristics of a NAND cell unit and the characteristics of a NOR cell.
An N-type well region 41b and a P-type well region 41c are formed in the P-type semiconductor substrate 41a. A two-transistor cell unit according to the example of the present embodiment is formed in the P-type well region 41c.

2トランジスタ型セルユニットは、直列接続される1つのメモリセルMCと1つのセレクトゲートトランジスタSTとから構成される。
メモリセルMC及びセレクトゲートトランジスタSTは、同じ構造を有する。具体的には、これらは、N型拡散層42と、N型拡散層42の間のチャネル領域上のゲート絶縁層43と、ゲート絶縁層43上の記録層(RRAM)44と、記録層44上のコントロールゲート電極45とから構成される。
メモリセルMCの記録層44の状態(絶縁体/導電体)は、上述の基本動作により変化させることが可能である。これに対し、セレクトゲートトランジスタSTの記録層44は、セット状態、すなわち、導電体(抵抗小)に固定される。
The two-transistor type cell unit includes one memory cell MC and one select gate transistor ST connected in series.
The memory cell MC and the select gate transistor ST have the same structure. Specifically, these include an N-type diffusion layer 42, a gate insulating layer 43 on a channel region between the N-type diffusion layers 42, a recording layer (RRAM) 44 on the gate insulating layer 43, and a recording layer 44. And the upper control gate electrode 45.
The state (insulator / conductor) of the recording layer 44 of the memory cell MC can be changed by the basic operation described above. On the other hand, the recording layer 44 of the select gate transistor ST is fixed in a set state, that is, a conductor (low resistance).

セレクトゲートトランジスタSTは、ソース線SLに接続され、メモリセルMCは、ビット線BLに接続される。
メモリセルMCの記録層44の状態(絶縁体/導電体)は、上述の基本動作により変化させることが可能である。
図27に表した構造では、セレクトゲートトランジスタSTは、メモリセルMCと同じ構造を有しているが、例えば、図28に表したように、セレクトゲートトランジスタSTについては、記録層を形成せずに、通常のMISトランジスタとすることも可能である。
Select gate transistor ST is connected to source line SL, and memory cell MC is connected to bit line BL.
The state (insulator / conductor) of the recording layer 44 of the memory cell MC can be changed by the basic operation described above.
In the structure shown in FIG. 27, the select gate transistor ST has the same structure as the memory cell MC. For example, as shown in FIG. 28, the select gate transistor ST is not formed with a recording layer. In addition, a normal MIS transistor can be used.

以上、図1〜図28を参照しつつ説明したように、本実施形態によれば、情報記録(書き込み)は、電場が印加された部位(記録単位)のみで行われるため、極めて微細な領域に、極めて小さな消費電力で情報を記録できる。   As described above with reference to FIGS. 1 to 28, according to the present embodiment, since information recording (writing) is performed only in a portion (recording unit) to which an electric field is applied, a very fine region is obtained. In addition, information can be recorded with extremely low power consumption.

また、消去は、熱を印加することにより行うが、本実施形態の例で提案する材料を用いれば酸化物の構造変化がほとんど生じないため、小さな消費電力で消去が可能となる。あるいは、消去は記録時と逆向きの電場を印加して行うこともできる。この場合には、熱の拡散というエネルギーロスが少ないため、より小さな消費電力で消去が可能となる。   Erasing is performed by applying heat. However, if the material proposed in the example of this embodiment is used, the structure of the oxide hardly changes, so that erasing can be performed with low power consumption. Alternatively, erasing can be performed by applying an electric field in the opposite direction to that during recording. In this case, since there is little energy loss of heat diffusion, erasing can be performed with smaller power consumption.

このように、本実施形態の例によれば、極めて単純な仕組みであるにもかかわらず、従来技術では到達することのできない記録密度による情報記録を可能とする。従って、本実施形態の例は、現在の不揮発性メモリの記録密度の壁を打ち破る次世代技術として産業上のメリットは多大である。   As described above, according to the example of the present embodiment, it is possible to perform information recording with a recording density that cannot be achieved by the conventional technique, despite the extremely simple mechanism. Therefore, the example of this embodiment has a great industrial advantage as a next-generation technology that breaks down the recording density barrier of the current nonvolatile memory.

なお、本実施形態の例は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、各構成要素を変形して具体化できる。また、本実施形態の例は、成膜された直後の状態を初期状態として、セット、リセットを定義したが、セット、リセットの定義は任意のものであり、本実施形態の例に限定されるものではない。さらに、上述の実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の実施の形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施の形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。   In addition, the example of this embodiment is not limited to the above-mentioned embodiment, Each component can be deform | transformed and embodied in the range which does not deviate from the summary. In the example of the present embodiment, the state immediately after film formation is defined as the initial state, and the set and the reset are defined. However, the definition of the set and the reset is arbitrary, and is limited to the example of the present embodiment. It is not a thing. Furthermore, various inventions can be configured by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above-described embodiments. For example, some constituent elements may be deleted from all the constituent elements disclosed in the above-described embodiments, or constituent elements of different embodiments may be appropriately combined.

本発明の第1の実施の形態にかかる情報記録再生装置における情報の記録/再生の基本原理を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the basic principle of the recording / reproduction | regeneration of information in the information recording / reproducing apparatus concerning the 1st Embodiment of this invention. 第2実施形態の記録部の構造を表す概念図である。It is a conceptual diagram showing the structure of the recording part of 2nd Embodiment. 記録層12を構成する第1及び第2の層12A,12Bを交互に積層させた具体例を表す模式図である。3 is a schematic diagram illustrating a specific example in which first and second layers 12A and 12B constituting a recording layer 12 are alternately stacked. FIG. 第3実施形態の記録部の構造を表す模式図である。It is a schematic diagram showing the structure of the recording part of 3rd Embodiment. 本発明の実施形態に係るプローブメモリを表す模式図である。It is a schematic diagram showing the probe memory which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るプローブメモリを表す模式図である。It is a schematic diagram showing the probe memory which concerns on embodiment of this invention. 記録(セット動作)時の状態を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the state at the time of recording (set operation | movement). 記録について表した模式図である。It is the schematic diagram represented about recording. 再生について表した模式図である。It is the schematic diagram showing reproduction | regeneration. 記録する状態を表した模式図である。It is a schematic diagram showing the state to record. 再生時の状態を表す模式図である。It is a schematic diagram showing the state at the time of reproduction | regeneration. 記録する状態を表した模式図である。It is a schematic diagram showing the state to record. 再生時の状態を表す模式図である。It is a schematic diagram showing the state at the time of reproduction | regeneration. 第1〜第3実施形態のいずれかの記録層を備えたクロスポイント型半導体メモリを表す模式図である。It is a schematic diagram showing the crosspoint type | mold semiconductor memory provided with the recording layer in any one of 1st-3rd embodiment. 図14の半導体メモリのメモリセルアレイ部の構造を表す模式図である。It is a schematic diagram showing the structure of the memory cell array part of the semiconductor memory of FIG. メモリセル33の構造を例示する模式図である。3 is a schematic view illustrating the structure of a memory cell 33. FIG. メモリセルアレイの他の具体例を表す模式図である。It is a schematic diagram showing the other specific example of a memory cell array. メモリセルアレイの他の具体例を表す模式図である。It is a schematic diagram showing the other specific example of a memory cell array. フラッシュメモリのメモリセルを表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the memory cell of flash memory. NANDセルユニットの回路図である。It is a circuit diagram of a NAND cell unit. 本発明の実施形態に係るNANDセルユニットの構造を表す模式図である。It is a schematic diagram showing the structure of the NAND cell unit which concerns on embodiment of this invention. 通常のMISトランジスタを用いた具体例を表す模式図である。It is a schematic diagram showing the specific example using a normal MIS transistor. NAND型フラッシュメモリの変形例を表す模式図である。FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a modification of a NAND flash memory. NORセルユニットの回路図である。It is a circuit diagram of a NOR cell unit. 本発明の実施形態に係るNORセルユニットの構造を表す模式図である。It is a schematic diagram showing the structure of the NOR cell unit which concerns on embodiment of this invention. 2トランジスタ型セルユニットの回路図である。It is a circuit diagram of a two-transistor type cell unit. 本発明の実施形態に係る2トラセルユニットの構造を表す模式図である。It is a schematic diagram showing the structure of the 2 tracell unit which concerns on embodiment of this invention. 通常のMISトランジスタを用いた具体例を表す模式図である。It is a schematic diagram showing the specific example using a normal MIS transistor.

符号の説明Explanation of symbols

11 電極層
12 記録層
12A 第1の層
12B 第2の層
12C 第3の層
13A 電極(保護層)
13B 保護層
14 メタル層
15 ドライバ
16 スキャナー
20 基板
21 電極層
22 記録層
23 基板
24 プローブ
25,26 マルチプレクスドライバ
27 記録ビット
30 半導体チップ
31 デコーダ
32 読み出し回路
33 メモリセル
34 ダイオード
35 ヒータ層
41 半導体基板
41a 半導体基板
41b ウェル領域
41c ウェル領域
42 拡散層
42 拡散層
43 ゲート絶縁層
44 記録層
45 コントロールゲート電極
47 半導体層
11 Electrode layer 12 Recording layer 12A First layer 12B Second layer 12C Third layer 13A Electrode (protective layer)
13B Protective layer 14 Metal layer 15 Driver 16 Scanner 20 Substrate 21 Electrode layer 22 Recording layer 23 Substrate 24 Probe 25, 26 Multiplex driver 27 Recording bit 30 Semiconductor chip 31 Decoder 32 Read circuit 33 Memory cell 34 Diode 35 Heater layer 41 Semiconductor substrate 41a semiconductor substrate 41b well region 41c well region 42 diffusion layer 42 diffusion layer 43 gate insulating layer 44 recording layer 45 control gate electrode 47 semiconductor layer

Claims (20)

A1M1X1(0.5≦a≦2、6≦x<7)で表されるパイロクロア構造であって、前記A1と前記M1は互いに異なる元素であり、前記A1と前記M1の少なくともいずれかは電子が不完全に満たされたd軌道を有する遷移元素であり、前記X1はO(酸素)、F(フッ素)、N(窒素)を及びS(硫黄)よりなる群から選択された少なくともいずれかを含む第1化合物を含む第1の層を有する記録層と、
前記記録層に電圧を印加して前記記録層に相変化を発生させて情報を記録する電圧印加部と、
を備えたことを特徴とする情報記録再生装置。
A pyrochlore structure represented by A1 a M1 2 X1 x (0.5 ≦ a ≦ 2, 6 ≦ x <7), wherein A1 and M1 are different from each other, and at least one of A1 and M1 Any one is a transition element having d orbital incompletely filled with electrons, and X1 is selected from the group consisting of O (oxygen), F (fluorine), N (nitrogen), and S (sulfur) A recording layer having a first layer containing a first compound containing at least one of the following:
A voltage applying unit for recording information by applying a voltage to the recording layer to generate a phase change in the recording layer;
An information recording / reproducing apparatus comprising:
前記X1は、O(酸素)であることを特徴とする請求項1記載の情報記録再生装置。   2. The information recording / reproducing apparatus according to claim 1, wherein X1 is O (oxygen). 前記A1は、1A族、2A族、希土類、Ln(ランタノイド)、4A族、1B族、2B族、Al、Ga、In、Tl、Sn、Pb及びBiよりなる群から選択された少なくとも1種類の元素であり、
前記M1は、4A族、5A族、6A族、7A族、8族、Sn及びSbよりなる群から選択された少なくとも1種類の元素を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の情報記録再生装置。
The A1 is at least one selected from the group consisting of 1A group, 2A group, rare earth, Ln (lanthanoid), 4A group, 1B group, 2B group, Al, Ga, In, Tl, Sn, Pb and Bi. Element,
The information according to claim 1 or 2, wherein said M1 includes at least one element selected from the group consisting of 4A group, 5A group, 6A group, 7A group, 8 group, Sn and Sb. Recording / playback device.
前記M1は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W、Mn、Tc、Re、Ru、Os、Sn及びSbよりなる群から選択された少なくとも1種類の元素を含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の情報記録再生装置。   The M1 includes at least one element selected from the group consisting of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Mn, Tc, Re, Ru, Os, Sn, and Sb. The information recording / reproducing apparatus according to claim 1. 前記A1は、Rb、Cs、Ca、Sr、Ba、希土類、Ln(ランタノイド)、Zr、Ag、Au、Cd、Hg、Tl、Sn、Pb及びBiよりなる群から選択された少なくとも1種類の元素を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の情報記録再生装置。   A1 is at least one element selected from the group consisting of Rb, Cs, Ca, Sr, Ba, rare earth, Ln (lanthanoid), Zr, Ag, Au, Cd, Hg, Tl, Sn, Pb, and Bi. The information recording / reproducing apparatus according to claim 1, wherein the information recording / reproducing apparatus comprises: 前記A1は、4A族及び1B族よりなる群から選択された少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の情報記録再生装置。   5. The information recording / reproducing apparatus according to claim 1, wherein the A <b> 1 includes at least one selected from the group consisting of a group 4A and a group 1B. 前記A1は、Rb、Cs、Ag、Au、Hg及びTlよりなる群から選択された少なくとも1種類の元素を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の情報記録再生装置。   The information recording / reproducing according to any one of claims 1 to 4, wherein the A1 includes at least one element selected from the group consisting of Rb, Cs, Ag, Au, Hg, and Tl. apparatus. 前記M1は、V、Nb、Ta、Mo、W、Mn、Ru、Os及びSbよりなる群から選択された少なくとも1種類の元素を含むことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の情報記録再生装置。   The M1 includes at least one element selected from the group consisting of V, Nb, Ta, Mo, W, Mn, Ru, Os, and Sb. The information recording / reproducing apparatus described in 1. 前記記録層は、前記1の層に接して設けられた第2の層をさらに有し、
前記第2の層は、M2O(0.5≦y≦2.5)で表され、前記M2は4A族、5A族、6A族、7A族、8族及び1B族よりなる群から選択された少なくとも1種類の元素である第2化合物を含むことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つに記載の情報記録再生装置。
The recording layer further includes a second layer provided in contact with the first layer,
The second layer is represented by M 2 O y (0.5 ≦ y ≦ 2.5), and the M 2 is selected from the group consisting of 4A group, 5A group, 6A group, 7A group, 8 group and 1B group. The information recording / reproducing apparatus according to claim 1, further comprising a second compound which is at least one kind of element.
前記M2は、Cr、Mn、Fe及びCoよりなる群から選択された少なくともいずれかであることを特徴とする請求項9記載の情報記録再生装置。   10. The information recording / reproducing apparatus according to claim 9, wherein M2 is at least one selected from the group consisting of Cr, Mn, Fe, and Co. 前記A1は、希土類、Ln(ランタノイド)、In、Tl、Sn、Pb及びBiよりなる群から選択された少なくとも1種類の元素を含むことを特徴とする請求項9または10に記載の情報記録再生装置。   11. The information recording / reproducing according to claim 9, wherein the A1 includes at least one element selected from the group consisting of rare earth, Ln (lanthanoid), In, Tl, Sn, Pb, and Bi. apparatus. 前記第2化合物の電子のフェルミ準位は、前記第1化合物の電子のフェルミ準位よりも高いことを特徴とする請求項9〜11のいずれか1つに記載の情報記録再生装置。   The information recording / reproducing apparatus according to claim 9, wherein the Fermi level of electrons of the second compound is higher than the Fermi level of electrons of the first compound. 前記A1の組成比aは、0.5≦a≦1を満たし、
前記記録層は、前記第1の層に接して設けられた第3の層をさらに有し、
前記第3の層は、少なくとも2種類の陽イオン元素を有し、前記2種類の陽イオン元素の少なくともいずれかは電子が不完全に満たされたd軌道を有する遷移元素である第3化合物を含むことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つに記載の情報記録再生装置。
The composition ratio a of A1 satisfies 0.5 ≦ a ≦ 1,
The recording layer further includes a third layer provided in contact with the first layer,
The third layer includes at least two kinds of cationic elements, and at least one of the two kinds of cationic elements is a third compound that is a transition element having d orbital incompletely filled with electrons. The information recording / reproducing apparatus according to claim 1, further comprising:
前記第3化合物は、スピネル構造、イルメナイト構造、クリプトメレン構造、ホランダイト構造、ヘテロライト構造、デラフォサイト構造及びウルフラマイト構造よりなる群から選択されたいずれかを有することを特徴とする請求項13記載の情報記録再生装置。   14. The third compound according to claim 13, wherein the third compound has any one selected from the group consisting of a spinel structure, an ilmenite structure, a cryptomelane structure, a hollandite structure, a heterolite structure, a delafossite structure, and a wolframite structure. Information recording / reproducing apparatus. 前記A1は、Cs、Sr、Ba、希土類、Ln(ランタノイド)、In、Tl、Sn、Pb及びBiよりなる群から選択された少なくとも1種類の元素を含むことを特徴とする請求項13または14に記載の情報記録再生装置。   The A1 includes at least one element selected from the group consisting of Cs, Sr, Ba, rare earth, Ln (lanthanoid), In, Tl, Sn, Pb, and Bi. The information recording / reproducing apparatus described in 1. 前記第3化合物の電子のフェルミ準位は、前記第1化合物の電子のフェルミ準位よりも低いことを特徴とする請求項13〜15のいずれか1つに記載の情報記録再生装置。   16. The information recording / reproducing apparatus according to claim 13, wherein the Fermi level of the electrons of the third compound is lower than the Fermi level of the electrons of the first compound. 前記電圧印加部は、前記記録層の記録単位に対して前記電圧を局所的に印加するためのプローブを含むことを特徴とする請求項1〜16のいずれかの1つに記載の情報記録再生装置。   17. The information recording / reproducing according to claim 1, wherein the voltage application unit includes a probe for locally applying the voltage to a recording unit of the recording layer. apparatus. 前記電圧印加部は、前記記録層を挟んだワード線及びビット線を含むことを特徴とする請求項1〜16のいずれかの1つに記載の情報記録再生装置。   The information recording / reproducing apparatus according to claim 1, wherein the voltage applying unit includes a word line and a bit line sandwiching the recording layer. 前記電圧印加部は、ゲート電極とゲート絶縁膜とを有するMISトランジスタを含み、
前記記録層は、前記MISトランジスタの前記ゲート電極と前記ゲート絶縁層との間に設けられたことを特徴とする請求項1〜16のいずれか1つに記載の情報記録再生装置。
The voltage application unit includes a MIS transistor having a gate electrode and a gate insulating film,
The information recording / reproducing apparatus according to claim 1, wherein the recording layer is provided between the gate electrode of the MIS transistor and the gate insulating layer.
前記電圧印加部は、第1導電型半導体基板内に設けられた2つの第2導電型拡散層と、前記2つの第2導電型拡散層の間の前記第1導電型半導体基板上の第1導電型半導体層と、前記2つの第2導電型拡散層間における導通/非導通を制御するゲート電極と、を含み、
前記記録層は、前記ゲート電極と前記第1導電型半導体層との間に設けられたことを特徴とする請求項1〜16のいずれか1つに記載の情報記録再生装置。
The voltage application unit includes two second conductivity type diffusion layers provided in the first conductivity type semiconductor substrate, and a first on the first conductivity type semiconductor substrate between the two second conductivity type diffusion layers. A conductive type semiconductor layer, and a gate electrode for controlling conduction / non-conduction between the two second conductivity type diffusion layers,
The information recording / reproducing apparatus according to claim 1, wherein the recording layer is provided between the gate electrode and the first conductivity type semiconductor layer.
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