JP2008251126A - Information recording and reproducing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高記録密度の情報記録再生装置に関する。 The present invention relates to an information recording / reproducing apparatus having a high recording density.
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 hard disk drive (HDD) have achieved a rapid development of the recording density and have 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、スピネル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)、遷移金属の二元系酸化物(例えば特許文献3)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、低抵抗状態(オン)と高抵抗状態(オフ)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 and spinel (for example,
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103程度である。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一つとされる。 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 . The biggest feature of these materials is that they can operate in principle even if the device 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)。
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.
上記目的を達成すべく、本発明の一態様は、
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に起因して抵抗変化を発生させて情報を記録させる記録手段とを具備し、
前記記録層は、少なくともLiMoN2構造を有する第1化合物を含むように構成されることを特徴とする、情報記録再生装置に関する。
In order to achieve the above object, one embodiment of the present invention provides:
A recording layer, and a recording unit that records information by applying a voltage to the recording layer to cause a resistance change in the recording layer due to a phase change,
The information recording / reproducing apparatus is characterized in that the recording layer includes at least a first compound having a LiMoN 2 structure.
なお、本発明の一例において、前記第1化合物は、化学式1:XaYbN2(0.5≦a≦1.1、0.7≦b≦1.0;X:少なくとも1種の金属元素、Y:少なくとも1種の遷移金属元素、N:窒素)なる化学式で表すことができる。 In one example of the present invention, the first compound has the chemical formula 1: XaYbN 2 (0.5 ≦ a ≦ 1.1, 0.7 ≦ b ≦ 1.0; X: at least one metal element, Y : At least one transition metal element, N: nitrogen).
この場合、前記Xは、Cu、Ag、Au、Hg、Tl、Li、Na、K、Rb、Cs、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Ge、Pd、Cd、Yb、Nb、Ta、Y、ランタノイド、及びアクチノイドのグループから選択される少なくとも1種類の元素を含むことができる。また、前記Yは、Cr、Mn、Mo、W、Ru、Rh、Re、Os、Nb、Ta、Irのグループから選択される少なくとも1種の元素を含むことができる。 In this case, X is Cu, Ag, Au, Hg, Tl, Li, Na, K, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co. , Ni, Zn, Ge, Pd, Cd, Yb, Nb, Ta, Y, lanthanoid, and at least one element selected from the group of actinoids. The Y may contain at least one element selected from the group consisting of Cr, Mn, Mo, W, Ru, Rh, Re, Os, Nb, Ta, and Ir.
本発明者らは、上記目的を達成すべく、情報記録再生装置を構成する記録層として酸化物に着目した。この場合、前記記録層に対する書き込み/消去は、例えば、前記記録層に対して電圧印加を行い、低抵抗状態相から高抵抗状態相に変化させる、又は高抵抗状態相から低抵抗状態相に変化させることによって行う。なお、2値データ“0”及び“1”は、それぞれ低抵抗状態及び高抵抗状態に対応させることができる。 In order to achieve the above object, the present inventors have focused on oxides as a recording layer constituting an information recording / reproducing apparatus. In this case, the write / erase to the recording layer is performed, for example, by applying a voltage to the recording layer to change from the low resistance state phase to the high resistance state phase, or from the high resistance state phase to the low resistance state phase. By doing. The binary data “0” and “1” can correspond to the low resistance state and the high resistance state, respectively.
したがって、上記酸化物を記録層に用いた情報記録再生装置において、上記2値データに関する信号を低い消費電力で記録及び再生させる得ることができ、さらに高い熱安定性を保持すべく、本発明者らは、前記酸化物における高抵抗状態相及び低抵抗状態相の発現のメカニズムを見出すべく鋭意検討を実施した。その結果、前記酸化物内における陽イオンの拡散とそれに伴うイオンの価数変化が前記抵抗変化現象に寄与していることを見出した。 Therefore, in the information recording / reproducing apparatus using the oxide in the recording layer, the signal relating to the binary data can be recorded and reproduced with low power consumption, and the present inventor is required to maintain high thermal stability. Et al. Conducted intensive studies to find the mechanism of the high resistance state phase and the low resistance state phase in the oxide. As a result, it has been found that the diffusion of cations in the oxide and the accompanying valence change of the ions contribute to the resistance change phenomenon.
すなわち、小さな消費電力で大きな抵抗変化を生ぜしめるためには、記録層中の陽イオンの拡散を容易にすればよいことを見出した。一方で、各抵抗状態の熱安定性を向上させるためには、陽イオンが拡散した後の状態を安定に維持することが重要であることを見出した。つまり、前記陽イオンが拡散してしまうと、前記記録層を構成する材料の、前記陽イオンが存在していたサイトが空隙サイトとなり、前記記録層内の電荷の中和を行うための電子が不足してしまい、前記記録層が構造的に不安定になってしまうので、前記記録層が、前記不足電子を供給できるような元素を別途保持していることが重要であることを見出した。 That is, it has been found that in order to cause a large resistance change with low power consumption, it is only necessary to facilitate the diffusion of cations in the recording layer. On the other hand, in order to improve the thermal stability of each resistance state, it has been found that it is important to stably maintain the state after the cation is diffused. That is, when the cation is diffused, the site of the material constituting the recording layer becomes the void site, and electrons for neutralizing the charge in the recording layer are generated. Since the recording layer becomes insufficient and the recording layer becomes structurally unstable, it has been found that it is important that the recording layer separately holds an element capable of supplying the insufficient electrons.
このような観点から、本発明の上記態様では、前記記録層を少なくともLiMoN2構造を有する第1化合物を含むように構成し、例えば、前記第1化合物を化学式1:XaYbN2(0.5≦a≦1.1、0.7≦b≦1.0;X:少なくとも1種の金属元素、Y:少なくとも1種の遷移金属元素、N:窒素)を有するようにしているので、前記Xが陽イオンとして記録層中を容易に拡散し、前記Yが前記記録層中の電荷中和を容易に行うことができる。したがって、前記記録層に対する記録及び再生を低消費電力で実行することができるとともに、前記記録層の構造的安定性、すなわち熱的安定性を維持することができるようになる。 From such a viewpoint, in the above aspect of the present invention, the recording layer is configured to include at least a first compound having a LiMoN 2 structure. For example, the first compound is represented by the chemical formula 1: XaYbN 2 (0.5 ≦ 0.5). a ≦ 1.1, 0.7 ≦ b ≦ 1.0; X: at least one kind of metal element, Y: at least one kind of transition metal element, and N: nitrogen). The Y can easily diffuse in the recording layer as cations, and the Y can easily perform charge neutralization in the recording layer. Therefore, recording and reproduction with respect to the recording layer can be performed with low power consumption, and the structural stability, that is, thermal stability of the recording layer can be maintained.
なお、本発明の一実施形態では、前記Xは、Cu、Ag、Au、Hg、Tl、Li、Na、K、Rb、Cs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できる。これらの元素は1価の陽イオンであるので、上述した電荷中和を行うべく、前記Yは、Mo、W、Ru、Reのグループから選択される少なくとも1種の元素を含むことができる。これらの元素は価数が5価から6価の間で変化するので、前記陽イオンが拡散して記録層中から抜けた後の電荷の中和を効果的に実施することができる。 In one embodiment of the present invention, X may include at least one element selected from the group consisting of Cu, Ag, Au, Hg, Tl, Li, Na, K, Rb, and Cs. Since these elements are monovalent cations, Y can include at least one element selected from the group of Mo, W, Ru, and Re in order to perform the charge neutralization described above. Since these elements change in valence between pentavalent and hexavalent, neutralization of charges after the cation diffuses and escapes from the recording layer can be effectively carried out.
また、本発明の他の実施形態では、前記Xは、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ge、Pd、Ag、Cd、Yb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できる。これらの元素は2価の陽イオンであるので、上述した電荷中和を行うべく、前記Yは、Cr、Mn、Mo、W、Ru、Re、Os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できる。これらの元素は価数が4価から6価の間で変化するので、前記陽イオンが拡散して記録層中から抜けた後の電荷の中和を効果的に実施することができる。 In another embodiment of the present invention, X is Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Pd, Ag. , Cd, Yb may be included. Since these elements are divalent cations, the Y is at least one element selected from the group consisting of Cr, Mn, Mo, W, Ru, Re, and Os in order to perform the charge neutralization described above. Can be included. Since these elements change in valence between tetravalent and hexavalent, neutralization of charges after the cation diffuses and escapes from the recording layer can be effectively performed.
さらに、本発明のその他の実施形態では、前記Xは、Y、ランタノイド、アクチノイドのグループから選択される少なくとも1種類の元素を含むことができる。これらの元素は3価の陽イオンであるので、上述した電荷中和を行うべく、前記Yは、Cr、Mn、Mo、Ru、Re、Os、Ir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できる。これらの元素は価数が3価とそれ以上の任意の価数との間で変化するので、前記陽イオンが拡散して記録層中から抜けた後の電荷の中和を効果的に実施することができる。 Furthermore, in another embodiment of the present invention, X may include at least one element selected from the group of Y, lanthanoid, and actinoid. Since these elements are trivalent cations, Y is at least one element selected from the group consisting of Cr, Mn, Mo, Ru, Re, Os, and Ir in order to perform the charge neutralization described above. Can be included. Since these elements change in valence between trivalent and arbitrary valences, neutralization of charges after the cation diffuses and escapes from the recording layer is effectively performed. be able to.
また、本発明の実施形態では、前記Xは、Cu及びAgの少なくとも一方の元素を含むことができる。これらの元素は自身で価数が1価と2価との間で変化するので、特に前記Yがその価数を変化させなくとも、記録層中から抜けた後の電荷の中和を効果的に実施することができる。したがって、この場合のYとしては、例えば6価以上をとりえない価数変化を起こさないNb及び/又はTaとすることができる。
また前記Xは、Fe,Co,Ni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できる。これらの元素は自身で価数が2価と3価との間で変化するので、同様に記録層中から抜けた後の電荷の中和を効果的に実施することができる。この場合のYの候補としては、例えば5価以上をとりえないTiを挙げることができる。
In the embodiment of the present invention, X may include at least one element of Cu and Ag. Since these elements themselves change in valence between monovalent and divalent, even if Y does not change the valence, it effectively neutralizes the charge after it escapes from the recording layer. Can be implemented. Therefore, Y in this case can be, for example, Nb and / or Ta which does not cause a valence change that cannot be more than six.
X may include at least one element selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni. Since these elements themselves change in valence between divalent and trivalent, similarly, neutralization of the charge after leaving the recording layer can be effectively performed. As a candidate for Y in this case, for example, Ti which cannot take pentavalent or higher can be mentioned.
また、本発明の他の態様では、前記第1化合物に接して、前記Xを収容できる空隙サイトを有する第2化合物を有するようにすることができる。 In another aspect of the present invention, the second compound having a void site capable of accommodating the X can be provided in contact with the first compound.
以上、本発明の上記態様によれば、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を得ることができるようになる。 As described above, according to the above aspect of the present invention, it is possible to obtain a nonvolatile information recording / reproducing apparatus with low power consumption and high thermal stability.
以下、本発明のその他の特徴及び利点などに関して、図面を参照しながら実施の形態に基づいて説明する。 Hereinafter, other features and advantages of the present invention will be described based on embodiments with reference to the drawings.
A.情報記録再生装置
(第1の実施形態)
本実施形態における情報記録再生装置は、記録部が、電極層、記録層、電極層(又は保護層)のスタック構造を有するが、以下においては、特徴部分である記録層に着目して説明する。なお、ここでは代表的な例として、平衡時に1価のXイオンと5価のYイオンとの組み合わせをとる化合物の場合で説明する。
A. Information recording / reproducing apparatus (first embodiment)
The information recording / reproducing apparatus according to this embodiment has a recording unit having a stack structure of an electrode layer, a recording layer, and an electrode layer (or a protective layer). The following description focuses on the recording layer that is a characteristic part. . Here, a representative example will be described in the case of a compound that takes a combination of a monovalent X ion and a pentavalent Y ion at equilibrium.
図1は、本実施形態の情報再生装置における記録部の構造を示している。11は、電極層、12は、記録層、13は、電極層(又は保護層)である。記録層12内の小さな白丸は、Xイオンを表し、小さな黒丸は、Nイオンを表す。また、大きな白丸は、Yイオンを表す。
FIG. 1 shows the structure of a recording unit in the information reproducing apparatus of this embodiment.
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、Xイオンの一部が結晶中を移動する。そこで、本発明の例では、記録層12の初期状態を導電体(低抵抗状態)とし、情報記録に関しては、電位勾配により記録層12を相変化させ、記録層12に伝導性を失わせる(高抵抗状態)ことにより行う。
When a voltage is applied to the
まず、例えば、電極層13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13に負の電位を与えればよい。
First, for example, a state in which the potential of the
この時、記録層12内のXイオンの一部が電極層(陰極)13側に移動し、記録層(結晶)12内のXイオンがNイオンに対して相対的に減少する。電極層13側に移動したXイオンは、電極層13から電子を受け取り、メタルとして析出するため、メタル層14を形成する。
At this time, some of the X ions in the
記録層12の内部では、Nイオンが過剰となり、結果的に、記録層12内のYイオンの価数を上昇させて6価になる。つまり、記録層12は、キャリアの注入により電子伝導性を消失するようになるため、情報記録(セット動作)が完了する。このときメタル層14は電極層13と電極層11との間に導電パスを形成せず孤立するので、情報記録部分の抵抗状態には影響を与えない。
Inside the
情報再生に関しては、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。但し、電流パルスは、記録層12を構成する材料が相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。
Information reproduction can be easily performed by passing a current pulse through the
以上の過程は、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)13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 above process is a kind of electrolysis. On the electrode layer (anode) 11 side, an oxidizing agent is generated by electrochemical oxidation, and on the electrode layer (cathode) 13 side, a reducing agent is generated by electrochemical reduction. Can be considered.
このため、情報記録の状態(高抵抗状態)を初期状態(低抵抗状態)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。即ち、大電流パルスの遮断後の残留熱により記録層12は、導電体に戻る(リセット動作)。
Therefore, in order to return the information recording state (high resistance state) to the initial state (low resistance state), for example, the
リセット動作については、セット動作と逆の動作−すなわち電極層11を接地電位とすれば、電極層13に正の電位を与えること−によっても行うことができる。
The reset operation can also be performed by an operation opposite to the set operation, that is, by applying a positive potential to the
ところで、通常「セット動作」とは高抵抗状態を低抵抗状態に変えることをさす場合が多いのに、ここで説明を逆にしたのは平衡状態(初期状態)であることに由来しており、「セット」と「リセット」の関係は便宜的なものである。後述するプローブメモリのように、初期状態として媒体全面を高抵抗状態にしたほうがよい場合は出荷前に全面にわたって上記「セット動作」を施しておき、情報記録は「リセット」により行うことが好ましい。これは島状に絶縁部分があっても周囲に導電体部分があれば電流がそちらに回り込んでしまうからである。 By the way, “set operation” usually refers to changing the high-resistance state to the low-resistance state, but the explanation is reversed because it is in an equilibrium state (initial state). The relationship between “set” and “reset” is convenient. When it is better to place the entire surface of the medium in a high resistance state as an initial state as in a probe memory to be described later, it is preferable to perform the “set operation” on the entire surface before shipment and perform information recording by “reset”. This is because even if there is an insulating portion in the shape of an island, if there is a conductor portion around it, the current will flow there.
上述のような態様は、記録層12を構成する化合物(第1化合物)が、化学式1:XaYbN2(0.5≦a≦1.1、0.7≦b≦1.0;X:少なくとも1種の金属元素、Y:少なくとも1種の遷移金属元素、N:窒素)なる化学式を呈する場合、例えば、前記Xが、Cu、Ag、Au、Hg、Tl、Li、Na、K、Rb、Csのグループから選択される少なくとも1種類の元素を含み、前記Yが、Mo、W、Ru、Reのグループから選択される少なくとも1種の元素を含む場合において実現することができる。
In the embodiment as described above, the compound (first compound) constituting the
以上の説明は、平衡時に2価のイオンと4価のイオンとの組み合わせをとる化合物の場合でも同様である。この態様は、例えば、前記Xが、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ge、Pd、Ag、Cd、Ybのグループから選択される少なくとも1種類の元素を含み、前記Yが、Cr、Mn、Mo、W、Ru、Re、Osのグループから選択される少なくとも1種類の元素を含む場合において実施することができる。 The above description is the same for a compound that takes a combination of a divalent ion and a tetravalent ion at equilibrium. In this embodiment, for example, the X is Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Pd, Ag, Cd, or Yb. It can be carried out when it contains at least one element selected from a group, and the Y contains at least one element selected from the group of Cr, Mn, Mo, W, Ru, Re, Os. .
さらに、前記Xが、Y、ランタノイド、アクチノイドのグループから選択される少なくとも1種類の元素を含む場合でも同様の作用効果を得ることができる。これらの元素は3価の陽イオンであるので、上述した電荷中和を行うべく、前記Yは、Cr、Mn、Mo、Ru、Re、Os、Ir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できる。これらの元素は価数が3価とそれ以上の任意の価数との間で変化するので、前記陽イオンが拡散して記録層中から抜けた後の電荷の中和を効果的に実施することができる。 Further, even when the X includes at least one element selected from the group of Y, lanthanoid, and actinoid, the same effect can be obtained. Since these elements are trivalent cations, Y is at least one element selected from the group consisting of Cr, Mn, Mo, Ru, Re, Os, and Ir in order to perform the charge neutralization described above. Can be included. Since these elements change in valence between trivalent and arbitrary valences, neutralization of charges after the cation diffuses and escapes from the recording layer is effectively performed. be able to.
(第2の実施形態)
一方、Xイオンが1価と2価、あるいは2価と3価というように、メタル状態(0価)以外に複数の価数をとりうる場合には以下のような動作原理も可能である。
(Second Embodiment)
On the other hand, when the X ion can take a plurality of valences other than the metal state (0 valence) such as monovalent and divalent, or divalent and trivalent, the following operation principle is also possible.
図2は、本実施形態の情報再生装置における記録部の構造を示している。11は、電極層、12は、記録層、13は、電極層(又は保護層)である。記録層12内の大きな白丸はYイオンを、小さな黒丸はNイオン(窒素イオン)を、小さな白丸はXイオンを示す。ここでは、記録層12の初期状態を導電体(低抵抗状態)相とし、電位勾配により記録層12を相変化させ、記録層12に導電性を失わせる(高抵抗状態相)ことにより情報の記録を行う。
FIG. 2 shows the structure of the recording unit in the information reproducing apparatus of this embodiment.
先ほどと同様に記録層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、Xイオンの一部が結晶中を電極層(陰極)13側に移動する。この時、記録層(結晶)12内のXイオンがNイオンに対して相対的に減少する。電極層13側に移動したXイオンは、電極層13から電子を受け取り、メタルであるX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13に近い領域では、Xイオンが還元されてメタル的に振舞う。
When a voltage is applied to the
記録層12の内部では、Nイオンが過剰となるが、Yイオンの価数を上昇させるのではなく、結果的に、小さな白丸で示した拡散せずに残されたX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増大するようにXイオンを選択すると、Xイオンの移動により記録層12内の電気抵抗が減少するので、記録層全体として高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
記録層12を構成する化合物(第1化合物)が、化学式1:XaYbN2(0.5≦a≦1.1、0.7≦b≦1.0;X:少なくとも1種の金属元素、Y:少なくとも1種の遷移金属元素、N:窒素)なる化学式を呈する場合、YイオンとしてNbやTaなど5価より高い価数をとりえない元素を選択すると以上のような動作原理が働きやすい。この場合、Xは、Cu及び/又はAgとすることができる。情報再生及びリセット動作に関しても、先述と同様である。 The compound constituting the recording layer 12 (first compound) has the chemical formula 1: XaYbN 2 (0.5 ≦ a ≦ 1.1, 0.7 ≦ b ≦ 1.0; X: at least one metal element, Y : At least one transition metal element, N: nitrogen), the above principle of operation tends to work if an element that cannot take a valence higher than pentavalent, such as Nb or Ta, is selected as the Y ion. In this case, X can be Cu and / or Ag. The information reproduction and reset operation are the same as described above.
但し、これら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。 However, in order to put these operating principles into practical use, it is necessary to confirm 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.
(記録層の構造安定性に関する考察)
続いて、Xイオンが拡散した後の、母体構造の安定性に関して説明する。なお、以下に示す考察は、あくまで本発明者らの研究結果に基づく考察であって、本発明の成立性に何ら影響を与えるものではない。
(Consideration on structural stability of recording layer)
Subsequently, the stability of the matrix structure after the diffusion of X ions will be described. In addition, the consideration shown below is a consideration based on the research results of the present inventors to the last, and does not affect the feasibility of the present invention at all.
図1において説明した動作原理前半部分のYイオンが価数変化を伴う場合は、価数によってイオン半径が大きく変化しないMoやWといった元素がYイオンとして特に好ましい。価数によってイオン半径が大きく変化する場合には、母体構造に残留応力が生じ変化しやすくなる。母体構造が変化してしまうとXイオンが戻れなくなる場合もあるので好ましくない。YイオンとしてMo、Wの他にはRu、Rh、Re、Os、Ir(元素)が価数変化時の半径変化が比較的小さいため好ましい。LiMoN2構造において、Yイオンは6配位で存在しているので、Yは、6配位の状態を安定にとることができる、という観点からも上記元素が好ましい。 When the Y ions in the first half of the principle of operation described in FIG. 1 are accompanied by valence changes, elements such as Mo and W whose ionic radii do not change greatly depending on the valence are particularly preferred as Y ions. When the ionic radius changes greatly depending on the valence, residual stress is generated in the base structure and is likely to change. If the matrix structure is changed, the X ions may not return, which is not preferable. In addition to Mo and W, Ru, Rh, Re, Os, and Ir (element) are preferable as Y ions because the change in radius when the valence changes is relatively small. In the LiMoN 2 structure, since the Y ions are present in a six-coordinate system, the above elements are also preferable from the viewpoint that Y can stably take a six-coordinate state.
さらには、図2において説明した動作原理後半部分のように、Xイオンが拡散した後、Xイオンがその価数を変化させて電荷の中性条件を満たす場合には、抵抗変化に伴ってYイオンの価数変化を生じることがない。この場合には、価数変化に伴うイオン半径の変化はありえないので本質的に安定である。但し、Xイオンに関して制限条件が厳しくなる。すなわち前述のように、XイオンはXイオンの拡散の前後でその価数が変化する必要がある。そのためX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と、様々な価数を安定にとることができるので好ましい。 Furthermore, as in the latter half of the principle of operation described with reference to FIG. 2, when X ions diffuse and then change their valence and satisfy the neutral condition of the charge, Y changes with resistance change. There is no change in the valence of ions. In this case, there is no change in the ionic radius that accompanies the change in valence, so that it is essentially stable. However, the limiting conditions for X ions become severe. That is, as described above, the valence of X ions needs to change before and after the diffusion of X ions. Therefore, it is preferable that X is a transition element having a d orbital in which electrons are incompletely filled, because various valences can be stably obtained.
さらに、前述のように、Xイオンが2価であると、Xイオンの拡散と、熱安定性が同時に満たされるので、Xイオンは2価であることが好ましい。すなわち、作製方法にも依存するが、1価のイオンは動きやすいためメモリ状態を保持することが困難になりやすく(リテンションが短い)、反対に3価のイオンは動きにくいためセット/リセット時の消費電力が大きくなりやすいため、比較として2価のXイオンが使いやすい場合が多い。1価のイオンを選択する場合には、Liよりイオン半径の大きい元素を選択するのが好ましい。さらには、LiMoN2構造においては、Xイオンは6配位で存在しているので、Xは、6配位の状態を安定にとることができ、イオン半径がLiに比較的近いCr、Cu、Ag、Mg、Zn、Ge等がより好ましい。 Furthermore, as described above, when the X ions are divalent, the diffusion of X ions and the thermal stability are satisfied at the same time. Therefore, the X ions are preferably divalent. In other words, depending on the manufacturing method, monovalent ions are easy to move, so it is difficult to maintain the memory state (retention is short). Since power consumption tends to increase, divalent X ions are often easy to use as a comparison. When monovalent ions are selected, it is preferable to select an element having an ionic radius larger than that of Li. Furthermore, in the LiMoN 2 structure, since X ions exist in a six-coordinate state, X can stably take a six-coordinate state, and the ionic radius is relatively close to Li, such as Cr, Cu, Ag, Mg, Zn, Ge, etc. are more preferable.
図1に示したようなXイオンのインターカレーション/ディス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好ましい。 In order for intercalation / disintercalation 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 match. Preferably it is.
(記録部を構成する各構成要素の材料組成)
次に、記録部を構成する各構成要素の材料組成について説明する。
(Material composition of each component constituting the recording unit)
Next, the material composition of each component constituting the recording unit will be described.
<記録層12>
図1で説明したように、Xイオンが抜けた構造でも安定に存在しうるので、各状態の抵抗、あるいはXイオンの拡散係数が最適値になるように、Xイオンの混合比を最適化することが可能である。X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、X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。
<
As described with reference to FIG. 1, since the structure in which X ions are eliminated can exist stably, the mixing ratio of X ions is optimized so that the resistance in each state or the diffusion coefficient of X ions becomes an optimum value. It is possible. If the mixing ratio of X ions is too small, it becomes difficult to stably produce and maintain the crystal structure, and if the mixing ratio of X ions is too large, diffusion of ions becomes difficult.
従って、上述した実施形態において、 記録層12を構成する化合物(第1化合物)が、化学式1:XaYbN2(0.5≦a≦1.1、0.7≦b≦1.0;X:少なくとも1種の金属元素、Y:少なくとも1種の遷移金属元素、N:窒素)なる化学式を呈する場合、Xイオンの混合比は0.5≦a≦1.1であることが好ましい。製造ムラを抑制するためには、Xイオンの混合比は0.7≦a≦1.0であることがより好ましい。
Therefore, in the above-described embodiment, the compound (first compound) constituting the
Y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ので、Yイオンの混合比は0.7≦b≦1であることが好ましい。さらに、製造ムラを抑制するためには、0.9≦b≦1であることがより好ましい。ここで、Yイオンの上限を1としたのは、YイオンがXイオンの拡散パスに存在する場合には、Xイオンの拡散が困難になるためである。 Since the crystal structure of Y ions can exist stably even if there are some defects, the mixing ratio of Y ions is preferably 0.7 ≦ b ≦ 1. Furthermore, in order to suppress manufacturing unevenness, it is more preferable that 0.9 ≦ b ≦ 1. Here, the upper limit of Y ions is set to 1 because when Y ions are present in the X ion diffusion path, X ions are difficult to diffuse.
<電極層11>
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好ましい。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。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、LaNiO3は、最も好ましい材料ということができる。
<
Since an oxidizing agent is generated on the electrode layer (anode) 11 side after the setting operation, the
・M1N
M1は、Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta 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。
・M1Ox(スピネルもしくはラムスデライト)
M1は、Mn, V, Cr, 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。
・AM1O3
Aは、La, K, Ca, Sr, Ba, Ln(Lanthanide) 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。
M1は、Mn, Ti, V, Cr, 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。
・A2M1O4
Aは、K, Ca, Sr, Ba, Ln(Lanthanide) 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。
・M2メタル
M2は、Pd, 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。
M1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。
・ M1N
M1 is at least one element selected from the group consisting of Ti, Zr, Hf, V, Nb, and Ta. N is nitrogen.
・ M1O x (spinel or rams delight)
M1 is selected from the group of Mn, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Ir, Os, Pt At least one element. The molar ratio x shall satisfy 1 ≦ x ≦ 4.
・ AM1O 3
A is at least one element selected from the group consisting of La, K, Ca, Sr, Ba, and Ln (Lanthanide).
M1 is selected from the group of Mn, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Ir, Os, Pt At least one element.
O is oxygen.
・ A 2 M1O 4
A is at least one element selected from the group of K, Ca, Sr, Ba, and Ln (Lanthanide).
・ M2 metal
M2 is at least one element selected from the group of Pd, Ta, W, Re, Ir, Os, and Pt.
M1 is selected from the group of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Ir, Os, Pt At least one element.
O is oxygen.
<保護層13又は電極層13>
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好ましい。
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、SnO2などの半導体がある。
<
In addition, since a reducing agent is generated on the protective layer (cathode) 13 side after the setting operation, the
Examples of such a material include semiconductors such as amorphous carbon, diamond-like carbon, and SnO 2 .
電極層13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13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。
The
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13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。
In order to efficiently heat the
(第3の実施形態)
図3は、本発明の第3の実施形態に係わる情報記録再生装置の構成を示す図である。なお、本実施形態は、上述した第1の実施形態及び第2の実施形態の応用例あるいは変形例に相当するものである。
(Third embodiment)
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of an information recording / reproducing apparatus according to the third embodiment of the present invention. The present embodiment corresponds to an application example or a modification of the first embodiment and the second embodiment described above.
図3に示すように、記録層12は、上述した第1の化合物12Aと、以下に詳述する第2化合物12Bとを含み、それぞれが互いに積層されたような構成を呈している。記録層12において、第1化合物12Aが陽極側、第2化合物12Bが陰極側になるように電極層11,13に電位を与え、記録層12内に電位勾配を発生させると、第1化合物12A内のXイオンの一部が結晶中を移動し、陰極側の第2化合物12B内に進入する。
As shown in FIG. 3, the
第2化合物12Bの結晶中には、Xイオンを収容できる空隙サイトがあるため、第1化合物12Aから移動してきたXイオンは、この空隙サイトに収まることになる。従って、第1化合物12A内では、Yイオンの一部の価数が上昇してたとえばY6+イオンとなり、第2化合物12B内では、Mイオンの価数が減少する。従って、M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 void sites that can accommodate X ions in the crystal of the
つまり、初期状態(リセット状態)において、第1及び第2化合物12A,12Bが低抵抗状態(導電体)であると仮定すれば、第1化合物12A内のXイオンの一部が第2化合物12B内に移動することにより、第1及び第2化合物12A,12Bの結晶中の電導キャリアが消失し、両者は、共に、電気絶縁性を有するようになる。
That is, assuming that the first and
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。
As described above, by applying the current / voltage pulse to the
この時、同時に、第1化合物12Aから第2化合物12Bに向かって電子も移動するが、第2化合物12Bの電子のフェルミ準位は、第1化合物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。
At the same time, electrons move from the
なお、前記第2化合物は、
化学式2:□xMZ2(□:前記Xが収容される空隙サイト、M:Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Nb, Ta, Mo, W, Re, Ru, Rhから選ばれる少なくとも1種類の元素、Z:O, S, Se, N, Cl, Br, Iから選ばれる少なくとも1種類の元素、0.3≦x≦1)、
化学式3:□xMZ3(□は、前記Xが収容される空隙サイト、M:Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Nb, Ta, Mo, W, Re, Ru, Rhから選ばれる少なくとも1種類の元素、Z:O, S, Se, N, Cl, Br, Iから選ばれる少なくとも1種類の元素、1≦x≦2)、
化学式4:□xMZ4(□は、前記Xが収容される空隙サイト、M:Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Nb, Ta, Mo, W, Re, Ru, Rhから選ばれる少なくとも1種類の元素、Z:O, S, Se, N, Cl, Br, Iから選ばれる少なくとも1種類の元素、1≦x≦2)、
化学式5:□xMPOz(□は、前記Xが収容される空隙サイト、M:Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Nb, Ta, Mo, W, Re, Ru, Rhから選ばれる少なくとも1種類の元素、P:リン元素、O:酸素元素、0.3≦x≦3、4≦z≦6)のうちの1つであることが好ましい。これによって、上述した作用効果をより効果的に実現することができる。
The second compound is
Chemical formula 2: □ xMZ 2 (□: void site where X is accommodated, M: selected from Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Nb, Ta, Mo, W, Re, Ru, Rh At least one element, Z: at least one element selected from O, S, Se, N, Cl, Br, I, 0.3 ≦ x ≦ 1),
Chemical formula 3: □ xMZ 3 (□ is a void site where X is accommodated, M: selected from Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Nb, Ta, Mo, W, Re, Ru, Rh At least one element selected from the group consisting of Z: O, S, Se, N, Cl, Br, I, 1 ≦ x ≦ 2),
Chemical formula 4: □ xMZ 4 (□ is a void site where X is accommodated, M: selected from Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Nb, Ta, Mo, W, Re, Ru, Rh At least one element selected from the group consisting of Z: O, S, Se, N, Cl, Br, I, 1 ≦ x ≦ 2),
Chemical formula 5: □ xMPOz (□ is a void site where X is accommodated, M: selected from Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Nb, Ta, Mo, W, Re, Ru, Rh It is preferably at least one element, P: phosphorus element, O: oxygen element, 0.3 ≦ x ≦ 3, 4 ≦ z ≦ 6). Thereby, the above-described operational effects can be realized more effectively.
また、前記第2化合物は、ホランダイト構造、ラムスデライト構造、アナターゼ構造、ブルッカイト構造、パイロルース構造、ReO3構造、MoO1.5PO4構造、TiO0.5PO4構造及びFePO4構造、βMnO2構造、γMnO2構造、λMnO2構造のうちの1つを有することができる。この場合、上記のような化学式の第2化合物を安定的に得ることができる。 The second compound, hollandite structure, ramsdellite structure, anatase structure, brookite structure, pyrolusite structure, ReO 3 structure, MoO 1.5 PO 4 structure, TiO 0.5 PO 4 structure and FePO 4 structure, BetaMnO 2 structure, GanmaMnO 2 The structure can have one of the λMnO 2 structures. In this case, the second compound having the above chemical formula can be stably obtained.
B.情報記録再生装置の応用例
次に、上述した情報再生記録装置を用いた具体的なメモリ装置などの応用例について簡単に説明する。
B. Application Example of Information Recording / Reproducing Device Next, an application example of a specific memory device using the above-described information reproducing / recording device will be briefly described.
(1)プローブメモリ
図4及び図5は、本発明の例に係るプローブメモリを示している。
XYスキャナー14上には、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。
(1) Probe Memory FIGS. 4 and 5 show a probe memory according to an example of the present invention.
A recording medium is disposed on the
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。
The probe array includes a
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。
Each of the plurality of
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14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。
First, using the
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。
Data reading and writing are continuously performed because the
尚、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。
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
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。
The recording medium includes, for example, a
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
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。
In addition to these pieces of information, an address area for recording address data and a preamble area for synchronization are arranged in the
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。
The data and servo burst signal are recorded on the
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。 In this example, one probe (head) is provided corresponding to one data area, and one probe is provided for one servo area.
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。
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
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。 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、図4及び図5のプローブメモリの記録/再生動作について説明する。図6は、記録(セット動作)時の状態について示している。 Next, the recording / reproducing operation of the probe memory shown in FIGS. 4 and 5 will be described. FIG. 6 shows a state during recording (set operation).
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。
The recording medium is composed of an
<第1例>
第1例は、記録層に図1の材料を用いた場合である。まず、図7に示すように、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。
<First example>
In the first example, the material shown in FIG. 1 is used for the recording layer. First, as shown in FIG. 7, a state in which the potential of the
この時、例えば、記録層22の記録ビット27では、Xイオンの一部がプローブ(陰極)24側に移動し、結晶内のXイオンがN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X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、Nイオンが過剰となり、結果的に、記録ビット27におけるX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。
At this time, for example, in the
尚、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。
Note that the current pulse for recording can also be generated by creating a state in which the potential of the
図8は、再生について示している。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。但し、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。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。
FIG. 8 shows the reproduction. Reproduction is performed by passing a current pulse through the
本発明の例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。尚、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。 If the material according to the example of the present invention is used, a difference in resistance value between the set / reset states of 10 3 or more 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。
The erase (reset) operation is performed by heating the
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 erasing operation can be performed for each
<第2例>
第2例は、記録層に図3の材料を用いた場合である。まず、図9に示すように、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。
<Second example>
The second example is a case where the material shown in FIG. 3 is used for the recording layer. First, as shown in FIG. 9, a state is created in which the potential of the
この時、記録層22の第1化合物(陽極側)12A内のXイオンの一部は、結晶中を移動し、第2化合物(陰極側)12Bの空隙サイトに収まる。これに伴い、第1化合物12A内のXイオンの価数が上昇し、第2化合物内12BのMイオンの価数が減少する。その結果、第1及び第2化合物12A,12B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。
At this time, some of the X ions in the first compound (anode side) 12A of the
尚、記録動作に関して、第1及び第2化合物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。
Regarding the recording operation, if the positional relationship between the first and
図10は、再生時の状態について示している。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。但し、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. 10 shows a state during reproduction. The reproduction operation is performed by passing a current pulse through the
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。
For example, a read current (current pulse) generated by the sense amplifier S / A is passed from the
尚、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。
The reproduction operation can be continuously performed by scanning the
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、Xイオンが第2化合物12B内の空隙サイトから第1化合物12A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。
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 X ions are transferred from the void sites in the
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 erasing operation can be performed for each
<実験例>
サンプルとしては、図6に示す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ればよい。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。
<Experimental example>
As a sample, a recording medium having the structure shown in FIG. 6 is used, and evaluation may be performed using a probe pair whose tip diameter is sharpened to 10 nm or less. The
記録層22はの作製方法は例えば以下のようなものである。記録層としてLiMoN2を用いる場合、まず前駆体としてLi2MoO4を作製する。この前駆体を得るため、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。次にこの前駆体を融点より若干高い710℃程度のアンモニアガス中にて熱処理すると所望のLiMoN2が得られる。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。
For example, the
プローブ対を保護層13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、10nsec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、100nsec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。
The probe pair is brought into contact with the
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。
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
例えば、LiMoN2構造を有するNaMoN2を記録層として用いた場合には、Naイオン、Moイオン、Nイオンが層状に存在するため、Naイオンの拡散が効率的に生じる。また、Naイオンが拡散した後には、記録層内に残されたMoイオンの価数が6価に上昇し、記録層の高抵抗化を実現できる。このとき、6価で原子量の大きなMoイオンは、5価のMoイオンとイオン半径が大きく変わらず、Nイオンとの結合長も大きくは変わらないため、Na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。さらに、1価のNaイオンは6配位の構造をとりやすいので、容易にLiMoN2構造を有するNaMoN2を得ることができる。NaMoN2の代わりに、例えば2価のGe,4価のWとを組み合わせたGeWN2を用いてもよい。 For example, in the case of using the NaMoN 2 having LiMoN 2 structure as the recording layer, since the Na ions, Mo ions, N ions present in layers, the diffusion of Na ions occurs efficiently. In addition, after the Na ions diffuse, the valence of Mo ions remaining in the recording layer increases to 6 and the resistance of the recording layer can be increased. At this time, hexavalent Mo ions with large atomic weights do not have much different ionic radii from pentavalent Mo ions, and the bond length with N ions does not change greatly, so the crystal structure is stable even after Na ions diffuse. Easy to hold on. Further, the monovalent Na ions so easy to take the six-coordinate structure, it is possible to obtain a NaMoN 2 with readily LiMoN 2 structure. Instead of NaMoN 2 , for example, GeWN 2 that is a combination of divalent Ge and tetravalent W may be used.
(2)半導体メモリ
図11は、本発明の例に係るクロスポイント型半導体メモリを示している。
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。
(2) Semiconductor Memory FIG. 11 shows a cross-point type semiconductor memory according to an example of the present invention.
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.
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。
One end of the word lines WLi-1, WLi, WLi + 1 is connected to the word line driver &
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。 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.
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。
図12は、図11の半導体メモリのメモリセルアレイ部の構造を示している。
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。
FIG. 12 shows the structure of the memory cell array portion of the semiconductor memory of FIG.
On the
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14及び図15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。
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
メモリセル33は、例えば、図13に示すように、記録層22、保護層13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. 13, the
次に、図11〜図13を用いて記録/再生動作を説明する。ここでは、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ものとする。
Next, the recording / reproducing operation will be described with reference to FIGS. Here, it is assumed that the
<第1例>
第1例は、記録層に図1の材料を用いた場合である。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。
<First example>
In the first example, the material shown in FIG. 1 is used for the recording layer. In recording (set operation), it is only necessary to apply a voltage to the selected
この時、点線Aで囲まれた選択されたメモリセル33では、Xイオンの一部がワード線(陰極)WLi側に移動し、結晶内のXイオンがN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X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
点線Aで囲まれた選択されたメモリセル33では、Nイオンが過剰となり、結果的に、結晶内におけるX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
尚、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好ましい。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好ましい。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 preferable 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. In standby before recording, it is preferable to precharge all the word lines WLi-1, WLi, WLi + 1 and all the bit lines BLj-1, 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。但し、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、103以上を確保できる。
Reproduction is performed by passing a current pulse through the selected
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
<第2例>
第2例は、記録層に図3の材料を用いた場合である。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。
<Second example>
The second example is a case where the material shown in FIG. 3 is used for the recording layer. In the recording operation (set operation), it is only necessary to apply a voltage to the selected
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1化合物内のXイオンの一部が第2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Xイオンの価数が上昇し、第2化合物内のM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。
At this time, in the selected
尚、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好ましい。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好ましい。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 preferable 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. In standby before recording, it is preferable to precharge all the word lines WLi-1, WLi, WLi + 1 and all the bit lines BLj-1, 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。但し、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。
The reproduction operation is performed by passing a current pulse through the selected
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、103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
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、Xイオン元素が第2化合物内の空隙サイトから第1化合物内に戻ろうとする作用を促進してやればよい。この場合、加熱により平衡に戻ることを利用しているので、第1化合物の電子のフェルミ準位は、第2化合物の電子のフェルミ準位よりも低いことが必要となる。なお、ここで示した半導体メモリの例では各素子にダイオードがついているため、段落[0096]のようにセット動作時とは逆向きの電位差を与えるというリセット方法は使えない。
The reset (erase) operation uses Joule heat generated by flowing a large current pulse to a selected
(3)フラッシュメモリ
図16は、本発明のフラッシュメモリのメモリセルを示している。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。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、本発明の例に係る記録層(RRAM: Resistive RAM)44が形成される。記録層44上には、コントロールゲート電極45が形成される。
(3) Flash Memory FIG. 16 shows a memory cell of the flash memory according to the present invention. The memory cell of the flash memory is composed of a MIS (metal-insulator-semiconductor) transistor. A
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、図1、図2又は図3に示す材料から構成される。
The
次に、図16を用いて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。即ち、V1>V2およびV1<V2のいずれでもよい。
Next, the basic operation will be described with reference to FIG. The set (write) operation is performed by applying the potential V1 to the
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。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。尚、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。
For example, assuming that the
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。
The reset (erase) operation is performed by applying the potential V1 'to the
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。
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 the other side of the
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、本発明の例に係る情報記録再生装置を実用化できる。 As described above, the threshold value of the memory cell can be changed based on a principle similar to that of the flash memory. Therefore, the information recording / reproducing apparatus according to the example of the present invention can be put into practical use by using the technology of the flash memory.
(4)NAND型フラッシュメモリ
図17は、NANDセルユニットの回路図を示している。図18は、本発明の例に係るNANDセルユニットの構造を示している。
(4) NAND Flash Memory FIG. 17 shows a circuit diagram of the NAND cell unit. FIG. 18 shows the structure of a NAND cell unit according to an example of the present invention.
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、本発明の例に係る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。
An N-
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。
The memory cell MC and the select gate transistor ST have the same structure. Specifically, these include an N-
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、即ち、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
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。 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.
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。
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
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。 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.
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。尚、図18の構造では、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19に示すように、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。 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. In the structure of FIG. 18, the select gate transistor ST has the same structure as the memory cell MC. For example, as shown in FIG. 19, the select gate transistor ST is not formed with a recording layer. A normal MIS transistor can also be used.
図20は、NAND型フラッシュメモリの変形例である。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。
FIG. 20 shows 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-
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。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。
When the high integration progresses and the memory cell MC is miniaturized, the P-
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。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。
At this time, the surface of the P-
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。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。
For example, reset (erase) is performed by applying a negative erase potential (for example, −3.5 V) to all the
但し、“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。 However, the threshold voltage Vth ”1” of the memory cell MC in the “1” state is in the range of 0V <Vth ”1” <0.5V, and the threshold voltage Vth ”0 of the memory cell MC in the“ 0 ”state "" Is assumed to be in the range of 0.5V <Vth "0" <1V.
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。 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.
尚、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。
In this modification, the hole doping amount of the P-
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。
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-
(5)NOR型フラッシュメモリ
図21は、NORセルユニットの回路図を示している。図22は、本発明の例に係るNORセルユニットの構造を示している。
(5) NOR Flash Memory FIG. 21 shows a circuit diagram of a NOR cell unit. FIG. 22 shows the structure of a NOR cell unit according to an example of the present invention.
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、本発明の例に係るNORセルが形成される。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。
An N-
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。
The state (insulator / conductor) of the
(6)2トラ型フラッシュメモリ
図23は、2トラセルユニットの回路図を示している。図24は、本発明の例に係る2トラセルユニットの構造を示している。
(6) Two-tra type flash memory FIG. 23 shows a circuit diagram of a two-tra cell unit. FIG. 24 shows the structure of a two-tracell unit according to an example of the present invention.
2トラセルユニットは、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、本発明の例に係る2トラセルユニットが形成される。2トラセルユニットは、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。
The 2-tra 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-
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。
The memory cell MC and the select gate transistor ST have the same structure. Specifically, these include an N-
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、即ち、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。
The state (insulator / conductor) of the
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24の構造では、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25に示すように、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。
The state (insulator / conductor) of the
(7)その他
本実施の形態では、プローブメモリと半導体メモリの2つについて説明したが、本発明の例で提案する材料及び原理を、現在のハードディスクなどの記録媒体に適用することも可能である。
(7) Others In this embodiment, the probe memory and the semiconductor memory have been described. However, the material and principle proposed in the example of the present invention can be applied to a recording medium such as a current hard disk. .
以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。 The present invention has been described in detail based on the above specific examples. However, the present invention is not limited to the above specific examples, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the present invention.
11,13: 電極層、 12,22: 記録層、 13: 保護層、 14: XYスキャナー、 15: ドライバ、 20,23,30: 基板、 21: 電極層、 24: プローブ、 25,26: マルチプレクスドライバ、 27: 記録ビット、 31: ワード線ドライバ&デコーダ、 32: ビット線ドライバ&デコーダ&読み出し回路、 33: メモリセル、 34: ダイオード、 35: ヒータ層、 WLi−1,WLi,WLi+1: ワード線、 BLj−1,BLj,BLj+1: ビット線。 11, 13: Electrode layer, 12, 22: Recording layer, 13: Protective layer, 14: XY scanner, 15: Driver, 20, 23, 30: Substrate, 21: Electrode layer, 24: Probe, 25, 26: Multi Plex driver, 27: recording bit, 31: word line driver & decoder, 32: bit line driver & decoder & readout circuit, 33: memory cell, 34: diode, 35: heater layer, WLi-1, WLi, WLi + 1: word Line, BLj-1, BLj, BLj + 1: Bit line.
Claims (20)
前記記録層は、少なくともLiMoN2構造を有する第1化合物を含むように構成されることを特徴とする、情報記録再生装置。 A recording layer; and a recording unit that records information by applying a voltage to the recording layer to generate a resistance change due to a phase change in the recording layer,
The information recording / reproducing apparatus, wherein the recording layer includes at least a first compound having a LiMoN 2 structure.
化学式2:□xMZ2(□:前記Xが収容される空隙サイト、M:Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Nb, Ta, Mo, W, Re, Ru, Rhから選ばれる少なくとも1種類の元素、Z:O, S, Se, N, Cl, Br, Iから選ばれる少なくとも1種類の元素、0.3≦x≦1)、
化学式3:□xMZ3(□は、前記Xが収容される空隙サイト、M:Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Nb, Ta, Mo, W, Re, Ru, Rhから選ばれる少なくとも1種類の元素、Z:O, S, Se, N, Cl, Br, Iから選ばれる少なくとも1種類の元素、1≦x≦2)、
化学式4:□xMZ4(□は、前記Xが収容される空隙サイト、M:Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Nb, Ta, Mo, W, Re, Ru, Rhから選ばれる少なくとも1種類の元素、Z:O, S, Se, N, Cl, Br, Iから選ばれる少なくとも1種類の元素、1≦x≦2)、
化学式5:□xMPOz(□は、前記Xが収容される空隙サイト、M:Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Nb, Ta, Mo, W, Re, Ru, Rhから選ばれる少なくとも1種類の元素、P:リン元素、O:酸素元素、0.3≦x≦3、4≦z≦6)のうちの1つであることを特徴とする、請求項13に記載の情報記録再生装置。 The second compound is
Chemical formula 2: □ xMZ 2 (□: void site where X is accommodated, M: selected from Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Nb, Ta, Mo, W, Re, Ru, Rh At least one element, Z: at least one element selected from O, S, Se, N, Cl, Br, I, 0.3 ≦ x ≦ 1),
Chemical formula 3: □ xMZ 3 (□ is a void site where X is accommodated, M: selected from Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Nb, Ta, Mo, W, Re, Ru, Rh At least one element selected from the group consisting of Z: O, S, Se, N, Cl, Br, I, 1 ≦ x ≦ 2),
Chemical formula 4: □ xMZ 4 (□ is a void site where X is accommodated, M: selected from Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Nb, Ta, Mo, W, Re, Ru, Rh At least one element selected from the group consisting of Z: O, S, Se, N, Cl, Br, I, 1 ≦ x ≦ 2),
Chemical formula 5: □ xMPOz (□ is a void site where X is accommodated, M: selected from Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Nb, Ta, Mo, W, Re, Ru, Rh 14. Information recording / reproducing according to claim 13, characterized in that it is one of at least one element, P: phosphorus element, O: oxygen element, 0.3 ≦ x ≦ 3, 4 ≦ z ≦ 6) apparatus.
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