JP2008276904A - 情報記録再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低消費電力かつ熱安定性が高い不揮発性の高記録密度情報記録再生装置を提案する。
【解決手段】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た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、ラムズデライト(Ramsdelite)構造を有する材料により情報記録再生装置を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高記録密度の情報記録再生装置に関する。

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。

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（セット状態）と高抵抗状態（リセット状態）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。

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。

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。

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。

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。

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）。
特開２００５−３１７７８７号 特開２００６−８０２５９号 特開２００６−１４０４６４号 S.Seoら、Applied Physics Letters, vol.85,p.p.5655-5657,（2004） D.J.Singh、Physical Review B，vol．46,p.p.9332-9335,（1992）

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。

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た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、ラムズデライト(Ramsdelite)構造を有する材料を含むことを特徴とする、情報記録再生装置に関する。

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。

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。

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。

このような観点から、本発明の上記態様では、記録層がラムズデライト(Ramsdelite)構造を有する材料を含むようにしている。この材料は４価のイオンのみしか含まないので、上述のような記録層内を拡散するような陽イオンを含まない。前記記録層は構造的に極めて安定であって、高い熱安定性を示す。

一方、前記記録層が単に上記ラムズデライト(Ramsdelite)構造を有する材料を含むのみでは、前記記録層中を拡散して抵抗変化を生ぜしめる陽イオンが存在しない。したがって、前記記録層に対して実際に記録動作を行うためには、上述したラムズデライト(Ramsdelite)構造を有する材料に加えて、拡散陽イオンを含むような材料を適宜添加する必要がある。このような材料としては、例えば２価の陽イオンとなるような金属を例示することができる。また、１価の陽イオンとなるような金属なども使用することができるが、この場合、常温でも1価のイオンは動きまわるため、熱安定性が悪いなどの現象を生じるため、あまり好ましくない。

本発明の一態様では、上記２価の陽イオンとなるような金属として、Zn、Cd、Hg、Mg、Ca、Sr、Cu、Ni、Co、Fe、Mn、Cr、Vから選択される少なくとも１種類の金属元素Ｘを用いることができる。これらの金属元素Ｘは、前記ラムズデライト(Ramsdelite)構造を有する材料の空隙サイトを介して前記記録層内を２価の陽イオンとして簡易に移動することができる。

また、本発明の一態様では、前記記録層は、化学式□_ＸYO₂で表され、前記Yは、Mn、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Hf、Ta、W、Re、Os、Irから選択される少なくとも１種類の元素を有するようにすることができる。このような化学式を有する材料は上述したラムズデライト(Ramsdelite)構造をとり得ることができる。

なお、上記元素中でも、Mn及びReから選択される少なくとも１種類の元素であることが好ましく、特にはMnであることが好ましい。Mn及びReは、質量数が大きく、ラムズデライト構造中で安定に存在するようになるため、前記ラムズデライト構造の安定化に寄与する。また、特に、Mnは、スピネル構造LiMn₂O₄から電気化学的にLiイオンを脱離し相変化させてMnO₂として作製することができ、結晶格子の崩れがなく安定に存在するため、ラムズデライト構造の構成元素として適している。

さらに、本発明の一態様では、前記記録層は、少なくともM₃N₄、M₃N₅、MN₂、M₄O₇、MO₂、M₂O₅で表される材料（MはSi、Ge、Sn、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W、Ce、Tbから選ばれる少なくとも１種類の元素）を含む結晶配向制御層上に形成することができる。これによって、前記記録層の結晶格子、すなわちラムズデライト(Ramsdelite)構造の崩れがなく、上述した高い熱安定性と、空隙サイトを利用した陽イオンの拡散を良好に行うことができるようになる。

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。

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。

Ａ．情報記録再生装置
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、１例としてラムスデライト構造のMnO₂を用い、特徴部分である記録層に着目して説明する。

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）、１４はメタル層である。大きな白丸は陰イオン（酸素イオン）、小さな黒丸は遷移元素陽イオンＹ（母体陽イオン）、小さな白丸は添加する典型元素Ｘ（拡散陽イオン）を示す。

図１(ａ)の記録層１２上にメタル層１４を積層した記録層に大電流パルスを流し、ジュール加熱して記録層１２の酸化還元反応を促進させる。大電流パルス遮断後の残留熱によりメタル層１４中のＸ原子の一部が電極層１３に電子を放出し、陽イオンＸとして記録層１２の結晶中の空隙サイトに配置されるため、記録層１２は絶縁体に変化する（リセット動作）。

そこで、本発明の例では、図１(ａ)に示すような記録層１２及びメタル層１４の初期状態を導電体（低抵抗状態相：セット状態）とし、大電流パルスのジュール加熱により記録層１２を相変化させ、記録層１２に絶縁性を持たせる（高抵抗状態相：リセット状態）。記録層１２内部では、陽イオンＸが入り込むため、酸素イオンが欠損状態になることにより、記録層１２内の陽イオンＹの価数を減少させる。

次いで、図１(ｂ)の記録層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、陽イオンＸ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が絶縁体（高抵抗状態相）の場合を初期状態、すなわちリセット状態とし、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）とした場合をセット状態とし、これによって情報の記録を行う。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。

この時、記録層１２内の陽イオンＸの一部が電極層（陰極）１３側に移動し、記録層（結晶）１２内の陽イオンＸが酸素イオンに対して相対的に減少する。電極層１３側に移動した陽イオンＸ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。

記録層１２の内部では、酸素イオンが過剰となり、拡散せずに残された陽イオンＹ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陽イオンＸを選択すると、メタル層１４、記録層１２内ともに陽イオンＸ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ことにより、情報記録（セット動作）が完了する。

情報再生は、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。但し、電圧パルスの振幅は、陽イオンＸ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。

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。

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、陽イオンＸの価数を２価以上にすることで対応できる。これにより室温で、かつ電位勾配がない状態での陽イオンＸの移動を妨げることができる。

また、後者に対しては、結晶格子の崩れが発生しないので、記録層１２内を移動する陽イオンＸの移動パスを見つけ出すことにより対応することもできる。しかしながら、記録層１２がラムスデライト構造を呈し、その空隙サイトに陽イオンＸを配置させた場合、スピネル構造と同じ安定な結晶構造を得ることができる。また、拡散陽イオンＸが層状に位置しているので、記録層１２内での陽イオンＸの拡散が生じやすくなる。したがって、記録層１２をラムズデライト構造とすることで自ずから対処することができる。

次に、母体陽イオンの構造安定性に関して説明する。図１の陽イオンの拡散とそれに伴う抵抗変化現象はさまざまな結晶構造に関して成り立つ。ここで、母体陽イオンの価数が大きい場合には、母体陽イオンのわずかな結晶格子からのずれに対して、より大きなクーロン反発力が働くため、母体陽イオン位置が結晶格子からずれにくい。ラムスデライト構造では、母体陽イオンが４価であるため、母体構造が安定に存在しやすい。この母体陽イオンはMn、Cr、V、Ti、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Hf、Ta、W、Re、Os、Irであることが好ましい。

さらには、母陽イオンの質量が大きい方が、母体陽イオンの安定性は増すので、母体陽イオンはMn、Reであることがより好ましく、特にはMnであることが好ましい。Mnはスピネル構造LiMn₂O₄から電気化学的にLiイオンを脱離し相変化させてMnO₂として作製することができ、結晶格子の崩れがなく安定に存在するため、極めて安定なラムズデライト構造を構成するようになる。このような観点から、本態様では、MnO₂からなるラムズデライト構造の記録層１２について詳細な説明を実施している。

続いて、拡散陽イオンに関して説明する。前述のように、記録層１２の空隙サイトに拡散陽イオンＸを配置させるため、拡散陽イオンが２価であると、拡散陽イオンの拡散と、熱安定性が同時に満たされるので、拡散陽イオンは２価であることが好ましい。拡散陽イオンとしては、Zn、Cd、Hg、Mg、Ca、Sr、Cu、Ni、Co、Fe、Mn、Cr、Vを用いることが好ましい。中でも、Zn、Ni、Co、Fe、Mn、Cu、特にZnが好ましい。

また、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。
(a) MN
M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。
(b) MOx
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。
(c) AMO₃
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。
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。
(d) A₂MO₄
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。
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。

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。

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。

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。

また、記録層のイオン拡散パスの方向を記録層の膜面に対して垂直に配向制御させるために、電極層/記録層の下地層としてM₃N₄、M₃N₅、MN₂、M₄O₇、MO₂、M₂O₅で表される材料（MはSi、Ge、Sn、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W、Ce、Tbから選ばれる少なくとも１種類の元素）を有することが好ましい。

上記では、記録層１２がメタル状態から始まる１例を示したが、記録層１２が絶縁体状態から始まるものにも同様に適用される。

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。

(１)プローブメモリ
図２及び図３は、本発明の例に関わるプローブメモリを示している。
半導体チップ２０上には、データ領域２１とサーボ領域２２が配置される。データ領域２１は、例えば、図１のような構造を有する記録媒体（記録部）から構成される。記録媒体は、半導体基板２０の中央部にベタに形成される。また、サーボ領域２２は、半導体チップ２０の縁に沿って配置される。

データ領域２１は、複数のブロックから構成される。データ領域２１の記録媒体の上部には、複数のブロックに対応して複数のプローブ２３が配置される。複数のプローブ２３の各々は、先鋭化された形状を有し、アクセス動作を行うために、例えば、サーボ領域２２に配置されるドライバにより、１つのブロック内においてＸ方向及びＹ方向に駆動される。

また、これに代えて、半導体チップ２０又はデータ領域２１をＹ方向に往復運動させ、複数のプローブ２３の各々については、Ｘ方向に往復運動させることにより、アクセス動作を実行してもよい。

また、ブロックごとに記録媒体を独立に形成し、記録媒体がハードディスクのように円形で回転するような構造とし、複数のプローブ２３の各々については、記録媒体の半径方向、例えば、Ｘ方向に往復運動させるようにしてもよい。

複数のプローブ２３は、それぞれ、書き込みヘッドとしての機能及び再生ヘッドとしての機能を有する。

次に、図２及び図３のプローブメモリの記録／再生動作について説明する。
図４は、情報記録（セット動作）について示しており、図５は、情報記録（セット動作）の過程を示す説明図である。記録媒体は、半導体チップ２０上の電極層１１／記録層１２／メタル層１４／保護層１３からなるものとする。

まず初めに、プローブ２３の先端を記録部の表面に接触させて、記録層（記録媒体）１２の記録単位を大電流パルスによりジュール加熱することにより、メタル層１４の陽イオンＸが記録層１２の空隙サイトに配置される（フォーミング処理：リセット動作）。

情報記録は、プローブ２３の先端を記録部の表面に接触させて、記録層（記録媒体）１２の記録単位に電圧を印加し、記録層１２の記録単位内に電位勾配を発生させることにより行う。本例では、プローブ２３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、プローブ２３に負の電位を与えればよい。

電圧パルスは、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２３から電極層１１に向かって電子を放出することにより発生させても印加することができる。

この時、例えば、図５に示すように、記録層１２の記録単位では、Ｘイオンの一部がプローブ（陰極）２３側に移動し、結晶内のＸイオンが酸素イオンに対して相対的に減少する。また、プローブ２３側に移動したＸイオンは、プローブ２３から電子を受け取ってメタルとして析出する。

記録層１２の記録単位では、酸素イオンが過剰となり、結果的に、記録層１２内に残された拡散陽イオンの価数を上昇させる。つまり、記録層１２の記録単位は、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、情報記録（セット動作）が完了する。

尚、情報記録のための電圧パルスは、プローブ２３の電位が電極層１１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。

図６は、情報記録が完了した後のデータ領域内のブロックを示している。黒丸は、情報記録がなされた記録単位を表している。本例のプローブメモリによれば、ハードディスクと同様に、記録媒体の記録単位に情報記録を行うことができると共に、新規な記録材料を採用することにより、従来のハードディスクや半導体メモリよりも高記録密度が実現できる。

図７は、情報再生について示している。情報再生に関しては、電圧パルスを記録層１２の記録単位に流し、記録層１２の記録単位の抵抗値を検出することにより行う。但し、電圧パルスは、記録層１２の記録単位を構成する材料が相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をプローブ２３から記録層（記録媒体）１２の記録単位に流し、センスアンプＳ／Ａにより記録単位の抵抗値を測定する。既に説明した新材料を採用すると、高抵抗状態相と低抵抗状態相との抵抗の比は、10³以上を確保できる。

尚、情報再生では、記録媒体上をプローブ２３により走査（スキャン）することで、連続再生が可能となる。

消去（リセット）動作に関しては、記録層１２の記録単位を大電流パルスによりジュール加熱して、記録層１２の記録単位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、セット時とは逆向きの電圧パルスを記録層１２に印加することによっても行うことができる。

消去動作は、記録単位ごとに行うこともできるし、複数の記録単位又はブロック単位で行うこともできる。

（２）半導体メモリ
図８は、本発明の例に関わ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。

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。

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。

図９は、図８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。

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１１及び図１２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。

メモリセル３３は、例えば、図１０に示すように、記録層１２、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３２は、ワード線ＷＬｉとメモリセル３３との間に配置される。

次に、図８〜図１０を参照して記録／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。

まず初めに、点線Ａで囲まれたメモリセル３３を大電流パルスによりジュール加熱することにより、メタル層１４の陽イオンＸが記録層１２の空隙サイトに配置される（フォーミング処理：リセット動作）。

情報記録（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。

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イオンが酸素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。

点線Ａで囲まれた選択されたメモリセル３３では、酸素イオンが過剰となり、結果的に、結晶内におけるＹイオンあるいはＺ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、情報記録（セット動作）が完了する。

尚、情報記録時には、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、情報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、情報記録のための電圧パルスは、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。

情報再生に関しては、電圧パルスを点線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、電圧パルスは、メモリセル３３を構成する材料が相変化を起こさない程度の微小な振幅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、高抵抗状態相と低抵抗状態相との抵抗値の比は、103以上を確保できる。

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。

Ｃ．その他
本発明の例によれば、情報記録（セット動作）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

また、消去は、熱を印加することにより行うが、本発明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。

このように、本発明の例によれば、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、本発明の例は、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。

本発明の例は、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、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。

本発明の実施形態の情報再生装置における記録部の構造を示す図である。 本発明の例に関わるプローブメモリの構成図である。 同じく、本発明の例に関わるプローブメモリを示している。 図２及び３に示すプローブメモリの、情報記録（セット動作）に関する説明図である。 図２及び３に示すプローブメモリの、情報記録（セット動作）の過程を示す説明図である。 図２及び３に示すプローブメモリの、情報記録が完了した後のデータ領域内のブロックを示す図である。 図２及び３に示すプローブメモリの、読み出し動作を説明するための図である。 本発明の例に関わるクロスポイント型半導体メモリを示す図である。 図８に示す半導体メモリのメモリセルアレイ構造の例を示す図である。 図８に示す半導体メモリのメモリセル構造の例を示す図である。 図８に示す半導体メモリのメモリセルアレイ構造の例を示す図である。 図８に示す半導体メモリのメモリセルアレイ構造の例を示す図である。

符号の説明

１１，１３：電極層、１２：記録層、１３：保護層、１４：メタル層、１５：結晶界面、２０，３０：半導体チップ、２１：データ領域、２２：サーボ領域、２３：プローブ、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。

Claims (11)

1. 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た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、ラムズデライト(Ramsdelite)構造を有する材料を含むことを特徴とする、情報記録再生装置。
2. 前記記録層は、
   化学式１：□_ＸYO₂
   （但し、□はZn、Cd、Hg、Mg、Ca、Sr、Cu、Ni、Co、Fe、Mn、Cr、Vから選択される少なくとも１種類の金属元素Ｘが収容される空隙サイトであり、Yは、Mn、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Hf、Ta、W、Re、Os、Irから選択される少なくとも１種類の元素を含む）
   で表される化合物を含むことを特徴とする、請求項１記載の情報記録再生装置。
3. 化学式１におけるYは、Mn及びReの少なくとも一方の元素であることを特徴とする、請求項２に記載の情報記録再生装置。
4. 化学式１におけるYは、Mnであることを特徴とする、請求項３に記載の情報記録再生装置。
5. 前記空隙サイトにおいて、Zn、Cd、Hg、Mg、Ca、Sr、Cu、Ni、Co、Fe、Mn、Cr、Vから選択される少なくとも１種類の金属元素Ｘが収容されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の情報記録再生装置。
6. 前記金属元素Xは、Zn、Ni、Co、Fe、Mn、Cuから選択される少なくとも１種類の元素であることを特徴とする、請求項５に記載の情報記録再生装置。
7. 前記金属元素XはZnであることを特徴とする、請求項６に記載の情報記録再生装置。
8. 前記記録層は、少なくともM₃N₄、M₃N₅、MN₂、M₄O₇、MO₂、M₂O₅で表される材料（MはSi、Ge、Sn、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W、Ce、Tbから選ばれる少なくとも１種類の元素）を含む結晶配向制御層上に形成されたことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の情報記録再生装置。
9. 前記記録層は、（０１１）配向していることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一に記載の情報記録再生装置。
10. 前記記録手段は、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１〜９のいずれか一に記載の情報記録再生装置。
11. 前記記録手段は、前記記録層を挟み込むワード線及びビット線を含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一に記載の情報記録再生装置。

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