JP4792006B2 - 情報記録再生装置 - Google Patents
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Description
(1) 本発明の第1例に係る情報記録再生装置は、記録層が、少なくとも、化学式1:AxMyX4 (0.1≦x≦2.2、1.5≦y≦2)で表されるスピネル構造を有する第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とした。但し、 Aは、Zn, Cd, Hgのグループから選択される少なくとも1種類の元素であり、Mは、Cr, Mo, W, Mn, Reのグループから選択される少なくとも1種類の遷移元素であり、Xは、Oである。
化学式2:□xM2X22
但し、□は、陽イオン元素が収容される空隙サイト、M2は、Ti, Ge, Sn, 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、X2は、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である。
但し、□は、陽イオン元素が収容される空隙サイト、M2は、Ti, Ge, Sn, 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、X2は、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である。
但し、□は、陽イオン元素が収容される空隙サイト、M2は、Ti, Ge, Sn, 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、X3は、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である。
但し、□は、陽イオン元素が収容される空隙サイト、M2は、Ti, Ge, Sn, 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は、リン元素、Oは、酸素元素、0.3≦x≦3、4≦z≦6である。
但し、□は、前記陽イオン元素が収容される空隙サイト、M2は、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、Oは、酸素元素、0.3≦x≦2である。
(1) 本発明の第1例に係る情報記録再生装置におけるデータの記録/消去/再生の基本原理について説明する。
11は、電極層、12は、記録層、13Aは、電極層(又は保護層)である。
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。
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。
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。
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。
11は、電極層、12は、記録層、13Aは、電極層(又は保護層)である。
次に、最良と思われるいくつかの実施の形態について説明する。
以下では、本発明の例を、プローブメモリに適用した場合と半導体メモリに適用した場合の2つについて説明する。
A. 構造
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。
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。
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。
第1例は、記録層に図1の材料を用いた場合である。
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。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。
第2例は、記録層に図2の材料を用いた場合である。
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。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。
このような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。
A. 構造
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。
図11乃至図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。
第1例は、記録層に図1の材料を用いた場合である。
第2例は、記録層に図2の材料を用いた場合である。
このような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。
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。
本発明の例に係る記録媒体の製造方法を説明する。
基板20は、ガラスから構成される直径約60mm、厚さ約1mmのディスクとする。このような基板20上に、Pt(プラチナ)を約500nmの厚さで蒸着して電極層21を形成する。
いくつかのサンプルを作成し、リセット(消去)状態とセット(書き込み)状態との抵抗比について評価した実験例を説明する。
第1実験例のサンプルは、以下の通りである。
第2実験例では、記録層をZnMn2O4とした点を除き、第1実験例のサンプルと同じものを使用する。
第3実験例では、記録層を、Zn0.5Mn2O4とZnとの積層にした点を除き、第1実験例のサンプルと同じものを使用する。Zn0.5Mn2O4は、スパッタ法により形成し、Znは、約10nmの厚さで形成する。
第4実験例では、記録層をZn1.2Cr1.8O4とし、保護層をSnO2とした点を除き、第1実験例のサンプルと同じものを使用する。
第5実験例で用いるサンプルは図6に示す構造を有する記録媒体を使用する。本実験例では、記録層をZnMn2O4、保護層をSnO2とした点を除き、第1実験例のサンプルと同じものを使用する。
第6実験例では、記録層をZnCr1.7Al0.3O4とした点を除き、第5実験例のサンプルと同じものを使用する。
第7実験例では、記録層をZnMn1.8Al0.2O4とした点を除き、第5実験例のサンプルと同じものを使用する。
第8実験例では、記録層をZn1.1Mn1.9O4とした点を除き、第5実験例のサンプルと同じものを使用する。
第9実験例で用いるサンプルは図6に示す構造を有する記録媒体を使用する。本実験例では、記録層22は第1化合物として厚さ10nmのZnMn2O4を用い、第2化合物として厚さ3nmのTiO2を用い、積層構造とした。保護層はSnO2とする。
(111)配向させたTiNを電極層21として用い、第1化合物としてZnMn2O4を用いた例を示す。
TiNの成膜は、Si(100)基板上にTiターゲットを用いて行った。TiNの製膜はアルゴンガス92.5%、N2ガス7.5%の中で、室温にてRFマグネトロンスパッタを用いて行った。膜厚は50nmとし、(111)配向したTiNを得た。
最後に保護膜13BとしてSnO2を2nm成膜して、図6に表した構造を有する記録媒体を得た。
比較例では、記録層をMgOとした点を除き、第5実験例のサンプルと同じものを使用する。
以上、説明したように、第1〜第10実験例のいずれのサンプルにおいても、書き込み、消去及び読み出しの基本動作が可能である。
(1) 構造
本発明の例は、フラッシュメモリに適用することも可能である。
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。
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。
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。
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。
本発明の例によれば、記録(書き込み)は、遷移元素イオンの価数変化による導電性の変化を利用して、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データを記録できる。
Claims (15)
- 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手段とを具備し、前記記録層は、少なくとも、
化学式1:AxMyX4 (0.1≦x≦2.2、1.5≦y≦2)
但し、
Aは、Zn, Cd, Hgのグループから選択される少なくとも1種類の元素であり、
Mは、Cr, Mo, W, Mn, Reのグループから選択される少なくとも1種類の遷移元素であり、
Xは、Oである。
で表されるスピネル構造を有する第1化合物を含むように構成され、
前記記録層のc軸は、膜面に対して平行に配向していることを特徴とする情報記録再生装置。 - 前記化学式1において、
Mは、前記遷移元素に加えて、Fe, Co, Ni, Al, Ga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を特徴とする請求項1に記載の情報記録再生装置。 - 前記記録層は、(110)配向していることを特徴とする請求項1又は2に記載の情報記録再生装置。
- 前記第1化合物に含まれる陽イオンを収容できる空隙サイトを有する第2化合物を有し、前記第1化合物を有する層と前記第2化合物を有する層とが積層されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の情報記録再生装置。
- 前記第2化合物は、
化学式2:□xM2X22
但し、□は、前記陽イオン元素が収容される空隙サイト、M2は、Ti, Ge, Sn, 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、X2は、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である。
化学式3:□xM2X23
但し、□は、前記陽イオン元素が収容される空隙サイト、M2は、Ti, Ge, Sn, 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、X2は、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である。
化学式4:□xM2X24
但し、□は、前記陽イオン元素が収容される空隙サイト、M2は、Ti, Ge, Sn, 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、X2は、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である。
化学式5:□xM2POz
但し、□は、前記陽イオン元素が収容される空隙サイト、M2は、Ti, Ge, Sn, 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は、リン元素、Oは、酸素元素、0.3≦x≦3、4≦z≦6である。
化学式6:□xM2O5
但し、□は、前記陽イオン元素が収容される空隙サイト、M2は、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、Oは、酸素元素、0.3≦x≦2である。
のうちの1つであることを特徴とする請求項4に記載の情報記録再生装置。 - 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つを有していることを特徴とする請求項4又は5に記載の情報記録再生装置。
- 前記第1化合物の電子のフェルミ準位は、前記第2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4乃至6のいずれか1項に記載の情報記録再生装置。
- 前記手段は、前記記録層に対して前記電圧を局所的に印加するヘッドを含むことを特徴とする請求項1乃至7のいずれかの1項に記載の情報記録再生装置。
- 前記手段は、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乃至7のいずれかの1項に記載の情報記録再生装置。
- 前記ワード線と前記ビット線との交差部において、前記記録層は、10以下の結晶粒から形成されることを特徴とする請求項9に記載の情報記録再生装置。
- 前記記録層は、前記ワード線と前記ビット線との重なり領域において単一の結晶であることを特徴とする請求項9に記載の情報記録再生装置。
- 前記ワード線は、複数存在し、前記記録層は、前記ワード線上と前記ワード線間に形成されることを特徴とする請求項9乃至11のいずれか1項に記載の情報記録再生装置。
- 前記記録層の結晶粒の断面方向のサイズは、3nm以上であることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の情報記録再生装置。
- 前記手段は、MISトランジスタを含み、前記記録層は、前記MISトランジスタのゲート電極とゲート絶縁層との間に配置されることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかの1項に記載の情報記録再生装置。
- 前記手段は、第1導電型半導体基板内の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配置されることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかの1項に記載の情報記録再生装置。
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