JP4792009B2 - 情報記録再生装置 - Google Patents
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Description
この報告によれば、データを記録する記録材料の代表例は、酸化ニッケルであり、PRAMと同様に、書き込み/消去には、大電力パルスと小電力パルスとを使用する。この場合、書き込み/消去時の消費電力が、PRAMに比べて小さくなるという利点が報告されている。
特に、ミリピード(Millipede)と呼ばれるMEMSメモリは、アレイ状の複数のカンチレバーと有機物質が塗布された記録媒体とが対向する構造を有し、カンチレバーの先端のプローブは、記録媒体に適度な圧力で接触している。
例えば、記録媒体に強誘電体層を設け、記録媒体に電圧を印加することにより強誘電体層に誘電分極を引き起こしてデータの記録を行う方式が提案されている。この方式によれば、ビットデータを記録する記録部同士の間隔(記録最小単位)を結晶の単位胞レベルにまで近づけることができる、との理論的予測がある。
最近では、SNDM(走査型非線形誘電率顕微鏡)を用いた読み出し方式の提案により、この新規メモリは、実用化に向けてかなり進展してきている(例えば、非特許文献5を参照)。
図1は、本発明の第1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/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、イルメナイト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。さらに、この記録部は、電極層11にバッファ層10が付設された構造を有する。記録層12は、AxMyX3(0.1≦x≦1.1、0.75≦y≦1)で表されるイルメナイト構造であって、AとMは互いに異なる元素であり、AとM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、AはBe、Mg、Fe、Co、Ni、Cu、Znよりなる群から選択された少なくともいずれかを含む元素であり、MはTi、Ge、Sn、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Nb、Ta、Mo、W、Re、Ru、Rhよりなる群から選択された少なくともいずれかを含む元素であり、XはO(酸素)、N(窒素)よりなる群から選択された少なくともいずれかを含む元素である第1化合物を有する。
また、後者に対しては、結晶破壊を引き起こさないために、Aイオンの価数を2以下にする必要があると共に、記録層(結晶)12内を移動するAイオンの移動パスを数多く有する材料を見つけ出すことにより対応できる。
図26に表したイルメナイト構造は、Aイオンがそれぞれ2次元平面状に並んだ構造を有している。このため、イルメナイト構造は、二次元面内360度の方向にAイオンの移動パスを有すると共に、Aイオンは2価で6配位となっており、記録層12として用いるのに適している。
特にA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、A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A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M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、Aイオンがすべて拡散してしまうと、M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Aイオンが拡散した後、さらにA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、Aイオンの拡散量には上限があり、低抵抗化に寄与するA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A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。
さらに、AはNi、Zn、Mgよりなる群から選択された少なくともいずれかを含む元素であり、MはMn、Co0.5Nb0.5、Co0.5Ta0.5、Fe0.5Nb0.5、Fe0.5Ta0.5のように7族または8族の元素を含む群から選択された少なくともいずれかを含む元素または化合物であることが望ましい。これは、情報記録(セット動作)前後でのエネルギー差が大きくなり、セット動作後の状態のエネルギー順位が高くなることで、リセット動作が生じやすい状態になるためである。すなわち、リセット動作時の消費電力が大幅に低減されることになり、より望ましい。
また、モル比xは、モル比yよりも例えば約5〜10%程度大きい数値であることが望ましい。これは、実際の系においては、AサイトとMサイトとの間における多少の元素の相互混入は避けられないが、Aサイトに移動し難いMイオンが混入すると、MイオンがAイオンの移動を大きく妨げることになるためである。これに対して、MサイトにAイオンが混入した場合は、少し電気伝導度が変化する程度の影響で済む。
そのような材料としては、例えば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、最も望ましい材料ということができる。
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(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。
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。
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。
バッファ層(下地層)10は、M3N4、M3N5、MN2、M4O7、MO2、M2O5よりなる群から選択された少なくともいずれかを含む化合物であり、MはSi、Ge、Sn、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、W、Ce、Tbよりなる群から選択された少なくともいずれかを含む元素であり、Nは窒素であり、Oは酸素である材料を有する。
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、イルメナイト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。さらに、この記録部は、電極層11にバッファ層10が付設された構造を有する。ここでも、電極層13Aは、保護層としての役割を有していてもよい。
Mは、Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Nb, Ta, Mo, W, Re, Ru, Rh 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, Nb, Ta, Mo, W, Re, Ru, Rh 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, Nb, Ta, Mo, W, Re, Ru, Rh 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,Nb,Ta, Mo, W, Re, Ru, Rh 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。
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してもよい。
従って、第2の層12B内では、XイオンもしくはAイオン、またはMイオンの一部の価数が減少し、第1の層12A内では、XイオンもしくはAイオン、またはMイオンの価数が増加する。従って、AイオンまたはM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。
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1の層12Aの電子のフェルミ準位は、第2の層12B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。または、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。
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Aイオンとして選択すれば、Aイオンは、外部電圧が印加されたときには、Aイオンの拡散パスが直線状に形成されたイルメナイト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、Aイオンの拡散を制限することができる。
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12Bの空隙サイト内に収納されたXイオンまたはAイオンが第1の層12A内に戻る、という現象を促進してやればよい。
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または小さくなるため、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。
なお、前述の通り、イルメナイト構造の材料を含む記録層12は、結晶のc軸が、膜面に対して水平方向、あるいは水平方向から45度以内の範囲に配向している構造を有することが望ましい。
以下、第1〜第2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場合、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。
図4及び図5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2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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
まず、図7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。
記録ビット27では、Xイオンが過剰となり、結果的に、記録ビット27におけるAイオンあるいはM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。
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。
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。
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。
次に、図2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。
図9は、記録する状態を表した模式図である。
まず、図9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。または、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。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、または正の電位を与えればよい。
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低い状態にしてセット動作を実行することもできる。
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。
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。
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11は、第1〜第2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。
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。
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。
図14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。
図14及び図15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。
ここでは、図11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。
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。
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。
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または高くする。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に負の電位または正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1化合物内のXイオンまたはA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2化合物内のXイオンもしくはAイオン、またはMイオンの価数が減少し、第1化合物内のXイオンもしくはAイオン、またはMイオンの価数が増加する。その結果、初期状態(リセット状態)において、第1及び第2の層12A,12Bが高抵抗状態(絶縁体)であると仮定すれば、第1の層12A内のAイオンの一部が第2の層12B内に移動することにより、第1及び第2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。または、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12A内のXイオンの一部が第2の層12B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。
これにより、セット動作(記録)が完了する。
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。
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。
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。
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16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。
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2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。
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。
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。
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。
図17は、NANDセルユニットの回路図である。
また、図18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。
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。
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。
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。
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。
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。
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構造を有する。
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。
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。
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。
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。
図21は、NORセルユニットの回路図である。
また、図22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。
図23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24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。
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。
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。
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25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。
サンプルとしては、単純化し、直径約60mm、厚さ約1mmのガラス基板からなるディスク上に第1〜第2実施形態のいずれかの記録部を形成したものを採用する。
第1実験例のサンプルは、以下の通りである。
記録部は、バッファ層(下地層)、電極層、記録層及び保護層が、積層された構造を有する。ディスク上に厚さ約50nmで形成されるCeO2のバッファ層を積層した後、TiN膜を100nm積層して電極層を形成する。記録層は、NiTiO3とし、保護層は、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)とする。
プローブの先端を記録部の表面に接触させて、書き込みは、電極層とプローブとの間に10nsec幅で1Vの電圧パルスを印加し、消去は、電極層とプローブとの間に100nsec幅で0.2Vの電圧パルスを印加する。
書き込み/消去の抵抗値の比は、約104Ωとなり、読み出しに際して十分なマージンを確保できることが確認された。
第2実験例では、記録層をNiAl0.5Ta0.5O3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。また、製造方法及び評価方法についても、第1実験例と同様に行う。
書き込み/消去後の抵抗値は、第1実験例と同様に、103Ω台/107Ω台となり、両者の抵抗比は、約104Ωで、読み出しに際して十分なマージンを確保できることが確認された。
第3実験例では、記録層をNi1.1Ti0.9O3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。また、製造方法及び評価方法についても、第1実験例と同様に行う。
書き込み/消去後の抵抗値は、第1実験例と同様に、103Ω台/107Ω台となり、両者の抵抗比は、約104Ωで、読み出しに際して十分なマージンを確保できることが確認された。
第4実験例では、記録層をNiMnO3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。また、製造方法及び評価方法についても、第1実験例と同様に行う。
書き込み/消去後の抵抗値は、第1実験例と同様に、103Ω台/107Ω台となり、両者の抵抗比は、約104Ωで、読み出しに際して十分なマージンを確保できることが確認された。
第5実験例では、記録層をZnTiO3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。また、製造方法及び評価方法についても、第1実験例と同様に行う。
書き込み/消去後の抵抗値は、第1実験例と同様に、103Ω台/107Ω台となり、両者の抵抗比は、約104Ωで、読み出しに際して十分なマージンを確保できることが確認された。
第6実験例では、電極層をZnCo0.5Ta0.5O3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。また、製造方法及び評価方法についても、第1実験例と同様に行う。
書き込み/消去後の抵抗値は、第1実験例と同様に、103Ω台/107Ω台となり、両者の抵抗比は、約104Ωで、読み出しに際して十分なマージンを確保できることが確認された。
第7実験例では、下地層をSi3N4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。また、製造方法及び評価方法についても、第1実験例と同様に行う。
書き込み/消去後の抵抗値は、第1実験例と同様に、103Ω台/107Ω台となり、両者の抵抗比は、約104Ωで、読み出しに際して十分なマージンを確保できることが確認された。
第8実験例では、記録層をNiCr0.5Nb0.5O3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。また、製造方法及び評価方法についても、第1実験例と同様に行う。
書き込み/消去後の抵抗値は、第1実験例と同様に、103Ω台/107Ω台となり、両者の抵抗比は、約104Ωで、読み出しに際して十分なマージンを確保できることが確認された。
第9実験例では、記録層をNiCo0.5Ta0.5O3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。また、製造方法及び評価方法についても、第1実験例と同様に行う。
書き込み/消去後の抵抗値は、第1実験例と同様に、103Ω台/107Ω台となり、両者の抵抗比は、約104Ωで、読み出しに際して十分なマージンを確保できることが確認された。
第10実験例では、記録層をNiAl0.5Nb0.5O3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。また、製造方法及び評価方法についても、第1実験例と同様に行う。
書き込み/消去後の抵抗値は、第1実験例と同様に、103Ω台/107Ω台となり、両者の抵抗比は、約104Ωで、読み出しに際して十分なマージンを確保できることが確認された。
第11実験例では、CeO2を含むバッファ層(下地層)を約50nmで形成後、TiNを含む電極層を約100nmで形成する。また、電極層上にワード線を形成し、ワード線上に縦型ダイオードを形成する。
さらに、縦型ダイオード上に白金層を約10nmで形成し、白金層上に記録層としてのNiTiO3を形成し、記録層上に第2化合物として空隙サイトを有するTiO2を約10nmで形成する。また、第2化合物上に、再度、TiNを含む電極層を約100nmで形成した後、電極層上にビット線を形成する。
書き込み/消去後の抵抗値は、第1実験例と同様に、103Ω台/107Ω台となり、両者の抵抗比は、約104Ωで、読み出しに際して十分なマージンを確保できることが確認された。
第12実験例では、記録層をNiCo0.5Ta0.5O3とした点を除き、第11実験例のサンプルと同じものを使用する。また、製造方法及び評価方法についても、第1実験例と同様に行う。
初期状態の抵抗値は、108Ω台であったのに対し、書き込み後の抵抗値は、103Ω台となり、さらに、消去後の抵抗値は、107Ω台となった。書き込み/消去の抵抗比は、104Ω〜105Ωで、読み出しに際して十分なマージンを確保できることが確認された。
第13実験例では、保護層をSO2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。また、製造方法及び評価方法についても、第1実験例と同様に行う。
初期状態の抵抗値は、107Ω台であったのに対し、書き込み後の抵抗値は、103Ω台となり、さらに、消去後の抵抗値は、105Ω台となった。書き込み/消去の抵抗比は、102Ω〜105Ωで、読み出しに際して十分なマージンを確保できることが確認された。
第14実験例では、バッファ層(下地層)をTb4O7とし、電極層をLaNiO3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。また、製造方法及び評価方法についても、第1実験例と同様に行う。
初期状態の抵抗値は、106Ω台であったのに対し、書き込み後の抵抗値は、102Ω台となり、さらに、消去後の抵抗値は、106Ω台となった。書き込み/消去の抵抗比は、約104Ωで、読み出しに際して十分なマージンを確保できることが確認された。
第15実験例では、バッファ層(下地層)をTa2O5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。また、製造方法及び評価方法についても、第1実験例と同様に行う。
初期状態の抵抗値は、108Ω台であったのに対し、書き込み後の抵抗値は、103Ω台となり、さらに、消去後の抵抗値は、108Ω台となった。書き込み/消去の抵抗比は、約105Ωで、読み出しに際して十分なマージンを確保できることが確認された。
第16実験例では、電極層をRuO2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。また、製造方法及び評価方法についても、第1実験例と同様に行う。
初期状態の抵抗値は、108Ω台であったのに対し、書き込み後の抵抗値は、103Ω台となり、さらに、消去後の抵抗値は、108Ω台となった。書き込み/消去の抵抗比は、約105Ωで、読み出しに際して十分なマージンを確保できることが確認された。
尚、図29は、第1〜第16実験例の検証結果をまとめた表である。
Claims (13)
- 電極層及び記録層を有する積層構造と、
前記電極層に付加されるバッファ層と、
を備え、
前記記録層は、
AxMyX3(0.1≦x≦1.1、0.75≦y≦1)で表されるイルメナイト構造であって、前記Aと前記Mは互いに異なる元素であり、前記Aと前記M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AはBe、Mg、Fe、Co、Ni、Cu、Znよりなる群から選択された少なくともいずれかを含む元素であり、前記MはTi、Ge、Sn、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Nb、Ta、Mo、W、Re、Ru、Rhよりなる群から選択された少なくともいずれかを含む元素であり、前記XはO(酸素)、N(窒素)よりなる群から選択された少なくともいずれかを含む元素である第1化合物を含む第1の層と、
前記第1の層に接して設けられ、前記XまたはAを収容可能な空隙サイトを有する第2の層と、
を有することを特徴とする情報記録再生装置。 - 前記記録層は、結晶のc軸が膜面に対して水平方向、あるいは水平方向から45度以内の範囲に配向している構造を有することを特徴とする請求項1記載の情報記録再生装置。
- 前記AはNi、Zn、Mgよりなる群から選択された少なくともいずれかを含む元素であり、前記MはMn、Co0.5Nb0.5、Co0.5Ta0.5、Fe0.5Nb0.5、Fe0.5Ta0.5よりなる群から選択された少なくともいずれかを含む元素または化合物である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。
- 前記第2の層は第2化合物を含み、前記第2化合物は、
□xMZ2(0.3≦x≦1)で表される化合物であって、前記□は前記XまたはAが収容される空隙サイトであり、前記Mは、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Nb、Ta、Mo、W、Re、Ru、Rhよりなる群から選択された少なくともいずれかを含む元素であり、前記ZはO、S、Se、N、Cl、Br、Iよりなる群から選択された少なくともいずれかを含む元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。 - 前記第2の層は第2化合物を含み、前記第2化合物は、
□xMZ3(1≦x≦2)で表される化合物であって、前記□は前記XまたはAが収容される空隙サイトであり、前記MはTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Nb、Ta、Mo、W、Re、Ru、Rhよりなる群から選択された少なくともいずれかを含む元素であり、前記ZはO、S、Se、N、Cl、Br、Iよりなる群から選択された少なくともいずれかを含む元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。 - 前記第2の層は第2化合物を含み、前記第2化合物は、
□xMZ4(1≦x≦2)で表される化合物であって、前記□は前記XまたはAが収容される空隙サイトであり、前記MはTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Nb、Ta、Mo、W、Re、Ru、Rhよりなる群から選択された少なくともいずれかを含む元素であり、前記ZはO、S、Se、N、Cl、Br、Iよりなる群から選択された少なくともいずれかを含む元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。 - 前記第2の層は第2化合物を含み、前記第2化合物は、
□xMPOz(0.3≦x≦3、4≦z≦6)で表される化合物であって、前記□は前記XまたはAが収容される空隙サイトであり、前記MはTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Nb、Ta、Mo、W、Re、Ru、Rhよりなる群から選択された少なくともいずれかを含む元素であり、前記Pはリン元素であり、前記Oは酸素元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。 - 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構造およびFePO4構造、βMnO2構造、γMnO2構造、λMnO2構造、スピネル構造、イルメナイト構造よりなる群から選択された少なくともいずれかを含む構造を有している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。
- 前記第2化合物は、イルメナイト構造を有することを特徴とする請求項8記載の情報記録再生装置。
- 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み、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をさらに備えたことを特徴とする請求項1〜9のいずれか1つに記載の情報記録再生装置。
- 前記記録層を挟んだワード線及びビット線を含み、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をさらに備えたことを特徴とする請求項1記載の情報記録再生装置。
- 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をさらに備え、
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1〜9のいずれかの1つに記載の情報記録再生装置。 - 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をさらに備え、
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1〜9のいずれか1つに記載の情報記録再生装置。
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