JP4792095B2 - 不揮発性記憶装置 - Google Patents

Description

本発明は、不揮発性記憶装置に関する。

近年、記憶容量の増大と価格の低下により市場が急速に拡大しているＮＡＮＤ型フラッシュメモリは、微細化の限界及び最小線幅の縮小によるプロセスコストの増大という問題を抱えている。この問題を解決する新規な不揮発性メモリの開発が期待されている。

例えば、抵抗値が変化する抵抗変化材料から構成される記録媒体とプローブアレイと組み合わせたにメモリ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このような従来のプローブ型のメモリにおいては、プローブ電極と基板電極との間において、記録層の層に対して垂直方向に印加される電界または垂直方向に通電される電流によって記録層への情報の記録及び読み出しが行われており、記録層に用いる材料の特性によっては、必ずしも良好な特性が得られない可能性があった。また、さらに高密度のメモリを実現するためには、さらに改良の余地があり、新規な構造の不揮発性記憶装置の開発が必要とされていた。

特開２００７−２７３６１８号公報

本発明は、新規な構造による高密度の情報記録が可能な抵抗変化型の不揮発性記憶装置を提供する。

本発明の一態様によれば、印加される電界及び通電される電流の少なくともいずれかによって抵抗が変化する記憶層と、前記記憶層の第１主面に設けられた複数の第１電極と、前記複数の第１電極に対向して設置され前記第１電極との相対的な位置関係が可変の複数のプローブ電極と、前記複数のプローブ電極に接続され、前記複数のプローブ電極を介して前記複数の第１電極のうちの少なくとも２つの間で、前記第１主面に対して平行な成分を有する電界及び前記第１主面に対して平行な成分を有する方向に流れる電流の少なくともいずれかを生じさせることによって前記記憶層に情報の記録を行う駆動部と、を備えたことを特徴とする不揮発性記憶装置が提供される。

本発明によれば、新規な構造による高密度の情報記録が可能な抵抗変化型の不揮発性記憶装置が提供される。

本発明の第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の構成を例示する模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置における特性を例示する模式的グラフ図である。 本発明の第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の一部の構成を例示する模式的平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置におけるメモリセルの構成を例示する模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の構成を例示する模式的斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の構成を例示する模式的断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の構成を例示する模式的断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の構成を例示する模式的平面図である。 本発明の第２の実施形態に係る不揮発性記憶装置の構成を例示する模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の構成を例示する模式図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の構成を例示する模式図である。
すなわち、同図（ａ）は平面図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。
図１に表したように、本発明の第１の実施形態の不揮発性記憶装置１１０は、抵抗が変化する記憶層７と、その記憶層７の上の面（第１主面７ａ）に設けられた複数の第１電極８と、複数のプローブ電極９と、駆動部１０と、を備える。なお、図１（ａ）においては、プローブ電極９及び駆動部１０は省略されている。

記憶層７は、例えば基板５の上に設けられる。後述するように、記憶層７は、印加される電界及び通電される電流の少なくともいずれかによって抵抗が変化する層である。
記憶層７には、例えば、ＮｉＯ_ｘ、ＴｉＯ_ｘ、ＣｏＯ_ｘ、ＴａＯ_ｘ、ＭｎＯ_ｘ、ＷＯ_ｘ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＦｅＯ_ｘ、ＨｆＯ_ｘ、ＺｎＭｎ_２Ｏ_４、ＺｎＦｅ_２Ｏ_４、ＺｎＣｏ_２Ｏ_４、ＺｎＣｒ_２Ｏ_４、ＺｎＡｌ_２Ｏ_４、ＣｕＣｏＯ_２、ＣｕＡｌＯ_２、ＮｉＷＯ_４、ＮｉＴｉＯ_３、ＣｏＡｌ_２Ｏ_４、ＭｎＡｌ_２Ｏ_４、ＺｎＮｉＴｉＯ_４、及び、Ｐｒ_ｘＣａ_１−ｘＭｎＯ_３などを用いることができる。
また、記憶層７には、上記の各種の金属酸化物にドーパントを添加したものを用いても良い。

ただし、本発明は、これに限らず、記憶層７には、印加される電界及び通電される電流の少なくともいずれかによって抵抗が変化する任意の材料を用いることができる。また、記憶層７には、印加される電界及び通電される電流の少なくともいずれかによって相状態が変化し、この相状態の変化に伴って抵抗が変化するいわゆる相変化材料を用いても良い。このように、相変化に伴って抵抗が変化する材料も抵抗変化材料とする。

第１電極８には、例えばタングステンや白金などが用いられる。ただし、本発明は、これに限らず第１電極８には任意の材料を用いることができる。本具体例では、第１電極８は、記憶層７に埋め込まれており、記憶層７の第１主面７ａと第１電極８の上の面は実質的に同じ平面内にあるが、本発明はこれに限らず、第１電極８の上の面は、記憶層７の第１主面７ａよりも後退していても良く、また、突出していても良い。

プローブ電極９は、複数の第１電極８に対向設置され、例えばプローブ基板９ｓに設けられたプローブ電極９ａ及びプローブ電極９ｂを有する。プローブ電極９は、第１電極８との相対的な位置関係が可変とされている。プローブ電極９には、例えば原子間力顕微鏡に用いられるプローブを用いることができ、プローブ電極９の全体が導電性でも良く、またプローブ電極９の記憶層７に対向する側の先端の表面が導電性の薄膜で被覆されているものでも良い。プローブ電極９には、例えばシリコン、カーボンナノチューブ、タングステンなどの材料が用いられ、その先端が細く加工されたものが用いられる。

駆動部１０は、複数のプローブ電極９（プローブ電極９ａ及びプローブ電極９ｂ）に接続されている。そして、駆動部１０は、複数のプローブ電極９を介して、複数の第１電極８に電圧を印加して、第１主面７ａに対して平行な成分を有する電界（例えば電界Ｅ１）及び第１主面７ａに対して平行な成分を有する方向に通電される電流（例えば電流Ｉ１)の少なくともいずれかによって記憶層７に情報の記録を行う。

ここで、本願明細書において、説明の便宜上、ＸＹＺ直交座標系を導入する。この座標系においては、記憶層７の第１主面７ａに平行な平面内における１つの方向をＸ軸方向（第１方向）とし、第１主面７ａに平行な平面内においてＸ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向（第２方向）とし、Ｘ軸方向とＹ軸方向とに垂直な方向をＺ軸方向（第３方向）とする。すなわち、第１主面７ａはＸ−Ｙ平面に対して平行であり、第１主面７ａはＺ軸方向に対して垂直である。

本具体例では、第１電極８は、Ｘ−Ｙ平面において、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のマトリクス状に配列している。ただし、本発明は、これに限らず、第１電極８は第１主面７ａにおいて複数設けられれば良く、その数、及びその配置に関しては任意である。以下では、第１電極８がＸ軸方向とＹ軸方向とにおいてマトリクス状に配列される場合として説明する。

そして、例えばプローブ電極９は記憶層７の上方において、Ｘ−Ｙ平面内を可動でき、プローブ電極９は、任意の第１電極８と接触できるように構成されている。なお、この時、プローブ電極９は、さらにＺ軸方向に可動でき、すなわち記憶層７及び第１電極８の上で上下するように構成することもできる。これにより、第１電極８とプローブ電極９との接触及び非接触を制御できる。ただし、プローブ電極９は、Ｚ軸方向の位置に関して固定され、常に記憶層７または第１電極８と接触するように構成しても良い。

図２は、本発明の第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置における特性を例示する模式的グラフ図である。
すなわち、同図は、不揮発性記憶装置１１０における記憶層７の特性を例示しており、横軸は記憶層７に印加される電圧Ｖであり、縦軸は記憶層７に流れる電流Ｉである。なお、縦軸は、電流Ｉを対数で表している。

図２に表したように、記憶層７の初期の状態が高抵抗状態ＨＲＳであるとする。記憶層７に印加される電圧Ｖを上昇したときに、第２遷移電圧Ｖ２において、高抵抗状態ＨＲＳから相対的に低い抵抗状態である低抵抗状態ＬＲＳに遷移する。

そして、この低抵抗状態ＬＲＳは、印加されている電圧Ｖを取り除いても維持されている。そして、低抵抗状態ＬＲＳにおいて、電圧Ｖを０Ｖから上昇させると、第１遷移電圧Ｖ１において、高抵抗状態ＨＲＳに遷移する。

このように、記憶層７においては、抵抗の異なる複数の状態を有する。なお、本具体例では、記憶層７は、高抵抗状態ＨＲＳと低抵抗状態ＬＲＳの２つの状態を有していたが、３つ以上の異なる抵抗を有しても良い。

なお、図２においては、直流の電圧を記憶層７に印加した場合の特性を例示しているが、不揮発性記憶装置１１０においては、記憶層７に非常に短いパルス電圧を印加して動作させても良い。

記憶層７と第１電極８とは、例えば以下のようにして作製される。
基板５の上に記憶層７となる抵抗変化膜（例えばＮｉＯ_ｘ）を成膜した後、リソグラフィとドライエッチングにより、抵抗変化膜に穴パターンを形成する。その後、穴の中に、第１電極８となる導電性材料のＷ（タングステン）を、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition)法により埋め込み、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により平坦化する。これにより、図１に例示した第１電極８が記憶層７に埋め込まれた構造を形成できる。

不揮発性記憶装置１１０においては、プローブ電極９が複数設けられる。以下、プローブ電極９の配置の例について説明する。

図３は、本発明の第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の一部の構成を例示する模式的平面図である。
すなわち、図３（ａ）〜（ｃ）は、不揮発性記憶装置１１０における複数のプローブ電極９の配置の異なる例を示している。なお、同図では、プローブ基板９ｓにおけるプローブ電極９の先端部分の平面配置を例示している。

図３（ａ）に表したように、複数のプローブ電極９となるプローブ電極９ａ及び９ｂは、Ｘ軸方向に並んで配列させることができる。この時、プローブ電極９ａ及び９ｂどうしのピッチは、第１電極８のＸ軸方向におけるピッチと同一に設定することができ、これにより、プローブ電極９ａ及び９ｂと、第１電極８との接触が適正に行われる。

また、図３（ｂ）に表したように、プローブ電極９ａ及び９ｂは、Ｙ軸方向に並んで配列させることができる。この時も、プローブ電極９ａ及び９ｂどうしのピッチは、第１電極８のＹ軸方向におけるピッチと同一に設定することができ、これにより、プローブ電極９ａ及び９ｂと、第１電極８との接触が適正に行われる。

さらに、図３（ｃ）に表したように、複数のプローブ電極９として、Ｘ軸方向とＹ軸方向に並んだ４つのプローブ電極９ａ〜９ｄを用いることもできる。この場合にも、プローブ電極９ａ〜９ｄどうしのＸ軸方向及びＹ軸方向におけるピッチは、第１電極８のＸ軸方向及びＹ軸方向におけるピッチと同一に設定することができる。

このように、複数のプローブ電極９は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のマトリクス状に配列させることもでき、その数は任意である。

なお、第１電極８のそれぞれの面積（第１主面７ａに平行な平面内における面積）は、プローブ電極９のそれぞれ面積（第１主面７ａに対向する側の先端の面積）よりも大きく設定することができる。また、逆に、第１電極８のそれぞれの面積は、プローブ電極９のそれぞれの面積よりも小さく設定することができる。これにより、第１電極８のそれぞれとプローブ電極９のそれぞれとの位置合わせのマージンが拡大できる。ただし、プローブ電極９の第１主面７ａに対向する側の先端は比較的小さく加工することが容易なので、第１電極８のそれぞれの面積よりも、プローブ電極９のそれぞれ面積を小さくすることの方が実用的には望ましい。

例えば、単位面積当たりの記憶密度を増大し、第１電極８とプローブ電極９との接触を良好に実現するために、プローブ電極９の先端の曲率半径は小さくされる。プローブ電極９の先端の曲率半径は、例えば約１５ｎｍである。なお、この時、プローブ電極９の先端の平面の形状は、直径が実質的に約１５ｎｍとなる。一方、第１電極８を形成する際に記憶層７に設ける穴パターンの径は、例えば、５０ｎｍとされる。このように、第１電極８のそれぞれの面積よりも、プローブ電極９の先端のそれぞれの面積は小さくされる。

以上のような構成を有する不揮発性記憶装置１１０においては、第１主面７ａに対して平行な平面内に複数配置された第１電極８どうしの間に電圧を印加することができ、記憶層７には、第１主面７ａに対して平行な成分を有する電界Ｅ１の印加、及び、第１主面７ａに対して平行な成分を有する方向の電流Ｉ１の通電の少なくともいずれかが行われる。

一方、既に説明したように、従来型の比較例のプローブ型のメモリにおいては、記憶層７の第１主面７ａと反対の側に対向電極が配置され、この対向電極とプローブ電極９との間で、記憶層７への電界の印加または電流の通電が行われる。すなわち、比較例の場合は、記憶層７の第１主面７ａに対して垂直な電界が印加され、また、第１主面７ａに対して垂直な方向に電流が通電される。

これに対し、本実施形態に係る不揮発性記憶装置１１０においては、記憶層７においては、第１主面７ａに対して平行な電界Ｅ１が印加され、また、第１主面７ａに対して平行な方向に電流Ｉ１が通電され、従来とは異なる構成によって従来とは異なる動作が行われる。

例えば、記憶層７に用いる材料の特性によっては、記憶層７の第１主面７ａに対して垂直な方向への電界の印加、または、電流の通電では所望な特性が得られず、記憶層７の第１主面７ａに対して平行な方向への電界の印加、または、電流の通電では所望な特性が得られることがあり得る。その時、その材料が性能、製造工程及びコストの点でも有利な場合、不揮発性記憶装置１１０を採用することで、その材料を有効に活用することができる。すなわち、不揮発性記憶装置１１０によれば、例えば記憶層７の材料及び製造プロセスの選択範囲が拡大でき、実用的に非常に有用である。

さらに、不揮発性記憶装置１１０の構成を用いることによって、以下に説明するように、従来よりも記憶密度を向上させることができる。

図４は、本発明の第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置におけるメモリセルの構成を例示する模式図である。
同図（ａ）は、不揮発性記憶装置１１０における第１電極８の配置を例示しており、同図（ｂ）は、不揮発性記憶装置１１０のメモリセルの構成を例示している。
以下では、まず、説明を簡単にするために、第１電極８が、Ｘ軸方向とＹ軸方向とに並んだ３×３（計９個）のマトリクス状に配置される例として説明する。

図４（ａ）に表したように、Ｘ軸方向に配置された第１電極８ａ〜８ｃ、第１電極８ｄ〜８ｆ、及び、第１電極８ｇ〜８ｉ、がＹ軸方向にシフトして配置されている。

この時、図４（ｂ）に表したように、互いに隣接する第１電極８ａ〜８ｉどうしの間にメモリセルが形成される。すなわち、第１電極８ａと第１電極８ｂとの間にメモリセルｘ１１が形成され、第１電極８ｂと第１電極８ｃとの間にメモリセルｘ１２が形成される。同様に、Ｘ軸方向に隣接する第１電極８どうしの間に、メモリセルｘ２１、ｘ２２、ｘ３１及びｘ３２が形成される。

そして、同様に、Ｙ軸方向に隣接する第１電極８どうしの間に、メモリセルｙ１１、ｙ１２、ｙ２１、ｙ２２、ｙ３１及びｙ３２が形成される。

さらに、斜め方向で隣接する第１電極８どうしの間に、メモリセルｐ１１、ｐ１２、ｐ２１、ｐ２２、ｑ１１、ｑ１２、ｑ２１及びｑ２２が形成される。

このように、第１電極８が３×３のマトリクス状に配置された場合は、２０個のメモリセルが形成される。

一方、記憶層７に対して垂直方向に電界を印加または電流を通電する従来型の比較例のプローブ型のメモリにおいて、第１電極８が３×３のマトリクス状に配置された場合は、メモリセルの数は、第１電極８の数と同じ９個である。

このように、不揮発性記憶装置１１０によれば、第１電極８の数が同じであった場合においても、形成されるメモリセルの数を従来よりも増大することができ、記憶密度が向上する。

例えば、第１電極８のＸ軸方向の数がｎ（ｎは２以上の整数）で、Ｙ軸方向の数がｍ（ｍは２以上の整数）である場合には、Ｘ軸方向に隣接する第１電極８どうしの間に、（ｎ−１）×ｍ個のメモリセルが形成され、また、Ｙ軸方向に隣接する第１電極８どうしの間に、ｎ×（ｍ−１）個のメモリセルが形成される。そして、斜め方向で隣接する第１電極８どうしの間に、２×（ｎ−１）×（ｍ−１）個のメモリセルが形成される。すなわち、計{（ｎ−１）×ｍ＋ｎ×（ｍ−１）＋２×（ｎ−１）×（ｍ−１）}個のメモリセルが形成される。なお、比較例の場合は、メモリセルの数はｎ×ｍである。

このように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置１１０は、記憶層７の第１主面７ａに対して平行な方向の電圧の印加または電流の通電を行う新規な構造を有しており、これにより、高密度の情報記録が可能な抵抗変化型の不揮発性記憶装置が提供できる。

このように、不揮発性記憶装置１１０において、複数の第１電極８は、Ｘ軸方向とＹ軸方向とにマトリクス状に配列し、複数のプローブ電極９は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の少なくともいずれかの方向において互いに隣接する複数の第１電極８に対して接触可能な構成とされている。

そして、複数のプローブ電極９は、さらにＸ軸方向及びＹ軸方向とは異なる方向（すなわち斜めの方向）において、互いに隣接する複数の第１電極８に対して接触可能な構成とされている。

これにより、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びそれらに対して斜めの方向において隣接する第１電極８どうしの間の記憶層７をメモリセルとすることができ、上記のように高密度の情報記録が可能とする。

なお、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対して平行に配置された第１電極８どうしに電圧を印加する場合（「平行配置」と言うことにする）に比べ、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対して斜め方向に配置された第１電極８どうしに電圧を印加する場合（「斜め配置」と言うことにする）には、第１電極８どうしの距離が長くなる。この場合には、平行配置と斜め配置とで、第１電極８どうしの間の抵抗値、第１遷移電圧Ｖ１及び第２遷移電圧Ｖ２が異なる。従って、書き込み電圧、消去電圧、高抵抗状態ＨＲＳの抵抗値、低抵抗状態ＬＲＳの抵抗値が異なり、平行配置と斜め配置の差異に応じて、駆動部１０においては、適切な電圧や、読み込み抵抗が設定される。

図５は、本発明の第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の構成を例示する模式的斜視図である。
図５に表したように、本実施形態に係る別の不揮発性記憶装置１１１においては、ＸＹスキャナ４の上に、記憶層７が配置される。例えば、記憶層７には、データを格納するデータエリア７ｄと、データエリアの外側に設けられ、プローブ電極９の動作を制御するためのサーボエリア７ｓが設けられる。

そして、この記憶層７に対向してプローブアレイ９ｍが配置される。
プローブアレイ９ｍは、プローブ基板９ｓと、プローブ基板９ｓの主面にアレイ状に配置された複数のプローブ電極９と、を有する。複数のプローブ電極９の各々は、例えば、カンチレバーを有し、マルチプレクスドライバ９ｘ及び９ｙにより駆動される。
複数のプローブ電極９は、それぞれ、プローブ基板９ｓ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、全てをまとめて同じ動作をさせて記憶層７のデータエリア７ｄに対してアクセスを行っても良い。

マルチプレクスドライバ９ｘ及び９ｙを用いて、各プローブ電極９を例えばＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させ、記憶層７のサーボエリア７ｓからＸ軸方向及びＹ軸方向の位置情報を読み出す。Ｘ軸方向及びＹ軸方向の位置情報は、ドライバ２０に転送される。
ドライバ２０は、この位置情報に基づいてＸＹスキャナ４を駆動し、記憶層７をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させ、記憶層７の第１電極８とプローブ電極９との位置を決めることができる。

例えば、プローブ電極９が第１電極８の上方に離間して上げた状態で、プローブ電極９を記憶層７の上方を所望の位置まで移動させ、その後、所望の第１電極８の位置でプローブ電極９を下ろし、第１電極８と接触させた後に、複数の第１電極８に電圧を印加し、書き込みを行う。その後、書き込んだビットを読み込み、あるいは消去する際には、再度、書き込みを行った場所まで、プローブ電極９を移動させる。

すなわち、所望の第１電極８にプローブ電極９が接触した状態で、駆動部１０から出力された電気信号がプローブ電極９を介して第１電極８に印加され、複数の第１電極８に所定の電圧が印加される。これにより、所望のメモリセルにおけるデータの書き込み、読み出し、及び消去が行われる。

例えば、図２に例示した特性において、第２遷移電圧Ｖ２よりも高い電圧を記憶層７に印加することで、データの書き込みが行われる。そして、第１遷移電圧Ｖ１よりも高く第２遷移電圧Ｖ２よりも低い電圧を印加することで消去が行われる。そして、読み出しには、第１遷移電圧Ｖ１よりも低い電圧を印加して、記憶層７の抵抗が高抵抗状態ＨＲＳであるか低抵抗状態ＬＲＳであるかを読み出す。

不揮発性記憶装置１１１においても、記憶層７の第１主面７ａに対して平行な方向の電界の印加または電流の通電が行われる。これにより、例えば記憶層７の材料及び製造プロセスの選択範囲が拡大でき、また、高密度の情報記録が可能な抵抗変化型の不揮発性記憶装置が提供できる。

図６は、本発明の第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の構成を例示する模式的断面図である。
すなわち、同図（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、本実施形態に係る不揮発性記憶装置における第１電極８の構成の変形例を例示しており、図１（ａ）のＡ−Ａ’線断面に相当する断面図である。なお、これらの図においては、駆動部１０は省略されている。

図６（ａ）に表したように、本実施形態に係る変形例の不揮発性記憶装置１１２においては、複数の第１電極８は、記憶層７を貫通している。これにより、第１電極８の側面の全体で、第１電極８と記憶層７とが対向することができ、第１電極８と記憶層との接触面積が拡大し、記憶層７に対してＸ−Ｙ平面に平行な方向の電界Ｅ１、または、電流Ｉ１を有効に発生させることができる。

また、図６（ｂ）に表したように、別の変形例の不揮発性記憶装置１１３においては、第１電極８の一部が記憶層７に埋め込まれつつ、第１電極８は記憶層７よりも突出している。これにより、プローブ電極９のＺ軸方向の位置のばらつきが大きい場合においても、第１電極８とプローブ電極９との接触を確実に行うことができる。

また、図６（ｃ）に表したように、別の変形例の不揮発性記憶装置１１４においては、第１電極８は記憶層７に埋め込まれず、記憶層７の主面７ａの上に設けられている。なお、この場合も第１電極８は記憶層７よりも突出している。この場合においても、第１電極８の間に印加される電圧によって、記憶層７には、第１主面７ａに対して平行な成分を有する電界Ｅ１が印加され、または、第１主面７ａに対して平行な成分を有する方向に流れる電流Ｉ１が通電される。

図７は、本発明の第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の構成を例示する模式的断面図である。
すなわち、同図（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る不揮発性記憶装置における第１電極８の構成の変形例を例示しており、図１（ａ）のＡ−Ａ’線断面に相当する断面図である。なお、これらの図においては、駆動部１０は省略されている。

図７（ａ）に表したように、変形例の不揮発性記憶装置１１０ａにおいては、第１電極８のそれぞれの上面（プローブ電極９に対向する側の面）の中心部が周辺部よりも後退している。すなわち、第１電極８の上面の中心部を窪んだ形状とすることができる。これにより、プローブ電極９との位置合わせがより容易になり、また、プローブ電極９と第１電極８との接触面積を拡大することができ、より特性が安定する。なお、上記のように、第１電極８の上面の中心部を窪ませる形状は、既に説明した第１電極８の構造の全てにおいて適用可能である。

また、図７（ｂ）に表したように、変形例の不揮発性記憶装置１１０ｂにおいては、第１電極８の上面が丸みを帯びた凸形状とされている。これにより、プローブ電極９と第１電極８との接触によって、第１電極８の上面のコーナー部が損傷を受け第１電極８が破損されることを抑制できる。このように、第１電極８の上面を、丸みを帯びた凸形状とする構造は、第１電極８が第１主面７ａよりも突出する不揮発性記憶装置１１３及び１１４において適用することが特に好ましい。

図８は、本発明の第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の構成を例示する模式的平面図である。
すなわち、同図（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、本実施形態に係る不揮発性記憶装置における第１電極８の各種の平面形状を例示している。

図８（ａ）に表したように、本実施形態に係る変形例の不揮発性記憶装置１１５においては、第１電極８の平面形状（第１主面７ａに対して垂直な方向からみたときの平面形状）は、丸みを帯びた角Ｃ１を有する四角形である。なお、角Ｃ１の丸みは、第１電極８の製造の際に形成されるものであり、角Ｃ１に実質的に丸みを有しない四角形であっても良い。

そして、四角形の対角線が、Ｘ軸方向とＹ軸方向とに沿って配置されている。
これにより、Ｘ軸方向及びＹ軸方向において互いに隣接する第１電極８どうしは、四角形の角Ｃ１の部分の小さな面積で互いに対向する。これによって、四角形の角Ｃ１の部分において第１電極８どうしの間の電界が集中し、記憶層７の所望の部分に効率的に電界を印加し、また、電流を通電できる。

なお、この時、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対して斜めの方向においては、四角形の辺が互いに対向する。このため、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対して斜めの方向においては、第１電極８どうしの間において電界は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対して相対的に集中しない。

これにより、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対して平行な方向と、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対して斜めの方向と、で、メモリセルの特性を変えることができ、例えば駆動条件のマージンを拡大できる。

このように、不揮発性記憶装置１１５において、複数の第１電極８は、Ｘ軸方向とＹ軸方向とにマトリクス状に配列し、複数のプローブ電極９は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の少なくともいずれかの方向において互いに隣接する複数の第１電極８に対して接触可能な構成とされており、複数の第１電極８の第１主面７ａに対して垂直な方向から見たときの平面形状は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の少なくともいずれかの方向において、突出する突出部８ｐ（角Ｃ１）を有することで、発生する電界を制御でき、駆動条件のマージンを拡大できる。

また、図８（ｂ）に表したように、別の変形例の不揮発性記憶装置１１６においては、第１電極８の平面形状は、（丸みを帯びた）角Ｃ１を有する四角形であり、この場合は、四角形の辺が、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿って配置されている。

これにより、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対して斜めの方向において互いに隣接する第１電極８どうしは、四角形の角Ｃ１の部分の小さな面積で互いに対向する。これによって、四角形の角Ｃ１の部分において第１電極８どうしの間の電界が集中し、記憶層７の所望の部分に効率的に電界を印加し、また、電流を通電できる。

逆に、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿う方向においては、四角形の辺が互いに対向するため、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対して平行な方向においては、第１電極８どうしの間において電界は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対して相対的に集中しない。

これにより、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対して平行な方向と、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対して斜めの方向と、で、メモリセルの特性を変えることができ、例えば駆動条件のマージンを拡大できる。

すなわち、不揮発性記憶装置１１６においては、複数の第１電極８は、Ｘ軸方向とＹ軸方向とにマトリクス状に配列し、複数のプローブ電極９は、さらにＸ軸方向及びＹ軸方向とは異なる方向において、互いに隣接する複数の第１電極８に対して接触可能な構成とされている。そして、複数の第１電極８の第１主面７ａに対して垂直な方向から見たときの平面形状は、さらにＸ軸方向及びＹ軸方向とは異なる方向において、突出する突出部８ｐ（角Ｃ１）を有している。発生する電界を制御でき、駆動条件のマージンを拡大できる。

さらに、図８（ｃ）に表したように、別の変形例の不揮発性記憶装置１１７においては、第１電極８の平面形状は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に設けられた角Ｃ２（突出部８ｐ）、並びに、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対して斜めの方向に設けられた角Ｃ３（突出部８ｐ）、を有する形状を有している。この場合には、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対して平行な方向と、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対して斜めの方向と、の両方において電界を集中させることができ、電界の方向と強さをより均一化でき、特性の安定した不揮発性記憶装置が得られる。

このように、図８（ａ）〜（ｃ）のいずれの場合も、複数の第１電極８を第１主面７ａに対して垂直な方向から見たときの平面形状は、複数のプローブ電極９を介して印加される電界及び通電される電流の少なくともいずれかの方向において、突出している形状を有している。

また、複数の第１電極８を第１主面７ａに対して垂直な方向から見たときの平面形状は、複数の第１電極８どうしの間で電界を集中させる突出部８ｐを有している。

これにより、Ｘ軸方向及びＹ軸方向、並びに、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対して斜めの方向において第１電極８どうしの間の電界を集中させることができる。
以上のように、第１電極８の平面形状は、各種の変形が可能である。

（第２の実施の形態）
図９は、本発明の第２の実施形態に係る不揮発性記憶装置の構成を例示する模式図である。
すなわち、同図（ａ）は平面図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。
図９に表したように、本発明の第２の実施形態に係る不揮発性記憶装置１２０は、第１の実施形態の不揮発性記憶装置１１０において、記憶層７の第１主面７ａとは反対の側の第２主面７ｂに設けられた第２電極６をさらに備えている。そして、駆動部１０は、第２電極６にさらに接続されている。

駆動部１０は、複数のプローブ電極９ａの少なくともいずれかと、第２電極６と、の間において、さらに電界（例えば電界Ｅ２）の印加及び電流（例えば電流Ｉ２）の通電の少なくともいずれかを行う。これ以外は、不揮発性記憶装置１１０と同様とすることができるので説明を省略する。

第２電極６には、例えば白金を用いることができる。ただし、本発明はこれに限らず、第２電極６には任意の導電性の材料を用いることができる。

このように、不揮発性記憶装置１２０においては、記憶層７の第２主面７ｂに第２電極６がさらに設けられるので、不揮発性記憶装置１１０において説明した第１主面７ａに対して平行な平面内の電界Ｅ１または電流Ｉ１を記憶層７に加えることに加えて、第１主面７ａに対して垂直な方向の電界Ｅ２または電流Ｉ２を記憶層７に加えることができ、これにより、複数の第１電極８と第２電極６との間にさらにメモリセルが形成できる。

このように、不揮発性記憶装置１２０においては、複数の第１電極８どうしの間における記憶層７の抵抗と、複数の第１電極８との少なくともいずれかと第２電極６との間における記憶層７の抵抗と、を異なる記憶要素（メモリセル）として用いられる。

これにより、図４に関して説明したように、第１主面７ａに対して平行な方向に形成される計{（ｎ−１）×ｍ＋ｎ×（ｍ−１）＋２×（ｎ−１）×（ｍ−１）}個のメモリセルに加えて、第１主面７ａに対して垂直な方向に形成される（ｎ×ｍ）個のメモリセルが形成できる。

このように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置１２０によれば、さらに高密度の情報記録が可能な抵抗変化型の不揮発性記憶装置が提供できる。

なお、不揮発性記憶装置１２０のように、第１主面７ａに対して平行な平面内の電界Ｅ１または電流Ｉ１を記憶層７に加えて第１電極８どうしの間の平行方向のメモリセルと、第１主面７ａに対して垂直な方向の電界Ｅ２または電流Ｉ２を記憶層７に加えて第１電極８と第２電極６との間の垂直方向のメモリセルと、を動作させる場合において、第１電極８と第２電極６との間に形成される垂直方向のメモリセルに書き込みや消去を行う場合は、そのメモリセルに隣接した平行方向のメモリセルを高抵抗状態ＨＲＳにした上で、その垂直方向のメモリセルに書き込みや消去を行うことが望ましい。

すなわち、着目している第１電極８に隣接する別の第１電極８との間に形成される平行方向のメモリセルが低抵抗状態ＬＲＳであった場合には、着目している第１電極８に印加した電圧が、平行方向のメモリセルを介して、隣接する別の第１電極８にも印加され、これにより、隣接する別の第１電極８と第２電極６との間の別の垂直方向のメモリセルに対して書き込みや消去が行われる可能性がある。この時、上記のように、着目しているメモリセルに隣接した平行方向のメモリセルを高抵抗状態ＨＲＳにした上で、その垂直方向のメモリセルに書き込みや消去を行うことで、別の第１電極８と第２電極６との間に意図しない電圧が印加されることを抑制できる。

なお、本実施形態に係る不揮発性記憶装置１２０において、図６及び図７に関して説明した各種の第１電極８の断面構造を適用でき、そして同様の効果を発揮できる。

また、図８に関して説明した各種の第１電極８の平面形状を適用でき、そして同様の効果を発揮できる。

図１０は、本発明の第２の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の構成を例示する模式図である。
すなわち、同図は図９（ａ）のＡ−Ａ’線断面に相当する断面図である。
図１０に表したように、本発明の第２の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置１２１においては、第２電極６が複数設けられている。これに以外は不揮発性記憶装置１２０と同様とすることができるので説明を省略する。

本具体例においては、第２電極６は、Ｘ軸方向に沿って分断され、Ｙ軸方向に延在する帯状に複数設けられている。本具体例では、第２電極６は、基板５に埋め込まれるように設けられているが、第２電極６は、記憶層７の第２主面７ｂの側において、記憶層７に埋め込まれるように設けられても良い。

すなわち、不揮発性記憶装置１２１においては、第２電極６は、第２主面７ｂにおいて複数設けられ、駆動部１０は、複数のプローブ電極９の少なくともいずれかと、複数の第２電極の少なくともいずれかと、の間において電界の印加及び電流の通電の少なくともいずれかを行う。

このように、第２電極６を複数設けることで、第１電極８と第２電極６との間に印加される電界Ｅ２、及び、通電される電流Ｉ２の方向を制御することができ、駆動マージンがさらに拡大する。

なお、不揮発性記憶装置１２１の場合も、第１電極８と第２電極６との間に形成される垂直方向のメモリセルに書き込みや消去を行う場合は、そのメモリセルに隣接した平行方向のメモリセルを高抵抗状態ＨＲＳにした上で、その垂直方向のメモリセルに書き込みや消去を行うことが望ましい。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、不揮発性記憶装置を構成する基板、記憶層、電極、プローブ電極、駆動部など各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した不揮発性記憶装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての不揮発性記憶装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

４ ＸＹスキャナ
５ 基板
６ 第２電極
７ 記録層
７ａ 第１主面
７ｂ 第２主面
７ｄ データエリア
７ｓ サーボエリア
８、８ａ〜８ｉ 第１電極
８ｐ 突出部
９、９ａ〜９ｄ プローブ電極
９ｍ プローブアレイ
９ｓ プローブ基板
９ｘ、９ｙ マルチプレクスドライバ
１０ 駆動部
２０ ドライバ
１１０、１１０ａ、１１０ｂ、１１１〜１１７、１２０、１２１ 不揮発性記憶装置
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ 角
Ｅ１、Ｅ２ 電界
ＨＲＳ 高抵抗状態
Ｉ１、Ｉ２ 電流
ＬＲＳ 低抵抗状態
Ｖ１ 第１遷移電圧
Ｖ２ 第２遷移電圧
ｐ１１、ｐ１２、ｐ２１、ｐ２２、ｑ１１、ｑ１２、ｑ２１、ｑ２２、ｘ１１、ｘ１２、ｘ２１、ｘ２２、ｘ３１、ｘ３２、ｙ１１、ｙ１２、ｙ２１、ｙ２２、ｙ３１、ｙ３２ メモリセル

Claims (13)

1. 印加される電界及び通電される電流の少なくともいずれかによって抵抗が変化する記憶層と、
   前記記憶層の第１主面に設けられた複数の第１電極と、
   前記複数の第１電極に対向して設置され前記第１電極との相対的な位置関係が可変の複数のプローブ電極と、
   前記複数のプローブ電極に接続され、前記複数のプローブ電極を介して前記複数の第１電極のうちの少なくとも２つの間で、前記第１主面に対して平行な成分を有する電界及び前記第１主面に対して平行な成分を有する方向に流れる電流の少なくともいずれかを生じさせることによって前記記憶層に情報の記録を行う駆動部と、
   を備えたことを特徴とする不揮発性記憶装置。
2. 前記プローブ電極は、前記第１主面に対して平行な平面内で可動可能に構成されていることを特徴とする請求項１記載の不揮発性記憶装置。
3. 前記複数の第１電極は、前記第１主面において露出されつつ前記記憶層に埋め込まれていることを特徴とする請求項１または２に記載の不揮発性記憶装置。
4. 前記複数の第１電極は、前記記憶層を貫通していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置。
5. 前記複数の第１電極を前記第１主面に対して垂直な方向から見たときの平面形状は、前記複数の第１電極どうしの間で電界を集中させる突出部を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置。
6. 前記複数の第１電極は、前記第１主面に対して平行な平面内の第１方向と、前記平面内において前記第１方向に対して垂直な第２方向と、にマトリクス状に配列し、前記複数のプローブ電極は、前記第１方向及び前記第２方向の少なくともいずれかの方向において互いに隣接する前記複数の第１電極に接触可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置。
7. 前記複数の第１電極の前記第１主面に対して垂直な方向から見たときの平面形状は、前記少なくともいずれかの方向において、前記複数の第１の電極どうしの間で電界を集中させる突出部を有していることを特徴とする請求項６記載の不揮発性記憶装置。
8. 前記複数のプローブ電極は、さらに前記第１方向及び前記第２方向とは異なる方向において、互いに隣接する前記複数の第１電極に接触可能に構成されていることを特徴とする請求項６または７に記載の不揮発性記憶装置。
9. 前記複数の第１電極の前記第１主面に対して垂直な方向から見たときの平面形状は、前記第１方向及び前記第２方向とは異なる前記方向において、前記複数の第１の電極どうしの間で電界を集中させる突出した形状を有していることを特徴とする請求項８記載の不揮発性記憶装置。
10. 前記記憶層の前記第１主面とは反対の側の第２主面に設けられた第２電極をさらに備え、前記駆動部は、前記複数の第１電極のうちの前記複数のプローブ電極の少なくともいずれかに接続された第１電極と、前記第２電極と、の間において、さらに電界の印加及び電流の通電の少なくともいずれかを行うことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置。
11. 前記複数の第１電極どうしの間における前記記憶層の抵抗と、前記の複数の第１電極との少なくともいずれかと前記第２電極との間における前記記憶層の抵抗と、を異なる記憶要素として用いられることを特徴とする請求項１０記載の不揮発性記憶装置。
12. 前記第２電極は、前記第２主面において複数設けられ、前記駆動部は、前記複数の第１電極の少なくともいずれかと、前記複数の第２電極の少なくともいずれかと、の間において電界の印加及び電流の通電の少なくともいずれかを行うことを特徴とする請求項１０または１１に記載の不揮発性記憶装置。
13. 前記記憶層は、抵抗変化材料及び相変化材料の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置。

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