JPWO2009098734A1 - 情報記録再生装置 - Google Patents

Abstract

第１の層と、第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に狭持され、前記第１の層と前記第２の層とを介して供給される電流により、抵抗が低い第１の状態と抵抗が高い第２の状態との間を可逆的に遷移可能な記録層と、を備え、前記記録層の側面は、前記第１及び第２の層の少なくともいずれかと接していないことを特徴とする情報記録再生装置が提供される。低消費電力で安定動作可能な不揮発性の情報記録再生装置が提供される。

Description

本発明は情報記録再生装置に関し、より詳細には、不揮発性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。

このような状況の下、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、ＰＲＡＭ（相変化メモリ）は、記録材料として、アモルファス状態（オフ）と結晶状態（オン）の２つの状態をとることができる材料を使用し、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、大電力パルスを記録材料に印加することによりアモルファス状態を作り、小電力パルスを記録材料に印加することにより結晶状態を作る。

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。アモルファス状態の記録材料の抵抗値は、結晶状態の記録材料の抵抗値よりも大きく、その比は、１０^３程度である。

ＰＲＡＭの最大の特長は、素子サイズを１０ｎｍ程度にまで縮小しても動作できるという点にあり、この場合には、約１０Ｔｂｐｓｉ（terra bit per 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（例えば、特許文献１を参照）。

また、ＰＲＡＭとは異なるが、これと非常に似た動作原理を有する新規メモリが報告されている（例えば、特許文献２を参照）。
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。
現在までのところ、この新規メモリの動作メカニズムについては解明されていないが、再現性については確認されており、高記録密度化への候補の他の一つとされる。また、動作メカニズムについても、いくつかのグループが解明を試みている。

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（例えば、非特許文献１を参照）。
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。

書き込みに関しては、選択的に、プローブに付加されるヒータの温度を制御することにより行う。すなわち、ヒータの温度を上げると、記録媒体が軟化し、プローブが記録媒体にくい込んで、記録媒体に窪みを形成する。

読み出しに関しては、記録媒体が軟化しない程度の電流をプローブに流しながら、記録媒体の表面に対し、このプローブをスキャンさせることにより行う。プローブが記録媒体の窪みに落ち込むとプローブの温度が低下し、ヒータの抵抗値が上昇するため、この抵抗値の変化を読み取ることによりデータをセンスできる。

ミリピードのような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。現状で、既に、１Ｔｂｐｓｉ程度の記録密度を達成している（例えば、非特許文献２を参照）。

また、ミリピードの発表を受けて、最近、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、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。
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。

仮に、記録最小単位が強誘電体層の結晶の１単位胞になると、記録密度は、約４Ｐｂｐｓｉ（peta bit per square inch）という巨大な値になる。

しかし、このような強誘電体記録のＭＥＭＳメモリは、従来から知られている原理でありながら現在においても実現されていない。
その最も大きな理由は、記録媒体からその外部に出る電場が空気中のイオンにより遮蔽されてしまうことにある。つまり、記録媒体からの電場を感知できないため、読み出しを行うことができない。

また、結晶中に格子欠陥が存在すると、格子欠陥による電荷が記録部に移動して電荷を遮蔽してしまう、という理由もある。
前者の空気中のイオンによる電場遮蔽の問題は、最近、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解決され、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３を参照）。
特開２００５−２５２０６８号公報 特開２００４−２３４７０７号公報 P. Vettiger, G. Cross, M. Despont, U. Drechsler, U. Durig, B. Gotsmann, W. Haberle, M. A. Lants, H. E. Rothuizen, R. Stutz and G. K. Binnig, IEEE Trans. Nanotechnology 1, 39(2002) P. Vettiger, T. Albrecht, M. Despont, U. Drechsler, U. Durig, B. Gotsmann, D. Jubin, W. Haberle, M. A. Lants, H. E. Rothuizen, R. Stutz, D. Wiesmann and G. K. Binnig, P. Bachtold, G. Cherubini, C. Hagleitner, T. Loeliger, A. Pantazi, H. Pozidis and E. Eleftheriou, in Technical Digest, IEDM03 pp.763-766 A. Onoue, S. Hashimoto, Y. Chu, Mat. Sci. Eng. B120, 130(2005)

本発明は、低消費電力で安定動作可能な不揮発性の情報記録再生装置を提供する。

本発明の一態様によれば、第１の層と、第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に狭持され、前記第１の層と前記第２の層とを介して供給される電流により、抵抗が低い第１の状態と抵抗が高い第２の状態との間を可逆的に遷移可能な記録層と、を備え、前記記録層の側面は、前記第１及び第２の層の少なくともいずれかと接していないことを特徴とする情報記録再生装置が提供される。

本発明の第１の実施形態に係る情報記録再生装置の一例を表す模式図である。 （ａ）は、本実施形態に係る情報記録再生装置のＸ軸方向からみた模式断面図であり、（ｂ）は、本実施形態に係る情報記録再生装置のＹ軸方向からみた模式断面図である。 本実施形態と対比される比較例に係る情報記録再生装置の模式断面図である。 （ａ）は、本比較例の情報記録再生装置の電極層１１、記録層１２、及び電極層１３を表す一部拡大模式断面図であり、（ｂ）は、本実施形態に係る情報記録再生装置の電極層１１、記録層１２、及び電極層１３を表す一部拡大模式断面図である。 本実施形態に係る情報記録再生装置における情報の記録／再生の基本原理の一例を説明するための概念図である。 本実施形態の情報記録再生装置の記録部の構造を表す模式図である。 本実施形態の情報記録再生装置の記録部の構造を表す模式図である。 本実施形態の製造方法を表すための模式工程断面図である。 本実施形態の製造方法を表すための模式工程断面図である。 本実施形態の製造方法を表すための模式工程断面図である。 本実施形態の情報記録再生装置の模式断面図である。 本実施形態の情報記録再生装置の製造工程の一部を表す模式平面図及び模式断面図である。 （ａ）は、本実施形態の情報記録再生装置を第１の配線１０の延在方向（Ｘ方向）からみた模式断面図であり、（ｂ）は、第２の配線１５の延在方向（Ｙ方向）からみた模式断面図である。 （ａ）は、本実施形態の情報記録再生装置を第１の配線１０の延在方向（Ｘ方向）からみた模式断面図であり、（ｂ）は、第２の配線１５の延在方向（Ｙ方向）からみた模式断面図である。 （ａ）は、本実施形態の情報記録再生装置を第１の配線１０の延在方向（Ｘ方向）からみた模式断面図であり、（ｂ）は、第２の配線１５の延在方向（Ｙ方向）からみた模式断面図である。 図１６（ａ）は、本実施形態の情報記録再生装置を第１の配線１０の延在方向（Ｘ方向）からみた模式断面図であり、図１６（ｂ）は、第２の配線１５の延在方向（Ｙ方向）からみた模式断面図である。 （ａ）は、本変型例の情報記録再生装置を第１の配線１０の延在方向（Ｘ方向）からみた模式断面図であり、（ｂ）は、第２の配線１５の延在方向（Ｙ方向）からみた模式断面図である。 （ａ）は、本実施形態の情報記録再生装置を第１の配線１０の延在方向（Ｘ方向）からみた模式断面図であり、（ｂ）は、第２の配線１５の延在方向（Ｙ方向）からみた模式断面図である。 第１〜第５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。 図１９に表した半導体メモリのメモリセルアレイ部の構造を表す模式図である。 記録層２２、ヒータ層３５、及び保護層１３Ｂのスタック構造を表す模式図である。 メモリセルアレイの他の具体例を表す模式図である。 メモリセルアレイの他の具体例を表す模式図である。

符号の説明

１０ 第１の配線
１１ 電極層
１２ 記録層
１２ａ 側面
１２ｓ 接続部
１２ｔ 延在部
１２Ａ メタル層
１２Ｃ 側面部
１２Ｄ 内部
１２Ｅ 化合物
１２Ｅ 記録層
１２Ｆ 化合物
１２Ｆ 記録層
１３ 電極層
１３Ｂ 保護層
１４ 整流素子
１５ 第２の配線
１６ 素子間絶縁膜
２２ 記録層
３０ 半導体チップ
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

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、各図面中、同様の構成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の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る情報記録再生装置の一例を表す模式図である。

図１（ａ）は、本実施形態に係る情報記録再生装置の模式斜視図である。また、図１（ｂ）は、本実施形態に係る情報記録再生装置をＸ軸及びＹ軸と直交するＺ軸方向からみた模式平面図である。

本実施形態の情報記録再生装置２は、基板５と、基板５の上に第１の方向（Ｘ軸）に延在する帯状の第１の配線１０と、基板５に平行な面内で第１の方向と交叉する第２の方向（Ｙ軸）に延在する帯状の第２の配線１５と、第１の配線１０と第２の配線１５との間に形成される記録層１２と、記録層１２と第２の配線１５との間に設けられた整流素子１４と、記録層１２を上下方向から挟持する電極層１１（下部電極層）及び電極層１３（上部電極層）と、を備える。電極層１１、１３は、記録層１２に対して電気的な接続を得るために設けられている。また、電極層１１、１３は、例えば、記録層１２とその上下の構成要素との間の元素の拡散などを防止するバリア層としての機能を併有していてもよい。さらに、整流素子１４と第２の配線１５との間にも、バリア層が設けられていてもよい。
そして、本実施形態においては、記録層１２の側面１２ａは、電極層１１及び電極層１３の少なくともいずれかと接していない。図１（ａ）に表した具体例においては、記録層１２は下に向かって水平断面積が広くなるいわゆるテーパ形状を有しており、記録層１２の側面１２ａは、電極層１１と接していない。すなわち、側面１２ａは、記録層１２の主面（電極層１１、１３と対向する面）に対して傾斜した部分を有する。

なお、基板５と第１の配線１０との間における、第１の配線１０と第２の配線１５とが交叉する領域には、データの書込み及び読出しを行うための読出し／書込み回路などが適宜設けられる（図示せず）。
第１の配線１０を「ビット線」、第２の配線１５を「ワード線」と、それぞれ呼んでよく、逆に、第１の配線１０を「ワード線」、第２の配線１５を「ビット線」と、それぞれ呼んでもよい。

情報記録再生装置２では、第１の配線１０と第２の配線１５とが交叉する部分（クロスポイント）に、記録層１２が設けられている。１つの第１の配線１０と１つの第２の配線１５とが交叉する領域に設けられた１つの記録層１２（及び整流素子１４）が１つの単位要素であり、これを「セル」という。第１の配線１０に与える電位と第２の配線１５に与える電位との組み合わせによって、各記録層１２に印加される電圧が変化し、その時の記録層１２の特性、すなわち抵抗値（高抵抗状態または低抵抗状態）によって、情報を記憶したり消去することができる。
また、各セルの間には、図示しない素子間絶縁膜が形成される。

図２（ａ）は、本実施形態に係る情報記録再生装置のＸ軸方向からみた模式断面図である。また、図２（ｂ）は、本実施形態に係る情報記録再生装置のＹ軸方向からみた模式断面図である。なお、図２以降の各図については、既出の図に表した構成要素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。

図２においては、図１を参照しつつ説明した構成要素のほか、各セルの間に形成される素子間絶縁膜１６が表されている。本実施形態においては、記録層１２の側面１２ａがその上下の電極層１１、１３の少なくともいずれかの側面と連続していない。すなわち、図２に表した具体例の場合、側面１２ａは、電極層１１と接していない。電極層１１に対向した記録層１２の主面（下側の主面）は、電極層１１に接続された接続部１２ｓと、この接続部１２ｓを取り囲むようにその周囲に設けられた延在部１２ｔと、を有する。このようにして、記録層１２の側面１２ａと電極層１１とを遠ざけることができる。

なお、図１及び図２に表した具体例では、記録層１２は、下に向かって水平断面積が広くなる形状としたが、記録層１２は、上に向かって水平断面積が広くなる形状であってもよい。この場合、記録層１２の側面１２ａは、電極層１３と接しないことになる。また、後に詳述するように、記録層１２の水平断面積を上下方向に一様に広くするなどして、記録層１２の側面１２ａが電極層１１及び電極層１３の両方と接しないようにしてもよい。

次に、記録層１２の形状及びその効果について、図３及び図４を参照しつつ説明する。

図３は、本実施形態と対比される比較例に係る情報記録再生装置の模式断面図である。すなわち、図３（ａ）は、本比較例に係る情報記録再生装置のＸ軸方向から見た模式断面図であり、図３（ｂ）は、本比較例に係る情報記録再生装置のＹ軸方向から見た模式断面図である。

図３に表したように、本比較例では、記録層１２の側面１２ａは、電極層１１と電極層１３の両方と接している。すなわち、記録層１２の側面１２ａは、その上下の電極層１１、１３の側面と略連続している。

図４（ａ）は、本比較例の情報記録再生装置の電極層１１、記録層１２、及び電極層１３を表す一部拡大模式断面図である。記録層１２の側面１２ａは、多くの場合、エッチング等の加工によって形成される。このため、図４（ａ）に表したように、記録層１２の側面１２ａの近傍の側面部１２Ｃ（加工面近傍）は、記録層１２の内部１２Ｄとは構造や組成などが異なり、また欠陥密度が高い場合が多い。その結果として、記録層１２の側面部１２Ｃは、記録層１２の内部１２Ｄと同程度の電気抵抗を有しない場合も多い。このような場合、図４（ａ）に表したように、記録層１２の側面部１２Ｃを通るリーク電流が発生する可能性がある。

一方、図４（ｂ）は、本実施形態に係る情報記録再生装置の電極層１１，記録層１２、及び電極層１３を表す一部拡大模式断面図である。記録層１２の側面部１２Ｃ（加工面近傍）は、比較例の場合と同様に記録層１２の内部１２Ｄとは異なる構造や組成、欠陥などを有する。しかし、記録層１２の側面部１２Ｃは電極層１１と接していないため、側面部１２Ｃと電極層１１とをつなぐ電流パスが形成されにくい。その結果として、側面部１２Ｃを介したリーク電流が抑制され、これにより、消費電力が低減される。

また、本実施形態によれば、側面部１２Ｃにおける物性の変化に係る問題も低減される。すなわち、記録層１２の側面部１２Ｃの結晶構造や組成などは、記録層１２の内部１２Ｄの結晶構造や組成などと異なると考えられる。また、側面部１２Ｃは内部１２Ｄよりも欠陥密度が高いことも多い。このため、比較例では、これら結晶構造や組成の変化あるいは欠陥が記録層１２の抵抗変化特性に影響を及ぼす可能性がある。すなわち、記録層１２の側面部１２Ｃにおいて結晶性や組成などが大きく異なる領域が存在すると、本来の抵抗変化特性が得られず、また、抵抗変化特性がセル間で異なる可能性がある。この結果、本来の書き込み動作特性や読み出し動作特性が得られず、また、セル間でこれら動作特性にばらつきが生じるおそれがある。

これに対して、本実施形態では、記録層１２の側面部１２Ｃと、電極層１１、１３の少なくともいずれかと、の接触領域が比較的小さいため、側面部１２Ｃを介した電流パスが形成されにくくなり、上述したような問題が起こりにくい。すなわち、本実施形態では、側面部１２Ｃを電流経路から遠ざけることができる。その結果として、本来の抵抗変化特性が得られやすくなり、また、セル間で動作特性が比較的均一な情報記録再生装置が実現される。

なお、記録層１２の材料の絶縁性が十分に高い場合には、記録層１２は隣接するセルアレイ間で連続していてもよい。この場合、記録層１２をセル毎に分断するための加工を行う必要がなく、上述した記録層１２の加工面による問題は生じない。しかし、記録層１２の材料の絶縁性が十分に高くない場合には、記録層１２は隣接するセルアレイ間で連続していない方がよい。この場合、記録層１２を分断するために加工する必要があり、上述した記録層１２の加工面による問題が生じ得る。そして、この問題は、本実施形態の上述した記録層１２の形状によって解消される。

以下、本実施形態の情報記録再生装置において用いることができる記録層１２のいくつかの具体例について説明する。
図５は、本実施形態に係る情報記録再生装置における情報の記録／再生の基本原理の一例を説明するための概念図である。

図５（ａ）は、記録部の断面図である。この記録部は、記録層１２の上下方向両側を電極層１１及び電極層１３により挟んだ構造を有する。

記録層１２は、電圧印加によってその抵抗を変化し得る、遷移金属の酸化物、ポリマー、または固体電界質からなる。記録層１２は、とりわけ、少なくとも２種類の陽イオン元素を有する複合化合物から構成することができる。この場合、記録層１２は、陽イオン元素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、隣接する陽イオン元素間の最短距離は０．３２ｎｍ以下である第１化合物を有する。この複合化合物からなる記録層１２を用いることにより、比較的小さい消費電力で抵抗変化を生ずることが可能となる。このような記録層１２の材料としては、例えば以下が挙げられる。

例えば、Ａ_ｘＭ_ｙＸ_４（０．１≦ｘ≦２．２、１．５≦ｙ≦２）で表されるスピネル構造である。ＡとＭは、互いに異なる元素であり、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る。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。

Ａは、Ｎａ，Ｋ，Ｒｂ，Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ａｌ，Ｇａ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｓ，Ｐ，Ｓ，Ｓｅ，Ｇｅ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｄ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｈｇ，Ｔｌ，Ｐｂ，Ｂｉ 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。
また、Ａは、Ｍｇ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｈｇ のグループから選択される少なくとも１種類の元素とするのが好ましい。これらの元素を使用すると、結晶構造を維持するためのイオン半径が最適となり、イオン移動度についても十分に確保できるからである。また、イオンの価数を２価に制御することが容易となる。

また、Ａは、Ｚｎ，Ｃｄ，Ｈｇ から選択される少なくとも１種類の元素とするのがさらに好ましい。これらの元素を使用すると、陽イオンの移動が生じやすくなるためである。
Ｍは、Ａｌ，Ｇａ，Ｔｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，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。

また、Ｍは、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｒｅ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｇａ のグループから選択される少なくとも１種類の元素とするのが好ましい。これらの元素を使用すると、結晶内の電子状態をコントロールし易くなるためである。
また、Ｍは、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｒｅ のグループ（便宜上「グループ１」と称す）から選択される少なくとも１種類の遷移元素とするのがさらに好ましい。これらの元素を使用すると、母体構造が安定に保持されるため、安定にスイッチングを繰り返すことができるからである。

また、Ｍは、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、前記グループ１の遷移元素に加えて含むことがさらに好ましい。グループ１の元素の一部の代わりにこれらの元素を使用すると、母体構造がより安定に保持されることによって、より安定にスイッチングを繰り返すことができるためである。

他には、例えば、Ａ_ｘＭ_ｙＸ_２（０．１≦ｘ≦１．１、０．９≦ｙ≦１．１）で表されるデラフォサイト構造である。ＡとＭは、互いに異なる元素であり、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る。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。

Ａは、Ｌｉ，Ｎａ，Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｈｇ，Ｔｌ 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。
また、Ａは、Ｍｇ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ のグループから選択される少なくとも１種類の元素とするのがさらに好ましい。これらの元素を使用すると、結晶構造を維持するためのイオン半径が最適となり、イオン移動度についても十分に確保できるからである。また、配位数を２に制御することが容易となる。

また、Ａは、Ｃｕ，Ａｇ のグループから選択される少なくとも１種類の元素であることが好ましい。これらの元素を使用すると、容易にデラフォサイト構造をとることができるからである。

Ｍは、Ａｌ，Ｇａ，Ｓｃ，Ｉｎ，Ｙ，Ｌａ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｔｂ，Ｌｕ，Ｔｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ 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。
また、Ｍは、Ｙ，Ｓｃ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｇａ のグループから選択される少なくとも１種類の元素とするのがさらに好ましい。これらの元素を使用すると、結晶内の電子状態をコントロールし易くなるためである。

また、Ｍは、Ｆｅ，Ｃｏ，Ａｌ のグループから選択される少なくとも１種類の元素とすることがさらに好ましい。これらの元素を使用すると、容易にデラフォサイト構造をとることができるからである。

他には、例えば、Ａ_ｘＭ_ｙＸ_４（０．５≦ｘ≦１．１、０．７≦ｙ≦１．１）で表されるウルフラマイト構造である。ＡとＭは、互いに異なる元素であり、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る。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。

Ａは、Ｎａ，Ｋ，Ｒｂ，Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ａｌ，Ｇａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｓｉ，Ｐ，Ｓ，Ｓｅ，Ｇｅ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｄ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｈｇ，Ｔｌ，Ｐｂ，Ｂｉ 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。
また、Ａは、Ｔｉ，Ｖ, Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ のグループから選択される少なくとも１種類の元素とするのが好ましい。これらの元素を使用すると、結晶構造を維持するためのイオン半径が最適となり、イオン移動度についても十分に確保できるからである。また、イオンの価数を２価に制御することが容易となる。

また、Ａは、Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ のグループから選択される少なくとも１種類の元素とするのがさらに好ましい。これらの元素を使用すると、容易に抵抗変化を起こすことができるからである。

Ｍは、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｍｏ，Ｗ 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。
また、Ｍは、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ のグループから選択される少なくとも１種類の元素とするのがさらに好ましい。これらの元素を使用すると、容易にウルフラマイト構造をとることができるからである。

他には、例えば、Ａ_ｘＭ_ｙＸ_３（０．５≦ｘ≦１．１、０．９≦ｙ≦１）で表されるイルメナイト構造である。ＡとＭは、互いに異なる元素であり、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る。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。

Ａは、Ｎａ，Ｋ，Ｒｂ，Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ａｌ，Ｇａ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｓｉ，Ｐ，Ｓ，Ｓｅ，Ｇｅ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｄ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｈｇ，Ｔｌ，Ｐｂ，Ｂｉ 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。
また、Ａは、Ｍｇ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｚｎ のグループから選択される少なくとも１種類の元素とするのが好ましい。これらの元素を使用すると、結晶構造を維持するためのイオン半径が最適となり、イオン移動度についても十分に確保できるからである。また、イオンの価数を２価に制御することが容易となる。

また、Ａは、Ｆｅ, Ｎｉのグループから選択される少なくとも１種類の元素とするのがさらに好ましい。これらの元素を使用すると、容易にイルメナイト構造をとることができるからである。

Ｍは、Ａｌ，Ｇａ，Ｔｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，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。
また、Ｍは、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ のグループから選択される少なくとも１種類の元素とするのがさらに好ましい。これらの元素を使用すると、結晶内の電子状態をコントロールし易くなるためである。

また、Ｍは、Ｔｉ, Ｚｒ, Ｈｆ, Ｖ のグループから選択される少なくとも１種類の元素とするのが好ましい。これらの元素を使用すると、容易にイルメナイト構造をとることができるからである。

なお、Ａ_ｘＭ_ｙＸ_４（０．１≦ｘ≦２．２、１．５≦ｙ≦２）で表されるスピネル構造と、Ａ_ｘＭ_ｙＸ_２（０．１≦ｘ≦１．１、０．９≦ｙ≦１．１）で表されるデラフォサイト構造と、Ａ_ｘＭ_ｙＸ_４（０．５≦ｘ≦１．１、０．７≦ｙ≦１．１）で表されるウルフラマイト構造と、Ａ_ｘＭ_ｙＸ_３（０．５≦ｘ≦１．１、０．９≦ｙ≦１）で表されるイルメナイト構造と、のモル比ｘ，ｙに関し、数値範囲の下限は、結晶構造を維持するために設定され、その上限は、結晶内の電子状態をコントロールするために設定される。

また、前述したように、電圧の印加によってＡイオンの拡散を容易に生ぜしめるためには、電極間を結ぶ方向にＡイオン元素の層が配置しているようにすることができる。このためには、スピネル構造、イルメナイト構造、及びデラフォサイト構造では、結晶のｃ軸が膜面と平行に配置していることが好ましく、ウルフラマイト構造では、結晶のａ軸が膜面と平行に配置していることが好ましい。

以上のような記録層を所望の配向として使用することで、原理的には、Ｐｂｐｓｉ（peta bit per square inch）級の記録密度を実現することができ、さらに、低消費電力化も達成できる。

図５に表した記録部において、記録層１２内の小さな白丸はＡイオン（例えば、拡散イオン）を、小さな黒丸はＭイオン（例えば、母体イオン）を、大きな白丸はＸイオン（例えば、陰イオン）を表す。

上述した構造を有する材料によれば、Ａイオンが容易に第１化合物内を拡散し、かつ、Ｍイオンは第１化合物内を拡散しないように、２種類の陽イオン元素が選択される。この場合、拡散しないＭイオンが第１化合物の結晶構造を保持するため、Ａイオンの移動を容易に制御することが可能となる。このため、このような構造を有する第１化合物を用いることにより、情報記録再生装置の記録層１２の抵抗値を容易に変化させることができる。

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、Ａイオンの一部が結晶中を移動する。そこで、本実施形態では、記録層１２の初期状態を絶縁体（高抵抗状態相）とし、電位勾配により記録層１２を相変化させ、記録層１２に導電性を持たせる（低抵抗状態相）ことにより情報の記録を行う。

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。
この時、記録層１２内のＡイオンの一部が電極層１３（陰極）側に移動し、記録層（結晶）１２内のＡイオンの数がＸ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Ａイオンは、電極層１３から電子を受け取り、メタルであるＡ原子として析出してメタル層１２Ａを形成する。したがって、電極層１３に近い領域では、Ａイオンが還元されてメタル的に振舞うので、その電気抵抗が大きく減少する。

あるいは、例えばスピネル構造のように記録層１２の結晶構造においてＡイオンが占め得る空隙サイトがある場合には、電極層１３側に移動したＡイオンは電極層１３側の空隙サイトを埋めてもよい。この場合にも、局所的な電荷の中性条件を満たすために、Ａイオンは電極層１３から電子を受け取り、メタル的に振舞う。

記録層１２の内部では、Ｘイオンが過剰となり、結果的に、記録層１２内に残されたＡイオンあるいはＭイオンの価数を上昇させる。このとき、その価数が上がったときに電気抵抗が減少するようにＡイオンあるいはＭイオンを選択すると、メタル層１２Ａ、記録層１２内ともにＡイオン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。つまり、情報記録（セット動作）が完了する。

情報再生に関しては、例えば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。ただし、電圧パルスの振幅は、Ａイオン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。

以上説明した過程は、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。
このため、低抵抗状態相を高抵抗状態相に戻すには、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。すなわち、大電流パルスによるジュール熱のため、Ａイオンは熱的により安定な結晶構造１２内へと戻り、初期の高抵抗状態相が現れる（リセット動作）。

あるいは、セット動作時とは逆向きの電圧パルスを印加してもリセット動作を行うことができる。つまり、セット時と同様に電極層１１を固定電位（例えば、接地電位）とすれば、電極層１３に正の電位を与えればよい。すると、電極層１３近傍のＡ原子は電極層１３に電子を与えＡイオンとなった後、記録層１２内の電位勾配により結晶構造１２内に戻っていく。これにより、価数が上昇していた一部のＡイオンは、その価数が初期と同じ値に減少するため、初期の高抵抗状態相へと変化する。ここで、整流素子１４に例えばｐｎ接合ダイオードを用いた場合、逆向きの電場を印加するためには、ツェナーブレークダウンを用いる。

ただし、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、Ａイオンの配位数を小さく（理想的には２以下に）する、あるいはその価数を２価以上にすることで対応できる。
仮に、ＡイオンがＬｉイオンのような１価であると、セット状態において十分なイオンの移動抵抗が得られず、即座に、Ａイオン元素は、メタル層から記録層１２内に戻ってしまう。言い換えれば、十分に長いリテンション時間が得られないということになる。また、Ａイオンが３価以上であると、セット動作に必要とされる電圧が大きくなるため、結晶の崩壊を引き起こす可能性がある。したがって、Ａイオンの価数を２価にすることが、情報記録再生装置としては好ましいことになる。

また、後者に対しては、結晶破壊を引き起こすことなく、記録層（結晶）１２内をＡイオンが移動できるように、Ａイオンのイオン半径を最適化し、移動パスが存在する構造を用いることにより対応できる。そのような記録層１２としては、前述したような元素及び結晶構造を採用すればよい。

デラフォサイト構造のように配位数が小さい陽イオンをＡイオンとして用いる場合には（デラフォサイト構造の場合、Ａイオンの配位数は２）、Ａイオンの価数を＋１価とし、クーロン反発力を減少させることができる。これにより、Ａイオンの拡散が容易となり、リセット動作の消費電力を低減することができる。また、配位数が小さいため、拡散した後の状態を安定に保持することが可能となる。

次に、各原子の混合比の最適値について説明する。
Ａイオンが占め得る空隙サイトがある場合や、また、本来Ｍイオンが占めるサイトをＡイオンが占めることが可能な場合には、Ａイオンの混合比には若干の任意性がある。さらに、Ｘイオンの過剰／欠損がある場合にもＡイオン、またはＭイオンの混合比は定比組成のそれからずれることになる。したがって、Ａイオン、Ｍイオンの混合比には幅を持たせてある。実際には、各状態の抵抗、あるいはＡイオンの拡散係数が最適値になるように、Ａイオンの混合比を最適化することが可能である。

Ａイオン、Ｍイオンの混合比の下限は、所望の結晶構造を有する第１化合物を容易に作製できるように設定した。また、Ｍイオンのサイトを占めるイオンの総量が少なすぎると、Ａイオンが引き抜かれた後の構造を安定に保持するのが困難になる。
以上説明したように、本実施形態によれば、上述した材料を記録層１２に使用することにより陽イオンの拡散を容易にすることができ、抵抗変化に必要な消費電力を小さくし、熱安定性を高めることができる。また、結晶構造内の陽イオン元素の拡散のみを利用して抵抗変化を生ぜしめるため、動作特性の制御が容易で、セル間の動作特性のばらつきが小さい情報記録再生装置を実現できる。

また、結晶構造内部と結晶粒の周縁部においては、イオンの移動のしやすさが異なるため、結晶構造内における拡散イオンの移動を利用し、異なる位置での記録消去特性を均一にするためには、記録層は多結晶状態、あるいは単結晶状態からなることが好ましい。記録層が多結晶状態にあるときにおいては、成膜のしやすさを考慮すると、結晶粒の記録膜断面方向のサイズは、単一のピークをもつ分布に従い、その平均は３ｎｍ以上であることが好ましい。結晶粒サイズの平均が５ｎｍ以上であると、成膜がより容易であるため、さらに好ましく、１０ｎｍ以上であると、異なる位置での記録消去特性をさらに均一化させることができるため、より好ましい。

記録層の膜厚は、高抵抗状態相と低抵抗状態相の抵抗が所望の値になるように適宜設定することができるが、典型的には例えば約１ｎｍ以上５００ｎｍ程度以下である。図１８に関して後述する変型例の場合、記録領域を小さくした場合においては、記録層の面内方向への広がりを抑えるために、記録領域の１０倍より小さいことがより好ましい。

ところで、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には、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）から構成するのが好ましい。
また、電極層１１は、イオン伝導性を有しない材料から構成するのがよい。
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、ＬａＮｉＯ_３は、最も望ましい材料ということができる。

・ 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。

・ ＭＯ_ｘ
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。

・ ＡＭＯ_３
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_２ＭＯ_４
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。

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（電極層）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望ましい。
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、ＳｎＯ_２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。

一方、整流素子１４は、整流特性を有し、記録層１２に印加される電圧の極性に方向性を持たせるために設けられる。整流素子１４には、例えば、ツェナーダイオード、ＰＮ接合ダイオード、ショットキーダイオード等を用いることができる。整流素子１４は、非選択状態（オフ）の抵抗値が選択状態（オン）の抵抗値の１０倍以上であるものが望ましい。図１及び図２では、整流素子１４が、電極層１３と第２の配線１５との間に設けられている具体例を表したが、整流素子１４は、第１の配線１０と電極層１１との間に設けられてもよい。また、整流素子１４は、第１の配線１０と第２の配線１５とが対向する領域以外の領域に設けてもよい。

次に、記録層１２のさらに他の具体例について図６及び図７を参照しつつ説明する。
図６は、本実施形態の情報記録再生装置の記録部の構造を表す模式図である。
この記録部も、記録層１２の両側を電極層１１、１３により挟んだ構造を有する。

記録層１２は、電極層１１側に配置され、Ａ_ｘＭ１_ｙＸ１_ｚで表記される第１化合物１２Ｅと、電極層１３側に配置され、少なくとも１種類の遷移元素を有し、第１化合物１２ＥのＡイオン元素を収容できる空隙サイトを有する第２化合物１２Ｆと、を有する。

第２化合物１２Ｆは、Ａイオンが収容される空隙サイトを□で表すとすると、例えば以下のような化学式で表されるものが挙げられる。空隙サイトの一部は、第２化合物１２Ｆの成膜を容易にするために、予め他のイオンによって占有されていてもよい。

・ □_ｘＭ２Ｘ２_２
Ｍ２は、Ｔｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，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。

Ｘ２は、Ｏ，Ｓ，Ｓｅ，Ｎ，Ｃｌ，Ｂｒ，Ｉ 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、０．３≦ｘ≦１を満たすものとする。

・ □_ｘＭ２Ｘ２_３
Ｍ２は、Ｔｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，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。

Ｘ２は、Ｏ，Ｓ，Ｓｅ，Ｎ，Ｃｌ，Ｂｒ，Ｉ 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≦２を満たすものとする。

・ □_ｘＭ２Ｘ２_４
Ｍ２は、Ｔｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，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。

Ｘ２は、Ｏ，Ｓ，Ｓｅ，Ｎ，Ｃｌ，Ｂｒ，Ｉ 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≦２を満たすものとする。

・ □_ｘＭ２ＰＯ_ｚ
Ｍ２は、Ｔｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，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。

Ｐはリン元素であり、Ｏは酸素元素である。
モル比ｘは、０．３≦ｘ≦３、４≦ｚ≦６を満たすものとする。

・ □_ｘＭ２Ｏ_５
Ｍ２は、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。
Ｏは酸素元素である。
モル比ｘは、０．３≦ｘ≦２を満たすものとする。

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、ＲｅＯ_３構造、ＭｏＯ_１．５ＰＯ_４構造、ＴｉＯ_０．５ＰＯ_４構造、ＦｅＰＯ_４構造、βＭｎＯ_２構造、γＭｎＯ_２構造、λＭｎＯ_２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が好ましい。特に、第１化合物と同一構造のイルメナイト構造を有していることが最も望ましい。

また、第１の層１２Ｅの電子のフェルミ準位は、第２の層１２Ｆの電子のフェルミ準位よりも低くする。これは、記録層１２の状態に可逆性を持たせるために望ましい条件のひとつである。ここで、フェルミ準位については、いずれも真空準位から測定した値とする。

このように、記録層１２ＥのＡイオンを収容する空隙サイトを有する第２の化合物からなる記録層１２Ｆを、第１の化合物に接して設けると、拡散したＡイオン元素が安定に存在しやすくなる。このような材料の組み合わせを記録層に使用し、第１の層１２Ｅと第２の層１２Ｆと間のイオンの授受を容易にすることにより、抵抗変化に必要な消費電力を小さくし、熱安定性を高めることができる。また、このような材料の組み合わせを記録層に使用することで、原理的には、Ｐｂｐｓｉ（peta bit per square inch）級の記録密度を実現することができ、さらに、低消費電力化も達成できる。

図６に表した記録部において、記録層１２Ｅ内の小さな白丸はＡイオン（例えば、拡散イオン）を、記録層１２Ｅ内の小さな黒丸はＭ１イオン（例えば、母体イオン）を、記録層１２Ｅ内の大きな白丸はＸ１イオン（例えば、陰イオン）を表す。また、図６に表した記録部において、記録層１２Ｆ内の太線の白丸はＭ２イオン（例えば、遷移元素イオン）を、記録層１２Ｆ内の網掛けの丸はＸ２イオン（例えば、陰イオン）を表す。
なお、図７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１２Ｅ，１２Ｆは、それぞれ、２層以上の複数層を交互に積層してもよい。

このような記録部において、第１の層１２Ｅが陽極側、第２の層１２Ｆ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化合物を含む第１の層１２Ｅ内のＡイオンの一部が結晶中を移動し、陰極側の第２の層１２Ｆ内に進入する。

第２の層１２Ｆの結晶中には、Ａイオンの空隙サイトがあるため、第１化合物を含む第１の層１２Ｅから移動してきたＡイオンは、この空隙サイトに収まる。
したがって、第２の層１２Ｆ内では、ＡイオンあるいはＭ２イオンの一部の価数が減少し、第１の層１２Ｅ内では、ＡイオンあるいはＭ１イオンの価数が増加する。したがって、Ａイオン、あるいはＭ１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。

つまり、初期状態（リセット状態）において、第１及び第２の層１２Ｅ，１２Ｆが高抵抗状態（絶縁体）であると仮定すれば、第１の層１２Ｅ内のＡイオンの一部が第２の層１２Ｆ内に移動することにより、第１及び第２の層１２Ｅ，１２Ｆ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。
この時、同時に、第１の層１２Ｅから第２の層１２Ｆに向かって電子も移動するが、第２の層１２Ｆの電子のフェルミ準位は、第１の層１２Ｅ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。
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。

しかし、本実施形態の例に係る記録層１２を用いれば、このような懸念は回避される。すなわち、セット状態を維持し続けることができる。
これは、いわゆるイオンの移動抵抗が働いているためである。前述のように、Ａイオンの配位数を小さく（理想的には２以下に）する、あるいはその価数を２価にすることが、情報記録再生装置としては好ましい。

ところで、セット動作が完了した後には、陽極側に酸化剤が生成されるため、この場合にも、電極層１１としては、酸化され難く、イオン伝導性を有しない材料（例えば、電気伝導性酸化物）を用いることが望ましい。その好適な例は前述の通りである。
リセット動作（消去）は、記録層１２を加熱して、上述の第２の層１２Ｂの空隙サイト内に収納されたＡイオンが第１の層１２Ｅ内に戻る、という現象を促進してやればよい。

具体的には、記録層１２に大電流パルスを与えることにより発生するジュール熱とその残留熱とを利用すれば、容易に、記録層１２を元の高抵抗状態（絶縁体）に戻すことができる。
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。

ここで、低消費電力を実現するには、結晶破壊を引き起こすことなく、結晶内をＡイオンが移動できるように、Ａイオンのイオン半径を最適化し、移動パスが存在する構造を用いることが重要になる。
第２化合物１２Ｆとして、上述したような材料及び結晶構造を用いた場合においては、このような条件を満たすことが可能となり、低消費電力を実現するのに有効となる。

また、図３に表した記録部のような構造を有する、Ａ_ｘＭ_ｙＸ_４（０．１≦ｘ≦２．２、１．５≦ｙ≦２）で表されるスピネル構造、Ａ_ｘＭ_ｙＸ_２（０．１≦ｘ≦１．１、０．９≦ｙ≦１．１）で表されるデラフォサイト構造、Ａ_ｘＭ_ｙＸ_４（０．５≦ｘ≦１．１、０．７≦ｙ≦１．１）で表されるウルフラマイト構造、またはＡ_ｘＭ_ｙＸ_３（０．５≦ｘ≦１．１、０．９≦ｙ≦１）で表されるイルメナイト構造、のいずれかの化合物内では、Ａイオンの移動が容易に生じるので、第１化合物として用いるのに好適である。

特に、その移動パスが電極間を結ぶ方向に配置するように、第１化合物１２Ｅが配向している場合には、第１化合物１２Ｅ内でのＡイオンの移動が容易となるので、好ましい。さらに、第１化合物１２Ｅの格子定数と第２化合物１２Ｆの格子定数が一致する場合においては、空隙サイトがあり、成膜しにくい材料を用いた場合においても、容易に配向を制御して成膜することが可能となるので好ましい。

次に、第２化合物の膜厚の好適な範囲について説明する。
空隙サイトによるＡイオン収納の効果を得るためには、第２化合物の膜厚は、１ｎｍ以上の膜厚であることが好ましい。
一方、第２化合物の空隙サイト数が第１化合物内のＡイオン数よりも大きくなると、第２化合物の抵抗変化効果が小さくなるため、第２化合物内の空隙サイト数は、同じ断面積内にある第１化合物内のＡイオン数と同じか、それより少ないことが好ましい。

第１化合物内のＡイオンの密度と第２化合物内の空隙サイトの密度は、概ね同じであるため、第２化合物の膜厚は、第１化合物の膜厚と同程度か、それより小さいことが好ましい。
陰極側には、一般に、リセット動作をさらに促進するためのヒータ層（抵抗率約１０^−５Ωｃｍ以上の材料）を設けてもよい。

プローブメモリでは、陰極側に還元性の材料が析出するため、大気との反応を防ぐために、表面保護層を設けることが好ましい。
ヒータ層と表面保護層を、両方の機能を持つ１つの材料で構成することも可能である。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、ＳｎＯ_２などの半導体は、ヒータ機能と表面保護機能とを併せ持っている。

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。
ただし、電流パルスは、記録層１２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であることが必要である。

本具体例においても、記録層１２の側面１２ａは、電極層１１及び電極層１３の少なくともいずれかと接していない。これにより、本実施形態の情報記録再生装置は、第１の実施形態の説明において記載した効果を有する。側面１２ａの近傍でのリーク電流を防ぎ、消費電力を低減させるとともに、結晶構造の変化に起因する抵抗変化特性のばらつきを低減し、セル間で動作特性が比較的均一な情報記録再生装置を実現化する。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る情報記録再生装置の製造方法について、図８〜図１０を参照しつつ説明する。
図８〜図１０は、本実施形態の製造方法を表すための模式工程断面図である。
まず、図８（ａ）に表したように、基板５の上に、第１の配線１０、及び電極層１１を構成する層をこの順番で一様に堆積する。

その後、図８（ｂ）に表したように、所定の寸法のパターンにより第１の方向に沿って、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）によりエッチングを行う。エッチングは、基板５と第１の配線１０との界面の深さまで行う。このようにして、第１の配線１０と電極層１１がパターニングされる。その後、エッチングにより生じた空間に、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相堆積）により絶縁性材料を堆積し、素子間絶縁膜１６を形成する。その後、電極層１１が露出するように、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学機械研磨）により平坦化を行う。

次に、図８（ｃ）を参照しつつ説明する。図８（ｃ）は、図８（ｂ）のＡ−Ａ’線断面図に相当する。
図８（ｃ）に表したように、所定の寸法のパターンにより、平面（上面）から見て第１の方向と直行する第２の方向に沿って、例えばＲＩＥによりエッチングを行う。エッチングは、第１の配線１０と電極層１１との界面の深さまで行う。その後、エッチングにより生じた空間に、例えばＣＶＤにより絶縁性材料を堆積し、素子間絶縁膜１６を形成する。その後、電極層１１が露出するように、例えばＣＭＰにより平坦化を行う。

次に、図８（ｄ）を参照しつつ説明する。図８（ｄ）は、図８（ｃ）のＢ−Ｂ’線断面図に相当する。
図８（ｄ）に表したように、この加工体の上に、記録層１２、電極層１３、及び整流素子１４をこの順番で一様に堆積する。なお、整流素子１４の上に、図示しないバリア層を堆積してもよい。

次に、図８（ｅ）に表したように、所定の寸法のパターンにより第１の方向に沿って、例えばＲＩＥによりエッチングを行う。エッチングは、記録層１２と電極層１３との界面の深さまで行う。このようにして、電極層１３と整流素子１４とが一方向にパターニングされる。

その後、図９（ａ）に表すように、第１の方向に沿って、記録層１２のエッチングを行う。このエッチングの際に、パターニングされた電極層１３や整流素子１４をマスクとして用いることも可能である。ここで、記録層１２のエッチングは、記録層１２の側面（加工面）１２ａが電極層１１と電極層１３の両方に接続することを回避するように行う。具体例には、例えば図９（ａ）に表したように、記録層１２の側面と電極層１１とが接しないような形状となるように行う。例えばドライエッチングによりエッチングする場合、図８（ｅ）に関して前述したエッチングでは、異方性の高い条件で整流素子１４と電極層１３を略垂直にエッチングするのに対して、その後の記録層１２のエッチングにおいては、異方性が低い条件でエッチングする。ＲＩＥによりエッチングする場合においても、ＣＤＥ（Chemical Dry Etching）モードに近い条件で略等方的にエッチングすることにより、図９（ａ）に表したような記録層１２の加工形状を得ることが可能である。あるいは、図８（ｅ）に関して前述したエッチングはＲＩＥやイオン・ミリングなどのドライエッチングにより実施し、図９（ａ）に表した記録層１２のエッチングは、ウエットエッチングにより実施してもよい。このようにしても、等方的にエッチングにより図９（ａ）に表したような記録層１２の加工形状を得ることが可能である。

その後、図９（ｂ）に表したように、エッチングにより生じた空間に、例えばＣＶＤにより絶縁性材料を堆積し、素子間絶縁膜１６を形成する。その後、整流素子１４が露出するように、例えばＣＭＰにより平坦化を行う。
次に、図９（ｃ）を参照しつつ説明する。図９（ｃ）は、図９（ｂ）のＡ−Ａ’線断面図に相当する。

図９（ｃ）に表したように、所定の寸法のパターンにより第２の方向に沿って、例えばＲＩＥによりエッチングを行う。エッチングは、記録層１２と電極層１３との界面の深さまで行う。

しかる後に、図９（ｄ）に表したように、記録層１２をエッチングする。この際に、図９（ａ）に関して前述したエッチングと同様に、記録層１２の側面（加工面）が電極層１１と電極層１３の両方に接続することを回避するような形状となるように行う。具体例には、例えば記録層１２の側面と電極層１１とが接しないような形状となるように行う。図９（ａ）に関して前述したように、この際にも、異方性が低い条件によりドライエッチングしたり、あるいはウエットエッチングにより、図９（ｄ）に表したように記録層１２をエッチングすることが可能である。

次に、図１０（ａ）に表したように、エッチングにより生じた空間に、例えばＣＶＤにより絶縁性材料を堆積し、素子間絶縁膜１６を形成する。その後、整流素子１４が露出するように、例えばＣＭＰにより平坦化を行う。その後、この加工体の上に、第２の配線１５を一様に堆積する。

次に、図１０（ｂ）に表したように、所定の寸法のパターンにより第２の方向に沿って、例えばＲＩＥにより配線１５をパターニングする。
その後、図１０（ｃ）に表すように、配線１５の間隙に、例えばＣＶＤにより絶縁性材料を堆積し、素子間絶縁膜１６を形成する。これにより、クロスポイント型の情報記録再生装置の要部が形成される。

本実施形態において、記録層１２の側面１２ａは、電極層１１と接していない。これにより、本実施形態の情報記録再生装置は、第１の実施形態に関して前述した効果を奏する。すなわち、本実施形態の情報記録再生装置は、リーク電流を防ぎ、消費電力を低減させるとともに、結晶構造などの変化に起因する抵抗変化特性の変化やばらつきを低減し、セル間で動作特性が比較的均一な情報記録再生装置を実現化する。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る情報記録再生装置について、図１１及び図１２を参照しつつ説明する。
図１１は、本実施形態の情報記録再生装置の模式断面図である。図１１（ａ）は、第１の配線１０の延在方向（Ｘ方向）から見た模式断面図であり、図１１（ｂ）は、第２の配線１５の延在方向（Ｙ方向）から見た模式断面図である。本実施形態の情報記録再生装置は、第１の実施形態の情報記録再生装置と基本的に同様の積層構造を有するが、第１の配線１０及び電極層１１のＹ方向の長さ（幅）が電極層１３及び整流素子１４のＹ方向の長さ（幅）よりも小さい（図１１（ａ））。また、電極層１１のＸ方向の長さ（幅）が電極層１３及び整流素子１４のＸ方向の長さ（幅）より小さい（図１１（ｂ））。このような形状にすることにより、記録層１２の底面の面積に対して電極層１１の上面の面積を相対的にさらに小さくできる。その結果として、記録層１２の側面を電極層１１からさらに遠ざけることができる。

このため、本実施形態の情報記録再生装置は、第１の実施形態において記載した効果をより確実に発現することができる。すなわち、リーク電流を防ぎ、消費電力を低減させるとともに、結晶構造などの変化に起因する抵抗変化特性の変化やばらつきを低減し、セル間の動作特性が比較的均一化される、という効果がより確実に発現される。
また、第１の配線１０及び電極層１１と、電極層１３及び整流素子１４と、の位置合わせも容易となる。すなわち、電極層１１の上面の面積を小さくすることにより、電極層１１と記録層１２との相対的な位置関係が変動しても、記録層１２の側面が電極層１１に接しない状態を維持することが容易となる。
さらに、記録層１２に流れる電流を良好に保つという利点も有する。記録層１２に流しうる最大電流量は、整流素子１４の断面積に比例して増加したり減少したりする。このため、電極層１３（上部電極）及び整流素子１４の幅を電極層１１（下部電極）の幅に対して大きくすれば、セルサイズが小さくなった場合にも、記録層１２に流しうる最大電流量を大きく保つことができる。

ここで、第１の配線１０及び電極層１１の幅（ｄ１）と、電極層１３及び整流素子１４の幅（ｄ２）との比（ｄ１／ｄ２）は、０．５以上１以下であることが好ましい。ｄ１／ｄ２の値が小さすぎると、第１の配線１０の抵抗が過大となり、第１の配線１０による電圧降下が無視できなくなる。また、電極層１１と電極層１３との位置合わせを容易にするすることを考慮して、ｄ１／ｄ２は、０．５以上０．８以下であることがより好ましい。

このような形状とするには、第１の実施形態に係る情報記録再生装置の形状を基準として、（１）第１の配線１０及び電極層１１の幅を小さくする、（２）記録層１２、電極層１３、及び整流素子１４の幅を大きくする、並びに（３）（１）と（２）を併用する、の手法が挙げられる。

図１２は、本実施形態の情報記録再生装置の製造工程の一部を表す模式平面図及び模式断面図である。図１２（ａ）は、整流素子１４（及び、必要に応じ、バリア層）を一様に形成した後、第１の方向にエッチングを行った状態（第３の実施形態における図９（ａ）に相当）の模式平面図である。また、図１２（ｃ）は、その後素子間絶縁膜１６を堆積し平坦化した後に、第２の方向にエッチングを行った時（第３の実施形態における図９（ｄ）に相当）の模式平面図である。図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＡ−Ａ線断面図であり、図１２（ｄ）は図１２（ｃ）のＢ−Ｂ線断面図である。

本実施形態の情報記録再生装置の製造に際しては、電極層１１のパターニングの幅と、電極層１３のパターニングの幅と、をそれぞれ適宜設定すればよい。このようにして、図１１に例示したセルを形成することができる。

図１３〜図１５は、本実施形態の変型例を表す模式断面図である。
図１３に表した具体例の場合、電極層１３の幅ｄ２は、電極層１１の幅ｄ１よりも小さくされている。一方、記録層１２は下に向けて水平断面積が大きくなるテーパ形状であり、側面１２ａは、電極層１１とも電極層１３とも接していない。つまり、記録層１２の側面１２ａは、電極層１１の側面とも電極層１３の側面とも連続していない。このようにすれば、側面１２ａにおけるリーク電流の経路をさらに確実に遮断することができる。また、電極層１３の幅ｄ２を小さくすることにより、電極層１３と記録層１２との位置関係のずれに対する許容範囲を拡大することができる。

次に、図１４に表した具体例の場合、図２に関して前述した具体例と比較して、電極層１１と電極層１３の両方の幅が小さくされている。その結果として、これら電極層１１、１３のいずれについても、記録層１２の側面１２ａをさらに遠ざけることができ、リーク電流の発生や、抵抗特性の変化をさらに確実に抑制することができる。また、電極層１１の幅ｄ１と電極層１３の幅ｄ２をいずれも小さくすることにより、これら電極層１１、１３と記録層１２との位置関係のずれに対する許容範囲を拡大できる。

次に、図１５に表した具体例の場合、記録層１２はテーパ形状にはされず、その側面１２ａはほぼ垂直に形成されている。そして、上下の電極層１１、１３の幅ｄ１、ｄ２は、記録層１２の幅ｄ３よりも小さくされている。このようにしても、電極層１１、１３を記録層１２の側面１２ａから遠ざけることができる。その結果として、第１実施形態に関して前述したように、側面１２ａの近傍におけるリーク電流の発生を抑制し、また側面１２ａの近傍における結晶構造や組成の変化あるいは欠陥などに起因する抵抗特性の変化やばらつきを防止することが可能となる。なお、本具体例の構造は、例えば電極層１１、記録層１２、電極層１３をそれぞれ所定の寸法のマスクにより別々にパターニングすれば形成できる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係る情報記録再生装置について、図１６を参照しつつ説明する。
図１６（ａ）は、本実施形態の情報記録再生装置を第１の配線１０の延在方向（Ｘ方向）からみた模式断面図であり、図１６（ｂ）は、第２の配線１５の延在方向（Ｙ方向）からみた模式断面図である。
本実施形態においては、記録層１２が、電極層１１の側面と第１の配線１０の側面を覆うように延在した形状とされている。このような形状にすることにより、記録層１２の側面（加工面）１２ａと電極層１１とが接しない構造を実現できる。

本実施形態においても、第１の実施形態に関して前述した効果を同様に得ることができる。すなわち、リーク電流を防ぎ、消費電力を低減させるとともに、結晶構造や組成の変化などに起因する抵抗変化特性の変化やばらつきを低減し、セル間の動作特性が比較的均一化される、という効果が得られる。

このような形状の情報記録再生装置は、例えば、第２の実施形態に係る製造方法において、次に説明する工程を採用することによって形成できる。まず、図８（ｂ）に関して前述した工程において、素子間絶縁膜１６の代わりに記録層１２を堆積する。次に、図８（ｃ）に関して前述した工程において、素子間絶縁膜１６を堆積する工程を省略し、記録層１２を一様に堆積する。次に、図９（ａ）に関して前述した工程において、配線１０の間に堆積した記録層１２を、基板５と第１の配線１０との界面の深さまでエッチングする。ここで、記録層１２が裾拡がりの形状となるように、例えば略等方的な条件でドライエッチングしたり、ウエットエッチングするとよい。次に、図９（ｃ）に関して前述した工程において、電極層１１の間に堆積した記録層１２を、第１の配線１０と電極層１１との界面の深さまでエッチングする。ここでも、記録層１２が裾拡がりの形状となるように、略等方的な条件でドライエッチングしたり、ウエットエッチングするとよい。このようにして、本実施形態の情報記録再生装置の要部を形成することが可能である。

図１７は、本実施形態の情報記録再生装置の変型例を表し、図１７（ａ）は、本変型例の情報記録再生装置を第１の配線１０の延在方向（Ｘ方向）からみた模式断面図であり、図１７（ｂ）は、第２の配線１５の延在方向（Ｙ方向）からみた模式断面図である。

本変型例においては、第１の配線１０及び電極層１１の幅ｄ１が、電極層１３の幅ｄ２より小さい。このような形状にすることにより、記録層１２の側面（加工面）１２ａと電極層１１とをさらに遠ざけることができる。その結果として、第１の実施形態に関して前述した効果をさらに確実に得ることが可能となる。すなわち、リーク電流を防ぎ、消費電力を低減させるとともに、結晶構造や組成の変化などに起因する抵抗変化特性の変化やばらつきを低減し、セル間の動作特性が比較的均一化できる。
本実施形態では、前述したように、図８（ｃ）に関して前述した工程において素子間絶縁膜１６を堆積する工程が省略される。このため、本実施形態によれば、製造プロセスが容易となる。

（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態に係る情報記録再生装置について、図１８を参照しつつ説明する。

図１８（ａ）は、本実施形態の情報記録再生装置を第１の配線１０の延在方向（Ｘ方向）からみた模式断面図であり、図１８（ｂ）は、第２の配線１５の延在方向（Ｙ方向）からみた模式断面図である。

本実施形態においては、記録層１２は、水平方向に一様に設けられ、隣接する２つの電極層１１の間及び隣接する２つの第１の配線１０の間にも存在する。記録層１２の電気抵抗が十分に高い場合には、このような形状にすることができる。この場合、隣接するセルの間で電流は殆ど流れず、クロストークは無視できる。つまり、各セルの間に存在する記録層１２は、素子間絶縁膜１６と同様の機能を有する。

一方、記録層１２の材料の電気抵抗が十分に高くない場合でも、セル内の記録層１２とセル外の記録層１２との間で結晶性（結晶状態または非晶質状態）や組成などが異なるように記録層１２を成膜してもよい。例えば、Ａイオン元素の拡散態様を違えるべく結晶方位を異ならしめて記録層１２を成膜すればよい。この場合も、隣接するセルの間で電流は流れず、各セルの間に存在する記録層１２は、素子間絶縁膜１６と同じ機能を有する。

あるいは、記録層１２を一様に堆積した後に、セル間に堆積された記録層１２の結晶構造や組成などを変化させてもよい。例えば、セル間に堆積された記録層１２を酸化や窒化することにより、その電気抵抗を上昇させてもよい。

本実施形態の情報記録再生装置は、記録層１２の加工面がないため、第１の実施形態に関して前述した効果をさらに確実に得ることが可能となる。すなわち、リーク電流を防ぎ、消費電力を低減させるとともに、加工に伴う結晶構造や組成の変化などに起因する抵抗変化特性の変化やばらつきを低減し、セル間の動作特性が比較的均一化できる。
本実施形態では、図８（ｃ）に関して前述した工程において素子間絶縁膜１６を堆積する工程が省略されるとともに、図９（ａ）及び図９（ｄ）に関して前述した工程においてエッチングガスの照射角度を変える等の必要はない。このため、本実施形態によれば、製造プロセスが容易となる。

（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態に係る情報記録再生装置について、図１９〜図２３を参照しつつ説明する。
本実施形態では、第１〜第５の実施形態の記録部を、半導体メモリに適用した。

図１９は、第１〜第５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ＷＬ_ｉ−１，ＷＬ_ｉ，ＷＬ_ｉ＋１はＸ方向に延び、ビット線ＢＬ_ｊ−１，ＢＬ_ｊ，ＢＬ_ｊ＋１はＹ方向に延びる。
ワード線ＷＬ_ｉ−１，ＷＬ_ｉ，ＷＬ_ｉ＋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ＢＬ_ｊ−１，ＢＬ_ｊ，ＢＬ_ｊ＋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Ｒ_ｉ−１，Ｒ_ｉ，Ｒ_ｉ＋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Ｃ_ｉ−１，Ｃ_ｉ，Ｃ_ｉ＋１が入力される。
メモリセル３３は、ワード線ＷＬ_ｉ−１，ＷＬ_ｉ，ＷＬ_ｉ＋１とビット線ＢＬ_ｊ−１，ＢＬ_ｊ，ＢＬ_ｊ＋１との交叉部に配置される。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２０は、図１９に表した半導体メモリのメモリセルアレイ部の構造を表す模式図である。
半導体チップ３０上には、ビット線ＢＬ_ｊ−１，ＢＬ_ｊ，ＢＬ_ｊ＋１とワード線ＷＬ_ｉ−１，ＷＬ_ｉ，ＷＬ_ｉ＋１とが配置され、これら配線の交叉部にメモリセル３３及びダイオード３４が配置される。なお、ダイオード３４とワード線（ＷＬ_ｉ等）との間には、図示しないバリア層が設けられてもよい。
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２２及び図２３に表したように、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２１に表したように、記録層２２、ヒータ層３５、及び保護層１３Ｂ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ＷＬ_ｉとメモリセル３３との間に配置される。なお、前述したように、ダイオード３４とワード線（ＷＬ_ｉ等）との間には、図示しないバリア層が設けられてもよい。

図２２及び図２３は、メモリセルアレイの他の具体例を表す模式図である。
図２２に表した具体例においては、Ｘ方向に延びたワード線ＷＬ_ｉ−１，ＷＬ_ｉ，ＷＬ_ｉ＋１の上下に、Ｙ方向に延びたビット線ＢＬ_ｊ−１，ＢＬ_ｊ，ＢＬ_ｊ＋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及びダイオード３４がそれぞれ配設されている。つまり、ワード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。なお、ダイオード３４とワード線（ＷＬ_ｉ等）との間、及びダイオード３４とビット線（ＢＬ（ｕ）_ｊ等）との間には、図示しないバリア層が設けられてもよい。

図２３に表した具体例においては、Ｙ方向に延びたビット線ＢＬ_ｊ−１，ＢＬ_ｊ，ＢＬ_ｊ＋１と、Ｘ方向に延びたワード線ＷＬ_ｉ−１，ＷＬ_ｉ，ＷＬ_ｉ＋１と、が交互に積層された構造となっている。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及びダイオード３４がそれぞれ配設されている。つまり、ビット線とワード線を、それらの上下のメモリセルで共有した構造とされている。なお、ダイオード３４とワード線（ＷＬ（ｄ）_ｉ等）との間、及び、ダイオード３４とビット線（ＢＬ（ｕ）_ｊ）との間、及びダイオード３４とワード線（ＷＬ（ｕ）_ｉ等）との間には、図示しないバリア層が設けられてもよい。
図２２及び図２３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。

次に、図１９〜図２１を参照しつつ図５〜図７に関して前述した記録層を用いた半導体メモリの記録／再生動作について説明する。
ここでは、図１９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。

（図５に関して前述した記録層を用いた場合）
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ＷＬ_ｉの電位がビット線ＢＬ_ｊの電位よりも相対的に低い状態を作る。ビット線ＢＬ_ｊを固定電位（例えば、接地電位）とすれば、ワード線ＷＬ_ｉ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、Ａ１イオンの一部がワード線（陰極）ＷＬ_ｉ側に移動し、結晶内のＡイオンがＸイオンに対して相対的に減少する。また、ワード線ＷＬ_ｉ側に移動したＡイオンは、ワード線ＷＬ_ｉ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、Ｘイオンが過剰となり、結果的に、結晶内におけるＡイオンあるいはＭイオンの価数を上昇させる。つまり、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。

なお、記録時には、非選択のワード線ＷＬ_ｉ−１，ＷＬ_ｉ＋１及び非選択のビット線ＢＬ_ｊ−１，ＢＬ_ｊ＋１については、全て同電位にバイアスしておくことが望ましい。
また、記録前のスタンバイ時には、全てのワード線ＷＬ_ｉ−１，ＷＬ_ｉ，ＷＬ_ｉ＋１及び全てのビット線ＢＬ_ｊ−１，ＢＬ_ｊ，ＢＬ_ｊ＋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ＷＬ_ｉの電位がビット線ＢＬ_ｊ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。

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。ただし、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ＢＬ_ｊ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、１０^３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。

（図６及び図７に関して前述した記録層を用いた場合）
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ＷＬ_ｉの電位をビット線ＢＬ_ｊの電位よりも相対的に低くする。ビット線ＢＬ_ｊを固定電位（例えば、接地電位）とすれば、ワード線ＷＬ_ｉ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、第１化合物内の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ＡイオンあるいはＭ２イオンの価数が減少し、第１化合物内のＡイオンあるいはＭ１イオンの価数が増加する。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。

なお、記録時には、非選択のワード線ＷＬ_ｉ−１，ＷＬ_ｉ＋１及び非選択のビット線ＢＬ_ｊ−１，ＢＬ_ｊ＋１については、全て同電位にバイアスしておくことが望ましい。
また、記録前のスタンバイ時には、全てのワード線ＷＬ_ｉ−１，ＷＬ_ｉ，ＷＬ_ｉ＋１及び全てのビット線ＢＬ_ｊ−１，ＢＬ_ｊ，ＢＬ_ｊ＋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ＷＬ_ｉの電位がビット線ＢＬ_ｊ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。

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。ただし、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ＢＬ_ｊ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、１０^３以上を確保できる。

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、Ａ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。

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。

本実施形態において、記録層２２の側面は、ダイオード３４及びヒータ層３５の少なくとも１つ、具体例には、ヒータ層３５と接しない。これにより、本実施形態の情報記録再生装置は、第１の実施形態に関して前述した効果を有する。すなわち、本実施形態の情報記録再生装置は、リーク電流を防ぎ、消費電力を低減させるとともに、結晶構造や組成などの変化に起因する抵抗変化特性の変化やばらつきを低減し、セル間で動作特性が比較的均一な情報記録再生装置を実現化する。

このように、本実施形態の例によれば、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。したがって、本実施形態の例は、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。

なお、本実施形態の例は、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、本実施形態の例は、成膜された直後の状態を初期状態として、セット、リセットを定義したが、セット、リセットの定義は任意のものであり、本実施形態の例に限定されるものではない。さらに、上述の実施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、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明によれば、低消費電力で安定動作可能な不揮発性の情報記録再生装置が提供される。

Claims (10)

1. 第１の層と、
   第２の層と、
   前記第１の層と前記第２の層との間に狭持され、前記第１の層と前記第２の層とを介して供給される電流により、抵抗が低い第１の状態と抵抗が高い第２の状態との間を可逆的に遷移可能な記録層と、
   を備え、
   前記記録層の側面は、前記第１及び第２の層の少なくともいずれかと接していないことを特徴とする情報記録再生装置。
2. 前記記録層は、その主面に対して平行な断面が前記第１及び第２の層のいずれかに近づくにつれて大きくなるテーパ形状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。
3. 前記記録層の前記側面は、前記記録層の主面に対して傾斜した部分を有す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。
4. 前記記録層は、前記第１の層に接続された第１の主面と、前記第２の層に接続された第２の主面と、を有し、
   前記第１及び第２の主面の少なくともいずれかは、前記第１及び第２の層のいずれかに接続された接続部と、前記接続部を取り囲みその周囲に延在した延在部と、を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の情報記録再生装置。
5. 前記記録層は、前記第１及び第２の層のいずれかの側面を覆うように延在してなることを特徴とする請求項１記載の情報記録再生装置。
6. 前記第１の層の幅と前記第２の層の幅とが異なることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の情報記録再生装置。
7. 前記第１の層は整流素子を含み、前記第１の層の幅は、前記第２の層の幅よりも大きいことを特徴とする請求項６記載の情報記録再生装置。
8. 前記記録層は、少なくとも２種類の陽イオン元素を有する複合化合物であって、前記陽イオン元素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、隣接する前記陽イオン元素間の最短距離は０．３２ｎｍ以下である第１化合物を含む第１化合物層を有す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。
9. 前記第１化合物は、Ａ_ｘＭ_ｙＸ_４（０．１≦ｘ≦２．２、１．５≦ｙ≦２）で表されるスピネル構造、Ａ_ｘＭ_ｙＸ_２（０．１≦ｘ≦１．１、０．９≦ｙ≦１．１）で表されるデラフォサイト構造、Ａ_ｘＭ_ｙＸ_４（０．５≦ｘ≦１．１、０．７≦ｙ≦１．１）で表されるウルフラマイト構造、及びＡ_ｘＭ_ｙＸ_３（０．５≦ｘ≦１．１、０．９≦ｙ≦１）で表されるイルメナイト構造のいずれか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。
10. 前記記録層は、前記第１化合物層に接して設けられた第２化合物層をさらに有し、
    前記第２化合物層は、前記陽イオンを収容可能な空隙サイトを有することを特徴とする請求項８または９に記載の情報記録再生装置。

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