JPWO2009122570A1 - 情報記録再生装置 - Google Patents

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Abstract

第１の層と、第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に挟持された記録層と、を備え、前記記録層は、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、結晶状態と非晶質状態との間を可逆的に遷移可能な相変化物質と、前記相変化物質に接して設けられ、前記相変化物質の前記結晶状態と略同一の結晶構造を有する結晶核物質と前記結晶核物質の表面に設けられ前記結晶核物質とは異なる組成を有する結晶核被膜とを有する結晶核と、を有することを特徴とする情報記録再生装置が提供される。高記録密度かつ低消費電力で、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。その１つとして、相変化型不揮発性記憶装置（相変化メモリ）（ＰＣＲＡＭ：Phase-Change Random Access Memory）が検討されている。相変化型不揮発性記憶装置は、相変化膜に電界パルスを印加することによって相変化膜が結晶状態と非晶質状態との間で変化するという特性を利用する不揮発性記憶装置である。相変化膜において高抵抗状態（非晶質状態、オフ）と低抵抗状態（結晶状態、オン）とを可逆的に変換することによって、情報が書き換え可能なように、かつ、電源を切っても情報が消えないように記憶される。相変化膜の高抵抗及び低抵抗の状態がそれぞれ安定であるため、不揮発性が実現される。読出しに関しては、記録材料に、書込み／消去が起こらない程度の小さな読出し電流を流し、記録材料の電気抵抗を測定することにより行う。
この相変化型不揮発性記憶装置については、書込み等の動作速度をさらに向上させるのが望ましい。これについて、下部電極と、上部電極と、下部電極と上部電極との間に設けられた相変化材料を含む記録層及び記録層の相変化をブロック可能なブロック層とを備える不揮発性メモリ素子が報告されている（特許文献１）。この文献には、記録層の相変化をブロック可能なブロック層を有していることから、上部電極への放熱が抑制されるとともに、書き込み電流を印加した場合の相変化領域が大きく制限される旨、また、その結果、高い発熱効率を得ることが可能となり、これにより、従来よりも書き込み電流を低減することができるだけでなく、書き込み速度を高めることも可能となる旨、記載されている。
特開２００７−１９４５８６号公報
本発明は、高速動作が可能で低消費電力の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の層との間に挟持された記録層と、を備え、前記記録層は、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、結晶状態と非晶質状態との間を可逆的に遷移可能な相変化物質と、前記相変化物質に接して設けられ、前記相変化物質の前記結晶状態と略同一の結晶構造を有する結晶核物質と前記結晶核物質の表面に設けられ前記結晶核物質とは異なる組成を有する結晶核被膜とを有する結晶核と、を有することを特徴とする情報記録再生装置が提供される。
高記録密度かつ低消費電力で、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。
本発明の実施形態に係る情報記録再生装置の一例（具体例１）を表す模式断面図である。 積層構造の別の一例を表す模式断面図である。 本具体例と対比される比較例に係る情報記録再生装置を表す模式断面図である。 記録層１２の加熱のメカニズムを表す模式断面図である。 本実施形態の記録部の一例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。 具体例２に係る情報記録再生装置を表す模式断面図である。 具体例３に係る情報記録再生装置を表す模式断面図である。 結晶核粒子１２Ｂの各粒子の大きさが異なる場合に特有の効果を表すための模式断面図である。 本実施形態に係る情報記録再生装置の製造方法を表す模式工程断面図である。 本実施形態に係る情報記録再生装置の製造方法を表す模式工程断面図である。 本実施形態に係る情報記録再生装置の製造方法を表す模式工程断面図である。 本実施形態の記録部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１２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。 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。 本発明の実施形態に係るプローブメモリを表す模式図である。 本発明の実施形態に係るプローブメモリを表す模式図である。 記録（セット動作）時の状態を説明するための概念図である。 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。 ＮＡＮＤセルユニットの回路図である。 本発明の実施形態に係るＮＡＮＤセルユニットの構造を表す模式図である。 通常のＭＩＳトランジスタを用いた具体例を表す模式図である。 ＮＡＮＤ型フラッシュメモリの変形例を表す模式図である。 ＮＯＲセルユニットの回路図である。 本発明の実施形態に係るＮＯＲセルユニットの構造を表す模式図である。 ２トランジスタ型セルユニットの回路図である。 本発明の実施形態に係る２トラセルユニットの構造を表す模式図である。 通常のＭＩＳトランジスタを用いた具体例を表す模式図である。
符号の説明
５ 基板
６ 第１の配線
８ 整流素子
１１ 電極層
１２ 記録層
１２Ａ 相変化物質
１２Ｂ 結晶核、結晶核粒子
１２Ｂｍ 結晶核材料層
１２ｃ 結晶核被膜
１２ｎ 結晶核物質
１２ｐ 電流通路
１３ 電極層（保護層）
１３Ｂ 保護層
１５ 第２の配線
１６ 素子間絶縁層
１７ マスク材
１８ マスク材
１８ａ マスク材
１８ｂ マスク材
１９ マスク材
２０ 基板
２１ 電極層
２２ 記録層
２３ 基板
２４ プローブ
２５，２６ マルチプレクスドライバ
２７ 記録ビット
３０ 半導体チップ
３１ デコーダ
３２ 読み出し回路
３３ メモリセル
３４ ダイオード
３５ ヒータ層
４１ 半導体基板
４１ａ Ｐ型半導体基板
４１ｂ Ｎ型ウェル領域
４１ｃ Ｐ型ウェル領域
４２ Ｎ型拡散層
４３ ゲート絶縁層
４４ 記録層
４５ コントロールゲート電極
４７ Ｐ型半導体層
９０ セル形成領域
１５０ ドライバ
１６０ スキャナー
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。
図１は、本発明の実施形態に係る情報記録再生装置の一例（具体例１）を表す模式断面図である。
図１（ａ）は、具体例１の構成を表す模式断面図である。図１（ａ）に表したように、本具体例の情報記録再生装置は、第１の配線６と、第１の配線６の上に設けられた電極層（第１の層）１１と、電極層１１の主面の上に設けられた記録層１２（相変化層）と、記録層１２の主面の上に設けられた電極層（第２の層）１３と、電極層１３の上に設けられた第２の配線１５と、を備える。ここで、「主面」とは、電極層１１や、記録層１２、電極層１３などの積層方向（図１において上下方向）に対して垂直な面をいう。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。
記録層１２は、情報の記録を行うための層であり、電極層１１と電極層１３とを介して供給される電流により、抵抗の低い第１の状態と、抵抗の高い第２の状態との間を可逆的に遷移可能な層である。
本具体例においては、記録層１２は、結晶状態と非晶質状態との間を可逆的に遷移可能な相変化物質１２Ａと、相変化物質１２Ａを非晶質状態から結晶状態に遷移させるための結晶核１２Ｂとを有する。結晶核１２Ｂは粒子状である（以下、粒子状の結晶核１２Ｂを「結晶核粒子１２Ｂ」ということがある）。記録層１２の電極層１３との界面近傍には、結晶核粒子１２Ｂを含む層が形成されている。なお、図１では、結晶核粒子１２Ｂは電極層１３側に配置されているが、電極層１１側に配置されていてもよい。
結晶核粒子１２Ｂは、相変化物質１２Ａの結晶化に際して結晶核となる粒子であり、ナノメートルオーダーの大きさの結晶粒子（いわゆるナノ結晶粒子）を含む。結晶核粒子１２Ｂは、融点が比較的高く、相変化物質１２Ａの状態（結晶状態または非晶質状態）にかかわらず、常に結晶状態に保持される。
なお、本願明細書において、「結晶」とは、完全な結晶のみを意味するものではなく、欠陥を含む単結晶及び多結晶状態を包含する。一方、「非晶質」とは、完全に無秩序な原子配列を有するもののみを意味するものではなく、短範囲の周期構造を有するものや、無秩序なマトリックス中に微細な結晶粒を含むようなものも「非晶質」に含むものとする。
図１（ｂ）は、結晶核粒子１２Ｂの近傍を拡大して表す模式断面図である。図１（ｂ）に表したように、結晶核粒子１２Ｂは、ナノ結晶粒子からなる結晶核物質１２ｎと、結晶核物質１２ｎの表面に設けられた結晶核被膜１２ｃとからなる。結晶核被膜１２ｃは、後述するように、結晶核物質１２ｎと相変化物質１２Ａとが溶融し合うことを防止し、結晶核物質１２ｎの結晶状態を保持するために設けられたものである。
ただし、結晶核被膜１２ｃが設けられず、結晶核物質１２ｎだけからなる結晶核粒子１２Ｂも本発明の範囲に包含される。後に詳述するように、結晶核物質１２ｎの材料として、相変化物質１２Ａよりも融点の高いものを用いた場合には、相変化物質１２Ａを非晶質化させるために溶融しても、結晶核物質１２ｎは溶融せずに結晶状態を維持させることが可能である。
また、結晶核物質１２ｎのサイズが小さくなると、その融点はバルク状態と比較して上昇する傾向がある。従って、結晶核物質１２ｎと相変化物質１２Ａを同一の材料により形成した場合であっても、相変化物質１２Ａを非晶質化させるために溶融しても、結晶核物質１２ｎは溶融せずに結晶状態を維持させることが可能である。
図２は、積層構造の別の一例を表す模式断面図である。
図２に表したように、第１の配線６と電極層１１との間に、整流素子８が設けられていてもよい。整流素子８には、例えば、ツェナーダイオード、ｐｎ接合ダイオード、及びショットキーダイオードの中から選択された任意のダイオードを用いることができる。あるいは、ＭＩＭ（Metal-Insulator-Metal）素子などの非オーミック素子を用いてもよい。また、第１の配線６と整流素子８との間にも、バリア層が設けられていてもよい。
また、消去動作時において記録層１２の加熱を効率よく行うために、電極層１１側または電極層１３側に、例えば抵抗率が約１０−５Ωｃｍ以上の材料からなるヒータ層３５を設けてもよい。
本情報記録再生装置が、後述するクロスポイント型セルアレイの構成を有する場合、第１の配線６を「ワード線」、第２の配線１５を「ビット線」とそれぞれ呼んでよく、またその逆に呼んでもよい。
電極層１１、１３は、記録層１２を構成する材料の拡散を防ぐバリア層としての機能も併せ持たせてもよい。このためには、例えば、ＭＮで示される材料が用いられる。Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、及びＴａの群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。
記録層１２の膜厚は、例えば、１０ｎｍ〜２０ｎｍであってよい。また、セル幅（主面方向の幅）については、任意に選択可能であるが、例えば４０ｎｍ以下であってよい。
次に、本具体例に係る記録層１２が有する効果について説明する。
書込みや消去などの動作時には、記録層１２において相変化が生じる。この相変化のうち、非晶質状態から結晶状態への変化は、まず結晶の核が生成し、その後この結晶核を基に結晶が成長することによって行われる。ここで、前者、すなわち結晶核形成が遅く、後者、すなわち結晶成長が速い材料（結晶核形成律速材料）と、前者（結晶核形成）が速く、後者（結晶成長）が遅い材料（結晶成長律速材料）とがある。結晶核形成律速材料としては、Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５に代表されるＧｅＳｂＴｅ材料、結晶成長律速材料としては、ＡｇＩｎＳｂＴｅ、ＧｅＳｂ、ＳｂＴｅなどが挙げられる。
図３は、本具体例と対比される比較例に係る情報記録再生装置を表す模式断面図である。図３に表したように、比較例に係る情報記録再生装置では、記録層１２（相変化層）中に結晶核粒子１２Ｂが存在しない。このため、結晶化の速度は、結晶核形成か結晶成長のどちらかで律速される。すなわち、非晶質状態から結晶状態への相変化に要する時間は比較的長い。
これに対して、本具体例に係る情報記録再生装置では、記録層１２（相変化層）中に、相変化物質１２Ａを結晶化するための結晶核としての機能を有する結晶核粒子１２Ｂが設けられている。このため、記録層１２として結晶成長が速い材料を用いると、記録層１２が非晶質状態から結晶状態に変化する際に、比較例において必要とされる結晶核生成段階が不要となり、結晶核粒子１２Ｂを基に結晶成長が速やかに進行する。
これにより、本具体例に係る情報記録再生装置では、非晶質状態から結晶状態への相変化に要する時間は比較的短くなる。すなわち、書込みあるいは消去の動作の速度が上昇する。また、少ない電流で結晶化がなされるため、消費電力が低減する。
この他、結晶核粒子１２Ｂが存在することにより、本具体例に係る情報記録再生装置は、（１）電流通路の断面積を低減することにより消費電力が低減化される、及び（２）相変化物質１２Ａが確実に結晶化されることにより動作の安定性が確保される、の効果も有する。
まず、（１）電流通路の断面積を低減することにより消費電力が低減化される点について、図４を参照しつつ説明する。図４は、記録層１２の加熱のメカニズムを表す模式断面図である。
記録層１２と電極層１３との電気的接続は、結晶核粒子１２Ｂと電極層１３とが接触する面によってなされる。仮に、結晶核粒子１２Ｂが完全な球形であれば、記録層１２と電極層１３は、複数の点（球状の結晶核粒子１２Ｂと電極層１３の界面との接点）によって接続される。このため、記録層１２が一様な界面を有する比較例の情報記録再生装置に比べ、電極層１３と記録層１２との間の界面における電流通路の断面積は小さい。
また、後述するように、複数の結晶核粒子１２Ｂの間に存在する空隙には、任意の材料を配置することができる。結晶核粒子１２Ｂよりも導電性の低い物質をこの空隙に配置した場合には、電極層１３と相変化物質１２Ａとの間の電流は、主に結晶核粒子１２Ｂと相変化物質１２Ａとの接点を介して流れることになる。
これらにより、本具体例の情報記録再生装置によれば、動作時及び待機時（非動作時）等において、記録層１２中の電流を低減することが可能となる。
加熱についても、図４に表したように、上述した電流経路に対応して、結晶核粒子１２Ｂと相変化物質１２Ａとの接点を介して局所的に行われる。このため、結晶核粒子１２Ｂと相変化物質１２Ａとの接点から加熱による結晶化が進行し、相変化物質１２Ａの全体に亘って円滑且つ迅速に結晶化させることが可能となる。
次に、（２）相変化物質１２Ａが確実に結晶化されることにより動作の安定性が確保される点について説明する。
結晶核粒子１２Ｂを設けることにより、動作電圧を印加した時に相変化物質１２Ａは確実且つ迅速に結晶化される。このため、結晶核を持たない比較例の情報記録再生装置に比べて、書込み等が不完全になる可能性を低減できる。また、結晶核粒子１２Ｂの各粒子の大きさを適宜選択し、それらを所定の配置で設けることことにより、相変化物質１２Ａの全体をより確実且つ迅速に結晶化できる。このように、本具体例に係る情報記録再生装置によれば、動作の安定性が確保される。
次に、結晶核粒子１２Ｂの構造、材料、及び製造方法について説明する。
結晶核粒子１２Ｂは、ナノ結晶粒子からなる結晶核物質１２ｎからなる。あるいは、結晶核物質１２ｎの表面に結晶核被膜１２ｃを設けてもよい。結晶核粒子１２Ｂの各粒子は、相変化物質１２Ａを容易に結晶化させる観点から、概ね同じ大きさであってよく、またこれら粒子は等間隔で存在してよい。結晶核粒子１２Ｂの粒径については、結晶化温度及び融点を高くする観点から、比較的微小であることが好ましい。具体的には、２０ｎｍ程度以下が好ましく、１０ｎｍ程度以下がより好ましく、５ｎｍ以下がさらに好ましい。一方、結晶核粒子１２Ｂのサイズが小さくなりすぎると、均一なサイズ分布を得ることが難しいため、結晶核粒子１２Ｂは２ｎｍより大きいことが好ましい。また、良好な熱伝導を確保するためには、結晶核粒子１２Ｂはメモリセルに対して１／３程度以下の大きさであることが好ましい。たとえば、メモリセルのサイズが３０ｎｍ程度の場合には、結晶核粒子１２Ｂのサイズは１０ｎｍ程度以下であることが好ましい。
複数の結晶核粒子１２Ｂの間に存在する空隙には、任意の材料を配置させることができる。たとえば、相変化物質１２Ａと同じ組成からなる材料、結晶核物質１２ｎと同じ祖組成からなる材料、またはこれらとは異なる組成からなる相変化材料や、あるいは、任意の酸化物材料や窒化物材料などが挙げられる。
次に、結晶核物質１２ｎについて説明する。
結晶核物質１２ｎは、ナノ結晶粒子からなる。この材料としては、相変化物質１２Ａと同じ材料であってよく、また異なる材料であってもよい。具体的には、例えばゲルマニウムなどの半導体が挙げられる。結晶構造については、結晶核粒子１２Ｂが相変化物質１２Ａの結晶化に際して結晶核の機能を発揮するという要請から、結晶核物質１２ｎと相変化物質１２Ａの結晶構造は同じか、または近似しているのが好ましい。また、格子定数についても、結晶化物質１２ｎを構成する材料の格子定数は、相変化物質１２Ａを構成する材料の格子定数と同一または近似していることが望ましい。
一方、相変化物質１２Ａの材料よりも融点の高い材料により結晶核物質１２ｎを形成すれば、相変化物質１２Ａが溶融した状態でも、結晶核物質１２ｎの結晶状態を維持することがより確実となる。
ナノ結晶粒子からなる結晶核物質１２ｎの製造方法としては、例えば、下地の上に記録層１２を形成する際に、結晶核物質１２ｎの材料を下地の表面に供給し、アイランド状に核生成した状態で堆積を一旦停止させる方法がある。その後、アニールなどの処理を施してもよい。このようにすれば、下地の表面にナノ結晶粒子からなる結晶核物質１２ｎを形成することが可能である。また、この後、例えば窒素や酸素雰囲気などに晒して、結晶核物質１２ｎの表面に結晶核被膜１２ｃを形成することも可能である。
また、ナノ結晶粒子からなる結晶核物質１２ｎの製造方法としては、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ：Self-assembled Monolayer）を用いた方法も挙げられる（増田佳丈 Yoshitake Masuda、ナノ学会会報 Vol.5 No.2、http://staff.aist.go.jp/masuda-y/link/review_nano_2006.pdf）。所望の構造を有する官能基により表面置換したＳＡＭを型板（テンプレート）として用いて、材料溶液をＳＡＭ表面に滴下し所要の処理を行うことにより、ＳＡＭ表面に微小なナノ結晶粒子からなる結晶核物質１２ｎを形成することができる。
あるいは、次の方法によってもナノ結晶粒子からなる結晶核物質１２ｎを得ることができる。まず、相変化物質１２Ａ中の所望の場所（結晶核物質１２ｎを形成する場所）に窒素を添加して、記録層１２を成膜する。その後、アニール処理を行う。窒素が多い領域では、窒素の存在によって結晶成長が妨げられ、粒径の小さなナノ結晶粒子からなる結晶核物質１２ｎが形成される。また、窒素の存在により、結晶核物質１２ｎの表面は窒化され、結晶核被膜１２ｃも同時に形成される。
あるいは、図９〜図１１に関して後述する方法を用いてもよい。
次に、結晶核被膜１２ｃについて説明する。結晶核被膜１２ｃは、結晶核物質１２ｎの結晶状態を維持するために設けられるものである。
一般に、結晶粒子の大きさが小さくなると、その融点は高くなる傾向がある。本具体例では、結晶核粒子１２Ｂの大きさは、例えば１０ｎｍ〜２０ｎｍ程度と微小である。このため、結晶核粒子１２Ｂの融点はバルク状態と比較して高い。これにより、相変化物質１２Ａの大きさを適宜選択することにより、結晶核粒子１２Ｂの融点が相変化物質１２Ａの融点より高くなるようにすることが可能である。この結果として、相変化物質１２Ａのみが相変化し、結晶核粒子１２Ｂは相変化しない（結晶状態を維持する）ような構成にすることができる。
しかしながら、一旦相変化物質１２Ａが結晶状態になれば、相変化物質１２Ａと結晶核粒子１２Ｂとは連続的に繋がるため、その後結晶状態から非晶質状態にするためにジュール熱を加えた時に、この熱によって相変化物質１２Ａと結晶核粒子１２Ｂとが溶融し合うことが考えられる。すなわち、相変化物質１２Ａのみならず結晶核粒子１２Ｂまでもが相変化し（非晶質状態になり）、結晶核粒子１２Ｂが結晶状態を維持することができなくなるという問題がある。
この問題は、図１（ｂ）に表したように、結晶核物質１２ｎの表面に結晶核被膜１２ｃを設けることによって解消される。結晶核被膜１２ｃにより、結晶核粒子１２Ｂの内部（結晶核物質１２ｎ）は保護され、相変化物質１２Ａと結晶核粒子１２Ｂとが溶融し合うことは回避される。これにより、前述した相変化物質１２Ａと結晶核粒子１２Ｂとの間での融点の相違と相まって、結晶核粒子１２Ｂの結晶状態は維持され得る。
結晶核被膜１２ｃは、例えば、結晶核物質１２ｎの表面を窒化処理することによって得ることができる。例えば、結晶核物質１２ｎがゲルマニウムの場合、結晶核被膜１２ｃは窒化ゲルマニウム（ＧｅＮ）である。
また、結晶核粒子１２Ｂからなる層と相変化物質１２Ａとの界面には、窒素が多く含有された領域を設けてもよい。この窒素含有領域では、相変化物質１２Ａ内のゲルマニウムや結晶核粒子１２Ｂ内のゲルマニウムは、窒素と優先的に反応する。この結果、窒素−ゲルマニウム（ＧｅＮ）結合が形成され、それ以外の結合は生じにくくなる。このため、相変化物質１２Ａの相変化を繰り返した場合にも、相変化物質１２Ａと結晶核粒子１２Ｂの溶融が生じにくくなる。
一方、結晶核被膜１２ｃは、必ずしも窒化物などの明確なものでなく、結晶核物質１２ｎの表面に形成された変性層あるいは変質層のようなものでもよい。例えば、結晶核被膜１２ｃの表面を微量の酸素あるいはその他の雰囲気に晒したり、プラズマに晒すことにより、結晶核被膜１２ｃの表面が清浄表面ではなく、異種元素が吸着した表面が形成される。このような表面は、相変化物質１２Ａが溶融した時に、結晶核物質１２ｎが一緒に溶融して一体化することを防止する。また、このような表面は、結晶核物質１２ｎを区画するため、相変化物質１２Ａが結晶化した場合も、結晶核物質１２ｎと相変化物質１２Ａとが一体化してしまうことを防止する。つまり、結晶核物質１２ｎの表面が清浄表面でない場合、このような表面は、結晶核被膜１２ｃとして作用する。
なお、後述するように、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｒなどの酸化物を意図的に結晶核被膜１２ｃとして用いると、結晶核物質１２ｎの溶融をより抑制することができる。
次に、本実施形態に適用し得る記録部の構造について、図５を参照しつつ説明する。
図５は、本実施形態の記録部の一例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５（ａ）に表したように、本具体例の記録部は、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、電圧を印加することによって結晶状態と非晶質状態との間で変化する材料を含む相変化層であり、相変化物質１２Ａと結晶核粒子１２Ｂとを有する。相変化物質１２Ａの材料としては、具体例には、カルコゲナイド系材料が挙げられる。カルコゲナイドとは、Ｓｅ、Ｔｅ等の１６族元素を含む化合物の総称であり、１６族元素がカルコゲンと呼ばれることに由来する。具体例な材料としては、例えばＳｅまたはＴｅを含むものが挙げられ、より詳細には、Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５、ＧｅＳｂＴｅ、ＳｂＴｅ、ＡｓＳｂＴｅ、ＳｅＳｂＴｅ、ＡｇＩｎＳｂＴｅ、等が挙げられる。
上記材料の全部または一部には、窒素を導入してもよい。窒素を導入することにより、相変化温度は上昇し、相変化が生じにくくなる。このため、結晶状態または非晶質状態が安定化される。これにより、記録された情報が消えにくくなり、不揮発性がより確実に確保され得る。
次に、本具体例に係る記録部の記録、消去、及び再生動作のメカニズムについて説明する。
図５（ｂ）は、相変化物質１２Ａの材料となり得るカルコゲナイド、具体例にはＧｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５の非晶質状態の構造を表す模式図である。この場合、この化合物は４員環、６員環、８員環等の各種環からなる構造を有する。一方、図５（ｃ）は、Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５の結晶状態の構造を表す模式図である。この場合、この化合物は４員環、６員環、及び８員環の環のみからなる構造を有する。
相変化物質１２Ａに用いられるＧｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５等のカルコゲナイドは、熱を与えると相変化が生じ、低抵抗の結晶状態と高抵抗の非晶質状態との間で変化する。図５に表した具体例では、非晶質状態（図５（ｂ））が初期状態であり、これが結晶状態（図５（ｃ））に相変化すると書込みが行われることになる。逆に、結晶状態（図５（ｃ））から非晶質状態（図５（ｂ））に相変化すれば、書き込まれた情報が消去されることになる。なお、結晶状態（図５（ｃ））を初期状態とし、これが非晶質状態（図５（ｂ））に相変化すると書込みが行われるようなシステムとしてもよい。
記録層１２における情報の記録（書込み）は、記録層１２に電圧を印加して大電流パルスを流すことによって行われる。この時に発生するジュール熱により、相変化物質１２Ａは、結晶化温度以上に昇温される。この温度は、一定時間、例えば１μ秒よりも短い時間だけ保持される。その後、記録層１２（相変化物質１２Ａ）を徐冷し、結晶状態に相変化させる。これにより、情報が書き込まれる。
記録層１２の情報の消去は、記録層１２に大電流パルスを流し、この時に発生するジュール熱によって行う。このジュール熱により、相変化物質１２Ａは融点（Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５の場合、融点は６３３℃）以上に昇温される。その後、記録層１２（相変化物質１２Ａ）を、例えば１００ｎ秒よりも短い時間で急冷し、非晶質状態に相変化させる。これにより、情報が消去される。
記録層１２内の情報の再生は、記録層１２に電圧を印加して電流パルスを流し、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１２を構成する材料が相変化を生じない程度の微小な振幅とする。
次に、本実施形態の他の例（具体例２）について、図６を参照しつつ説明する。
図６は、具体例２に係る情報記録再生装置を表す模式断面図である。図６に表したように、具体例２でも、具体例１と同様に結晶核粒子１２Ｂは電極層１３との界面近傍に存在するが、具体例１と異なり、結晶核粒子１２Ｂは比較的疎らに存在している。すなわち、具体例１に比べて、結晶核粒子１２Ｂの密度は低い。この場合でも、結晶核粒子１２Ｂを基に相変化物質１２Ａの結晶成長は円滑に進行する。このため、書込みや消去などの動作の速度は高くなる。また、少ない電流で結晶化を行うことが可能となる。このため、具体例２に係る情報記録再生装置も、高速動作や消費電力の低減化の効果を有する。
さらに、結晶核粒子１２Ｂが存在することにより、動作電圧を印加した時に相変化物質１２Ａは確実に結晶化される。このため、書込み等が不完全になる可能性は著しく低減する。つまり、具体例２に係る情報記録再生装置も、動作の安定性が確保される。
次に、本実施形態の他の例（具体例３）について、図７を参照しつつ説明する。
図７は、具体例３に係る情報記録再生装置を表す模式断面図である。図７に表したように、具体例３では、結晶核粒子１２Ｂは電極層１１または電極層１３との界面付近に集中して存在するのでなく、記録層１２中に分散している。この場合でも、結晶核粒子１２Ｂを基に相変化物質１２Ａの結晶成長は容易に行われる。このため、書込みや消去などの動作の速度は高くなる。また、少ない電流で結晶化を行うことが可能となる。このため、具体例３に係る情報記録再生装置も、高速動作や消費電力の低減化の効果を有する。
さらに、結晶核粒子１２Ｂが存在することにより、動作電圧を印加した時に相変化物質１２Ａは確実に結晶化される。このため、書込み等が不完全になる可能性は低減する。また、結晶核粒子１２Ｂの各粒子の大きさを同等とし、各粒子を等間隔で存在させることにより、相変化物質１２Ａは比較的容易に結晶化されると。これらから、具体例３に係る情報記録再生装置も、動作の安定性が確保される。
次に、結晶核粒子１２Ｂの各粒子の大きさが異なる場合に特有の効果について、図８を参照しつつ説明する。結晶核粒子１２Ｂの各粒子の大きさが異なる場合には、次に説明する効果が発現される。
図８は、結晶核粒子１２Ｂの各粒子の大きさが異なる場合に特有の効果を表すための模式断面図である。ここでは、具体例３に係る情報記録再生装置を例に取り上げる。図示したように、本情報記録再生装置においては、結晶核粒子１２Ｂの各粒子の大きさは異なる。
非晶質状態の相変化物質１２Ａに電圧を印加して、相変化物質１２Ａを結晶状態に変換させる場合について説明する。ここで、相変化物質１２Ａの膜厚が結晶核粒子１２Ｂのサイズの例えば２〜５倍程度の場合、結晶核粒子１２Ｂの近傍における電流の流れやすさは、粒子の大きさによって異なる。結晶核粒子１２Ｂは結晶状態であり相変化物質１２Ａより抵抗率が低いため、結晶核粒子１２Ｂのサイズが大きいほど、この粒子の近傍は実効的な膜厚が小さくなり、この領域には電流が流れやすくなる。逆に、小さいサイズの結晶核粒子１２Ｂのみが存在する領域や、結晶核粒子１２Ｂが存在しない領域では、実効的な膜厚は大きくなり、この領域には電流が流れにくい。
このため、記録層１２に電流を流すと、電流は、比較的大きなサイズを有する結晶核粒子１２Ｂの近傍に優先的に流れる（図８（ａ）の電流通路１２ｐ）。さらに電流を流すと、別の比較的大きなサイズを有する結晶核粒子１２Ｂの近傍にも流れる（図８（ｂ）の電流通路１２ｐ）。すなわち、結晶核粒子１２Ｂのサイズを差別化することによって、記録層１２内で電流は主面内において選択的に（部分的に）流れることになる。
これにより、電流通路１２ｐの領域が加熱され、これら領域が相変化する（結晶状態になる）。この結果、記録層１２内に、電極層１１と電極層１３との間を繋ぐ低抵抗状態の通路が形成され、記録層１２は低抵抗状態となる。すなわち、スイッチングが完了する。また、スイッチングが完了した後においては、再生時及び待機時に、電流は限られた通路（電流通路１２ｐ）にのみ流れる。
以上から、結晶核粒子１２Ｂの各粒子の大きさが異なる場合は、動作時及び待機時（非動作時）等において、消費電力は大幅に低減化される。
さらに、結晶核粒子１２Ｂの各粒子の大きさが異なる構成にすることにより、次に説明するように、多値型の情報記録再生装置を得ることができる。
図８（ａ）のように記録層１２に電流を流した場合、１本の電流通路１２ｐの部分が結晶状態となる。一方、図８（ｂ）にように記録層１２に電流を流した場合は、２本の電流通路１２ｐの部分が結晶状態となる。この結果、スイッチング後においては、図８（ａ）に係る記録層１２と図８（ｂ）に係る記録層１２とでは、抵抗値が異なる。すなわち、記録層１２は、初期状態（非晶質状態）も含めて、合計３つの抵抗値を取り得る。さらに電流を流せば、別の電流通路１２ｐの部分も結晶化され、この結果記録層１２はさらに別の抵抗値も取り得る。このように、記録層１２は、論理的には極めて多くの抵抗値を取り得る。これら異なる抵抗値に別々のデータ「０」、「１」、「２」等を割り当てることにより、多値型の情報記録再生装置を得ることができる。
以上から、結晶核粒子１２Ｂの各粒子の大きさを異ならしめ、記録層１２に流す電流（印加する電圧）を適宜調節することにより、多値型の情報記録再生装置を得ることができる。
なお、ここでは具体例３に係る情報記録再生装置を例に取り上げたが、具体例１及び具体例２に係る情報記録再生装置についても同様に応用することができる。
（情報記録再生装置の製造方法）
次に、本実施形態に係る情報記録再生装置（セル部）の製造方法について、図９〜図１１を参照しつつ説明する。ここでは、具体例２に係る情報記録再生装置（図６）を上下反転した構造を有する情報記録再生装置の製造方法について説明する。
図９〜図１１は、本実施形態に係る情報記録再生装置の製造方法を表す模式工程断面図である。
まず、図９（ａ）に表したように、基板５の上に第２の配線１５を形成し、第２の配線１５の上にセル間を離間する素子間絶縁層１６を形成する。素子間絶縁層１６の材料としては、例えばＳｉＯ２などを用いることができる。
次に、図９（ｂ）に表したように、第２の配線１５と素子間絶縁層１６との界面深さまでエッチング加工を行い、セルとなる領域（セル形成領域９０）を形成する。
次に、図９（ｃ）に表したように、セル形成領域９０に、電極層１３、及び結晶核１２Ｂの材料からなる層（結晶核材料層１２Ｂｍ）を、下からこの順番で成膜する。成膜方法としては、例えばスパッタ法が挙げられる。その後、結晶核材料層１２Ｂｍの表面に窒化処理を施してもよい。
次に、結晶核材料層１２Ｂｍの上に、マスク材１７を形成する。マスク材１７の材料としては、例えばＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）を用いることができる。形成方法としては、例えばイオンビーム蒸着法が挙げられる。
その後、マスク材１７の上に、主面方向にナノメートルオーダーの大きさを有するマスク材１９を、次の要領で形成する。マスク材１９は、ナノメートルオーダーの結晶（ナノ結晶）からなる結晶核１２Ｂを作製するために形成されるものである。
まず、図９（ｃ）に表したように、マスク材１７の上に、マスク材１９の基礎（足がかり）となる層（マスク材１８）を形成する。マスク材１８の材料としては、一例として、ＰＳ（ポリスチレン）とＰ４ＶＰ（ポリ４−ビニルピリジン）のジブロックコポリマーを取り上げる。マスク材１８の形成方法としては、例えば、トルエンなどの溶媒を用いたスピンコート法が挙げられる。
次に、図１０（ａ）に表したように、この加工体を６０℃程度に加熱し、自己組織化によってＰＳとＰ４ＶＰとを分離する。この結果、マスク材１８は、ＰＳからなるマスク材１８ｂと、Ｐ４ＶＰからなるマスク材１８ａとに分離される。マスク材１８ａ及びマスク材１８ｂは、主面方向においてナノメートルオーダーの大きさを有する。
次に、マスク材１８を、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）と水の蒸気中にさらし、６５℃程度に保つ。この結果、図１０（ｂ）に表したように、マスク材１８ａの領域（Ｐ４ＶＰ領域）に選択的にＳｉＯ２の結晶が得られる。このＳｉＯ２結晶層が、主面方向にナノメートルオーダーの大きさを有するマスク材１９となる。
次に、図１０（ｃ）に表したように、マスク材１９をマスクとして、例えばＣＯ２などを用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）によってエッチングを行う。この結果、マスク材１８ｂの領域（ＰＳ領域）は、結晶核材料層１２Ｂｍとマスク材１７との界面深さまでエッチングされ、この領域において結晶核材料層１２Ｂｍが露出する。
次に、図１１（ａ）に表したように、イオンミリング（ion milling）を行い、セル形成領域９０のマスク材１８ａ領域においてマスク材１９及びマスク材１８ａを削り取り（この時、マスク材１７がマスクとして機能する）、またマスク材１８ｂ領域において結晶核材料層１２Ｂｍを削り取る。この結果、マスク材１８ａ領域においては、主面方向においてナノメートルオーダーの大きさを有する結晶核材料層１２Ｂｍが形成される。また、マスク材１８ｂ領域においては、電極層１３が露出する。
その後、図１１（ｂ）に表したように、加工体を２８０℃程度に加熱し、結晶核材料層１２Ｂｍの結晶化を行う。この結果、ナノ結晶からなる結晶核１２Ｂを得ることができる。なお、結晶化を行う前後で、結晶核材料層１２Ｂｍを窒化処理したり、結晶核材料層１２Ｂｍの表面にＨｆ、Ｔａ、Ｃｒなどの酸化物をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相堆積）により成膜するなどして、結晶核１２Ｂの表面に結晶核物質１２ｎの拡散を防止する結晶核被膜１２ｃを設けることができる。
その後、図１１（ｃ）に表したように、セル形成領域９０に、相変化物質１２Ａ及び電極層１１を、下からこの順番で形成し、さらにその後、平坦化処理を行う。その後、加工体の上に、第１の配線６を形成する。
なお、図示しないが、第１の配線６及び第２の配線１５を、これらが互いに交叉するようにパターニングすることができる。これにより、クロスポイント型の情報記録再生装置を得ることができる。この場合、図９（ｂ）に関して前述した工程において、セル形成領域９０を第１の方向に形成し、上記の方法で電極層１１までを形成した後（図１１（ｃ）に関して前述した工程の途中まで実施）、さらに次の工程を実施する。まず、第１の方向と交叉する第２の方向に、基板５と第２の配線１５との界面深さまでエッチングを行う。次に、エッチングにより生じた空間に、例えばＣＶＤにより素子間絶縁層１６を形成する。次に、加工体の上に第１の配線６を一様に堆積する。次に、第１の方向に、電極層１１と第１の配線６との界面深さまでエッチングを行う。この時、第１の配線６がセル形成領域９０の上を通るようにエッチングする。その後、エッチングにより生じた空間に、例えばＣＶＤにより素子間絶縁層１６を形成する。
このようにして、具体例２に係る情報記録再生装置（図６）を上下反転した構造を有する情報記録再生装置セルを得ることができる。
以下、本実施形態に係る情報記録再生装置の応用例について説明する。
本実施形態に係る記録部を、半導体メモリに適用した場合、プローブメモリに適用した場合、及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。
（半導体メモリ）
まず、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１２は、本実施形態の記録部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。
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１３は、図１２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、ワード線ＷＬｉ−１，ＷＬｉ，ＷＬｉ＋１とビット線ＢＬｊ−１，ＢＬｊ，ＢＬｊ＋１が配置され、これら配線の交叉部にメモリセル３３と、ダイオード３４と、が配置される。なお、ダイオード３４とワード線（ＷＬｉ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１４及び図１５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。
本実施形態の記録層を有するメモリセル３３は、例えば、図１や図２に表したような積層構造（記録層、電極層、保護層、ヒータ層等）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ＷＬｉ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（ＷＬｉ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１４及び図１５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１４に表した具体例においては、Ｙ方向に延びたビット線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。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（ＢＬｊ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１５に表した具体例においては、Ｙ方向に延びたビット線ＢＬｊ−１，ＢＬｊ，ＢＬｊ＋１と、Ｘ方向に延びたワード線ＷＬｉ−１，ＷＬｉ，ＷＬｉ＋１と、が交互に積層された構造を有する。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、ダイオード３４とビット線（ＢＬ（ｄ）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。
次に、本実施形態の記録層を用いた半導体メモリの記録／再生動作について、図１２及び図１３を参照しつつ説明する。
ここでは、図１２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、記録層の結晶化）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内に長いパルス幅をもつ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。この結果、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。セット動作では、記録層が結晶化するために十分な長さをもつ電流パルスを用いる。
なお、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。
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を構成する材料が相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。
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において相変化を生じさせることにより行う。
このように、本具体例のクロスポイント型不揮発性記憶装置は、各セルの記憶部に個別にＭＯＳトランジスタを接続する必要がないこと、また多層化が可能であること、から、高集積化に有利である。
メモリセル３３内の記録層に結晶核１２Ｂを有する本実施形態の記録層１２を用いることにより、前述した効果が発現される。すなわち、結晶核１２Ｂにより速やかに相変化がなされ、動作速度が向上するため、より短い電流パルスでの記録が可能となる。また、消費電力が低減され、さらに、相変化物質１２Ａが確実に結晶化されることにより動作の安定性が確保される。また、結晶核粒子１２Ｂの大きさを適宜制御することにより、多値型の情報記録再生装置を実現することができる。
（プローブメモリ）
次に、プローブメモリに適用した場合について説明する。
図１６及び図１７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１６０上には、本実施形態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。
プローブアレイは、基板２３と、基板２３の一面側にアレイ状に配置される複数のプローブ（ヘッド）２４と、を有する。複数のプローブ２４の各々は、例えば、カンチレバーから構成され、マルチプレクスドライバ２５，２６により駆動される。
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。
まず、マルチプレクスドライバ２５，２６を用いて、全てのプローブ２４をＸ方向に一定周期で往復動作させ、記録媒体のサーボエリアからＹ方向の位置情報を読み出す。Ｙ方向の位置情報は、ドライバ１５０に転送される。
ドライバ１５０は、この位置情報に基づいてＸＹスキャナー１６０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。
記録媒体は、例えば、基板２０と、基板２０上の電極層２１と、電極層２１上の記録層２２とから構成される。
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。
サーボエリア内には、サーボバースト信号が記録される。サーボバースト信号は、データエリア内のＹ方向の位置情報を示している。
記録層２２内には、これらの情報の他に、さらに、アドレスデータが記録されるアドレスエリア及び同期をとるためのプリアンブルエリアが配置される。
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。
本例では、１つのデータエリアに対応して１つのプローブ（ヘッド）が設けられ、１つのサーボエリアに対して１つのプローブが設けられる。
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。
次に、このプローブメモリの記録／再生動作について説明する。
図１８は、記録（セット動作）時の状態を説明するための概念図である。
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。
セット動作は、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、長いパルス幅をもつ電流／電圧パルスを記録ビット２７に与えればよい。これには、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か、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。セット動作では、記録層が結晶化するために十分な長さをもつ電流パルスを用いる。
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。
この結果、記録ビット２７は、相変化によって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。
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（電流パルス）をプローブ２４から記録ビット２７に流し、センスアンプＳ／Ａにより記録ビット２７の抵抗値を測定する。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（リセット）動作に関しては、記録層２２の記録ビット２７を大電流パルスによりジュール加熱して、記録ビット２７における相変化を生じさせることにより行う。
本実施形態に係る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。
記録層２２に結晶核１２Ｂを有する本実施形態の記録層１２を用いることにより、前述した効果が発現される。すなわち、結晶核１２Ｂにより速やかに相変化がなされ、動作速度が向上するため、より短い電流パルスでの記録が可能となる。また、消費電力が低減され、さらに、相変化物質１２Ａが確実に結晶化されることにより動作の安定性が確保される。また、結晶核粒子１２Ｂの大きさを適宜制御することにより、多値型の情報記録再生装置を実現することができる。
（フラッシュメモリ）
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１９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の表面領域には、拡散層４２が形成される。拡散層４２の間のチャネル領域上には、ゲート絶縁層４３が形成される。ゲート絶縁層４３上には、本実施形態の記録部４４（記録層（ＰＣＲＡＭ）及び上下電極層）が形成される。記録部４４上には、コントロールゲート電極４５が形成される。
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。
図１９を参照しつつ、その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。
電位Ｖ１，Ｖ２の差は、記録部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及び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、記録部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。
この状態から電位Ｖ１，Ｖ２を与えて記録部４４を導電体（抵抗小）に変化させると、実質的にゲート絶縁層４３が薄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、低くなる。
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。
リセット（消去）動作は、コントロールゲート電極４５に電位Ｖ１’を与え、拡散層４２の一方に電位Ｖ３を与え、拡散層４２の他方に電位Ｖ４（＜Ｖ３）を与えることにより実行する。
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を介して記録部４４に注入されるため、記録部４４の温度が上昇する。
これにより、記録部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。
（ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ）
図２０は、ＮＡＮＤセルユニットの回路図である。
また、図２１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。
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ＮＡＮＤセルユニットが形成される。
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上の記録部４４（記録層（ＰＣＲＡＭ）及び上下電極層）と、記録部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の記録部４４の状態（絶縁体／導電体）は、上述した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の記録部４４は、セット状態、すなわち、導電体（抵抗小）に固定される。
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）動作前には、ＮＡＮＤセルユニット内の全てのメモリセルは、リセット状態（抵抗大）になっているものとする。
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。
ソース線ＳＬ側のセレクトゲートトランジスタＳＴをオフ、ビット線ＢＬ側のセレクトゲートトランジスタＳＴをオンにし、ビット線ＢＬから選択されたメモリセルＭＣのチャネル領域にプログラムデータを転送する。
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の記録部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の記録部４４の抵抗値を高い状態から低い状態に変化させる。
リセット（消去）動作では、例えば、全てのワード線（コントロールゲート電極）ＷＬにＶ１’を与え、ＮＡＮＤセルユニット内の全てのメモリセルＭＣをオンにする。また、２つのセレクトゲートトランジスタＳＴをオンにし、ビット線ＢＬにＶ３を与え、ソース線ＳＬにＶ４（＜Ｖ３）を与える。
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の記録部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。
読み出し動作は、選択されたワード線（コントロールゲート電極）ＷＬに読み出し電位（プラス電位）を与え、非選択のワード線（コントロールゲート電極）ＷＬには、メモリセルＭＣがデータ“０”、“１”によらず必ずオンになる電位を与える。
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。
なお、図２１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２２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、記録部を形成せずに、通常のＭＩＳトランジスタとすることも可能である。
図２３は、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリの変形例を表す模式図である。
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。
セット（書き込み）時には、選択されたメモリセルＭＣのコントロールゲート電極４５にプラスの書き込み電位（例えば、３．５Ｖ）を与え、かつ、非選択のメモリセルＭＣのコントロールゲート電極４５にプラスの転送電位（例えば、１Ｖ）を与える。
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。
そこで、上述したように、ビット線ＢＬ側のセレクトゲートトランジスタＳＴをオンにし、ビット線ＢＬから選択されたメモリセルＭＣのチャネル領域にプログラムデータ“０”を転送すれば、セット動作を行うことができる。
リセット（消去）は、例えば、全てのコントロールゲート電極４５にマイナスの消去電位（例えば、−３．５Ｖ）を与え、Ｐ型ウェル領域４１ｃ及びＰ型半導体層４７に接地電位（０Ｖ）を与えれば、ＮＡＮＤストリングを構成する全てのメモリセルＭＣに対して一括して行うことができる。
読み出し時には、選択されたメモリセルＭＣのコントロールゲート電極４５にプラスの読み出し電位（例えば、０．５Ｖ）を与え、かつ、非選択のメモリセルＭＣのコントロールゲート電極４５に、メモリセルＭＣがデータ“０”、“１”によらず必ずオンになる転送電位（例えば、１Ｖ）を与える。
ただし、“１”状態のメモリセルＭＣの閾値電圧Ｖｔｈ”１”は、０Ｖ＜Ｖｔｈ”１”＜０．５Ｖの範囲内にあるものとし、“０”状態のメモリセルＭＣの閾値電圧Ｖｔｈ”０”は、０．５Ｖ＜Ｖｔｈ”０”＜１Ｖの範囲内にあるものとする。
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。
なお、この変形例においては、Ｐ型半導体層４７のホールドープ量がＰ型ウェル領域４１ｃのそれよりも多く、かつ、Ｐ型半導体層４７のフェルミレベルがＰ型ウェル領域４１ｃのそれよりも０．５Ｖ程度深くなっていることが望ましい。
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の記録部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。
（ＮＯＲ型フラッシュメモリ）
図２４は、ＮＯＲセルユニットの回路図である。
また、図２５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。
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が形成されている。Ｐ型ウェル領域４１ｃ内に、本実施形態の例に係るＮＯＲセルが形成されている。
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上の記録部４４（記録層（ＰＣＲＡＭ）及び上下電極層）と、記録部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の記録部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。
（２トランジスタ型フラッシュメモリ）
図２６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２７は、本実施形態に係る２トラセルユニットの構造を表す模式図である。
２トランジスタ型セルユニットは、ＮＡＮＤセルユニットの特徴とＮＯＲセルの特徴とを併せ持った新たなセル構造として最近開発されたものである。
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。
２トランジスタ型セルユニットは、直列接続される１つのメモリセルＭＣと１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上の記録部（記録層（ＰＣＲＡＭ）及び上下電極層）と、記録部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の記録部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の記録部４４は、セット状態、すなわち、導電体（抵抗小）に固定される。
セレクトゲートトランジスタＳＴは、ソース線ＳＬに接続され、メモリセルＭＣは、ビット線ＢＬに接続される。
メモリセルＭＣの記録部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２７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２８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、記録部を形成せずに、通常のＭＩＳトランジスタとすることも可能である。
上記以外にも、本実施形態で提案する材料及び原理を、現在のハードディスクやＤＶＤなどの記録媒体に適用することも可能である。
記録層４４に結晶核１２Ｂを有する本実施形態の記録層１２を用いることにより、前述した効果が発現される。すなわち、結晶核１２Ｂにより速やかに相変化がなされ、動作速度が向上するとともに、消費電力が低減され、さらに、相変化物質１２Ａが確実に結晶化されることにより動作の安定性が確保される。また、結晶核粒子１２Ｂの大きさを適宜制御することにより、多値型の情報記録再生装置を実現することができる。
以上説明したように、本発明の実施形態に係る情報記録再生装置によれば、記録層に結晶核１２Ｂを有する本実施形態の記録層１２を用いることにより、動作速度が向上するとともに消費電力が低減され、さらに、動作の安定性が確保される。また、結晶核粒子１２Ｂの大きさを適宜制御することにより、多値型の情報記録再生装置を実現することができる。
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、高記録密度かつ低消費電力で、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 (11)

  1. 第１の層と、
    第２の層と、
    前記第１の層と前記第２の層との間に挟持された記録層と、
    を備え、
    前記記録層は、
    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、結晶状態と非晶質状態との間を可逆的に遷移可能な相変化物質と、
    前記相変化物質に接して設けられ、前記相変化物質の前記結晶状態と略同一の結晶構造を有する結晶核物質と前記結晶核物質の表面に設けられ前記結晶核物質とは異なる組成を有する結晶核被膜とを有する結晶核と、
    を有することを特徴とする情報記録再生装置。
  2. 前記結晶核は、
    前記相変化物質が前記結晶状態においても前記非晶質状態においても結晶状態を維持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. 前記結晶核は、前記相変化物質の融点よりも高い融点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。
  4. 前記結晶核物質は、ゲルマニウムを含む材料から構成されることを特徴とする請求項１記載の情報記録再生装置。
  5. 前記結晶核被膜は、窒化ゲルマニウムを含む材料から構成され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. 前記結晶核は、前記第１の層及び前記第２の層の少なくともいずれかの近傍に設けられたことを特徴とする請求項１記載の情報記録再生装置。
  7. 前記結晶核は、粒子状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。
  8. 前記粒子状の結晶核の平均粒径は、１０ナノメートル以下であることを特徴とする請求項７記載の情報記録再生装置。
  9. 前記粒子状の結晶核の少なくとも２つは、異なる粒径を有することを特徴とする請求項７記載の情報記録再生装置。
  10. 第１の方向に延在する第１の配線と、
    前記第１の方向と交叉する第２の方向に延在する第２の配線と、
    をさらに備え、
    前記第１の層と前記第２の層と前記記録層とを含む積層体は、前記第１の配線と前記第２の配線とが交叉した部分において、前記第１の配線と前記第２の配線との間に接続され、前記第１及び第２の配線を介して前記電流が供給されることを特徴とする請求項１記載の情報記録再生装置。
  11. 請求項１０に記載の情報記録再生装置を前記第１の方向及び前記第２の方向に対して略垂直な方向に複数個積層してなることを特徴とする情報記録再生装置。
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