情報記録再生装置
【課題】本発明は、高記録密度及び低消費電力の不揮発性の情報記録再生装置を提供する。
【解決手段】本発明の一態様によれば、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の層を有する記録層と、前記記録層に電圧を印加して前記記録層に相変化を発生させて情報を記録する電圧印加部と、前記記録層に電圧を印加する電極層と、前記記録層と前記電極層との間に設けられ、前記記録層の配向を制御する配向制御層と、が設けられていることを特徴とする情報記録再生装置が提供される。
【解決手段】本発明の一態様によれば、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の層を有する記録層と、前記記録層に電圧を印加して前記記録層に相変化を発生させて情報を記録する電圧印加部と、前記記録層に電圧を印加する電極層と、前記記録層と前記電極層との間に設けられ、前記記録層の配向を制御する配向制御層と、が設けられていることを特徴とする情報記録再生装置が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高記録密度の情報記録再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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（オン）と結晶状態（オフ）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。
【０００４】
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。
【０００５】
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、１０３程度である。
【０００６】
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）。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。即ち、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。
【００１１】
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。
【００１２】
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）。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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）。
【特許文献１】特開２００５−２５２０６８号公報
【特許文献２】特開２００４−２３４７０７号公報
【非特許文献１】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)
【非特許文献２】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
【非特許文献３】A. Onoue, S. Hashimoto, Y. Chu, Mat. Sci. Eng. B120, 130(2005)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、高記録密度及び低消費電力の不揮発性の情報記録再生装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の一態様によれば、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の層を有する記録層と、前記記録層に電圧を印加して前記記録層に相変化を発生させて情報を記録する電圧印加部と、前記記録層に電圧を印加する電極層と、前記記録層と前記電極層との間に設けられ、前記記録層の配向を制御する配向制御層と、が設けられていることを特徴とする情報記録再生装置が提供される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、高記録密度及び低消費電力の不揮発性の情報記録再生装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の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。
【００２１】
（第１の実施の形態）
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、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、記録層１２と電極層１１との間に配向制御層１１Ａが設けられている。
【００２２】
記録層１２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、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。このような記録層は、例えば以下の材料が挙げられる。
【００２３】
例えば、ＡｘＭｙＸ４（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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
他には、例えば、ＡｘＭｙＸ２（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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
他には、例えば、ＡｘＭｙＸ４（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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
他には、例えば、ＡｘＭｙＸ３（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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
なお、ＡｘＭｙＸ４（０．１≦ｘ≦２．２、１．５≦ｙ≦２）で表されるスピネル構造と、ＡｘＭｙＸ２（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、ＡｘＭｙＸ４（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、ＡｘＭｙＸ３（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。
【００３６】
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。
【００３７】
図１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）を表し、大きな白丸は、Ｘイオン（例えば、陰イオン）を表す。また、小さな黒丸は、Ｍイオン（例えば、母体イオン）を表す。
【００３８】
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。
【００３９】
まず、例えば、電極層１３Ａ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１３Ａに負の電位を与えればよい。
【００４０】
この時、記録層１２内のＡイオンの一部が電極層（陰極）１３Ａ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１３Ａ側に移動したＡイオンは、電極層１３Ａ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１４を形成する。従って、電極層１３Ａ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。
【００４１】
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１３Ａ側に移動したＡイオンは電極層１３Ａ側の空隙サイトを埋めても良い。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１３Ａから電子を受け取り、メタル的に振舞う。
【００４２】
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、その価数があ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１４、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。
【００４３】
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。
【００４４】
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）１３Ａ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。
【００４５】
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）。
【００４６】
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を固定電位とすれば、電極層１３Ａに正の電位を与えればよい。すると、電極層１３Ａ近傍のＡ原子は電極層１３Ａ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。
【００４７】
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。
【００４８】
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１４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。従って、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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。従って、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。
【００５１】
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。
【００５２】
図１に表した記録部においては、十分に大きな結晶が得られている場合について説明したが、図２６に表した記録部のように、結晶が膜厚方向に分断された配置となっている場合にも、本発明で説明した基本原理でＡイオンの移動とそれに伴う抵抗変化が生じうる。
【００５３】
つまり、電極層１１を接地した状態で電極層１３に負の電圧を加えると、記録層１２内に電位勾配が生じ、Ａイオンは輸送される。Ａイオンが結晶界面まで移動すると、電極層１３Ａに近い領域から徐々に電子を受け取り、メタル的に振舞う。その結果、結晶界面近傍にメタル層１４が形成される。
【００５４】
また、記録層１２内部では、Ｍイオンの価数が上昇するため、その導電性が上昇する。このような場合、結晶界面に沿ったメタル層１４の導電パスが形成されるので、電極層１１と電極層１３Ａの間の抵抗は減少し、素子は低抵抗状態相に変化する。
この場合にも、大電流パルスによるジュール加熱や、逆向き電圧パルス印加によって結晶界面のＡイオンをスピネル構造内に引き戻すことにより、高抵抗状態相に変化させることが可能である。
【００５５】
しかしながら、図１に表した記録部のように、Ａイオンの移動が印加電圧に対して効率的に生じるためには、Ａイオンが拡散する方向と電場が加えられている方向とが一致していることが好ましい。
前述のような結晶構造を有する第１化合物としては、スピネル構造を有する材料を用いることができる。スピネル構造では、Ａイオンが占め得るサイトのほぼ半分が空隙の状態であるので、Ａイオンの拡散が容易である。
【００５６】
第１化合物が、スピネル構造の場合には、図１に表した記録部の通り、記録層１２のｃ軸が膜面に対して平行方向に配向していると、電極間を結ぶ方向に移動パスが配置されるので好ましい。さらに、記録層１２が（１１０）配向していると、移動パスがほぼ電場方向と平行方向に配置するので、記録層１２は（１１０）配向していることがより好ましい。なお本願明細書において、「（１１０）配向している」とは、（１１０）面が膜面に対して略平行であることをいう。他の結晶面の配向についても同様である。
【００５７】
記録層１２を（１１０）配向させるためには、後述のように、単位格子が直行し、単位格子長の比が例えば約１：２１／２程度である材料を配向制御層１１Ａとして用いるとよい。すなわち、記録層１２を所望の方向に配向させる手段として、記録層１２の格子定数と整数倍の関係にある格子定数を有する層である配向制御層１１Ａを記録層１２と電極層１１との間に形成するとよい。配向制御層１１Ａは、単純な結晶構造を有し、記録層１２よりも配向制御が容易である層を用いることが好ましい。また、配向制御層１１Ａの導電性が低すぎると、記録層１２への電圧印加が困難になるので、配向制御層１１Ａの抵抗率は絶縁体状態の記録層１２の抵抗率と例えば約同程度以上であることが好ましい。
【００５８】
このため、配向制御層１１Ａは、Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｗのいずれかの窒化物を含むことが好ましい。あるいは、配向制御層１１Ａは、Ｒｕ，Ｉｒ，Ｔａ，Ｍｇ，Ｃｅ，Ｗのいずれかの酸化物を含む材料としてもよい。窒化物の中では、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｗが安定に成膜できるため特に好ましい。酸化物の中では、ＲｕあるいはＩｒの酸化物が高い導電性を示すので特に好ましい。
【００５９】
これらの窒化物あるいは酸化物を第１化合物の近傍に配置すると、第１化合物に含まれる元素が拡散するのを防ぐ効果を、第１化合物に併せ持たせることが可能である。さらに、好適な熱伝導率を有する材料を配向制御層１１Ａとして用いた場合においては、ジュール熱により記録層１２の温度が上昇したときであっても、その冷却段階で第１化合物と配向制御層１１Ａとの間の膜はがれを防ぐ機能をも、第１化合物に併せ持たせることができる。
【００６０】
次に、各記録層材料の好適な配向方向と、その方向に配向した記録層材料と配向制御層との格子定数の関係について説明する。
図２７は、記録層１２と配向制御層１１Ａとの結晶軸であるａ軸、ｂ軸、ｃ軸の方向を例示した模式図である。
記録層１２と配向制御層１１Ａとの格子定数のマッチングを求める。スピネル構造は、正方晶構造を有するＺｎＭｎ２Ｏ４を除くと、一般に立方晶構造を有する。スピネル構造において、そのｃ軸を記録層１２の膜面と平行方向にするには、もっとも単純には、第１化合物を（１００）配向させればよい。このためには、記録層１２のｂ軸、ｃ軸と一致度が高い格子定数を有する配向制御層１１Ａを用いればよい。立方晶を有するＺｎＣｒ２Ｏ４およびＺｎＶ２Ｏ４に関しては、ａ軸長、ｂ軸長、ｃ軸長が同じであるので、比較すべき格子定数は図２９に表す通りとなる。
【００６１】
図２９は、記録層１２の格子定数（ここではａｒ＝ｂｒ）と、配向制御層１１Ａの格子定数（ここではａｃ＝ｂｃ）と、の差（ａｒ−ｎａｃ）／ａｒの計算結果をまとめた表である。ただし、ｎは任意の整数とする。
図２９に表した計算結果より、例えば、ＺｎＣｒ２Ｏ４のａ軸長とＶＮのａ軸長との差は１％であるので、（１００）配向したＶＮ膜上にＺｎＣｒ２Ｏ４を成膜すると、（１００）配向が得られやすくなる。ずれ量（記録層１２の格子定数と、配向制御層１１Ａの格子定数と、の差（ａｒ−ｎａｃ）／ａｒ）は２０％程度以下であることが好ましく、５％以下であることがさらに好ましい。
【００６２】
ここで、配向面の定義に関して説明する。
図２８は、配向面の定義を説明するための模式図である。
図２８（ａ）に表した配向面ように、結晶軸のａ軸、ｂ軸、ｃ軸と、それぞれ、３、２、２で交わる平面は、これらの数の逆数１／３、１／２、１／２を用いて（３２２）面と定義する。また、表面に（３２２）面が現れる配向方向を（３２２）配向と定義する。
【００６３】
図２８（ｂ）に表した配向面のように、結晶軸のａ軸、ｂ軸と、それぞれ、１、１で交わり、ｃ軸と交わらない場合には、１／１、１／１、１／∞として（１１０）面とする。（１１０）面が表面に現れる配向を（１１０）配向とする。この定義は、ａ軸、ｂ軸、ｃ軸間の角度には依存しない。つまり、ａ軸、ｂ軸間が１２０度であるような場合にも図２８（ｂ）で示される切片を有する面は（１１０）面と定義する。
【００６４】
図２９に表した計算結果のように、スピネル構造の構成元素が変わっても、格子定数の変化は大きくないので、図２９に示した代表的な組成ＺｎＣｒ２Ｏ４、ＺｎＶ２Ｏ４、ＺｎＭｎ２Ｏ４のデータからスピネル構造を所望の方向に配向させるのに好適な配向制御層１１Ａの組成および配向を決定することができる。
【００６５】
スピネル構造を（１００）配向させるには、スピネル構造のａ軸２辺と格子定数が一致する２辺とを有する例えば以下の材料を配向制御層１１Ａに用いることが好ましい。
【００６６】
・（００１）配向したＩｒＯ２あるいはＲｕＯ２
・（１００）、(１１０)、あるいは(１１１)配向したＴｉＮ、ＶＮ、あるいはＷ２Ｎ
・（１００）配向したＺｒＮあるいはＨｆＮ
・（１００）あるいは（００１）配向したＳｉ３Ｎ４
この中でも、（１００）配向したＴｉＮ、ＶＮ、あるいはＷ２Ｎが、最も格子定数の一致度が高いという点で好ましい。
【００６７】
ここで、例えば、ＴｉＮは（１００）、（１１０）、あるいは（１１１）配向のいずれでも整合性は高いが、これらが同程度に交じり合ったランダムな状態でないことが好ましい。これらがランダムに交じり合っていると、セル間で配向性が異なる配向制御層となることが予想され、配向制御層上に形成される第１化合物の配向、ひいては、その抵抗変化特性がセルごとに異なる可能性が高いからである。
【００６８】
スピネル構造においては、移動パスがほぼ［１１０］軸方向に向いているので、記録層１２の膜面が（１１０）配向していることがさらに好ましい。記録層１２の膜面が（１１０）配向するためには、［１−１０］方向単位ベクトルとｃ軸方向単位格子とが一致していればよい。記録層１２の膜面を（１１０）配向させるのに好適な配向制御層１１Ａとしては、例えば以下の組成および配向が挙げられる。
【００６９】
・（１００）あるいは（１１０）配向したＩｒＯ２あるいはＲｕＯ２
・（１００）、(１１０)、あるいは(１１１)配向したＴｉＮ、ＶＮ、あるいはＷ２Ｎ
・（１１０）配向したＺｒＮあるいはＨｆＮ
・（１００）あるいは（１１０）配向したＳｉ３Ｎ４
この中でも、（１１０）配向したＴｉＮ、ＶＮ、あるいはＷ２Ｎ、が最も格子定数の一致度が高いという点で好ましい。一方で、（１００）あるいは（１１１）配向したＴｉＮ、ＶＮ、あるいはＷ２Ｎは、成膜のしやすさという点で好ましい。
【００７０】
以上の結果より、結晶格子の一致度と、配向を完全に(１１０)配向に制御できなかった場合にも、Ａイオンを記録層１２の膜面に垂直な層状に配置できることと、から、スピネル構造を有する第１化合物を用いた場合には、ＴｉＮ、ＶＮ、あるいはＷ２Ｎを配向制御層１１Ａとして用いることが好ましい。これらの窒化物は（１００）、(１１０)、あるいは（１１１）配向していることが好ましい。また、成膜の容易さを考慮すると、ＴｉＮを配向制御層１１Ａとして用いることがさらに好ましい。
【００７１】
図２９に表した計算結果のように、Ｍｎを用いたスピネル構造は正方晶となることが多い。このような場合には、ａ軸が記録層１２の膜面と平行方向に配置した場合にも、図１に表した記録部のように、Ａイオンが記録層１２の断面に対して層状に存在するので電極方向へのＡイオンの拡散が容易に生じる。前述の配向制御層１１Ａを用いた場合には、ＺｎＭｎ２Ｏ４のａ軸が記録層１２の膜面と平行方向に配置した場合においても、格子定数の一致度が高いので、（００１）配向したＺｎＭｎ２Ｏ４も容易に得ることができる。
【００７２】
一方、Ｍｎを用いたスピネルにおいては、ｃ軸長がａ軸長よりも長いので、ｃ軸が記録層１２の膜面とほぼ平行になるときに、電極間を結ぶ方向の拡散パスの径が大きくなる。Ｍｎを用いたスピネルを配向させるためには、そのｃ軸長とａ軸長とが、あるいはｃ軸長と［１−１０］方向単位ベクトルとが、配向制御層の単位ベクトルと比較して一致度が高いものを選択すればよい。従って、（１００）配向したＩｒＯ２あるいはＲｕＯ２、（１１０）あるいは（１１１）配向したＴｉＮ、ＶＮ、あるいはＷ２Ｎを配向制御層として用いることが好ましい。
【００７３】
一方、ＺｎＭｎ２Ｏ４のＭｎの一部をＣｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｇａで置換すると、スピネル構造は立方晶に近づくので、このような置換によって得られる立方晶のＺｎＭｎ２−ｘＭｓｘＯ４（ただし、Ｍｓは置換元素）を第１化合物に用いてもよい。このような目的で用いられる元素としてはＣｒ、Ａｌを用いることがより好ましい。
【００７４】
前述のような結晶構造を有する第１化合物としては、デラフォサイト構造を有する材料を用いることもできる。デラフォサイト構造においては、移動パスの径が大きく、移動パスが３方向に伸びているため、Ａイオンの拡散が容易である。
デラフォサイト構造の場合においては、ｃ軸が膜面に平行方向に配向しているときに、図１に表した記録部のように、電極間を結ぶ方向に移動パスが配置されるので好ましい。ここで、デラフォサイト構造の結晶格子は、ａ軸とｂ軸が１２０度をなし、ａ軸とｃ軸とが、およびｂ軸とｃ軸とが、直行するようにとった。ａ軸長とｂ軸長が等しいような六方晶系であるので、［１００］軸、［０１０］軸、［１１０］方向への隣接Ａ原子間の距離は同じである。従って、記録層１２の膜面がａ軸とｃ軸とを含む面に平行に配向（本願明細書において、「ａｃ面配向」と称す）している、または（１１０）配向している、ときに、移動パスがほぼ電場方向と平行方向に配置するのでより好ましい。
【００７５】
まず、ａｃ面配向を容易にするには、記録層１２の膜面のａ軸長とｃ軸長とが、配向制御層１１Ａの単位格子と一致していればよい。図３０に表した計算結果より、このために好適な配向制御層１１Ａとしては、例えば以下の組成および配向が挙げられる。
【００７６】
・（１００）あるいは（１１０）配向したＩｒＯ２あるいはＲｕＯ２
・（１１０）あるいは（１１１）配向したＴｉＮ、ＶＮ、Ｗ２Ｎ、ＺｒＮ、あるいはＨｆＮ
・（１００）、（００１）、あるいは（１１０）配向したＳｉ３Ｎ４
この中でも、（１１０）配向したＴｉＮ、ＶＮ、Ｗ２Ｎが、最も格子定数の一致度が高いという点で好ましい。一方で、（１１１）配向したＴｉＮ、ＶＮ、Ｗ２Ｎは成膜のしやすさという点で好ましい。
【００７７】
また、（１１０）配向した記録層１２の膜面を得るためには、［１−１０］方向の単位ベクトルとｃ軸長に注目すればよい。このために好適な配向制御層１１Ａとしては、例えば以下の組成および配向が挙げられる。
【００７８】
・（１００）あるいは（００１）配向したＩｒＯ２あるいはＲｕＯ２
・（１００）配向したＺｒＮ、あるいはＨｆＮ
・（１１０）配向したＳｉ３Ｎ４
以上の結果より、デラフォサイト構造と好適に用いられる配向制御層１１Ａとしては、ＴｉＮ、ＶＮ、Ｗ２Ｎが挙げられる。これらの窒化物は（１１０）配向していることがさらに好ましい。成膜の容易さを考慮するとＴｉＮを配向制御層１１Ａとして用いることがさらに好ましい。
【００７９】
前述のような結晶構造を有する第１化合物としては、ウルフラマイト構造を有する材料を用いることもできる。ウルフラマイト構造においては、ＭイオンとＸイオンの結合が強く、Ａイオンが移動した構造を安定に保持することが可能となる。
ウルフラマイト構造の場合においては、ａ軸が膜面に平行方向に配向しているときに、図１に表した記録部のように、電極間を結ぶ方向に移動パスが配置されるので好ましい。ここで、ウルフラマイト構造の結晶格子は、３軸が直行方向よりわずかにずれている構造を有するが、ずれ角度は１度程度以下であるので、このずれを無視してもよい。また、記録層１２の膜面が（０１−１）配向している場合においては、移動パスがほぼ電場方向に配置するのでより好ましい。
【００８０】
このためには、後述のように、単位格子が直行し、単位格子長の比が約例えば１：１程度、または例えば約１：２１／２程度である材料を配向制御層として用いるとよい。
まず、ａ軸が記録層１２の膜面と平行方向に配向するには、ａ軸長とｂ軸長とが、あるいはａ軸長とｃ軸長とが、配向制御層１１Ａの単位格子と一致していればよい。図３１に表した計算結果より、このために好適な配向制御層１１Ａとしては、例えば以下の組成および配向が挙げられる。
【００８１】
・（１００）あるいは（００１）配向したＩｒＯ２あるいはＲｕＯ２
・（１００）あるいは（１１０）配向したＴｉＮ、ＶＮ、Ｗ２Ｎ、ＺｒＮ、あるいはＨｆＮ
この中でも（１００）配向したＺｒＮあるいはＨｆＮが、最も格子定数の一致度が高いという点で好ましい。（００１）配向したＩｒＯ２あるいはＲｕＯ２も格子定数の一致度が高く好ましい。
【００８２】
次に、記録層１２の膜面を（０１−１）配向させるには、ａ軸長と［０１１］方向単位ベクトル長に注目すればよい。図３１に表した計算結果より、このために好適な配向制御層１１Ａとしては、例えば以下の組成および配向が挙げられる。
【００８３】
・（１００）配向したＴｉＮ、ＶＮ、Ｗ２Ｎ
以上より、ウルフラマイト構造と好適に用いられる配向制御層１１Ａとしては、ＺｒＮ、あるいはＨｆＮが挙げられる。これらの窒化物は（１００）配向していることがより好ましい。あるいはウルフラマイト構造と好適に用いられる配向制御層１１Ａとしては、ＩｒＯ２あるいはＲｕＯ２が挙げられる。これらの酸化物は（１００）あるいは（００１）配向していることが好ましく、（００１）配向していることがさらに好ましい。
【００８４】
前述のような結晶構造を有する第１化合物としては、イルメナイト構造を有する材料を用いることもできる。イルメナイト構造では、移動パスが３方向に伸びているため、Ａイオンの拡散が容易である。
イルメナイト構造の場合においては、ｃ軸が膜面に平行方向に配向しているときに、図１に表した記録部のように、電極間を結ぶ方向に移動パスが配置されるので好ましい。イルメナイト構造は六方晶系であるので、［１００］軸、［０１０］軸、［１１０］方向への隣接Ａ原子間の距離は同じである。従って、記録膜がａｃ面配向している、または（１１０）配向している、ときに、移動パスがほぼ電場方向と平行方向に配置するのでより好ましい。
【００８５】
まず、ａｃ面配向を容易にするには、記録膜のａ軸長とｃ軸長が、配向制御層１１Ａの単位格子と一致していればよい。図３２に表した計算結果より、このために好適な配向制御層１１Ａとしては、例えば以下の組成および配向が挙げられる。
【００８６】
・（１００）あるいは（１１０）配向したＺｒＮあるいはＨｆＮ
・（１１０）配向したＳｉ３Ｎ４
この中でも（１１０）配向したＺｒＮあるいはＨｆＮは格子定数の一致度が高いという点で好ましい。
また、（１１０）配向した記録層１２の膜面を得るためには、［１−１０］方向の単位ベクトルとｃ軸長に注目すればよい。このために好適な配向制御層１１Ａとしては、例えば以下の組成および配向が挙げられる。
【００８７】
・（００１）、（１００）、(１１０)、あるいは（１１１）配向したＩｒＯ２あるいはＲｕＯ２
・（１００）、（１１０）、あるいは（１１１）配向したＴｉＮ、ＶＮ、Ｗ２Ｎ、ＺｒＮ、あるいはＨｆＮ
・（１００）配向したＳｉ３Ｎ４
この中でも（１００）配向したＺｒＮあるいはＨｆＮが最も格子定数の一致度が高いという点で好ましい。（００１）配向したＩｒＯ２あるいはＲｕＯ２も格子定数の一致度が高いという点で好ましい。
【００８８】
以上の結果より、イルメナイト構造の配向制御層１１Ａとしては、ＩｒＯ２あるいはＲｕＯ２を用いることが好ましい。これらの酸化物は（１００）配向していることがさらに好ましい。あるいは、イルメナイト構造の配向制御層１１Ａとしては、配向制御層１１Ａの配向制御に自由度があるという点ではＺｒＮあるいはＨｆＮを用いることが好ましい。これらの窒化物は（１００）あるいは(１１０)配向していることが好ましい。成膜の容易さという点では（１００）配向していることがさらに好ましい。
【００８９】
図２９〜図３２に表した計算結果においては、それぞれの材料を定比組成で作製したときの格子定数を示した。一般に、酸素や窒素の欠損／過剰がある場合においては、定比組成の場合の格子定数とやや異なる値となる場合もあるが、欠損／過剰が２０％程度以下である場合においては、格子定数の変化はそれほど顕著ではない。従って、配向制御層の組成は必ずしも定比組成である必要はない。しかるに、配向制御層と第１化合物との反応、および第１化合物成膜時の環境による影響などを考慮すると、配向制御層の欠損／過剰量は２０％程度以下であることが好ましく、１０％以下であることがさらに好ましい。
【００９０】
所望の方向に配向した配向制御層を得るためには、アモルファス構造をとりやすい材料を電極と配向制御層との間のいずれかの位置に設け、結晶性をリセットしてもよい。このために、好適に用いられる材料としては、Ｃｏ、Ｔａなど任意の金属のシリサイド、Ｃｕ、若しくはＴａなどの金属、又はこれらの金属を含む合金、若しくはＣｏｘＦｅｙＢｚ（０．１≦ｚ≦０．４であることが好ましい）などが挙げられる。これらのアモルファス層は、記録層の成膜時などの高温プロセス時に結晶化してもよく、特にＣｏｘＦｅｙＢｚは室温で成膜した時には良好なアモルファス特性を示すが、容易に結晶化することが知られている。このようなアモルファス層の膜厚は任意の膜厚で設けられるが、０．３ｎｍ以上、５ｎｍ以下であることが好ましい。このようなアモルファスの層を設けることにより、下地の結晶性や配向などの影響を消去し、その上に形成する配向制御層を所望の配向状態で形成することができる。
【００９１】
配向制御層が窒化物、または酸化物の場合においても、第１化合物の成膜時にその一部が、酸化／還元されて、１原子から数原子層に渡って、組成が一部変化する可能性がある。このような効果は配向制御層と第１化合物間との格子定数のわずかなずれに対するバッファとして機能したり、両者の密着性を高める効果がある。密着効果は窒化物においてより顕著である。
【００９２】
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。
【００９３】
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。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。
【００９４】
記録層の膜厚が例えば約２０ｎｍ程度以下である場合においては、配向制御層を用いて記録層の全膜厚にわたって配向制御しやすくなる。一方で記録層の膜厚が例えば約２０ｎｍ程度を超えると、格子定数のずれなどのために、配向制御層から離れるに従って、配向制御の効果が小さくなる。このような場合においては、Ａイオンの移動を記録層の一部に制限することが可能となる。配向制御が十分でない記録層部分までは、Ａイオンが移動せず、Ａイオンが記録層表面に析出し、大気と反応するのを防ぐことが可能となる。つまり、配向制御が十分でない記録層部分を保護層として用いることが可能となる。
【００９５】
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。
【００９６】
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、ＬａＮｉＯ３は、最も望ましい材料ということができる。
【００９７】
・ 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。
【００９８】
・ ＭＯｘ
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。
【００９９】
・ ＡＭＯ３
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。
【０１００】
・ Ａ２ＭＯ４
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。
【０１０１】
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、ＳｎＯ２などの半導体がある。
【０１０２】
電極層１３Ａ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１３Ａ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。
【０１０３】
（第２の実施の形態）
次に、本実施形態の第２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／消去／再生の基本原理について説明する。
図２は、本実施形態の記録部の構造を表す模式図である。
この記録部は、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、記録層１２と電極層１１との間に配向制御層１１Ａが設けられている。
【０１０４】
記録層１２は、電極層１１側に配置され、ＡｘＭ１ｙＸ１ｚで表記される第１化合物１２Ａと、電極層１３Ａ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１２Ａ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１２Ｂと、を有する。
【０１０５】
第２化合物１２Ｂ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１２Ｂの製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。
【０１０６】
・ □ｘＭ２Ｘ２２
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
・ □ｘＭ２Ｘ２３
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
・ □ｘＭ２Ｘ２４
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
・ □ｘＭ２ＰＯｚ
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
・ □ｘＭ２Ｏ５
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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、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。
【０１１７】
また、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。
【０１１８】
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１２Ａと第２の層１２Ｂ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。
【０１１９】
図２に表した記録部において、第１化合物１２Ａ内の太線で示した小さな白丸はＭ１イオン（例えば、母体イオン）を、第１化合物１２Ａ内の小さな白丸はＡイオン（例えば、拡散イオン）を、第２化合物１２Ｂ内の黒丸はＭ２イオン（例えば、遷移元素イオン）を表す。また、大きな白丸は、第１化合物１２Ａ内ではＸ１イオン（例えば、陰イオン）、第２化合物１２Ｂ内ではＸ２イオン（例えば、陰イオン）を表している。
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。
【０１２０】
このような記録部において、第１の層１２Ａが陽極側、第２の層１２Ｂが陰極側になるように電極層１１、１３Ａ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１２Ａ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１２Ｂ内に進入する。
【０１２１】
第２の層１２Ｂ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１２Ａから移動してきたＡイオンは、この空隙サイトに収まる。
従って、第２の層１２Ｂ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１２Ａ内では、ＡイオンあるいはＭ１イオンの価数が増加する。従って、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。
【０１２２】
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，１２Ｂ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。
【０１２３】
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１２Ａから第２の層１２Ｂに向かって電子も移動するが、第２の層１２Ｂの電子のフェルミ準位は、第１の層１２Ａ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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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１２Ａ内に戻る、という現象を促進してやればよい。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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１２Ｂとして、上述したような材料およ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 。
【０１２８】
また、図１に表した記録部のような構造を有する、ＡｘＭｙＸ４（０．１≦ｘ≦２．２、１．５≦ｙ≦２）で表されるスピネル構造、ＡｘＭｙＸ２（０．１≦ｘ≦１．１、０．９≦ｙ≦１．１）で表されるデラフォサイト構造、ＡｘＭｙＸ４（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ＡｘＭｙＸ３（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。
【０１２９】
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１２Ａが配向している場合には、第１化合物１２Ａ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１２Ａの格子定数と第２化合物１２Ｂ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。
【０１３０】
化合物内でのＡイオンの移動、成膜のしやすさ等を考えると、Ａイオンの空隙サイトを多く含むようにその組成比を調整したスピネル構造、ホランダイト構造、ラムスデライト構造などを、第２化合物１２Ｂとして用いるのが好ましい。これらの構造内での移動パスは、それぞれ、スピネル構造は［１１０］方向を、ホランダイト構造はｃ軸方向を、ラムスデライト構造はｃ軸方向を、向いている。図３３に表した計算結果より、第１化合物１２Ａとしてスピネル構造、デラフォサイト構造、ウルフラマイト構造、またはイルメナイト構造を用いたときに、好適に用いられる第２化合物は、例えば以下の組成および配向が挙げられる。
【０１３１】
・ 第１化合物１２Ａがスピネルの場合
第２化合物１２Ｂにおいては、スピネル構造が好適である。ただし、第１化合物１２Ａが（１１０）配向したＡＭｎ２Ｏ４の場合においては、ホランダイト構造が好適である。
【０１３２】
・ 第１化合物１２Ａがデラフォサイトの場合
第２化合物１２Ｂおいては、ラムスデライト構造、あるいはスピネル構造が好適である。
【０１３３】
・ 第１化合物１２Ａがウルフラマイトの場合
第２化合物１２Ｂにおいては、ラムスデライト構造、ホランダイト構造、あるいはスピネル構造が好適である。
【０１３４】
・ 第１化合物１２Ａがイルメナイトの場合
第２化合物１２Ｂにおいては、スピネル構造が好適である。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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、ＳｎＯ２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。
【０１４０】
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。
但し、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。
【０１４１】
このような積層型の記録層においても第１化合物におけるＡイオンの移動を容易にするためには、配向制御層を用いて第１化合物を所望の方向に配向させることが好ましい。このとき、第１化合物の膜厚は配向制御層の効果が膜厚全体に及ぶように例えば約２０ｎｍ程度以下であることが好ましい。１０ｎｍ以下であると、配向制御がより容易であるので、より好ましい。第１化合物の配向性がよい場合には、第２化合物の配向制御を行うことも可能である。
【０１４２】
情報記録再生装置の実施例について説明する。
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、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。
【０１４３】
（プローブメモリ）
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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１５に転送される。
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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
図６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上の配向制御層２１Ａと、配向制御層２１Ａの上の記録層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。
【０１５２】
（第１実施形態の記録部を用いた場合）
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。
【０１５３】
図７は、記録について表した模式図である。
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。
【０１５４】
この時、例えば、記録層２２の記録ビット２７では、Ａイオンの一部がプローブ（陰極）２４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、プローブ２４側に移動したＡイオンは、プローブ２４から電子を受け取ってメタルとして析出する。
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。
【０１５５】
図８は、再生について表した模式図である。
再生に関しては、電流パルスを記録層２２の記録ビット２７に流し、記録ビット２７の抵抗値を検出することにより行う。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。
【０１５６】
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。
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。
【０１５７】
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における酸化還元反応を促進させることにより行う。あるいは、セット動作時とは逆向きの電位差を与えるパルスを印加してもよい。
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。
【０１５８】
（第２実施形態の記録部を用いた場合）
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。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。
【０１５９】
この時、記録層２２の第１の層（陽極側）１２Ａ内のＡイオンの一部は、結晶中を移動し、第２化合物（陰極側）１２Ｂの空隙サイトに収まる。これに伴い、第１の層１２Ａ内のＡイオン、あるいはＭ１イオンの価数が増加し、第２化合物内１２ＢのＡイオンあるいはＭ２イオンの価数が減少する。その結果、第１及び第２の層１２Ａ，１２Ｂ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。
【０１６０】
これにより、セット動作（記録）が完了する。
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。
【０１６１】
図１０は、再生時の状態を表す模式図である。
再生動作は、電流パルスを記録ビット２７に流し、記録ビット２７の抵抗値を検出することにより行う。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。
リセット（消去）動作は、記録層（記録ビット）２２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イオンが第２の層１２Ｂ内の空隙サイトから第１の層１２Ａ内に戻ろうとする作用を促進してやればよい。あるいは、セット動作時とは逆向きの電位差を与えるパルスを印加してもよい。
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。
【０１６２】
以上説明したように、本実施形態のプローブメモリによれば、現在のハードディスクやフラッシュメモリよりも高記録密度及び低消費電力を実現できる。
【０１６３】
（半導体メモリ）
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。
【０１６４】
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。また、記録部２２とダイオード３４との間には配向制御層３４Ａが設けられる。
【０１６５】
図１２は、図１１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、これら配線の交差部にメモリセル３３と、ダイオード３４と、配向制御層３４Ａと、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。
【０１６６】
第１〜第２実施形態のいずれかの記録層を有するメモリセル３３は、例えば、図１３に表したように、記録層２２、保護層１３Ｂ及びヒータ層３５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および配向制御層３４Ａは、ワード線ＷＬｉとメモリセル３３との間に配置される。
【０１６７】
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と、配向制御層３４Ａと、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。
【０１６８】
図１５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と、配向制御層３４Ａと、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。
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。
【０１６９】
次に、図１１〜図１３を参照しつつ用いて第１〜第２実施形態の記録層を用いた半導体メモリの記録／再生動作について説明する。
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。
【０１７０】
（第１実施形態の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。
【０１７１】
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）ＷＬｉ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ＷＬｉ側に移動したＡイオンは、ワード線ＷＬｉから電子を受け取ってメタルとして析出する。
【０１７２】
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。
【０１７３】
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。
【０１７４】
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。
【０１７５】
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。
【０１７６】
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。
【０１７７】
（第２実施形態の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ＷＬｉの電位をビット線ＢＬｊの電位よりも相対的に低くする。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。
【０１７８】
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。
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。
【０１７９】
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。
【０１８０】
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。
【０１８１】
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。
【０１８２】
（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。
【０１８３】
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、配向制御層４３Ａと、第１〜第２実施形態のいずれかの記録層が有する記録層（ＲＲＡＭ：Resistive ＲＡＭ）４４と、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。
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。
【０１８４】
図１６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。
【０１８５】
この状態から電位Ｖ１，Ｖ２を与えて記録層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。
【０１８６】
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。
【０１８７】
（ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ）
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。
【０１８８】
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上の配向制御層４３Ａと、配向制御層４３Ａ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。
【０１８９】
メモリセルＭＣの記録層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の記録層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。
【０１９０】
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。
【０１９１】
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。
【０１９２】
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。
【０１９３】
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。
【０１９４】
なお、図１８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１９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。
【０１９５】
図２０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。
【０１９６】
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。
【０１９７】
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。
【０１９８】
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。
【０１９９】
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。
【０２００】
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。
【０２０１】
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。
【０２０２】
（ＮＯＲ型フラッシュメモリ）
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。
【０２０３】
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上の配向制御層４３Ａと、配向制御層４３Ａ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。
【０２０４】
（２トランジスタ型フラッシュメモリ）
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。
【０２０５】
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。
【０２０６】
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上の配向制御層４３Ａと、配向制御層４３Ａ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。
【０２０７】
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。
【０２０８】
次に、本発明の例に係る記録媒体の製造方法について説明する。
ここでは、図６に表した記録媒体の構造を例に挙げて説明する。
基板２０は、ガラスから構成される直径約６０ｍｍ、厚さ約１ｍｍのディスクとする。このような基板２０上に、Ｐｔ（プラチナ）を約５００ｎｍの厚さで蒸着して電極層２１を形成する。
【０２０９】
電極層２１上においては、まず、ＴｉＮが堆積されるように組成が調整されたターゲットを用いて、（１１０）配向が得られるよう調整されたパワーのＲＦ電源を用いて成膜する。続いてＺｎＭｎ２Ｏ４が堆積されるように組成が調整されたターゲットを用いて、温度３００〜６００℃、Ａｒ（アルゴン）９５％、Ｏ２（酸素）５％、の雰囲気中で、ＲＦマグネトロンスパッタを行い、記録層２２の一部を構成する厚さ約１０ｎｍのＺｎＭｎ２Ｏ４を形成する。
【０２１０】
続けて、ＲＦマグネトロンスパッタにより、ＺｎＭｎ２Ｏ４上に、厚さ約３ｎｍのＴｉＯ２を形成する。その結果、記録層２２は、ＺｎＭｎ２Ｏ４とＴｉＯ２との積層構造を有することになる。
最後に、記録層２２上に、保護層１３Ｂを形成すれば、図６に表すような記録媒体が完成する。
【０２１１】
次に、いくつかのサンプルを作成し、リセット（消去）状態とセット（書き込み）状態との抵抗差について評価した実験例について説明する。
サンプルとしては、図６に表した構造を有する記録媒体を使用する。評価は、先端の径が１０ｎｍ以下に先鋭化されたプローブ対を使用する。
【０２１２】
（第１実験例）
第１実験例においては、（１００）配向させたＶＮを配向制御層として用い、第１化合物としてＺｎＣｒ２Ｏ４を用いた例を示す。
ＢドープしたＳｉ（１００）基板上に、ＶＮが堆積するように組成比が調整されたターゲット（径１００ｍｍ）を用いて、ＶＮの成膜を行った。Ｓｉ基板表面の自然酸化膜は予め除去されている。ＶＮを成膜した場合、成膜時のパワーや圧力によって配向が異なるが、本実験例の場合においては、ＲＦパワー１００Ｗ、アルゴンガス０．５Ｐａ、の中で、室温にてＲＦマグネトロンスパッタを行った結果、（１００）配向したＶＮが得られた。ＶＮの膜厚は５０ｎｍとした。
【０２１３】
真空チャンバーから基板を取り出すことなく、続けて第１化合物としてＺｎＣｒ２Ｏ４を成膜した。ターゲットは成膜時に定比組成となるように、その混合比が調整されたターゲットを用いて、Ａｒ（アルゴン）９５％、Ｏ２（酸素）５％、の雰囲気中でＲＦマグネトロンスパッタを行った。ＲＦパワーは１００Ｗ、全ガス圧は１．０Ｐａ、基板温度は６００℃、とし、第１化合物ＺｎＣｒ２Ｏ４の膜厚は１０ｎｍとした。このとき、ＺｎＣｒ２Ｏ４の配向は主に（１００）配向であった。
最後に保護膜１３ＢとしてＳｎＯ２を２ｎｍ成膜して、図６に表した構造を有する記録媒体を得た。
【０２１４】
［評価方法１］
評価方法１について説明する。
まず、プローブの一方（便宜上「プローブ１」と称す）を保護層１３Ｂに接触させて接地させ、プローブの他方（便宜上「プローブ２」と称す）をＶＮ膜に接触させて電圧を印加した。
書き込みは、プローブ２に、例えば、１０ｎｓｅｃ幅で、０．８Ｖの電圧パルスを印加することにより行う。
消去は、プローブ２に、例えば、１００ｎｓｅｃ幅で、０．２Ｖの電圧パルスを印加することにより行う。このように本実験例では、ＶＮの導電率が高いため、ＶＮを下部電極として機能させることが可能である。
書き込み／消去の合間に、読み出しを実行した。読み出しは、プローブ２に、１０ｎｓｅｃ幅で、０．１Ｖの電圧パルスを印加し、記録層（記録ビット）２２の抵抗値を測定することにより行う。
【０２１５】
［評価方法２］
評価方法２について説明する。
評価方法２においては、パルス消去による評価を行う。
書き込みは、プローブ２に、例えば、１０ｎｓｅｃ幅で、１．５Ｖの電圧パルスを印加することにより行う。
消去は、プローブ２に、例えば、１０ｎｓｅｃ幅で、−１．５Ｖの電圧パルスを印加することにより行う。
書き込み／消去の合間に、読み出しを実行した。読み出しは、プローブ２に、１０ｎｓｅｃ幅で、０．１Ｖの電圧パルスを印加し、記録層（記録ビット）２２の抵抗値を測定することにより行う。
【０２１６】
評価方法１で評価した結果、高抵抗状態の抵抗は１０７Ω台、低抵抗状態の抵抗は１０４Ω台であった。
評価方法２で評価した結果、高抵抗状態の抵抗は１０７Ω台、低抵抗状態の抵抗は１０４Ω台であった。
【０２１７】
（第２実験例）
第２実験例においては、（１１１）配向させたＴｉＮを配向制御層として用い、第１化合物としてＺｎＭｎ２Ｏ４を用いた例を示す。
ＴｉＮの成膜は、Ｓｉ（１００）基板上にＴｉターゲット（径１００ｍｍ）を用いて行った。本実験例においては、自然酸化膜は除去しない。ＴｉＮを成膜した場合、成膜時のパワーや圧力によって配向が異なるが、本実験例の場合においては、ＲＦパワー３００Ｗ、アルゴンガス９２．５％、Ｎ２ガス７．５％、全ガス圧３Ｐａ、の中で、室温にてＲＦマグネトロンスパッタを行った結果、（１１１）配向したＴｉＮが得られた。ＴｉＮの膜厚は５０ｎｍとした。
【０２１８】
真空チャンバーから基板を取り出すことなく、続けて第１化合物としてＺｎＭｎ２Ｏ４を成膜した。ターゲットは成膜時に定比組成となるように、その混合比が調整されたターゲットを用いて、Ａｒ（アルゴン）９５％、Ｏ２（酸素）５％、の雰囲気中で、ＲＦマグネトロンスパッタを行った。ＲＦパワーは１００Ｗ、全ガス圧は１．０Ｐａ、基板温度は６００℃、とし、第１化合物ＺｎＭｎ２Ｏ４の膜厚は１０ｎｍとした。このとき、ＺｎＭｎ２Ｏ４の配向は主に（１１０）配向であった。
最後に保護膜１３ＢとしてＳｎＯ２を２ｎｍ成膜して、図６に表した構造を有する記録媒体を得た。
【０２１９】
第１実験例の評価方法１と同様の方法で評価した結果、高抵抗状態の抵抗は１０７Ω台、低抵抗状態の抵抗は１０３Ω台であった。
第１実験例の評価方法２と同様の方法で評価した結果、高抵抗状態の抵抗は１０７Ω台、低抵抗状態の抵抗は１０３Ω台であった。
【０２２０】
（第３実験例）
第３実験例においては、（１００）配向させたＲｕＯ２を配向制御層として用い、第１化合物としてＣｕＦｅＯ２を用いた例を示す。
まず、Ｓｉ（１００）基板上に、接着層としてＴｉ膜を成膜し、続いて、アルゴンガス１００％、全ガス圧１Ｐａ、の中で、室温にてＲＦマグネトロンスパッタを用いて、Ｐｔ膜を成膜した。本実験例においては、自然酸化膜は除去しない。Ｐｔ膜の配向性を評価した結果、（１１１）配向であった。Ｐｔ膜は下部電極として機能する。
続いて、Ｒｕターゲット（径１００ｍｍ）を用いて、ＲＦマグネトロンスパッタにて、ＲｕＯ２の成膜を行った。ＲＦパワーは５０Ｗ、酸素ガス１００％、全ガス圧１Ｐａ、とし、基板温度は５５０℃とした。その結果、（１００）配向したＲｕＯ２膜が得られた。ＲｕＯ２の膜厚は１０ｎｍとした。
【０２２１】
続けて第１化合物としてＣｕＦｅＯ２を成膜した。ターゲットは成膜時に定比組成となるように、その混合比が調整されたターゲットを用いて、Ａｒ（アルゴン）９５％、Ｏ２（酸素）５％、の雰囲気中で、ＲＦマグネトロンスパッタを行った。ＲＦパワーは７０Ｗ、全ガス圧は０．５Ｐａ、基板温度は４５０℃、とし、第１化合物ＣｕＦｅＯ２の膜厚は１０ｎｍとした。このとき、ＣｕＦｅＯ２の配向は主に、ａ軸、ｃ軸が第１の層に平行なａｃ面配向であった。
最後に保護膜１３ＢとしてＳｎＯ２を２ｎｍ成膜して、図６に表した構造を有する記録媒体を得た。
【０２２２】
第１実験例の評価方法１と同様の方法で評価した結果、高抵抗状態の抵抗は１０６Ω台、低抵抗状態の抵抗は１０４Ω台であった。
第１実験例の評価方法２と同様の方法で評価した結果、高抵抗状態の抵抗は１０６Ω台、低抵抗状態の抵抗は１０４Ω台であった。
【０２２３】
（第４実験例）
第４実験例においては、（１００）配向させたＺｒＮを配向制御層として用い、第１化合物としてＮｉＷＯ４を用いた例を示す。
【０２２４】
ＺｒＮの成膜はｎ型（００１）Ｓｉ基板上に、Ｚｒターゲット（径１００ｍｍ）を用いて行った。成膜の前において、予め自然酸化膜を除去した。ＲＦパワー６０Ｗ、アルゴンガス９７％、Ｎ２ガス３％、全ガス圧０．３Ｐａ、基板温度５００℃、の中で、ＲＦマグネトロンスパッタを行った結果、（１００）配向したＺｒＮが得られた。ＺｒＮの膜厚は５０ｎｍとした。
【０２２５】
第１化合物としてＮｉＷＯ４を成膜した。ターゲットは成膜時に定比組成となるように、その混合比が調整されたターゲットを用いて、Ａｒ（アルゴン）９５％、Ｏ２（酸素）５％、の雰囲気中で、ＲＦマグネトロンスパッタを行った。ＲＦパワーは１００Ｗ、全ガス圧は１．０Ｐａ、基板温度は６００℃、とし、第１化合物ＮｉＷＯ４の膜厚は１０ｎｍとした。このとき、ＮｉＷＯ４の配向は主に、ａ軸、ｃ軸が第１の層に平行なａｃ面配向であった。
最後に保護膜１３ＢとしてＳｎＯ２を２ｎｍ成膜して、図６に表した構造を有する記録媒体を得た。
【０２２６】
第１実験例の評価方法１と同様の方法で評価した結果、高抵抗状態の抵抗は１０６Ω台、低抵抗状態の抵抗は１０４Ω台であった。
第１実験例の評価方法２と同様の方法で評価した結果、高抵抗状態の抵抗は１０６Ω台、低抵抗状態の抵抗は１０４Ω台であった。
【０２２７】
（第５実験例）
第５実験例においては、（００１）配向させたＩｒＯ２を配向制御層として用い、第１化合物としてＮｉＴｉＯ３を用いた例を示す。
ＩｒＯ２の成膜は、サファイア基板（１００）上に、Ｉｒターゲット（径１００ｍｍ）を用いて行った。ＲＦパワー３００Ｗ、アルゴンガス６７％、酸素ガス３３％、全ガス圧６Ｐａ、基板温度３００℃、の中で、ＲＦマグネトロンスパッタを行った結果、（００１）配向したＩｒＯ２が得られた。ＩｒＯ２の膜厚は５０ｎｍとした。
【０２２８】
第１化合物としてＮｉＴｉＯ３を成膜した。ターゲットは成膜時に定比組成となるように、その混合比が調整されたターゲットを用いて、Ａｒ（アルゴン）９５％、Ｏ２（酸素）５％の雰囲気中で、ＲＦマグネトロンスパッタを行った。ＲＦパワーは１００Ｗ、全ガス圧は１．０Ｐａ、基板温度は７００℃、とし、第１化合物ＮｉＴｉＯ３の膜厚は１０ｎｍとした。このとき、ＮｉＴｉＯ３の配向は主に（１１０）配向であった。
最後に保護膜１３ＢとしてＳｎＯ２を２ｎｍ成膜して、図６に表した構造を有する記録媒体を得た。
【０２２９】
第１実験例の評価方法１と同様の方法で評価した結果、高抵抗状態の抵抗は１０８Ω台、低抵抗状態の抵抗は１０４Ω台であった。
第１実験例の評価方法２と同様の方法で評価した結果、高抵抗状態の抵抗は１０８Ω台、低抵抗状態の抵抗は１０４Ω台であった。
【０２３０】
（第６実験例）
第６実験例においては、（１１１）配向させたＴｉＮを配向制御層として用い、第１化合物としてＺｎＭｎ２Ｏ４を、第２化合物としてＴｉＯ２を用いた例を示す。
第２実験例と同様の方法により、Ｓｉ（１００）基板上に、（１１１）配向したＴｉＮを配向制御層として、（１１０）配向した厚さ１０ｎｍのＺｎＭｎ２Ｏ４を成膜した。
さらに、Ｔｉターゲット（径１００ｍｍ）を用いて、Ａｒ（アルゴン）９５％、Ｏ２（酸素）５％、の雰囲気中で、ＲＦマグネトロンスパッタを行い、ＴｉＯ２膜を得た。ＲＦパワーは１００Ｗ、全ガス圧は１．０Ｐａ、基板温度は６００℃、とし、第２化合物ＴｉＯ２の膜厚は３ｎｍとした。このＴｉＯ２を解析した結果、ホランダイト構造に似た構造をしており、ｃ軸配向に近かった。
さらに、保護膜１３ＢとしてＳｎＯ２を２ｎｍ成膜して、図６に表した構造を有する記録媒体を得た。
【０２３１】
第１実験例の評価方法１と同様の方法で評価した結果、高抵抗状態の抵抗は１０１０Ω台、低抵抗状態の抵抗は１０３Ω台であった。
【０２３２】
第１実験例の評価方法２と同様の方法で評価した結果、高抵抗状態の抵抗は１０１０Ω台、低抵抗状態の抵抗は１０３Ω台であった。
【０２３３】
（比較例）
比較例においては、記録層の第１化合物をＮｉＯ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。（１００）配向させたＶＮ膜上に、ＮｉＯターゲット（径１００ｍｍ）を用いて、Ａｒ（アルゴン）９５％、Ｏ２（酸素）５％、の雰囲気中で、ＲＦマグネトロンスパッタを行い、ＮｉＯを成膜した。ＲＦパワーは１００Ｗ、全ガス圧は１．０Ｐａ、基板温度は４００℃、とし、第１化合物ＮｉＯの膜厚は１０ｎｍとした。このとき、ＮｉＯの配向は主に（１００）配向であった。
本比較例では、第１実験例と同様に１０ｎｓｅｃ幅で、１．５Ｖのパルスを印加した場合においては、書き込み／消去を行うことができなかったので、以下の条件にて書き込み／消去を行った。
【０２３４】
［評価方法１’］
評価方法１’について説明する。
書き込みは、プローブ２に、例えば、１０ｎｓｅｃ幅で、８Ｖの電圧パルスを印加することにより行う。
消去は、プローブ２に、例えば、１μｓｅｃ幅で、２Ｖの電圧パルスを印加することにより行う。
書き込み／消去の合間に、読み出しを実行した。読み出しは、プローブ２に、１０ｎｓｅｃ幅で、０．１Ｖの電圧パルスを印加し、記録層（記録ビット）２２の抵抗値を測定することにより行った。
【０２３５】
［評価方法２’］
評価方法２’について説明する。
評価方法２’においては、パルス消去による評価を行う。
書き込みは、プローブ２に、例えば、１０ｎｓｅｃ幅で、５Ｖの電圧パルスを印加することにより行う。
消去は、プローブ２に、例えば、１０ｎｓｅｃ幅で、−５Ｖの電圧パルスを印加することにより行う。
書き込み／消去の合間に、読み出しを実行した。読み出しは、プローブ２に、１０ｎｓｅｃ幅で、０．１Ｖの電圧パルスを印加し、記録層（記録ビット）２２の抵抗値を測定することにより行う。
【０２３６】
評価方法１’で評価した結果、高抵抗状態の抵抗は１０７Ω台、低抵抗状態の抵抗は１０４Ω台であった。
評価方法２’で評価した結果、高抵抗状態の抵抗は１０７Ω台、低抵抗状態の抵抗は１０４Ω台であった。
【０２３７】
このように、記録層としてＮａＣｌ構造を有するＮｉＯを用いた場合においては、陽イオンの拡散が生じにくいため、書き込み／消去に大きな電圧を要する。
【０２３８】
以上、図１〜図３３を参照しつつ説明したように、本実施形態によれば、情報記録（書き込み）は、電場が印加された部位（記録単位）のみで行われるため、極めて微細な領域に、極めて小さな消費電力で情報を記録できる。
【０２３９】
また、消去は、熱を印加することにより行うが、本実施形態の例で提案する材料を用いれば酸化物の構造変化がほとんど生じないため、小さな消費電力で消去が可能となる。あるいは、消去は記録時と逆向きの電場を印加して行うこともできる。この場合には、熱の拡散というエネルギーロスが少ないため、より小さな消費電力で消去が可能となる。
【０２４０】
さらに、本実施形態によれば、書き込み後においては、絶縁体内に導体部が形成された形となるため、読み出しの際においては、電流が導体部に集中して流れることになり、感知効率が極めて高い記録原理を実現できる。
【０２４１】
さらに、本実施形態によれば、移動しやすい陽イオンと、母体構造を安定に保つ遷移元素イオンと、を組みあわせることにより、繰り返し安定に記録消去することが可能となる。
【０２４２】
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。従って、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。
【０２４３】
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、上述の実施の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、上述の実施の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、異なる実施の形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０２４４】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかか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２】第２実施形態の記録部の構造を表す概念図である。
【図３】記録層１２を構成する第１及び第２の層１２Ａ，１２Ｂを交互に積層させた具体例を表す模式図である。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】記録について表した模式図である。
【図８】再生について表した模式図である。
【図９】記録する状態を表した模式図である。
【図１０】再生時の状態を表す模式図である。
【図１１】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。
【図１２】図１１の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。
【図１３】メモリセル３３の構造を例示する模式図である。
【図１４】メモリセルアレイの他の具体例を表す模式図である。
【図１５】メモリセルアレイの他の具体例を表す模式図である。
【図１６】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。
【図１７】ＮＡＮＤセルユニットの回路図である。
【図１８】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。
【図１９】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。
【図２０】ＮＡＮＤ型フラッシュメモリの変形例を表す模式図である。
【図２１】ＮＯＲセルユニットの回路図である。
【図２２】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。
【図２３】２トランジスタ型セルユニットの回路図である。
【図２４】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。
【図２５】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
【図２６】結晶が膜厚方向に分断された第１実施形態の記録部の構造を表す概念図である。
【図２７】記録層と配向制御層との結晶軸であるａ軸、ｂ軸、ｃ軸の方向を例示した模式図である。
【図２８】配向面の定義を説明するための模式図である。
【図２９】スピネル構造を有する材料を第１化合物として用いた記録層の格子定数と配向制御層の格子定数との差の計算結果をまとめた表である。
【図３０】デラフォサイト構造を有する材料を第１化合物として用いた記録層の格子定数と配向制御層の格子定数との差の計算結果をまとめた表である。
【図３１】ウルフラマイト構造を有する材料を第１化合物として用いた記録層の格子定数と配向制御層の格子定数との差の計算結果をまとめた表である。
【図３２】イルメナイト構造を有する材料を第１化合物として用いた記録層の格子定数と配向制御層の格子定数との差の計算結果をまとめた表である。
【図３３】第１化合物を含む記録層の格子定数と第２化合物を含む記録層の格子定数との差の計算結果をまとめた表である。
【符号の説明】
【０２４５】
１１ 電極層、 １１Ａ 配向制御層、 １２ 記録層、 １２Ａ 第１の層、 １２Ｂ 第２の層、 １３Ａ 電極層（保護層）、１３Ｂ 保護層、 １４ メタル層、 １５ ドライバ、 １６ スキャナー、 ２０ 基板、 ２１ 電極層、２１Ａ 配向制御層、 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、３４Ａ 配向制御層、 ３５ ヒータ層、 ４１ 半導体基板、 ４１ａ 型半導体基板、 ４１ｂ 型ウェル領域、 ４１ｃ 型ウェル領域、 ４２ 拡散層、 ４３ ゲート絶縁層、４３Ａ 配向制御層、 ４４ 記録層、 ４５ コントロールゲート電極、 ４７ 半導体層、４７Ａ 配向制御層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高記録密度の情報記録再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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（オン）と結晶状態（オフ）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。
【０００４】
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。
【０００５】
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、１０３程度である。
【０００６】
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）。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。即ち、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。
【００１１】
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。
【００１２】
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）。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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）。
【特許文献１】特開２００５−２５２０６８号公報
【特許文献２】特開２００４−２３４７０７号公報
【非特許文献１】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)
【非特許文献２】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
【非特許文献３】A. Onoue, S. Hashimoto, Y. Chu, Mat. Sci. Eng. B120, 130(2005)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、高記録密度及び低消費電力の不揮発性の情報記録再生装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の一態様によれば、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の層を有する記録層と、前記記録層に電圧を印加して前記記録層に相変化を発生させて情報を記録する電圧印加部と、前記記録層に電圧を印加する電極層と、前記記録層と前記電極層との間に設けられ、前記記録層の配向を制御する配向制御層と、が設けられていることを特徴とする情報記録再生装置が提供される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、高記録密度及び低消費電力の不揮発性の情報記録再生装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の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。
【００２１】
（第１の実施の形態）
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、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、記録層１２と電極層１１との間に配向制御層１１Ａが設けられている。
【００２２】
記録層１２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、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。このような記録層は、例えば以下の材料が挙げられる。
【００２３】
例えば、ＡｘＭｙＸ４（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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
他には、例えば、ＡｘＭｙＸ２（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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
他には、例えば、ＡｘＭｙＸ４（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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
他には、例えば、ＡｘＭｙＸ３（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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
なお、ＡｘＭｙＸ４（０．１≦ｘ≦２．２、１．５≦ｙ≦２）で表されるスピネル構造と、ＡｘＭｙＸ２（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、ＡｘＭｙＸ４（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、ＡｘＭｙＸ３（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。
【００３６】
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。
【００３７】
図１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）を表し、大きな白丸は、Ｘイオン（例えば、陰イオン）を表す。また、小さな黒丸は、Ｍイオン（例えば、母体イオン）を表す。
【００３８】
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。
【００３９】
まず、例えば、電極層１３Ａ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１３Ａに負の電位を与えればよい。
【００４０】
この時、記録層１２内のＡイオンの一部が電極層（陰極）１３Ａ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１３Ａ側に移動したＡイオンは、電極層１３Ａ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１４を形成する。従って、電極層１３Ａ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。
【００４１】
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１３Ａ側に移動したＡイオンは電極層１３Ａ側の空隙サイトを埋めても良い。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１３Ａから電子を受け取り、メタル的に振舞う。
【００４２】
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、その価数があ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１４、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。
【００４３】
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。
【００４４】
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）１３Ａ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。
【００４５】
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）。
【００４６】
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を固定電位とすれば、電極層１３Ａに正の電位を与えればよい。すると、電極層１３Ａ近傍のＡ原子は電極層１３Ａ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。
【００４７】
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。
【００４８】
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１４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。従って、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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。従って、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。
【００５１】
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。
【００５２】
図１に表した記録部においては、十分に大きな結晶が得られている場合について説明したが、図２６に表した記録部のように、結晶が膜厚方向に分断された配置となっている場合にも、本発明で説明した基本原理でＡイオンの移動とそれに伴う抵抗変化が生じうる。
【００５３】
つまり、電極層１１を接地した状態で電極層１３に負の電圧を加えると、記録層１２内に電位勾配が生じ、Ａイオンは輸送される。Ａイオンが結晶界面まで移動すると、電極層１３Ａに近い領域から徐々に電子を受け取り、メタル的に振舞う。その結果、結晶界面近傍にメタル層１４が形成される。
【００５４】
また、記録層１２内部では、Ｍイオンの価数が上昇するため、その導電性が上昇する。このような場合、結晶界面に沿ったメタル層１４の導電パスが形成されるので、電極層１１と電極層１３Ａの間の抵抗は減少し、素子は低抵抗状態相に変化する。
この場合にも、大電流パルスによるジュール加熱や、逆向き電圧パルス印加によって結晶界面のＡイオンをスピネル構造内に引き戻すことにより、高抵抗状態相に変化させることが可能である。
【００５５】
しかしながら、図１に表した記録部のように、Ａイオンの移動が印加電圧に対して効率的に生じるためには、Ａイオンが拡散する方向と電場が加えられている方向とが一致していることが好ましい。
前述のような結晶構造を有する第１化合物としては、スピネル構造を有する材料を用いることができる。スピネル構造では、Ａイオンが占め得るサイトのほぼ半分が空隙の状態であるので、Ａイオンの拡散が容易である。
【００５６】
第１化合物が、スピネル構造の場合には、図１に表した記録部の通り、記録層１２のｃ軸が膜面に対して平行方向に配向していると、電極間を結ぶ方向に移動パスが配置されるので好ましい。さらに、記録層１２が（１１０）配向していると、移動パスがほぼ電場方向と平行方向に配置するので、記録層１２は（１１０）配向していることがより好ましい。なお本願明細書において、「（１１０）配向している」とは、（１１０）面が膜面に対して略平行であることをいう。他の結晶面の配向についても同様である。
【００５７】
記録層１２を（１１０）配向させるためには、後述のように、単位格子が直行し、単位格子長の比が例えば約１：２１／２程度である材料を配向制御層１１Ａとして用いるとよい。すなわち、記録層１２を所望の方向に配向させる手段として、記録層１２の格子定数と整数倍の関係にある格子定数を有する層である配向制御層１１Ａを記録層１２と電極層１１との間に形成するとよい。配向制御層１１Ａは、単純な結晶構造を有し、記録層１２よりも配向制御が容易である層を用いることが好ましい。また、配向制御層１１Ａの導電性が低すぎると、記録層１２への電圧印加が困難になるので、配向制御層１１Ａの抵抗率は絶縁体状態の記録層１２の抵抗率と例えば約同程度以上であることが好ましい。
【００５８】
このため、配向制御層１１Ａは、Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｗのいずれかの窒化物を含むことが好ましい。あるいは、配向制御層１１Ａは、Ｒｕ，Ｉｒ，Ｔａ，Ｍｇ，Ｃｅ，Ｗのいずれかの酸化物を含む材料としてもよい。窒化物の中では、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｗが安定に成膜できるため特に好ましい。酸化物の中では、ＲｕあるいはＩｒの酸化物が高い導電性を示すので特に好ましい。
【００５９】
これらの窒化物あるいは酸化物を第１化合物の近傍に配置すると、第１化合物に含まれる元素が拡散するのを防ぐ効果を、第１化合物に併せ持たせることが可能である。さらに、好適な熱伝導率を有する材料を配向制御層１１Ａとして用いた場合においては、ジュール熱により記録層１２の温度が上昇したときであっても、その冷却段階で第１化合物と配向制御層１１Ａとの間の膜はがれを防ぐ機能をも、第１化合物に併せ持たせることができる。
【００６０】
次に、各記録層材料の好適な配向方向と、その方向に配向した記録層材料と配向制御層との格子定数の関係について説明する。
図２７は、記録層１２と配向制御層１１Ａとの結晶軸であるａ軸、ｂ軸、ｃ軸の方向を例示した模式図である。
記録層１２と配向制御層１１Ａとの格子定数のマッチングを求める。スピネル構造は、正方晶構造を有するＺｎＭｎ２Ｏ４を除くと、一般に立方晶構造を有する。スピネル構造において、そのｃ軸を記録層１２の膜面と平行方向にするには、もっとも単純には、第１化合物を（１００）配向させればよい。このためには、記録層１２のｂ軸、ｃ軸と一致度が高い格子定数を有する配向制御層１１Ａを用いればよい。立方晶を有するＺｎＣｒ２Ｏ４およびＺｎＶ２Ｏ４に関しては、ａ軸長、ｂ軸長、ｃ軸長が同じであるので、比較すべき格子定数は図２９に表す通りとなる。
【００６１】
図２９は、記録層１２の格子定数（ここではａｒ＝ｂｒ）と、配向制御層１１Ａの格子定数（ここではａｃ＝ｂｃ）と、の差（ａｒ−ｎａｃ）／ａｒの計算結果をまとめた表である。ただし、ｎは任意の整数とする。
図２９に表した計算結果より、例えば、ＺｎＣｒ２Ｏ４のａ軸長とＶＮのａ軸長との差は１％であるので、（１００）配向したＶＮ膜上にＺｎＣｒ２Ｏ４を成膜すると、（１００）配向が得られやすくなる。ずれ量（記録層１２の格子定数と、配向制御層１１Ａの格子定数と、の差（ａｒ−ｎａｃ）／ａｒ）は２０％程度以下であることが好ましく、５％以下であることがさらに好ましい。
【００６２】
ここで、配向面の定義に関して説明する。
図２８は、配向面の定義を説明するための模式図である。
図２８（ａ）に表した配向面ように、結晶軸のａ軸、ｂ軸、ｃ軸と、それぞれ、３、２、２で交わる平面は、これらの数の逆数１／３、１／２、１／２を用いて（３２２）面と定義する。また、表面に（３２２）面が現れる配向方向を（３２２）配向と定義する。
【００６３】
図２８（ｂ）に表した配向面のように、結晶軸のａ軸、ｂ軸と、それぞれ、１、１で交わり、ｃ軸と交わらない場合には、１／１、１／１、１／∞として（１１０）面とする。（１１０）面が表面に現れる配向を（１１０）配向とする。この定義は、ａ軸、ｂ軸、ｃ軸間の角度には依存しない。つまり、ａ軸、ｂ軸間が１２０度であるような場合にも図２８（ｂ）で示される切片を有する面は（１１０）面と定義する。
【００６４】
図２９に表した計算結果のように、スピネル構造の構成元素が変わっても、格子定数の変化は大きくないので、図２９に示した代表的な組成ＺｎＣｒ２Ｏ４、ＺｎＶ２Ｏ４、ＺｎＭｎ２Ｏ４のデータからスピネル構造を所望の方向に配向させるのに好適な配向制御層１１Ａの組成および配向を決定することができる。
【００６５】
スピネル構造を（１００）配向させるには、スピネル構造のａ軸２辺と格子定数が一致する２辺とを有する例えば以下の材料を配向制御層１１Ａに用いることが好ましい。
【００６６】
・（００１）配向したＩｒＯ２あるいはＲｕＯ２
・（１００）、(１１０)、あるいは(１１１)配向したＴｉＮ、ＶＮ、あるいはＷ２Ｎ
・（１００）配向したＺｒＮあるいはＨｆＮ
・（１００）あるいは（００１）配向したＳｉ３Ｎ４
この中でも、（１００）配向したＴｉＮ、ＶＮ、あるいはＷ２Ｎが、最も格子定数の一致度が高いという点で好ましい。
【００６７】
ここで、例えば、ＴｉＮは（１００）、（１１０）、あるいは（１１１）配向のいずれでも整合性は高いが、これらが同程度に交じり合ったランダムな状態でないことが好ましい。これらがランダムに交じり合っていると、セル間で配向性が異なる配向制御層となることが予想され、配向制御層上に形成される第１化合物の配向、ひいては、その抵抗変化特性がセルごとに異なる可能性が高いからである。
【００６８】
スピネル構造においては、移動パスがほぼ［１１０］軸方向に向いているので、記録層１２の膜面が（１１０）配向していることがさらに好ましい。記録層１２の膜面が（１１０）配向するためには、［１−１０］方向単位ベクトルとｃ軸方向単位格子とが一致していればよい。記録層１２の膜面を（１１０）配向させるのに好適な配向制御層１１Ａとしては、例えば以下の組成および配向が挙げられる。
【００６９】
・（１００）あるいは（１１０）配向したＩｒＯ２あるいはＲｕＯ２
・（１００）、(１１０)、あるいは(１１１)配向したＴｉＮ、ＶＮ、あるいはＷ２Ｎ
・（１１０）配向したＺｒＮあるいはＨｆＮ
・（１００）あるいは（１１０）配向したＳｉ３Ｎ４
この中でも、（１１０）配向したＴｉＮ、ＶＮ、あるいはＷ２Ｎ、が最も格子定数の一致度が高いという点で好ましい。一方で、（１００）あるいは（１１１）配向したＴｉＮ、ＶＮ、あるいはＷ２Ｎは、成膜のしやすさという点で好ましい。
【００７０】
以上の結果より、結晶格子の一致度と、配向を完全に(１１０)配向に制御できなかった場合にも、Ａイオンを記録層１２の膜面に垂直な層状に配置できることと、から、スピネル構造を有する第１化合物を用いた場合には、ＴｉＮ、ＶＮ、あるいはＷ２Ｎを配向制御層１１Ａとして用いることが好ましい。これらの窒化物は（１００）、(１１０)、あるいは（１１１）配向していることが好ましい。また、成膜の容易さを考慮すると、ＴｉＮを配向制御層１１Ａとして用いることがさらに好ましい。
【００７１】
図２９に表した計算結果のように、Ｍｎを用いたスピネル構造は正方晶となることが多い。このような場合には、ａ軸が記録層１２の膜面と平行方向に配置した場合にも、図１に表した記録部のように、Ａイオンが記録層１２の断面に対して層状に存在するので電極方向へのＡイオンの拡散が容易に生じる。前述の配向制御層１１Ａを用いた場合には、ＺｎＭｎ２Ｏ４のａ軸が記録層１２の膜面と平行方向に配置した場合においても、格子定数の一致度が高いので、（００１）配向したＺｎＭｎ２Ｏ４も容易に得ることができる。
【００７２】
一方、Ｍｎを用いたスピネルにおいては、ｃ軸長がａ軸長よりも長いので、ｃ軸が記録層１２の膜面とほぼ平行になるときに、電極間を結ぶ方向の拡散パスの径が大きくなる。Ｍｎを用いたスピネルを配向させるためには、そのｃ軸長とａ軸長とが、あるいはｃ軸長と［１−１０］方向単位ベクトルとが、配向制御層の単位ベクトルと比較して一致度が高いものを選択すればよい。従って、（１００）配向したＩｒＯ２あるいはＲｕＯ２、（１１０）あるいは（１１１）配向したＴｉＮ、ＶＮ、あるいはＷ２Ｎを配向制御層として用いることが好ましい。
【００７３】
一方、ＺｎＭｎ２Ｏ４のＭｎの一部をＣｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｇａで置換すると、スピネル構造は立方晶に近づくので、このような置換によって得られる立方晶のＺｎＭｎ２−ｘＭｓｘＯ４（ただし、Ｍｓは置換元素）を第１化合物に用いてもよい。このような目的で用いられる元素としてはＣｒ、Ａｌを用いることがより好ましい。
【００７４】
前述のような結晶構造を有する第１化合物としては、デラフォサイト構造を有する材料を用いることもできる。デラフォサイト構造においては、移動パスの径が大きく、移動パスが３方向に伸びているため、Ａイオンの拡散が容易である。
デラフォサイト構造の場合においては、ｃ軸が膜面に平行方向に配向しているときに、図１に表した記録部のように、電極間を結ぶ方向に移動パスが配置されるので好ましい。ここで、デラフォサイト構造の結晶格子は、ａ軸とｂ軸が１２０度をなし、ａ軸とｃ軸とが、およびｂ軸とｃ軸とが、直行するようにとった。ａ軸長とｂ軸長が等しいような六方晶系であるので、［１００］軸、［０１０］軸、［１１０］方向への隣接Ａ原子間の距離は同じである。従って、記録層１２の膜面がａ軸とｃ軸とを含む面に平行に配向（本願明細書において、「ａｃ面配向」と称す）している、または（１１０）配向している、ときに、移動パスがほぼ電場方向と平行方向に配置するのでより好ましい。
【００７５】
まず、ａｃ面配向を容易にするには、記録層１２の膜面のａ軸長とｃ軸長とが、配向制御層１１Ａの単位格子と一致していればよい。図３０に表した計算結果より、このために好適な配向制御層１１Ａとしては、例えば以下の組成および配向が挙げられる。
【００７６】
・（１００）あるいは（１１０）配向したＩｒＯ２あるいはＲｕＯ２
・（１１０）あるいは（１１１）配向したＴｉＮ、ＶＮ、Ｗ２Ｎ、ＺｒＮ、あるいはＨｆＮ
・（１００）、（００１）、あるいは（１１０）配向したＳｉ３Ｎ４
この中でも、（１１０）配向したＴｉＮ、ＶＮ、Ｗ２Ｎが、最も格子定数の一致度が高いという点で好ましい。一方で、（１１１）配向したＴｉＮ、ＶＮ、Ｗ２Ｎは成膜のしやすさという点で好ましい。
【００７７】
また、（１１０）配向した記録層１２の膜面を得るためには、［１−１０］方向の単位ベクトルとｃ軸長に注目すればよい。このために好適な配向制御層１１Ａとしては、例えば以下の組成および配向が挙げられる。
【００７８】
・（１００）あるいは（００１）配向したＩｒＯ２あるいはＲｕＯ２
・（１００）配向したＺｒＮ、あるいはＨｆＮ
・（１１０）配向したＳｉ３Ｎ４
以上の結果より、デラフォサイト構造と好適に用いられる配向制御層１１Ａとしては、ＴｉＮ、ＶＮ、Ｗ２Ｎが挙げられる。これらの窒化物は（１１０）配向していることがさらに好ましい。成膜の容易さを考慮するとＴｉＮを配向制御層１１Ａとして用いることがさらに好ましい。
【００７９】
前述のような結晶構造を有する第１化合物としては、ウルフラマイト構造を有する材料を用いることもできる。ウルフラマイト構造においては、ＭイオンとＸイオンの結合が強く、Ａイオンが移動した構造を安定に保持することが可能となる。
ウルフラマイト構造の場合においては、ａ軸が膜面に平行方向に配向しているときに、図１に表した記録部のように、電極間を結ぶ方向に移動パスが配置されるので好ましい。ここで、ウルフラマイト構造の結晶格子は、３軸が直行方向よりわずかにずれている構造を有するが、ずれ角度は１度程度以下であるので、このずれを無視してもよい。また、記録層１２の膜面が（０１−１）配向している場合においては、移動パスがほぼ電場方向に配置するのでより好ましい。
【００８０】
このためには、後述のように、単位格子が直行し、単位格子長の比が約例えば１：１程度、または例えば約１：２１／２程度である材料を配向制御層として用いるとよい。
まず、ａ軸が記録層１２の膜面と平行方向に配向するには、ａ軸長とｂ軸長とが、あるいはａ軸長とｃ軸長とが、配向制御層１１Ａの単位格子と一致していればよい。図３１に表した計算結果より、このために好適な配向制御層１１Ａとしては、例えば以下の組成および配向が挙げられる。
【００８１】
・（１００）あるいは（００１）配向したＩｒＯ２あるいはＲｕＯ２
・（１００）あるいは（１１０）配向したＴｉＮ、ＶＮ、Ｗ２Ｎ、ＺｒＮ、あるいはＨｆＮ
この中でも（１００）配向したＺｒＮあるいはＨｆＮが、最も格子定数の一致度が高いという点で好ましい。（００１）配向したＩｒＯ２あるいはＲｕＯ２も格子定数の一致度が高く好ましい。
【００８２】
次に、記録層１２の膜面を（０１−１）配向させるには、ａ軸長と［０１１］方向単位ベクトル長に注目すればよい。図３１に表した計算結果より、このために好適な配向制御層１１Ａとしては、例えば以下の組成および配向が挙げられる。
【００８３】
・（１００）配向したＴｉＮ、ＶＮ、Ｗ２Ｎ
以上より、ウルフラマイト構造と好適に用いられる配向制御層１１Ａとしては、ＺｒＮ、あるいはＨｆＮが挙げられる。これらの窒化物は（１００）配向していることがより好ましい。あるいはウルフラマイト構造と好適に用いられる配向制御層１１Ａとしては、ＩｒＯ２あるいはＲｕＯ２が挙げられる。これらの酸化物は（１００）あるいは（００１）配向していることが好ましく、（００１）配向していることがさらに好ましい。
【００８４】
前述のような結晶構造を有する第１化合物としては、イルメナイト構造を有する材料を用いることもできる。イルメナイト構造では、移動パスが３方向に伸びているため、Ａイオンの拡散が容易である。
イルメナイト構造の場合においては、ｃ軸が膜面に平行方向に配向しているときに、図１に表した記録部のように、電極間を結ぶ方向に移動パスが配置されるので好ましい。イルメナイト構造は六方晶系であるので、［１００］軸、［０１０］軸、［１１０］方向への隣接Ａ原子間の距離は同じである。従って、記録膜がａｃ面配向している、または（１１０）配向している、ときに、移動パスがほぼ電場方向と平行方向に配置するのでより好ましい。
【００８５】
まず、ａｃ面配向を容易にするには、記録膜のａ軸長とｃ軸長が、配向制御層１１Ａの単位格子と一致していればよい。図３２に表した計算結果より、このために好適な配向制御層１１Ａとしては、例えば以下の組成および配向が挙げられる。
【００８６】
・（１００）あるいは（１１０）配向したＺｒＮあるいはＨｆＮ
・（１１０）配向したＳｉ３Ｎ４
この中でも（１１０）配向したＺｒＮあるいはＨｆＮは格子定数の一致度が高いという点で好ましい。
また、（１１０）配向した記録層１２の膜面を得るためには、［１−１０］方向の単位ベクトルとｃ軸長に注目すればよい。このために好適な配向制御層１１Ａとしては、例えば以下の組成および配向が挙げられる。
【００８７】
・（００１）、（１００）、(１１０)、あるいは（１１１）配向したＩｒＯ２あるいはＲｕＯ２
・（１００）、（１１０）、あるいは（１１１）配向したＴｉＮ、ＶＮ、Ｗ２Ｎ、ＺｒＮ、あるいはＨｆＮ
・（１００）配向したＳｉ３Ｎ４
この中でも（１００）配向したＺｒＮあるいはＨｆＮが最も格子定数の一致度が高いという点で好ましい。（００１）配向したＩｒＯ２あるいはＲｕＯ２も格子定数の一致度が高いという点で好ましい。
【００８８】
以上の結果より、イルメナイト構造の配向制御層１１Ａとしては、ＩｒＯ２あるいはＲｕＯ２を用いることが好ましい。これらの酸化物は（１００）配向していることがさらに好ましい。あるいは、イルメナイト構造の配向制御層１１Ａとしては、配向制御層１１Ａの配向制御に自由度があるという点ではＺｒＮあるいはＨｆＮを用いることが好ましい。これらの窒化物は（１００）あるいは(１１０)配向していることが好ましい。成膜の容易さという点では（１００）配向していることがさらに好ましい。
【００８９】
図２９〜図３２に表した計算結果においては、それぞれの材料を定比組成で作製したときの格子定数を示した。一般に、酸素や窒素の欠損／過剰がある場合においては、定比組成の場合の格子定数とやや異なる値となる場合もあるが、欠損／過剰が２０％程度以下である場合においては、格子定数の変化はそれほど顕著ではない。従って、配向制御層の組成は必ずしも定比組成である必要はない。しかるに、配向制御層と第１化合物との反応、および第１化合物成膜時の環境による影響などを考慮すると、配向制御層の欠損／過剰量は２０％程度以下であることが好ましく、１０％以下であることがさらに好ましい。
【００９０】
所望の方向に配向した配向制御層を得るためには、アモルファス構造をとりやすい材料を電極と配向制御層との間のいずれかの位置に設け、結晶性をリセットしてもよい。このために、好適に用いられる材料としては、Ｃｏ、Ｔａなど任意の金属のシリサイド、Ｃｕ、若しくはＴａなどの金属、又はこれらの金属を含む合金、若しくはＣｏｘＦｅｙＢｚ（０．１≦ｚ≦０．４であることが好ましい）などが挙げられる。これらのアモルファス層は、記録層の成膜時などの高温プロセス時に結晶化してもよく、特にＣｏｘＦｅｙＢｚは室温で成膜した時には良好なアモルファス特性を示すが、容易に結晶化することが知られている。このようなアモルファス層の膜厚は任意の膜厚で設けられるが、０．３ｎｍ以上、５ｎｍ以下であることが好ましい。このようなアモルファスの層を設けることにより、下地の結晶性や配向などの影響を消去し、その上に形成する配向制御層を所望の配向状態で形成することができる。
【００９１】
配向制御層が窒化物、または酸化物の場合においても、第１化合物の成膜時にその一部が、酸化／還元されて、１原子から数原子層に渡って、組成が一部変化する可能性がある。このような効果は配向制御層と第１化合物間との格子定数のわずかなずれに対するバッファとして機能したり、両者の密着性を高める効果がある。密着効果は窒化物においてより顕著である。
【００９２】
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。
【００９３】
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。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。
【００９４】
記録層の膜厚が例えば約２０ｎｍ程度以下である場合においては、配向制御層を用いて記録層の全膜厚にわたって配向制御しやすくなる。一方で記録層の膜厚が例えば約２０ｎｍ程度を超えると、格子定数のずれなどのために、配向制御層から離れるに従って、配向制御の効果が小さくなる。このような場合においては、Ａイオンの移動を記録層の一部に制限することが可能となる。配向制御が十分でない記録層部分までは、Ａイオンが移動せず、Ａイオンが記録層表面に析出し、大気と反応するのを防ぐことが可能となる。つまり、配向制御が十分でない記録層部分を保護層として用いることが可能となる。
【００９５】
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。
【００９６】
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、ＬａＮｉＯ３は、最も望ましい材料ということができる。
【００９７】
・ 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。
【００９８】
・ ＭＯｘ
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。
【００９９】
・ ＡＭＯ３
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。
【０１００】
・ Ａ２ＭＯ４
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。
【０１０１】
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、ＳｎＯ２などの半導体がある。
【０１０２】
電極層１３Ａ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１３Ａ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。
【０１０３】
（第２の実施の形態）
次に、本実施形態の第２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／消去／再生の基本原理について説明する。
図２は、本実施形態の記録部の構造を表す模式図である。
この記録部は、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、記録層１２と電極層１１との間に配向制御層１１Ａが設けられている。
【０１０４】
記録層１２は、電極層１１側に配置され、ＡｘＭ１ｙＸ１ｚで表記される第１化合物１２Ａと、電極層１３Ａ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１２Ａ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１２Ｂと、を有する。
【０１０５】
第２化合物１２Ｂ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１２Ｂの製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。
【０１０６】
・ □ｘＭ２Ｘ２２
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
・ □ｘＭ２Ｘ２３
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
・ □ｘＭ２Ｘ２４
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
・ □ｘＭ２ＰＯｚ
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
・ □ｘＭ２Ｏ５
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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、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。
【０１１７】
また、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。
【０１１８】
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１２Ａと第２の層１２Ｂ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。
【０１１９】
図２に表した記録部において、第１化合物１２Ａ内の太線で示した小さな白丸はＭ１イオン（例えば、母体イオン）を、第１化合物１２Ａ内の小さな白丸はＡイオン（例えば、拡散イオン）を、第２化合物１２Ｂ内の黒丸はＭ２イオン（例えば、遷移元素イオン）を表す。また、大きな白丸は、第１化合物１２Ａ内ではＸ１イオン（例えば、陰イオン）、第２化合物１２Ｂ内ではＸ２イオン（例えば、陰イオン）を表している。
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。
【０１２０】
このような記録部において、第１の層１２Ａが陽極側、第２の層１２Ｂが陰極側になるように電極層１１、１３Ａ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１２Ａ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１２Ｂ内に進入する。
【０１２１】
第２の層１２Ｂ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１２Ａから移動してきたＡイオンは、この空隙サイトに収まる。
従って、第２の層１２Ｂ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１２Ａ内では、ＡイオンあるいはＭ１イオンの価数が増加する。従って、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。
【０１２２】
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，１２Ｂ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。
【０１２３】
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１２Ａから第２の層１２Ｂに向かって電子も移動するが、第２の層１２Ｂの電子のフェルミ準位は、第１の層１２Ａ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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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１２Ａ内に戻る、という現象を促進してやればよい。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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１２Ｂとして、上述したような材料およ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 。
【０１２８】
また、図１に表した記録部のような構造を有する、ＡｘＭｙＸ４（０．１≦ｘ≦２．２、１．５≦ｙ≦２）で表されるスピネル構造、ＡｘＭｙＸ２（０．１≦ｘ≦１．１、０．９≦ｙ≦１．１）で表されるデラフォサイト構造、ＡｘＭｙＸ４（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ＡｘＭｙＸ３（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。
【０１２９】
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１２Ａが配向している場合には、第１化合物１２Ａ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１２Ａの格子定数と第２化合物１２Ｂ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。
【０１３０】
化合物内でのＡイオンの移動、成膜のしやすさ等を考えると、Ａイオンの空隙サイトを多く含むようにその組成比を調整したスピネル構造、ホランダイト構造、ラムスデライト構造などを、第２化合物１２Ｂとして用いるのが好ましい。これらの構造内での移動パスは、それぞれ、スピネル構造は［１１０］方向を、ホランダイト構造はｃ軸方向を、ラムスデライト構造はｃ軸方向を、向いている。図３３に表した計算結果より、第１化合物１２Ａとしてスピネル構造、デラフォサイト構造、ウルフラマイト構造、またはイルメナイト構造を用いたときに、好適に用いられる第２化合物は、例えば以下の組成および配向が挙げられる。
【０１３１】
・ 第１化合物１２Ａがスピネルの場合
第２化合物１２Ｂにおいては、スピネル構造が好適である。ただし、第１化合物１２Ａが（１１０）配向したＡＭｎ２Ｏ４の場合においては、ホランダイト構造が好適である。
【０１３２】
・ 第１化合物１２Ａがデラフォサイトの場合
第２化合物１２Ｂおいては、ラムスデライト構造、あるいはスピネル構造が好適である。
【０１３３】
・ 第１化合物１２Ａがウルフラマイトの場合
第２化合物１２Ｂにおいては、ラムスデライト構造、ホランダイト構造、あるいはスピネル構造が好適である。
【０１３４】
・ 第１化合物１２Ａがイルメナイトの場合
第２化合物１２Ｂにおいては、スピネル構造が好適である。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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、ＳｎＯ２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。
【０１４０】
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。
但し、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。
【０１４１】
このような積層型の記録層においても第１化合物におけるＡイオンの移動を容易にするためには、配向制御層を用いて第１化合物を所望の方向に配向させることが好ましい。このとき、第１化合物の膜厚は配向制御層の効果が膜厚全体に及ぶように例えば約２０ｎｍ程度以下であることが好ましい。１０ｎｍ以下であると、配向制御がより容易であるので、より好ましい。第１化合物の配向性がよい場合には、第２化合物の配向制御を行うことも可能である。
【０１４２】
情報記録再生装置の実施例について説明する。
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、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。
【０１４３】
（プローブメモリ）
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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１５に転送される。
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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
図６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上の配向制御層２１Ａと、配向制御層２１Ａの上の記録層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。
【０１５２】
（第１実施形態の記録部を用いた場合）
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。
【０１５３】
図７は、記録について表した模式図である。
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。
【０１５４】
この時、例えば、記録層２２の記録ビット２７では、Ａイオンの一部がプローブ（陰極）２４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、プローブ２４側に移動したＡイオンは、プローブ２４から電子を受け取ってメタルとして析出する。
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。
【０１５５】
図８は、再生について表した模式図である。
再生に関しては、電流パルスを記録層２２の記録ビット２７に流し、記録ビット２７の抵抗値を検出することにより行う。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。
【０１５６】
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。
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。
【０１５７】
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における酸化還元反応を促進させることにより行う。あるいは、セット動作時とは逆向きの電位差を与えるパルスを印加してもよい。
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。
【０１５８】
（第２実施形態の記録部を用いた場合）
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。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。
【０１５９】
この時、記録層２２の第１の層（陽極側）１２Ａ内のＡイオンの一部は、結晶中を移動し、第２化合物（陰極側）１２Ｂの空隙サイトに収まる。これに伴い、第１の層１２Ａ内のＡイオン、あるいはＭ１イオンの価数が増加し、第２化合物内１２ＢのＡイオンあるいはＭ２イオンの価数が減少する。その結果、第１及び第２の層１２Ａ，１２Ｂ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。
【０１６０】
これにより、セット動作（記録）が完了する。
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。
【０１６１】
図１０は、再生時の状態を表す模式図である。
再生動作は、電流パルスを記録ビット２７に流し、記録ビット２７の抵抗値を検出することにより行う。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。
リセット（消去）動作は、記録層（記録ビット）２２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イオンが第２の層１２Ｂ内の空隙サイトから第１の層１２Ａ内に戻ろうとする作用を促進してやればよい。あるいは、セット動作時とは逆向きの電位差を与えるパルスを印加してもよい。
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。
【０１６２】
以上説明したように、本実施形態のプローブメモリによれば、現在のハードディスクやフラッシュメモリよりも高記録密度及び低消費電力を実現できる。
【０１６３】
（半導体メモリ）
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。
【０１６４】
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。また、記録部２２とダイオード３４との間には配向制御層３４Ａが設けられる。
【０１６５】
図１２は、図１１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、これら配線の交差部にメモリセル３３と、ダイオード３４と、配向制御層３４Ａと、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。
【０１６６】
第１〜第２実施形態のいずれかの記録層を有するメモリセル３３は、例えば、図１３に表したように、記録層２２、保護層１３Ｂ及びヒータ層３５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および配向制御層３４Ａは、ワード線ＷＬｉとメモリセル３３との間に配置される。
【０１６７】
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と、配向制御層３４Ａと、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。
【０１６８】
図１５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と、配向制御層３４Ａと、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。
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。
【０１６９】
次に、図１１〜図１３を参照しつつ用いて第１〜第２実施形態の記録層を用いた半導体メモリの記録／再生動作について説明する。
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。
【０１７０】
（第１実施形態の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。
【０１７１】
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）ＷＬｉ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ＷＬｉ側に移動したＡイオンは、ワード線ＷＬｉから電子を受け取ってメタルとして析出する。
【０１７２】
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。
【０１７３】
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。
【０１７４】
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。
【０１７５】
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。
【０１７６】
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。
【０１７７】
（第２実施形態の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ＷＬｉの電位をビット線ＢＬｊの電位よりも相対的に低くする。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。
【０１７８】
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。
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。
【０１７９】
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。
【０１８０】
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。
【０１８１】
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。
【０１８２】
（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。
【０１８３】
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、配向制御層４３Ａと、第１〜第２実施形態のいずれかの記録層が有する記録層（ＲＲＡＭ：Resistive ＲＡＭ）４４と、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。
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。
【０１８４】
図１６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。
【０１８５】
この状態から電位Ｖ１，Ｖ２を与えて記録層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。
【０１８６】
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。
【０１８７】
（ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ）
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。
【０１８８】
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上の配向制御層４３Ａと、配向制御層４３Ａ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。
【０１８９】
メモリセルＭＣの記録層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の記録層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。
【０１９０】
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。
【０１９１】
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。
【０１９２】
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。
【０１９３】
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。
【０１９４】
なお、図１８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１９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。
【０１９５】
図２０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。
【０１９６】
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。
【０１９７】
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。
【０１９８】
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。
【０１９９】
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。
【０２００】
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。
【０２０１】
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。
【０２０２】
（ＮＯＲ型フラッシュメモリ）
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。
【０２０３】
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上の配向制御層４３Ａと、配向制御層４３Ａ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。
【０２０４】
（２トランジスタ型フラッシュメモリ）
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。
【０２０５】
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。
【０２０６】
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上の配向制御層４３Ａと、配向制御層４３Ａ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。
【０２０７】
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。
【０２０８】
次に、本発明の例に係る記録媒体の製造方法について説明する。
ここでは、図６に表した記録媒体の構造を例に挙げて説明する。
基板２０は、ガラスから構成される直径約６０ｍｍ、厚さ約１ｍｍのディスクとする。このような基板２０上に、Ｐｔ（プラチナ）を約５００ｎｍの厚さで蒸着して電極層２１を形成する。
【０２０９】
電極層２１上においては、まず、ＴｉＮが堆積されるように組成が調整されたターゲットを用いて、（１１０）配向が得られるよう調整されたパワーのＲＦ電源を用いて成膜する。続いてＺｎＭｎ２Ｏ４が堆積されるように組成が調整されたターゲットを用いて、温度３００〜６００℃、Ａｒ（アルゴン）９５％、Ｏ２（酸素）５％、の雰囲気中で、ＲＦマグネトロンスパッタを行い、記録層２２の一部を構成する厚さ約１０ｎｍのＺｎＭｎ２Ｏ４を形成する。
【０２１０】
続けて、ＲＦマグネトロンスパッタにより、ＺｎＭｎ２Ｏ４上に、厚さ約３ｎｍのＴｉＯ２を形成する。その結果、記録層２２は、ＺｎＭｎ２Ｏ４とＴｉＯ２との積層構造を有することになる。
最後に、記録層２２上に、保護層１３Ｂを形成すれば、図６に表すような記録媒体が完成する。
【０２１１】
次に、いくつかのサンプルを作成し、リセット（消去）状態とセット（書き込み）状態との抵抗差について評価した実験例について説明する。
サンプルとしては、図６に表した構造を有する記録媒体を使用する。評価は、先端の径が１０ｎｍ以下に先鋭化されたプローブ対を使用する。
【０２１２】
（第１実験例）
第１実験例においては、（１００）配向させたＶＮを配向制御層として用い、第１化合物としてＺｎＣｒ２Ｏ４を用いた例を示す。
ＢドープしたＳｉ（１００）基板上に、ＶＮが堆積するように組成比が調整されたターゲット（径１００ｍｍ）を用いて、ＶＮの成膜を行った。Ｓｉ基板表面の自然酸化膜は予め除去されている。ＶＮを成膜した場合、成膜時のパワーや圧力によって配向が異なるが、本実験例の場合においては、ＲＦパワー１００Ｗ、アルゴンガス０．５Ｐａ、の中で、室温にてＲＦマグネトロンスパッタを行った結果、（１００）配向したＶＮが得られた。ＶＮの膜厚は５０ｎｍとした。
【０２１３】
真空チャンバーから基板を取り出すことなく、続けて第１化合物としてＺｎＣｒ２Ｏ４を成膜した。ターゲットは成膜時に定比組成となるように、その混合比が調整されたターゲットを用いて、Ａｒ（アルゴン）９５％、Ｏ２（酸素）５％、の雰囲気中でＲＦマグネトロンスパッタを行った。ＲＦパワーは１００Ｗ、全ガス圧は１．０Ｐａ、基板温度は６００℃、とし、第１化合物ＺｎＣｒ２Ｏ４の膜厚は１０ｎｍとした。このとき、ＺｎＣｒ２Ｏ４の配向は主に（１００）配向であった。
最後に保護膜１３ＢとしてＳｎＯ２を２ｎｍ成膜して、図６に表した構造を有する記録媒体を得た。
【０２１４】
［評価方法１］
評価方法１について説明する。
まず、プローブの一方（便宜上「プローブ１」と称す）を保護層１３Ｂに接触させて接地させ、プローブの他方（便宜上「プローブ２」と称す）をＶＮ膜に接触させて電圧を印加した。
書き込みは、プローブ２に、例えば、１０ｎｓｅｃ幅で、０．８Ｖの電圧パルスを印加することにより行う。
消去は、プローブ２に、例えば、１００ｎｓｅｃ幅で、０．２Ｖの電圧パルスを印加することにより行う。このように本実験例では、ＶＮの導電率が高いため、ＶＮを下部電極として機能させることが可能である。
書き込み／消去の合間に、読み出しを実行した。読み出しは、プローブ２に、１０ｎｓｅｃ幅で、０．１Ｖの電圧パルスを印加し、記録層（記録ビット）２２の抵抗値を測定することにより行う。
【０２１５】
［評価方法２］
評価方法２について説明する。
評価方法２においては、パルス消去による評価を行う。
書き込みは、プローブ２に、例えば、１０ｎｓｅｃ幅で、１．５Ｖの電圧パルスを印加することにより行う。
消去は、プローブ２に、例えば、１０ｎｓｅｃ幅で、−１．５Ｖの電圧パルスを印加することにより行う。
書き込み／消去の合間に、読み出しを実行した。読み出しは、プローブ２に、１０ｎｓｅｃ幅で、０．１Ｖの電圧パルスを印加し、記録層（記録ビット）２２の抵抗値を測定することにより行う。
【０２１６】
評価方法１で評価した結果、高抵抗状態の抵抗は１０７Ω台、低抵抗状態の抵抗は１０４Ω台であった。
評価方法２で評価した結果、高抵抗状態の抵抗は１０７Ω台、低抵抗状態の抵抗は１０４Ω台であった。
【０２１７】
（第２実験例）
第２実験例においては、（１１１）配向させたＴｉＮを配向制御層として用い、第１化合物としてＺｎＭｎ２Ｏ４を用いた例を示す。
ＴｉＮの成膜は、Ｓｉ（１００）基板上にＴｉターゲット（径１００ｍｍ）を用いて行った。本実験例においては、自然酸化膜は除去しない。ＴｉＮを成膜した場合、成膜時のパワーや圧力によって配向が異なるが、本実験例の場合においては、ＲＦパワー３００Ｗ、アルゴンガス９２．５％、Ｎ２ガス７．５％、全ガス圧３Ｐａ、の中で、室温にてＲＦマグネトロンスパッタを行った結果、（１１１）配向したＴｉＮが得られた。ＴｉＮの膜厚は５０ｎｍとした。
【０２１８】
真空チャンバーから基板を取り出すことなく、続けて第１化合物としてＺｎＭｎ２Ｏ４を成膜した。ターゲットは成膜時に定比組成となるように、その混合比が調整されたターゲットを用いて、Ａｒ（アルゴン）９５％、Ｏ２（酸素）５％、の雰囲気中で、ＲＦマグネトロンスパッタを行った。ＲＦパワーは１００Ｗ、全ガス圧は１．０Ｐａ、基板温度は６００℃、とし、第１化合物ＺｎＭｎ２Ｏ４の膜厚は１０ｎｍとした。このとき、ＺｎＭｎ２Ｏ４の配向は主に（１１０）配向であった。
最後に保護膜１３ＢとしてＳｎＯ２を２ｎｍ成膜して、図６に表した構造を有する記録媒体を得た。
【０２１９】
第１実験例の評価方法１と同様の方法で評価した結果、高抵抗状態の抵抗は１０７Ω台、低抵抗状態の抵抗は１０３Ω台であった。
第１実験例の評価方法２と同様の方法で評価した結果、高抵抗状態の抵抗は１０７Ω台、低抵抗状態の抵抗は１０３Ω台であった。
【０２２０】
（第３実験例）
第３実験例においては、（１００）配向させたＲｕＯ２を配向制御層として用い、第１化合物としてＣｕＦｅＯ２を用いた例を示す。
まず、Ｓｉ（１００）基板上に、接着層としてＴｉ膜を成膜し、続いて、アルゴンガス１００％、全ガス圧１Ｐａ、の中で、室温にてＲＦマグネトロンスパッタを用いて、Ｐｔ膜を成膜した。本実験例においては、自然酸化膜は除去しない。Ｐｔ膜の配向性を評価した結果、（１１１）配向であった。Ｐｔ膜は下部電極として機能する。
続いて、Ｒｕターゲット（径１００ｍｍ）を用いて、ＲＦマグネトロンスパッタにて、ＲｕＯ２の成膜を行った。ＲＦパワーは５０Ｗ、酸素ガス１００％、全ガス圧１Ｐａ、とし、基板温度は５５０℃とした。その結果、（１００）配向したＲｕＯ２膜が得られた。ＲｕＯ２の膜厚は１０ｎｍとした。
【０２２１】
続けて第１化合物としてＣｕＦｅＯ２を成膜した。ターゲットは成膜時に定比組成となるように、その混合比が調整されたターゲットを用いて、Ａｒ（アルゴン）９５％、Ｏ２（酸素）５％、の雰囲気中で、ＲＦマグネトロンスパッタを行った。ＲＦパワーは７０Ｗ、全ガス圧は０．５Ｐａ、基板温度は４５０℃、とし、第１化合物ＣｕＦｅＯ２の膜厚は１０ｎｍとした。このとき、ＣｕＦｅＯ２の配向は主に、ａ軸、ｃ軸が第１の層に平行なａｃ面配向であった。
最後に保護膜１３ＢとしてＳｎＯ２を２ｎｍ成膜して、図６に表した構造を有する記録媒体を得た。
【０２２２】
第１実験例の評価方法１と同様の方法で評価した結果、高抵抗状態の抵抗は１０６Ω台、低抵抗状態の抵抗は１０４Ω台であった。
第１実験例の評価方法２と同様の方法で評価した結果、高抵抗状態の抵抗は１０６Ω台、低抵抗状態の抵抗は１０４Ω台であった。
【０２２３】
（第４実験例）
第４実験例においては、（１００）配向させたＺｒＮを配向制御層として用い、第１化合物としてＮｉＷＯ４を用いた例を示す。
【０２２４】
ＺｒＮの成膜はｎ型（００１）Ｓｉ基板上に、Ｚｒターゲット（径１００ｍｍ）を用いて行った。成膜の前において、予め自然酸化膜を除去した。ＲＦパワー６０Ｗ、アルゴンガス９７％、Ｎ２ガス３％、全ガス圧０．３Ｐａ、基板温度５００℃、の中で、ＲＦマグネトロンスパッタを行った結果、（１００）配向したＺｒＮが得られた。ＺｒＮの膜厚は５０ｎｍとした。
【０２２５】
第１化合物としてＮｉＷＯ４を成膜した。ターゲットは成膜時に定比組成となるように、その混合比が調整されたターゲットを用いて、Ａｒ（アルゴン）９５％、Ｏ２（酸素）５％、の雰囲気中で、ＲＦマグネトロンスパッタを行った。ＲＦパワーは１００Ｗ、全ガス圧は１．０Ｐａ、基板温度は６００℃、とし、第１化合物ＮｉＷＯ４の膜厚は１０ｎｍとした。このとき、ＮｉＷＯ４の配向は主に、ａ軸、ｃ軸が第１の層に平行なａｃ面配向であった。
最後に保護膜１３ＢとしてＳｎＯ２を２ｎｍ成膜して、図６に表した構造を有する記録媒体を得た。
【０２２６】
第１実験例の評価方法１と同様の方法で評価した結果、高抵抗状態の抵抗は１０６Ω台、低抵抗状態の抵抗は１０４Ω台であった。
第１実験例の評価方法２と同様の方法で評価した結果、高抵抗状態の抵抗は１０６Ω台、低抵抗状態の抵抗は１０４Ω台であった。
【０２２７】
（第５実験例）
第５実験例においては、（００１）配向させたＩｒＯ２を配向制御層として用い、第１化合物としてＮｉＴｉＯ３を用いた例を示す。
ＩｒＯ２の成膜は、サファイア基板（１００）上に、Ｉｒターゲット（径１００ｍｍ）を用いて行った。ＲＦパワー３００Ｗ、アルゴンガス６７％、酸素ガス３３％、全ガス圧６Ｐａ、基板温度３００℃、の中で、ＲＦマグネトロンスパッタを行った結果、（００１）配向したＩｒＯ２が得られた。ＩｒＯ２の膜厚は５０ｎｍとした。
【０２２８】
第１化合物としてＮｉＴｉＯ３を成膜した。ターゲットは成膜時に定比組成となるように、その混合比が調整されたターゲットを用いて、Ａｒ（アルゴン）９５％、Ｏ２（酸素）５％の雰囲気中で、ＲＦマグネトロンスパッタを行った。ＲＦパワーは１００Ｗ、全ガス圧は１．０Ｐａ、基板温度は７００℃、とし、第１化合物ＮｉＴｉＯ３の膜厚は１０ｎｍとした。このとき、ＮｉＴｉＯ３の配向は主に（１１０）配向であった。
最後に保護膜１３ＢとしてＳｎＯ２を２ｎｍ成膜して、図６に表した構造を有する記録媒体を得た。
【０２２９】
第１実験例の評価方法１と同様の方法で評価した結果、高抵抗状態の抵抗は１０８Ω台、低抵抗状態の抵抗は１０４Ω台であった。
第１実験例の評価方法２と同様の方法で評価した結果、高抵抗状態の抵抗は１０８Ω台、低抵抗状態の抵抗は１０４Ω台であった。
【０２３０】
（第６実験例）
第６実験例においては、（１１１）配向させたＴｉＮを配向制御層として用い、第１化合物としてＺｎＭｎ２Ｏ４を、第２化合物としてＴｉＯ２を用いた例を示す。
第２実験例と同様の方法により、Ｓｉ（１００）基板上に、（１１１）配向したＴｉＮを配向制御層として、（１１０）配向した厚さ１０ｎｍのＺｎＭｎ２Ｏ４を成膜した。
さらに、Ｔｉターゲット（径１００ｍｍ）を用いて、Ａｒ（アルゴン）９５％、Ｏ２（酸素）５％、の雰囲気中で、ＲＦマグネトロンスパッタを行い、ＴｉＯ２膜を得た。ＲＦパワーは１００Ｗ、全ガス圧は１．０Ｐａ、基板温度は６００℃、とし、第２化合物ＴｉＯ２の膜厚は３ｎｍとした。このＴｉＯ２を解析した結果、ホランダイト構造に似た構造をしており、ｃ軸配向に近かった。
さらに、保護膜１３ＢとしてＳｎＯ２を２ｎｍ成膜して、図６に表した構造を有する記録媒体を得た。
【０２３１】
第１実験例の評価方法１と同様の方法で評価した結果、高抵抗状態の抵抗は１０１０Ω台、低抵抗状態の抵抗は１０３Ω台であった。
【０２３２】
第１実験例の評価方法２と同様の方法で評価した結果、高抵抗状態の抵抗は１０１０Ω台、低抵抗状態の抵抗は１０３Ω台であった。
【０２３３】
（比較例）
比較例においては、記録層の第１化合物をＮｉＯ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。（１００）配向させたＶＮ膜上に、ＮｉＯターゲット（径１００ｍｍ）を用いて、Ａｒ（アルゴン）９５％、Ｏ２（酸素）５％、の雰囲気中で、ＲＦマグネトロンスパッタを行い、ＮｉＯを成膜した。ＲＦパワーは１００Ｗ、全ガス圧は１．０Ｐａ、基板温度は４００℃、とし、第１化合物ＮｉＯの膜厚は１０ｎｍとした。このとき、ＮｉＯの配向は主に（１００）配向であった。
本比較例では、第１実験例と同様に１０ｎｓｅｃ幅で、１．５Ｖのパルスを印加した場合においては、書き込み／消去を行うことができなかったので、以下の条件にて書き込み／消去を行った。
【０２３４】
［評価方法１’］
評価方法１’について説明する。
書き込みは、プローブ２に、例えば、１０ｎｓｅｃ幅で、８Ｖの電圧パルスを印加することにより行う。
消去は、プローブ２に、例えば、１μｓｅｃ幅で、２Ｖの電圧パルスを印加することにより行う。
書き込み／消去の合間に、読み出しを実行した。読み出しは、プローブ２に、１０ｎｓｅｃ幅で、０．１Ｖの電圧パルスを印加し、記録層（記録ビット）２２の抵抗値を測定することにより行った。
【０２３５】
［評価方法２’］
評価方法２’について説明する。
評価方法２’においては、パルス消去による評価を行う。
書き込みは、プローブ２に、例えば、１０ｎｓｅｃ幅で、５Ｖの電圧パルスを印加することにより行う。
消去は、プローブ２に、例えば、１０ｎｓｅｃ幅で、−５Ｖの電圧パルスを印加することにより行う。
書き込み／消去の合間に、読み出しを実行した。読み出しは、プローブ２に、１０ｎｓｅｃ幅で、０．１Ｖの電圧パルスを印加し、記録層（記録ビット）２２の抵抗値を測定することにより行う。
【０２３６】
評価方法１’で評価した結果、高抵抗状態の抵抗は１０７Ω台、低抵抗状態の抵抗は１０４Ω台であった。
評価方法２’で評価した結果、高抵抗状態の抵抗は１０７Ω台、低抵抗状態の抵抗は１０４Ω台であった。
【０２３７】
このように、記録層としてＮａＣｌ構造を有するＮｉＯを用いた場合においては、陽イオンの拡散が生じにくいため、書き込み／消去に大きな電圧を要する。
【０２３８】
以上、図１〜図３３を参照しつつ説明したように、本実施形態によれば、情報記録（書き込み）は、電場が印加された部位（記録単位）のみで行われるため、極めて微細な領域に、極めて小さな消費電力で情報を記録できる。
【０２３９】
また、消去は、熱を印加することにより行うが、本実施形態の例で提案する材料を用いれば酸化物の構造変化がほとんど生じないため、小さな消費電力で消去が可能となる。あるいは、消去は記録時と逆向きの電場を印加して行うこともできる。この場合には、熱の拡散というエネルギーロスが少ないため、より小さな消費電力で消去が可能となる。
【０２４０】
さらに、本実施形態によれば、書き込み後においては、絶縁体内に導体部が形成された形となるため、読み出しの際においては、電流が導体部に集中して流れることになり、感知効率が極めて高い記録原理を実現できる。
【０２４１】
さらに、本実施形態によれば、移動しやすい陽イオンと、母体構造を安定に保つ遷移元素イオンと、を組みあわせることにより、繰り返し安定に記録消去することが可能となる。
【０２４２】
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。従って、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。
【０２４３】
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、上述の実施の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、上述の実施の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、異なる実施の形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０２４４】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかか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２】第２実施形態の記録部の構造を表す概念図である。
【図３】記録層１２を構成する第１及び第２の層１２Ａ，１２Ｂを交互に積層させた具体例を表す模式図である。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】記録について表した模式図である。
【図８】再生について表した模式図である。
【図９】記録する状態を表した模式図である。
【図１０】再生時の状態を表す模式図である。
【図１１】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。
【図１２】図１１の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。
【図１３】メモリセル３３の構造を例示する模式図である。
【図１４】メモリセルアレイの他の具体例を表す模式図である。
【図１５】メモリセルアレイの他の具体例を表す模式図である。
【図１６】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。
【図１７】ＮＡＮＤセルユニットの回路図である。
【図１８】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。
【図１９】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。
【図２０】ＮＡＮＤ型フラッシュメモリの変形例を表す模式図である。
【図２１】ＮＯＲセルユニットの回路図である。
【図２２】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。
【図２３】２トランジスタ型セルユニットの回路図である。
【図２４】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。
【図２５】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
【図２６】結晶が膜厚方向に分断された第１実施形態の記録部の構造を表す概念図である。
【図２７】記録層と配向制御層との結晶軸であるａ軸、ｂ軸、ｃ軸の方向を例示した模式図である。
【図２８】配向面の定義を説明するための模式図である。
【図２９】スピネル構造を有する材料を第１化合物として用いた記録層の格子定数と配向制御層の格子定数との差の計算結果をまとめた表である。
【図３０】デラフォサイト構造を有する材料を第１化合物として用いた記録層の格子定数と配向制御層の格子定数との差の計算結果をまとめた表である。
【図３１】ウルフラマイト構造を有する材料を第１化合物として用いた記録層の格子定数と配向制御層の格子定数との差の計算結果をまとめた表である。
【図３２】イルメナイト構造を有する材料を第１化合物として用いた記録層の格子定数と配向制御層の格子定数との差の計算結果をまとめた表である。
【図３３】第１化合物を含む記録層の格子定数と第２化合物を含む記録層の格子定数との差の計算結果をまとめた表である。
【符号の説明】
【０２４５】
１１ 電極層、 １１Ａ 配向制御層、 １２ 記録層、 １２Ａ 第１の層、 １２Ｂ 第２の層、 １３Ａ 電極層（保護層）、１３Ｂ 保護層、 １４ メタル層、 １５ ドライバ、 １６ スキャナー、 ２０ 基板、 ２１ 電極層、２１Ａ 配向制御層、 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、３４Ａ 配向制御層、 ３５ ヒータ層、 ４１ 半導体基板、 ４１ａ 型半導体基板、 ４１ｂ 型ウェル領域、 ４１ｃ 型ウェル領域、 ４２ 拡散層、 ４３ ゲート絶縁層、４３Ａ 配向制御層、 ４４ 記録層、 ４５ コントロールゲート電極、 ４７ 半導体層、４７Ａ 配向制御層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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の層を有する記録層と、
前記記録層に電圧を印加して前記記録層に相変化を発生させて情報を記録する電圧印加部と、
前記記録層に電圧を印加する電極層と、
前記記録層と前記電極層との間に設けられ、前記記録層の配向を制御する配向制御層と、
を備えたことを特徴とする情報記録再生装置。
【請求項２】
前記配向制御層は、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗよりなる群から選択された少なくともいずれかの元素と窒素との化合物を含むことを特徴とする請求項１記載の情報記録再生装置。
【請求項３】
前記配向制御層は、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｃｅ、Ｗよりなる群から選択された少なくともいずれかの元素と酸素との化合物を含むことを特徴とする請求項１記載の情報記録再生装置。
【請求項４】
前記第１化合物は、ＡｘＭｙＸ４（０．１≦ｘ≦２．２、１．５≦ｙ≦２）で表されるスピネル構造を有し、前記Ａと前記Ｍは互いに異なる元素であり、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あり、
前記第１化合物のａ軸または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。
【請求項５】
前記配向制御層は、
（１００）、（００１）、若しくは（１１０）配向したＩｒの酸化物若しくはＲｕの酸化物、
または、
（１００）、（１１０）、若しくは（１１１）配向したＴｉの窒化物、Ｖの窒化物、若しくはＷの窒化物、
または、
（１００）若しくは（１１０）配向したＺｒの酸化物若しくはＨｆの窒化物、
または、
（１００）、（００１）、若しくは（１１０）配向したＳｉの窒化物、
を含むことを特徴とする請求項４記載の情報記録再生装置。
【請求項６】
前記第１化合物は、（１１０）配向していることを特徴とする請求項４記載の情報記録再生装置。
【請求項７】
前記配向制御層は、
（１００）若しくは（１１０）配向したＩｒの酸化物若しくはＲｕの酸化物、
または、
（１００）、（１１０）、若しくは（１１１）配向したＴｉの窒化物、Ｖの窒化物、若しくはＷの窒化物、
または、
（１１０）配向したＺｒの窒化物若しくはＨｆの窒化物、
または、
（１００）若しくは（１１０）配向したＳｉの窒化物、
を含むことを特徴とする請求項６記載の情報記録再生装置。
【請求項８】
前記第１化合物は、ＡｘＭｙＸ２（０．１≦ｘ≦１．１、０．９≦ｙ≦１．１）で表されるデラフォサイト構造を有し、前記Ａと前記Ｍは互いに異なる元素であり、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あり、
前記第１化合物の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。
【請求項９】
前記配向制御層は、
（１００）、（００１）、若しくは（１１０）配向したＩｒの酸化物若しくはＲｕの酸化物、
または、
（１１０）若しくは（１１１）配向したＴｉの窒化物、Ｖの窒化物、若しくはＷの窒化物、
または、
（１００）、（１１０）、若しくは（１１１）配向したＺｒの窒化物若しくはＨｆの窒化物、
または、
（１００）、（００１）、若しくは（１１０）配向したＳｉの窒化物、
を含むことを特徴とする請求項８記載の情報記録再生装置。
【請求項１０】
前記第１化合物は、
（１１０）配向、または、ａｃ面配向、
してい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。
【請求項１１】
前記第１化合物は、ＡｘＭｙＸ４（０．５≦ｘ≦１．１、０．７≦ｙ≦１．１）で表されるウルフラマイト構造を有し、前記Ａと前記Ｍは互いに異なる元素であり、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あり、
前記第１化合物のａ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。
【請求項１２】
前記配向制御層は、
（１００）若しくは（００１）配向したＩｒの酸化物若しくはＲｕの酸化物、
または、
（１００）若しくは（１１０）配向したＴｉの窒化物、Ｚｒの窒化物、Ｈｆの窒化物、Ｖの窒化物、若しくはＷの窒化物、
を含むことを特徴とする請求項１１記載の情報記録再生装置。
【請求項１３】
前記第１化合物は、（０１−１）配向していることを特徴とする請求項１１または１２に記載の情報記録再生装置。
【請求項１４】
前記配向制御層は、（１００）配向したＴｉの窒化物、Ｖの窒化物、もしくはＷの窒化物を含むことを特徴とする請求項１３記載の情報記録再生装置。
【請求項１５】
前記第１化合物は、ＡｘＭｙＸ３（０．５≦ｘ≦１．１、０．９≦ｙ≦１）で表されるイルメナイト構造を有し、前記Ａと前記Ｍは互いに異なる元素であり、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あり、
前記第１化合物の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。
【請求項１６】
前記配向制御層は、
（１００）、（００１）、（１１０）、若しくは（１１１）配向したＩｒの酸化物若しくはＲｕの酸化物、
または、
（１００）、（１１０）、若しくは（１１１）配向したＴｉの窒化物、Ｚｒの窒化物、Ｈｆの 窒化物、Ｖの 窒化物、若しくはＷの窒化物、
または、
（１００）若しくは（１１０）配向したＳｉの窒化物、
を含むことを特徴とする請求項１５記載の情報記録再生装置。
【請求項１７】
前記第１化合物は、
（１１０）配向、または、ａｃ面配向、
していることを特徴とする請求項１５〜１６のいずれか１つに記載の情報記録再生装置。
【請求項１８】
前記記録層は、前記第１の層に接して設けられた第２の層をさらに有し、
前記第２の層は、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１〜１７のいずれか１つに記載の情報記録再生装置。
【請求項１９】
前記電圧印加部は、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むことを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１つに記載の情報記録再生装置。
【請求項２０】
前記電圧印加部は、前記記録層を挟んだワード線及びビット線を含むことを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１つに記載の情報記録再生装置。
【請求項２１】
前記電圧印加部は、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１〜１８のいずれかの１つに記載の情報記録再生装置。
【請求項２２】
前記電圧印加部は、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１〜１８のいずれか１つに記載の情報記録再生装置。
【請求項１】
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の層を有する記録層と、
前記記録層に電圧を印加して前記記録層に相変化を発生させて情報を記録する電圧印加部と、
前記記録層に電圧を印加する電極層と、
前記記録層と前記電極層との間に設けられ、前記記録層の配向を制御する配向制御層と、
を備えたことを特徴とする情報記録再生装置。
【請求項２】
前記配向制御層は、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗよりなる群から選択された少なくともいずれかの元素と窒素との化合物を含むことを特徴とする請求項１記載の情報記録再生装置。
【請求項３】
前記配向制御層は、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｍｇ、Ｃｅ、Ｗよりなる群から選択された少なくともいずれかの元素と酸素との化合物を含むことを特徴とする請求項１記載の情報記録再生装置。
【請求項４】
前記第１化合物は、ＡｘＭｙＸ４（０．１≦ｘ≦２．２、１．５≦ｙ≦２）で表されるスピネル構造を有し、前記Ａと前記Ｍは互いに異なる元素であり、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あり、
前記第１化合物のａ軸または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。
【請求項５】
前記配向制御層は、
（１００）、（００１）、若しくは（１１０）配向したＩｒの酸化物若しくはＲｕの酸化物、
または、
（１００）、（１１０）、若しくは（１１１）配向したＴｉの窒化物、Ｖの窒化物、若しくはＷの窒化物、
または、
（１００）若しくは（１１０）配向したＺｒの酸化物若しくはＨｆの窒化物、
または、
（１００）、（００１）、若しくは（１１０）配向したＳｉの窒化物、
を含むことを特徴とする請求項４記載の情報記録再生装置。
【請求項６】
前記第１化合物は、（１１０）配向していることを特徴とする請求項４記載の情報記録再生装置。
【請求項７】
前記配向制御層は、
（１００）若しくは（１１０）配向したＩｒの酸化物若しくはＲｕの酸化物、
または、
（１００）、（１１０）、若しくは（１１１）配向したＴｉの窒化物、Ｖの窒化物、若しくはＷの窒化物、
または、
（１１０）配向したＺｒの窒化物若しくはＨｆの窒化物、
または、
（１００）若しくは（１１０）配向したＳｉの窒化物、
を含むことを特徴とする請求項６記載の情報記録再生装置。
【請求項８】
前記第１化合物は、ＡｘＭｙＸ２（０．１≦ｘ≦１．１、０．９≦ｙ≦１．１）で表されるデラフォサイト構造を有し、前記Ａと前記Ｍは互いに異なる元素であり、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あり、
前記第１化合物の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。
【請求項９】
前記配向制御層は、
（１００）、（００１）、若しくは（１１０）配向したＩｒの酸化物若しくはＲｕの酸化物、
または、
（１１０）若しくは（１１１）配向したＴｉの窒化物、Ｖの窒化物、若しくはＷの窒化物、
または、
（１００）、（１１０）、若しくは（１１１）配向したＺｒの窒化物若しくはＨｆの窒化物、
または、
（１００）、（００１）、若しくは（１１０）配向したＳｉの窒化物、
を含むことを特徴とする請求項８記載の情報記録再生装置。
【請求項１０】
前記第１化合物は、
（１１０）配向、または、ａｃ面配向、
してい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。
【請求項１１】
前記第１化合物は、ＡｘＭｙＸ４（０．５≦ｘ≦１．１、０．７≦ｙ≦１．１）で表されるウルフラマイト構造を有し、前記Ａと前記Ｍは互いに異なる元素であり、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あり、
前記第１化合物のａ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。
【請求項１２】
前記配向制御層は、
（１００）若しくは（００１）配向したＩｒの酸化物若しくはＲｕの酸化物、
または、
（１００）若しくは（１１０）配向したＴｉの窒化物、Ｚｒの窒化物、Ｈｆの窒化物、Ｖの窒化物、若しくはＷの窒化物、
を含むことを特徴とする請求項１１記載の情報記録再生装置。
【請求項１３】
前記第１化合物は、（０１−１）配向していることを特徴とする請求項１１または１２に記載の情報記録再生装置。
【請求項１４】
前記配向制御層は、（１００）配向したＴｉの窒化物、Ｖの窒化物、もしくはＷの窒化物を含むことを特徴とする請求項１３記載の情報記録再生装置。
【請求項１５】
前記第１化合物は、ＡｘＭｙＸ３（０．５≦ｘ≦１．１、０．９≦ｙ≦１）で表されるイルメナイト構造を有し、前記Ａと前記Ｍは互いに異なる元素であり、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あり、
前記第１化合物の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。
【請求項１６】
前記配向制御層は、
（１００）、（００１）、（１１０）、若しくは（１１１）配向したＩｒの酸化物若しくはＲｕの酸化物、
または、
（１００）、（１１０）、若しくは（１１１）配向したＴｉの窒化物、Ｚｒの窒化物、Ｈｆの 窒化物、Ｖの 窒化物、若しくはＷの窒化物、
または、
（１００）若しくは（１１０）配向したＳｉの窒化物、
を含むことを特徴とする請求項１５記載の情報記録再生装置。
【請求項１７】
前記第１化合物は、
（１１０）配向、または、ａｃ面配向、
していることを特徴とする請求項１５〜１６のいずれか１つに記載の情報記録再生装置。
【請求項１８】
前記記録層は、前記第１の層に接して設けられた第２の層をさらに有し、
前記第２の層は、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１〜１７のいずれか１つに記載の情報記録再生装置。
【請求項１９】
前記電圧印加部は、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むことを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１つに記載の情報記録再生装置。
【請求項２０】
前記電圧印加部は、前記記録層を挟んだワード線及びビット線を含むことを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１つに記載の情報記録再生装置。
【請求項２１】
前記電圧印加部は、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１〜１８のいずれかの１つに記載の情報記録再生装置。
【請求項２２】
前記電圧印加部は、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１〜１８のいずれか１つに記載の情報記録再生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【公開番号】特開２００８−３１０８５９（Ｐ２００８−３１０８５９Ａ）
【公開日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１５５７１０（Ｐ２００７−１５５７１０）
【出願日】平成１９年６月１２日（２００７．６．１２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月１２日（２００７．６．１２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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