JP2010206017A - 固体メモリ - Google Patents

Abstract

【課題】データの記録及び消去に必要な電流値がより低く、より多くの回数データを繰り返し書き換えることができる固体メモリを実現する。
【解決手段】本発明の固体メモリは、相分離により電気特性が変化する積層構造を含む記録層を備えており、上記積層構造は、Ｓｂ原子を含む膜とＧｅ原子を含む膜とから成る、超格子構造を構成している。上記積層構造では、Ｓｂ原子を含む膜とＧｅ原子を含む膜とによる相分離によって、データの記録及び消去を効率よく行うことができる。
【選択図】図１

Description

本願発明は、電気特性の相違をデータとして記録及び消去する固体メモリに関するものである。

従来から、超高密度のメモリを実現するため、Ｔｅを含むカルコゲン化合物の結晶状態とアモルファス状態との一次相変態と呼ばれる変化で生じる物理的特性変化を利用してデータの記録及び消去を行う相変化ＲＡＭ（Random Access Memory（ＰＲＡＭ（phase-change Random Access Memory））が検討されてきた（例えば、特許文献１、非特許文献１、２参照）。

上記相変化ＲＡＭに用いる記録材料としては、電極間に、化合物組成からなるターゲットを用いて、スパッタリング等の真空成膜法を利用して形成される、１層からなる合金薄膜が通常用いられていた。このため、上記合金薄膜の厚さは２０〜５０ｎｍとなり、上記合金薄膜は単結晶ではなく、多結晶から構成されていた。

ここで、Ｔｅを含むカルコゲン化合物の結晶構造及びアモルファス構造に関しては、１９８０年後半頃から、その構造解析がエックス線等を用いて調べられてきた。しかしながら、Ｔｅとその化合物を構成する原子の１つであるＳｂ原子とは、原子番号が隣接しており、電子数が一個しか異ならない。このため、エックス線回折や電子線回折では、その区別がほとんどつかず、詳細な結晶構造については２００４年まで不明であった。

このため、既に商品化されている書き換え型の光ディスクにおいて用いられている、特性が非常に良好であることが実験的に知られていたＧｅＳｂＴｅ（２２５組成）と呼ばれる化合物、及び擬二元組成化合物と類似する化合物（ＧｅＴｅ−Ｓｂ_２Ｔｅ_３と類似する化合物、２２５、１４７、１２５組成）の結晶構造に関しては、岩塩構造をとり、そのＮａが占めるサイト（これをａサイト）をＴｅが占めるが、残りのＣｌが占めるサイト（ｂサイト）をＧｅ又はＳｂが占め、その配置はランダムであると考えられていた（例えば、非特許文献３参照）。

しかしながら、放射光軌道装置等を用いてＧｅＳｂＴｅ化合物の構造解析が詳細に検討され、Ｔｅを含むカルコゲン化合物の構造は、以下の点で従来の構造とは異なっていることが発見された（例えば、非特許文献４参照）。

具体的には、（１）結晶相において、Ｇｅ原子とＳｂ原子とがＮａＣｌ型の単純立方格子内でＣｌの位置（（ｂ）サイト）を占める配列は、これまで考えられていたような「ランダム」状態ではなく、原子の配列位置が正確に「決定」されており、格子は歪んでいること（図３参照）、（２）アモルファス状態は、完全なランダムではなく、結晶格子内部のＧｅ原子が中心位置（わずかにずれて強誘電的である）から０．２ÅほどＴｅ原子側に移動した配置をとり、そのユニットを維持したままでねじ曲がった構造をもつこと（図４参照）、（３）このねじ曲がったユニットが復元することで高速スイッチングが安定に繰り返されること（図５参照）、が発見された。

尚、図５中、左側の構造が図３に示す構造に対応しており、右側の構造が図４に示す構造に対応している。

また、最近ではＴｅを用いずに、ＧｅとＳｂとから構成された相変化材料が開発されている（例えば、非特許文献５参照）。

特開２００２−２０３３９２号公報（２００２年７月１９日公開）

奥田昌宏監修、「次世代光記録技術と材料」、シーエムシー出版、２００４年１月３１日発行、ｐ１１４ 角田義人監修、「光ディスクストレージの基礎と応用」、電子情報通信学会編、平成１３年６月１日初版第３刷発行、ｐ２０９ Ｎ．Ｙａｍａｄａ ＆ Ｔ．Ｍａｔｓｕｎａｇａ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， ８８， （２０００） ｐ７０２０−７０２８ Ａ．Ｋｏｌｏｂｏｖ ｅｔ ａｌ． Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ３ （２００４） ｐ７０３ Ｓ．Ｒａｏｕｘ， Ｇ．Ｗ．Ｂｕｒｒ， Ｍ．Ｊ．Ｂｒｅｉｔｗｉｓｃｈ， Ｃ．Ｔ．Ｒｅｔｔｎｅｒ， Ｙ．Ｃ．Ｃｈｅｎ， Ｒ．Ｍ．Ｓｈｅｌｂｙ， Ｍ．Ｓａｌｉｎｇａ， Ｄ．Ｋｒｅｂｓ， Ｓ．Ｈ．Ｃｈｅｎ， Ｈ．Ｌ．Ｌｕｎｇ， Ｃ．Ｈ．Ｌａｍ， ＩＢＭ Ｊ． Ｒｅｓ． ＆ Ｄｅｖ． ５２， （２００８） ｐ４６５−４７９

しかしながら、データの記録及び消去に必要な電流値がより低く、より多くの回数データを繰り返し書き換えることができる固体メモリが望まれている。

なお、従来の構成における書き換え回数の制限要因としては、記録膜の高温での熱流動と、その後生ずる膜全体の変形が主要なものと考えられている（例えば、非特許文献５参照）。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、データの記録及び消去に必要な電流値がより低く、より多くの回数データを繰り返し書き換えることができる固体メモリを実現することにある。

本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討を行った。具体的には、本発明者らは以下のように考えた。

従来の相変化ＲＡＭでは、上述したように結晶状態とアモルファス状態の一次相変態により生じる物理的特性変化に基づいてデータの記録／消去が行われている。その記録薄膜は単結晶ではなく多結晶から構成されていることから、各微結晶間の界面電気抵抗の差異が全体的な電気抵抗値の均一性に影響を及ぼすことによって、結晶状態の抵抗値にバラツキが生じる。その結果、データの記録及び消去に必要な電流値が高くなってしまうと考えた。

また、従来の相変化ＲＡＭでは、結晶／アモルファス間の一次相変態における相転移の際に発生する体積変化が各微結晶に異なる応力を発生させ、これにより物質流動と膜全体の変形とが生じることによって、書き換え回数が制限されると考えた。

そこで、本発明者らは、上記課題を解決するために、Ｔｅを含まないＧｅとＳｂとからなる相変化材料に注目した。これまで、Ｔｅを含まないＧｅとＳｂからなる相変化材料については、その相変化の原理が分かっていなかったが、本発明者らは、Ｇｅ、Ｓｂ、およびＴｅを主構成元素とする合金のモデルを、Ｔｅを含まないＧｅとＳｂとを主構成元素とする合金に適応し、実験およびコンピューターによるシミュレーションによって詳細に解析した。

その結果、本発明者らは、Ｇｅ、Ｓｂ、およびＴｅを主構成元素とする化合物では、Ｇｅ原子が図３または図４に示すように位置を換えることで記録または消去状態を形成するのに対して、Ｔｅを含まないＧｅとＳｂとを主構成元素とする化合物では、Ｇｅ層とＳｂ層との間の僅かな層間分離によって、大きな光学特性変化や電気特性変化が発生することを見出した。

本発明者らは、この新たに見いだした層間分離によるスイッチング機構を利用して、カルコゲン化合物を含まない化合物についても、微結晶間の界面電気抵抗を極力低減し、かつ繰り返し書き換え回数を大幅に向上させることができる新規な相分離ＲＡＭを完成するに至った。

すなわち、本発明に係る固体メモリは、データを記録又は消去する記録層を備える固体メモリであって、上記記録層は、相分離により電気特性が変化する積層構造を含んでおり、上記積層構造では、Ｓｂ原子を含む層とＧｅ原子を含む層とが超格子構造を構成して積層されていることを特徴としている。

上記構成によれば、上記記録層では、Ｓｂ原子を含む膜（Ｓｂ層）とＧｅ原子を含む膜（Ｇｅ層）とが弱い原子結合で結合した構造がとられる。この構造がとられている際、電気エネルギーを手段として、Ｓｂ層とＧｅ層との層間方向に上記原子結合を切断すると、上記記録層では高い電気抵抗状態が形成かつ固定されて、記録（消去）状態が作り出される。

また逆に、電気エネルギーを手段として、上記原子結合を元に戻すと、上記記録層では低い電気抵抗状態が復元されて、消去（記録）状態が作り出される。

すなわち、上記記録層では、電気エネルギーを手段として、Ｓｂ層とＧｅ層との層間分離のスイッチングが行われ、このスイッチングを利用してデータの記録及び消去を行うことができる。

なお、Ｓｂ層とＧｅ層との層間分離により、上記記録層では、当該記録層を構成する物質の相分離（スピノーダル分離）が生じる。

上記構成によれば、Ｓｂ層とＧｅ層とが超格子構造を構成しているため、データの記録及び消去時における層間分離の方向は一方向である。このため、層間結合を切るために投入される電気エネルギーはコヒーレント性を有し、エントロピー的なエネルギー損失は大幅に低減される。よって、多くの入力エネルギーが層間結合の切断のために利用することができ、熱としてのエネルギー放出量を抑制することが可能となる。言い換えれば、より低温で書き換えができるようになる。

また、入力エネルギーにおけるエントロピー的なエネルギー損失の低減によって、書き換え時に発生する記録層の体積変化を低減でき、組成偏析の生じない安定した繰り返し書き換え動作を実現することができる。

したがって、上記構成によれば、データの記録及び消去に必要な電流値がより低く、より多くの回数でデータを繰り返し書き換えることができる固体メモリを提供することができる。

また、本発明に係る固体メモリでは、上記積層構造では、上記Ｓｂ原子を含む層と上記Ｇｅ原子を含む層とが隣接して配置されていることが好ましい。

上記構成によれば、データの記録及び消去に必要な電流値がより低い固体メモリを提供することができる。

また、本発明に係る固体メモリでは、上記Ｇｅ原子を含む膜と上記Ｓｂ原子を含む膜との膜厚の比が、１：３以上１：２０以下であることが好ましい。

上記構成によれば、繰り返し書き換え回数を大幅に向上することができ、かつ、外部の温度変化に対して記録（消去）状態が安定するように温度耐久性を向上することができる。

また、本発明に係る固体メモリでは、上記記録層の上側および下側に各々配置された電極を備えており、上記電極から上記記録層に電気的パルスを与えて、当該記録層を５％以下の変化率で上下方向に体積変化させることによって、データを記録又は消去することが好ましい。

上記体積変化率は、第一原理計算により求められる値である。

従来の固体メモリでは、結晶／アモルファス間の一次相変態における相転移の際に、記録材料が１０％程度の変化率で体積変化する。また、従来の固体メモリでは、体積変化の方向が定まっていない。

これに対し、本発明に係る固体メモリでは、５％以下という従来に比して確実に低い変化率で、記録層を体積変化させることによって、データを記録又は消去する。また、上記記録層の体積変化の方向は、当該記録層の上下方向となる１軸方向のみである。したがって、上記構成によれば、より組成偏析の生じない安定した繰り返し書き換え動作を実現することができる。

また、本発明に係る固体メモリでは、上記Ｇｅ原子を含む層は、Ｇｅ原子が５原子以下の原子層からなり、上記Ｓｂ原子を含む層は、Ｓｂ原子が奇数の原子層からなることが好ましい。

仮に、Ｇｅ原子が５以上の原子層からＧｅ層が構成されると、Ｇｅ層とＳｂ層とが構成する超格子構造が六方晶を安定に維持できなくなり、可能な繰り返し記録消去回数が減少してしまう。また、Ｓｂ原子が偶数の原子層からＳｂ層が構成されると、相分離前後の電気抵抗値の差が小さくなったり、あるいは抵抗値の値の逆転現象が生じたりする可能性があるため、メモリの機能として好ましくない。

したがって、上記構成によれば、繰り返し書き換え回数をより向上することができ、データの記録及び消去を安定して行うことのできる固体メモリを提供することができる。

本発明に係る固体メモリは、相分離により電気特性が変化する積層構造を含む記録層を備えており、上記積層構造は、超格子構造を構成する、Ｓｂ原子を含む膜とＧｅ原子を含む膜とから成るため、データの記録及び消去に必要な電流値がより低く、より多くの回数でデータを繰り返し書き換えることができる効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るＧｅ／Ｓｂ５から構成される超格子構造の相分離前の構造を示す図である。 本発明の一実施形態に係るＧｅ／Ｓｂ５から構成される超格子構造の相分離後の構造を示す図である。 従来の固体メモリにおけるＧｅ−Ｓｂ−Ｔｅ合金結晶構造の一例を模式的に示す平面図である。 従来の固体メモリにおけるＧｅ−Ｓｂ−Ｔｅ合金アモルファス構造の一例を模式的に示す平面図である。 従来の固体メモリにおけるＧｅ−Ｓｂ−Ｔｅ合金における高速スイッチングを模式的に示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

本発明の形態に係る固体メモリは、データを記録又は消去する記録層を備える固体メモリであって、上記記録層は、相分離により電気特性が変化する積層構造を含んでおり、上記積層構造では、Ｓｂ原子を含む層とＧｅ原子を含む層とが超格子構造を構成して積層されている。

ここで、「超格子」とは、複数の種類の結晶格子の重ね合わせにより、基本単位格子より長い周期構造を有する結晶格子であり、「超格子構造」とは、このような結晶格子の構造を意味する。

「相分離」とは、化合物が化学結合を切ることで二元以上の混合物相に変化することを意味する。

「記録層」は、データの記録及び再生材料から構成されており、当該記録層では、Ｓｂ原子を含む層とＧｅ原子を含む層とが積層されて超格子構造を構成している。

この積層については、Ｓｂ原子を含む層とＧｅ原子を含む層とが隣接して積層されていればよく、例えばＧｅ１原子からなる原子層とＳｂ５原子からなる原子層が交互に積層された構造を超格子と呼んでもよい。また、Ｓｂ原子を含む層とＧｅ原子を含む層とを組み合わせた３層がセットになったものが繰り返し積層されてもよい。

「Ｓｂ原子を含む層」は、９５％以上のＳｂを含む化合物から成ることが好ましく、「Ｇｅ原子を含む層」は、９５％以上のＧｅを含む化合物から成ることが好ましい。

具体的には、「Ｓｂ原子を含む層」とは、Ｓｂ単体膜であってもよいし、Ｓｂ原子を含む合金膜であってもよい。同様に、「Ｇｅ原子を含む層」とは、Ｇｅ単体膜であってもよいし、Ｇｅ原子を含む合金膜であってもよい。

例えば、Ｇｅ原子を含む層は、Ｇｅ原子が５以下の原子層であり、Ｓｂ原子を含む層は、Ｓｂ原子が奇数の原子層であることが好ましい。これによって、上記超格子構造が六方晶を安定に維持できるため、繰り返し記録消去回数が向上する。また、相分離前後の電気抵抗値の差を適正に確保することができるため、データの記録及び消去を安定的に行うことができる。

また、Ｓｂ原子を含む合金膜には、ＳｂＴｉ、ＳｂＢｉ、ＳｂＡｓ等のＳｂを含む化合物を用いることができる。Ｓｂ原子を含む合金膜は、Ｔｅ原子を含んでもよいし、含まなくてもよい。一方、Ｇｅ原子を含む合金膜には、ＧｅＴｉ、ＧｅＳｉ、ＧｅＣ、およびＧｅＡｌ等のＧｅを含む化合物を用いることができる。なお、Ｇｅ原子を含む合金膜は、Ｔｅ原子を含まないものとする。

以下、特段の断りがない限り、Ｓｂ原子を含む層をＳｂ層と称し、Ｇｅ原子を含む層をＧｅ層と称する。

本実施の形態に係る固体メモリの記録層のスイッチ機構について、Ｇｅ_１Ｓｂ_５の組成を有する記録層を例として、図１および図２を参照して説明する。図１は、Ｇｅ／Ｓｂ_５から構成される超格子構造の相分離前の構造を示す図であり、図２は、Ｇｅ／Ｓｂ_５から構成される超格子構造の相分離後の構造を示す図である。なお、図１および図２については、第１原理計算によって、相分離前後の構造を六方晶モデルに基づいて計算して示しており、図中、六方晶のｃ軸を紙面縦方向としている。

図１では、Ｓｂ層が５×Ｓｂの矢印で示された範囲に存在し、Ｇｅ層が１×Ｇｅの矢印で示された範囲に存在する。

図２では、Ｇｅ層が図１に示す位置よりも下側に移動しており、Ｇｅ層とその下側に位置するＳｂ層とは、ＧｅＳｂ_５の矢印で示された範囲に存在する。

図１に示す構造では、Ｓｂ層とＧｅ層とは隣接して交互に積層されており、Ｇｅ層が上下のＳｂ層と弱い原子結合をしている。ここで、固体メモリに入力される電気エネルギーによって、Ｇｅ原子が上下方向（六方晶のｃ軸方向）に移動し、Ｇｅ層とＳｂ層との層間方向にのみ上記結合が切断される。これによって、図１に示す構造が図２に示す構造へと変化する。すなわち、Ｓｂ原子層とその片側にあるＧｅ原子層との界面が僅かに広がり、層間分離が生じる。図２に示す構造では、高い電気抵抗状態が形成かつ固定され、消去（記録）状態が形成される。

また、図２に示す構造では、固体メモリに入力される電気エネルギーによって、Ｇｅ原子が上下方向（六方晶のｃ軸方向）に移動し、上記結合が復元される。これによって、Ｇｅ層とＳｂ層とが層間結合し、図２に示す構造は図１に示す構造へと還元される。図１に示す構造では、高い電気抵抗状態から低い電気抵抗状態に復元されて、記録（消去）状態が形成される。

なお、Ｓｂ層とＧｅ層との層間分離により、Ｇｅ_１Ｓｂ_５の組成の相分離（スピノーダル分離）が生じている。

ここで、Ｇｅ層とＳｂ層とは超格子構造を構成しているため、上記２つの状態間における層間分離の方向は一方向に揃えられる。このため、入力される電気エネルギーはコヒーレント性を有し、エントロピー的なエネルギー損失が大幅に低減される。これによって、仕事（Ｇｅ原子を上下に移動する仕事）としてのエネルギーに多くの入力エネルギーを利用することができ、熱としてのエネルギー放出量を抑えることが可能になる。したがって、スイッチ動作を行うためのエネルギー効率が向上し、これまでの相変化ＲＡＭの特性を大幅に改善することができる。

また、上述のエントロピー的なエネルギー損失の低減により、Ｇｅ層とＳｂ層とによる積層構造の体積膨張率を５％以下に抑えたままＧｅ原子の移動を達成することができるため、繰り返し記録回数の大幅な向上が期待できる。

なお、ＧｅとＳｂとのある組成比（たとえばＧｅ_１Ｓｂ_５のような組成)からなる化合物ターゲットを用いて１層の記録膜を作製した場合には、構成される微結晶内での層間分離の方向は微結晶毎にランダムであり、層間結合を切るための投入される電気エネルギーはコヒーレント性をもたない。このため、熱力学的に多くの熱エネルギーを系に対して放出しなければならない。また、このエントロピー的な熱損失に起因して、記録膜に注入するエネルギーが大きくなり、記録膜の温度が必要以上に上昇するため、記録膜全体の体積は５％以上に達してしまうことになる。

次に、本実施の形態に係る固体メモリの記録層におけるＳｂ層とＧｅ層との膜厚について説明する。

図１に示す構成では、Ｓｂ層の膜厚が約１．２２ｎｍであり、Ｇｅ層の厚さが約０．１６ｎｍである。なお、記録層における全体的な超格子膜の膜厚は１００ｎｍ以下である。

ここで、仮に、Ｇｅ層とＳｂ層との膜厚比率が１：３を下回る場合、繰り返しの記録消去の動作によってＧｅ層がＳｂ層を超えて拡散しやすくなり、繰り返しの記録消去回数が大幅に低下してしまう。

一方、Ｇｅ層とＳｂ層との膜厚比が１：２０より大きい場合、Ｓｂ層のみの効果が大きくなり過ぎる。すなわち、膜全体に占めるＧｅ層の数が減るため、スイッチング動作に欠かせないＧｅ層とＳｂ層の界面数が減り、Ｓｂ層自身の特性が如実に現れる。これよって、相分離前後における膜全体の抵抗値の差が減少してしまう。仮にノイズが高い場合に抵抗値の差が小さいと、その状態を読み出すとき、高抵抗のＯＦＦ状態なのか低抵抗のＯＮ状態なのか判別できない、あるいは読み間違える等のエラーが増加してしまう。例えば、相変化メモリでは通常抵抗値の差を２桁から３桁として動作させている。

また、Ｇｅ層とＳｂ層との膜厚比が1：２０より大きいと、１００℃程度の比較的低温によっても、分離していた層が互いに結合しやすくなるため、データの記録（保存）状態を保つことができなくなり、温度耐久性が悪くなってしまう。

したがって、Ｇｅ層とＳｂ層との膜厚比率は、1：３以上１：２０以下であることが好ましい。Ｇｅ層とＳｂ層との膜厚比率が上記範囲にあることによって、繰り返しの記録消去回数を向上し、かつ、温度耐久性が良好である固体メモリを実現することができる。

また、本実施の形態に係る固体メモリでは、Ｓｂ層とＧｅ層とによる超格子構造を、スパッタリング法など従来公知の方法を用いて、人工的に形成することができる。例えばスパッタリング法を用いて形成する場合、ＳｂおよびＧｅの二種類の単体ターゲットを用いて、予め時間当たりの膜形成速度をスパッタリングのための投入電力パワーに対して測定しておけば、製膜時間を管理するだけで簡単にＳｂおよびＧｅの層からなる超格子構造を構成することができる。

本実施の形態では、固体メモリの記録層について主に説明したが、例えば、電極や、データをメモリに読み書きする構成等の、記録層以外の固体メモリに必要な他の構成については、従来技術（例えば、特許文献１等）と同様の構成を採用することができ、従来技術と同様の方法により製造することができる。

例えば、基板上に、下部電極をスパッタリング等により積層させ、その後、上述した記録層を積層させ、続いて、上部電極をスパッタリング等により積層させることにより、基板／下部電極／記録層／上部電極から構成される固体メモリを製造することができる。なお、上記電極（上部電極、下部電極）を構成する材料としては、ＴｉＮ、Ｗ等が挙げられる。また、基板を構成する材料としては、Ｓｉが挙げられる。

本実施形態に係る固体メモリでは、各電極から記録層に電気的パルスを与えることによって、該記録層へ電気エネルギーが供給される。電気的パルスが与えられた記録層では、５％以下の変化率で、Ｇｅ層とＳｂ層と層間方向にのみ体積変化が生じることによって、情報が書き換えられる。

一方、従来の固体メモリでは、結晶／アモルファス間の相転移の際に１０％程度の変化率の体積変化が生じる。また、その体積変化の方向は定まっていない。

なお、上記体積変化率は、第一原理計算により求められる値である。

したがって、本実施形態に係る固体メモリでは、従来の固体メモリよりも記録層の変形が抑えられるため、記録読み出し回数を向上することができる。さらに、上記積層構造の体積変化は一方向にのみに限られるため、組成偏析の生じない安定した繰り返し記録動作を提供することができる。

以下、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

〔実施例１〕
一般的な自己抵抗加熱型の基本構成により、シリコン基板上に相分離ＲＡＭを作製した。

相分離ＲＡＭの各層を作製するためには、ヘリコンスパッタリング装置をもちいた。この装置には２インチ径の三つのターゲットを装着することができ、Ｇｅ、ＳｂおよびＴｉＮのそれぞれのターゲットを装着した。

まず、下部電極としてＴｉＮを４０ｎｍ形成した。下部電極上には、記録膜として［Ｇｅ／５Ｓｂ］の超格子を２０層積層した。

電極および記録膜の作製方法について具体的には、ヘリコンスパッタリング装置に高純度のアルゴンガスを０．４ＧＰａの圧力を保つように導入した後、Ｇｅ、Ｓｂ、ＴｉＮそれぞれのターゲットに３０Ｗ、１３Ｗ、１５０Ｗの高周波電力を１３．５６ＭＨｚで投入した。予め測定した成膜時間と膜厚の関係式（一次式）を元にそれぞれの膜厚形成時間を算出し、各ターゲット直上に設けたシャッターと、成膜基板を固定したホルダー上に設置したシャッターとを、交互に開閉することで下部電極膜および超格子膜を作製した。なお、成膜温度は２５０℃とした。

各層の時間当たりの膜厚変化をステッププロファイル計測器で測定し、一秒当たりの膜厚増加量を計算することによって、作製した超格子全体の膜厚は２１．５０ｎｍと推定された。セルの大きさは１００×１００ｎｍ^２であった。作製した超格子の上に、真空を破らずにＴｉＮターゲットを用いて上部電極を４０ｎｍ作製した。相分離ＲＡＭの測定セルは通常のリソグラフィーを用いて作製した。

作製したデバイスに、電圧をプログラム的に与えて、記録及び消去時の電流値を測定した。その結果、記録時の電流値は１．８ｍＡでパルス時間５ｎｓであり、消去時の電流値は０．３ｍＡでパルス時間３０ｎｓであった。この電流値での繰り返し記録消去回数を測定したところ、その値は１０^８回であった。

また、第一原理計算により、六方晶モデルを基にして相分離前後の構造を計算した。その結果、相分離前に比較して、相分離後では、Ｓｂ原子層とその片側にあるＧｅ原子層との界面が僅かに広がり、Ｃ軸方向に２％の変化率で体積変化していることが分かった。

〔参考例１〕
実施例１と同様に一般的な自己抵抗加熱型の基本構成で相変化ＲＡＭを作製した。記録膜にはＧｅＳｂ_５の１層膜を、ＧｅとＳｂのターゲットを複数同時に用いて成膜した。膜厚は２０.００ｎｍ形成した。セルと呼ばれる大きさは実施例と同じ１００×１００ｎｍ^２である。上下の電極等はすべて実施例と同じくして比較サンプルを作製した。

参考例１のデバイスに電圧をプログラム的に与えて、記録及び消去時の電流値を測定した。なお、パルスの照射時間は実施例１と同じとした。その結果、記録時の電流値は８．６ｍＡであり、消去時の電流値は６．５ｍＡであった。この電流値での繰り返し記録消去回数を測定したところ、その値は１０^５回であった。

以上のように、本実施の形態に係る固体メモリは、データ記録時および消去時の電流を従来の相変化ＲＡＭよりも大幅に低下することができ、特にはデータの消去時の電流値を、従来の１０分の１以下にすることができる。さらに、繰り返し書き換え回数を、従来の相変化ＲＡＭよりも２〜３桁以上向上させることができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の固体メモリは、データの記録及び消去に必要な電流値がより低く、より多くの回数で繰り返し書き換えることができる固体メモリとして、好適に利用できる。

Claims (5)

1. データを記録又は消去する記録層を備える固体メモリであって、
   上記記録層は、相分離により電気特性が変化する積層構造を含んでおり、
   上記積層構造では、Ｓｂ原子を含む層とＧｅ原子を含む層とが超格子構造を構成して積層されていることを特徴とする固体メモリ。
2. 上記積層構造では、上記Ｓｂ原子を含む層と上記Ｇｅ原子を含む層とが隣接して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の固体メモリ。
3. 上記Ｇｅ原子を含む層と上記Ｓｂ原子を含む層との層厚の比が、１：３以上１：２０以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の固体メモリ。
4. 上記記録層の上下に各々配置された電極を備えており、
   上記電極から上記記録層に電気的パルスを与えて、当該記録層を５％以下の体積変化率で上下方向に体積変化させることによって、データを記録又は消去することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の固体メモリ。
5. 上記Ｇｅ原子を含む層は、Ｇｅ原子が５原子以下の原子層からなり、
   上記Ｓｂ原子を含む層は、Ｓｂ原子が奇数の原子層からなることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の固体メモリ。

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