(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
典型元素と、
遷移元素と、
酸素と、
を含み、高抵抗状態と低抵抗状態との間を可逆的に遷移することによって情報を記録することが可能な記録層と、
前記記録層と隣接して設けられ、金属、金属酸化物、金属窒化物及び金属炭化物の少なくともいずれかからなり、前記記録層における前記典型元素の濃度よりも低い濃度で前記典型元素を含み、導電性を有する第１層と、
を備え、
前記第１層における前記典型元素の濃度は、前記記録層と前記第１層との間の第１界面に近い領域の方が、前記第１界面から遠い領域よりも高いことを特徴とする不揮発性記憶素子。
【請求項２】
典型元素と、
遷移元素と、
酸素と、
を含み、高抵抗状態と低抵抗状態との間を可逆的に遷移することによって情報を記録することが可能な記録層と、
前記記録層と隣接して設けられ、金属、金属酸化物、金属窒化物及び金属炭化物の少なくともいずれかからなり、前記記録層における前記典型元素の濃度よりも低い濃度で前記典型元素を含み、導電性を有する第１層と、
を備え、
前記第１層における前記典型元素の濃度は、前記記録層と前記第１層との間の第１界面に近い近傍領域の方が、前記第１界面から遠い中間領域よりも高く、前記第１界面から前記中間領域よりもさらに遠い遠隔領域では、前記中間領域よりも高いことを特徴とする不揮発性記憶素子。
【請求項３】
前記第１層における前記典型元素の濃度は、２原子百分率以上、３０原子百分率以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項４】
前記記録層における前記典型元素の濃度は、前記記録層と前記第１層との間の第１界面に近い部分の方が、前記第１界面から遠い部分よりも低いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の不揮発性記憶素子。
【請求項５】
前記記録層の前記第１層とは反対の側に隣接して設けられ、金属、金属酸化物、金属窒化物及び金属炭化物の少なくともいずれかからなり、前記記録層における前記典型元素の濃度よりも低い濃度で前記典型元素を含む第２層をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の不揮発性記憶素子。
【請求項６】
前記第２層における前記典型元素の濃度は、前記記録層と前記第２層との間の第２界面に近い領域の方が、前記第２界面から遠い領域よりも高いことを特徴とする請求項５記載の不揮発性記憶素子。
【請求項７】
前記第２層における前記典型元素の濃度は、前記記録層と前記第２層との間の第２界面に近い近傍領域の方が、前記第２界面から遠い中間領域よりも高く、前記第２界面から前記中間領域よりもさらに遠い遠隔領域では、前記中間領域よりも高いことを特徴とする請求項５記載の不揮発性記憶素子。
【請求項８】
前記記録層における前記典型元素の濃度は、前記記録層と前記第２層との間の第２界面に近い部分の方が、前記第２界面から遠い部分よりも低いことを特徴とする請求項５〜７のいずれか１つに記載の不揮発性記憶素子。
【請求項９】
前記記録層の前記第１層とは反対の側に隣接して設けられ、金属、金属酸化物、金属窒化物及び金属炭化物の少なくともいずれかからなる第２層をさらに備え、
前記第１層と前記第２層のいずれかのうち、低い電位が与えられる方における前記典型元素の濃度は、前記いずれかのうちの他方よりも高いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の不揮発性記憶素子。
【請求項１０】
前記記録層は、前記典型元素をＡとし、前記遷移元素をＢとした時に、ＡｘＢｙＯ４（０．１≦ｘ≦２．２、１．５≦ｙ≦２）で表されるスピネル構造、ＡｘＢｙＯ２（０．１≦ｘ≦１．１、０．９≦ｙ≦１．１）で表されるデラフォサイト構造、ＡｘＢｙＯ４（０．５≦ｘ≦１．１、０．７≦ｙ≦１．１）で表されるウルフラマイト構造、及びＡｘＢｙＯ３（０．５≦ｘ≦１．１、０．９≦ｙ≦１）で表されるイルメナイト構造のいずれかを有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の不揮発性記憶素子。
【請求項１１】
前記典型元素は、Ｚｎ、Ｃｄ及びＨｇよりなる群から選択された少なくとも１種であることを特徴とする請求項１０記載の不揮発性記憶素子。
【請求項１２】
前記遷移元素は、Ｃｒ及びＭｎよりなる群から選択された少なくとも１種であることを特徴とする請求項１０または１１に記載の不揮発性記憶素子。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１つに記載の不揮発性記憶素子と、
前記不揮発性記憶素子の前記記録層への電圧の印加、及び、前記記録層への電流の通電、の少なくともいずれかによって、前記記録層に前記高抵抗状態と前記低抵抗状態との間を遷移させて情報を記録する駆動部と、
を備えたことを特徴とする不揮発性記憶装置。
【請求項１４】
前記不揮発性記憶素子を挟むようにして設けられたワード線及びビット線をさらに備え、
前記駆動部は、前記ワード線及び前記ビット線を介して、前記不揮発性記憶素子の前記記録層への電圧の印加、及び、前記記録層への電流の通電、の少なくともいずれかを行うことを特徴とする請求項１３記載の不揮発性記憶装置。
【請求項１５】
前記不揮発性記憶素子に併設されたプローブをさらに備え、
前記駆動部は、前記プローブを介して、前記不揮発性記憶素子の前記記録層の記録単位に対して前記電圧の印加及び前記電流の通電の少なくともいずれかを行うことを特徴とする請求項１３記載の不揮発性記憶装置。
【請求項１６】
前記不揮発性記憶素子を挟むゲート電極とゲート絶縁層とを含むＭＩＳトランジスタをさらに備え、
前記駆動部は、前記ゲート電極を介して、前記不揮発性記憶素子の前記記録層への電圧の印加、及び、前記記録層への電流の通電、の少なくともいずれかを行うことを特徴とする請求項１３載の不揮発性記憶装置。
【請求項１７】
第１導電型半導体基板内に設けられた第１及び第２の第２導電型半導体領域と、
前記第１及び第２の第２導電型半導体領域の間の第１導電型半導体領域と、
前記第１及び第２の第２導電型半導体領域間における導通／非導通を制御するゲート電極と、
をさらに備え、
前記不揮発性記憶素子は、前記ゲート電極と前記第１導電型半導体領域との間に配置され、
前記駆動部は、前記ゲート電極を介して、前記不揮発性記憶素子の前記記録層への電圧の印加、及び、前記記録層への電流の通電、の少なくともいずれかを行うことを特徴とする請求項１３記載の不揮発性記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不揮発性記憶素子及び不揮発性記憶装置に関する。
【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。【０００４】
その中で、低抵抗状態と高抵抗状態とを有する抵抗変化材料を用いたメモリが提案されている。このような、抵抗変化材料に低抵抗状態と高抵抗状態との遷移を繰り返させた際に、低抵抗状態と高抵抗状態の特性が変動することがある。このため、繰り返し動作安定性を向上させることが望まれている。【０００５】
なお、特許文献１には、下部金属電極と上部金属電極に可変抵抗膜が挟まれ、その可変抵抗膜には、下部金属電極と上部金属電極を構成する原子がドーピングされ、フォーミングと呼ばれる工程が単純化しようと試みる技術が開示されている。【０００６】
一方、特許文献２には、抵抗変化層がＦｅ２Ｏ３とＦｅ３Ｏ４とを含み、下部電極が抵抗変化層とは組成が異なり、かつ、Ｆｅ３Ｏ４を含む鉄酸化物からなる構成が開示されている。
【特許文献１】特開２００７−２８８０１６号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００７／０２４０９９５Ａ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、繰り返し動作安定性の高い不揮発性記憶素子及び不揮発性記憶装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、典型元素と、遷移元素と、酸素と、を含み、高抵抗状態と低抵抗状態との間を可逆的に遷移することによって情報を記録することが可能な記録層と、前記記録層と隣接して設けられ、金属、金属酸化物、金属窒化物及び金属炭化物の少なくともいずれかからなり、前記記録層における前記典型元素の濃度よりも低い濃度で前記典型元素を含み、導電性を有する第１層と、を備え、前記第１層における前記典型元素の濃度は、前記記録層と前記第１層との間の第１界面に近い領域の方が、前記第１界面から遠い領域よりも高いことを特徴とする不揮発性記憶素子が提供される。
本発明の別の一態様によれば、典型元素と、遷移元素と、酸素と、を含み、高抵抗状態と低抵抗状態との間を可逆的に遷移することによって情報を記録することが可能な記録層と、前記記録層と隣接して設けられ、金属、金属酸化物、金属窒化物及び金属炭化物の少なくともいずれかからなり、前記記録層における前記典型元素の濃度よりも低い濃度で前記典型元素を含み、導電性を有する第１層と、を備え、前記第１層における前記典型元素の濃度は、前記記録層と前記第１層との間の第１界面に近い近傍領域の方が、前記第１界面から遠い中間領域よりも高く、前記第１界面から前記中間領域よりもさらに遠い遠隔領域では、前記中間領域よりも高いことを特徴とする不揮発性記憶素子が提供される。
【０００９】
本発明の別の一態様によれば、上記の不揮発性記憶素子と、前記不揮発性記憶素子の前記記録層への電圧の印加、及び、前記記録層への電流の通電、の少なくともいずれかによって、前記記録層に前記高抵抗状態と前記低抵抗状態との間を遷移させて情報を記録する駆動部と、を備えたことを特徴とする不揮発性記憶装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る不揮発性記憶素子の構成を例示する模式図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る不揮発性記憶素子が応用される不揮発性記憶装置の要部の構成を例示する模式図である。
【図３】第１の比較例の不揮発性記憶素子の構成を例示する模式図である。
【図４】第２の比較例の不揮発性記憶素子の構成を例示する模式図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶素子の構成を例示する模式図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶素子の構成を例示する模式図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶素子の構成を例示する模式図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶素子の構成を例示する模式図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る不揮発性記憶素子の構成を例示する模式図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る別の不揮発性記憶素子の構成を例示する模式図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る別の不揮発性記憶素子の構成を例示する模式図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る別の不揮発性記憶素子の構成を例示する模式図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係る別の不揮発性記憶素子の構成を例示する模式図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態に係る不揮発性記憶素子の構成を例示する模式図である。
【図１５】本発明の第４の実施形態に係る不揮発性記憶装置の構成を例示する模式的斜視図である。
【図１６】本発明の第４の実施形態に係る不揮発性記憶装置の構成を例示する模式的回路図である。
【図１７】本発明の第４の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の構成を例示する模式的斜視図である。
【図１８】本発明の第４の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の構成を例示する模式的斜視図である。
【図１９】本発明の第５の実施形態に係る不揮発性記憶装置の構成を例示する模式的斜視図である。
【図２０】本発明の第５の実施形態に係る不揮発性記憶装置の構成を例示する模式的平面図である。
【図２１】本発明の第６の実施形態に係る不揮発性記憶装置の要部の構成を例示する模式的断面図である。
【図２２】本発明の第６の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を例示する模式的断面図である。
【図２３】本発明の第６の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の要部の構成を例示する模式図である。
【図２４】本発明の第６の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の要部を例示する模式的断面図である。
【図２５】本発明の第６の実施形態に係る変形例の不揮発性記憶装置の要部を例示する模式的断面図である。
【図２６】本発明の第６の実施形態に係る変形例の不揮発性記憶装置の要部を例示する模式的断面図である。
【図２７】本発明の第６の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の要部の構成を例示する模式図である。
【図２８】本発明の第６の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の要部を例示する模式的断面図である。
【図２９】本発明の第６の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の要部の構成を例示する模式図である。
【図３０】本発明の第６の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の要部を例示する模式的断面図である。
【図３１】本発明の第６の実施形態に係る変形例の不揮発性記憶装置の要部を例示する模式的断面図である。
【符号の説明】
【００１１】
１２  下部電極（第２層）
１２ａ  第２界面
１２ｂ  近傍領域
１２ｃ  中間領域
１２ｄ  遠隔領域
１３  記録層
１４  上部電極（第１層）
１４ａ  第１界面
１４ｂ  近傍領域
１４ｃ  中間領域
１４ｄ  遠隔領域
２２  記録部
３０  基板
３１  ワード線ドライバ
３２  ビット線ドライバ
３３  メモリセル
３３Ｂ  保護層
３４  整流素子
３５  ヒータ層
４１  半導体基板
４１ａ  Ｐ型半導体基板
４１ｂ  Ｎ型ウェル領域
４１ｃ  Ｐ型ウェル領域
４２  Ｎ型拡散層（拡散層）
４３  ゲート絶縁層
４４  不揮発性記憶素子
４５  コントロールゲート電極
４７  Ｐ型半導体層
２１０、２１１、２１２、２５０、２６０、２６１〜２６６  不揮発性記憶装置
２６１ｃ  ＮＡＮＤセルユニット
２６４ｃ  ＮＯＲセルユニット
２６５ｃ  ２トラセルユニット
３１０〜３１４、３２０〜３２４、３３０、３９０、３９１  不揮発性記憶素子
５１５  ドライバ
５１６  ＸＹスキャナ
５２０  基板
５２１  電極
５２３  基板
５２４  プローブ
５２５、５２６  マルチプレクスドライバ
５３１  データエリア
５３２  サーボエリア
６００  駆動部
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。  
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。【００１３】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る不揮発性記憶素子の構成を例示する模式図である。  
すなわち、同図（ａ）は本実施形態に係る不揮発性記憶素子の構成を例示する模式的断面図である。同図（ｂ）は本実施形態に係る不揮発性記憶素子の記録層１３及び上部電極１４における典型元素Ａの濃度の変化を例示するグラフ図であり、垂直方向の軸は記録層１３及び上部電極１４中における膜厚方向の位置ｘを表し、水平方向の軸は、典型元素Ａの濃度ＣＡを表している。【００１４】
図１に表したように、本発明の第１の実施形態に係る不揮発性記憶素子３１０においては、記録層１３と上部電極１４（第１層）とを有する。【００１５】
記録層１３は、記録層１３に印加された電圧、または、記録層１３を流れる電流によって、高抵抗状態の相と、低抵抗状態の相と、の相変化を呈する。すなわち、例えば、上部電極１４を介して記録層１３に印加された電位差、または、上部電極１４を介して記録層１３に通電された電流によって、記録層１３は、抵抗率の異なる複数の状態の相を呈する。【００１６】
本実施形態に係る不揮発性記憶素子３１０は、例えば、クロスポイント型、プローブメモリ型、及び、各種のフラッシュメモリ型などの不揮発性記憶になどに応用することができる。一例として、不揮発性記憶素子３１０をクロスポイント型の不揮発性記憶装置に用いた場合の不揮発性記憶素子３１０の構成について説明する。【００１７】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る不揮発性記憶素子が応用される不揮発性記憶装置の要部の構成を例示する模式図である。  
すなわち、同図（ａ）は模式的斜視図であり、同図（ｂ）は模式的断面図である。  
図２（ａ）、（ｂ）に表したように、クロスポイント型の不揮発性記憶装置２１０においては、例えば、ワード線ＷＬｉとビット線ＢＬｊとの間に、メモリセル３３及び整流素子３４が設けられる。なお、ワード線ＷＬｉとビット線ＢＬｊとの上下の配置の関係は任意である。そして、ワード線ＷＬｉとビット線ＢＬｊとの間における、メモリセル３３と整流素子３４との配置の関係も任意である。すなわち、図２に例示した具体例では、メモリセル３３は整流素子３４よりもビット線ＢＬｊの側に配置されているが、メモリセル３３は整流素子３４よりもワード線ＷＬｉの側に配置されても良い。【００１８】
そして、図２に表したように、メモリセル３３は、記録部２２を有する。記録部２２は、下部電極１２と、上部電極１４と、下部電極１２と上部電極１４との間に設けられた記録層１３を有する。このように、メモリセル３３の記録部２２は、不揮発性記憶素子３１０を含む。ここで、上部電極１４と下部電極１２とは、便宜的な名称であり、互いに入れ替えが可能である。【００１９】
また、メモリセル３３は、記録部２２の他に、保護層３３Ｂと、記録部２２と保護層３３Ｂとの間に設けられたヒータ層３５を有することができる。なお、本具体例では、保護層３３Ｂは、記録部２２のビット線ＢＬｊの側に設けられているが、保護層３３Ｂは、記録部２２のワード線ＷＬｉの側に設けても良く、整流素子３４とワード線ＷＬｉとの間に設けても良い。さらに、これらヒータ層３５と保護層３３Ｂは必要に応じて設けられ、省略可能である。【００２０】
これらワード線ＷＬｉ、整流素子３４、メモリセル３３及びビット線ＢＬｊは、それぞれ複数設けられ、それらの間には、絶縁層が設けられ、互いに絶縁される。【００２１】
なお、記録部２２の下部電極１２及び上部電極１４の少なくともいずれかは、記録部２２に隣接する例えば、ワード線ＷＬｉ、整流素子３４、ヒータ層３５、保護層３３Ｂ、ビット線ＢＬｊの少なくともいずれかと兼用されても良い。この場合は、下部電極１２及び上部電極１４の少なくともいずれかかと兼用された層が、下部電極１２及び上部電極１４の少なくともいずれか、と見なされる。【００２２】
ここで、図１に戻り、本実施形態に係る不揮発性記憶素子３１０の記録部２２においては、記録層１３と上部電極１４とが設けられる。  
ここで、上記のように、下部電極１２を設けることもできるが、以下では、まず、説明を簡単にするために、不揮発性記憶素子３１０が、記録層１３と上部電極１４とを備える場合として説明する。そして、上部電極１４は、下部電極１２と読み替えることができる。【００２３】
本実施形態に係る不揮発性記憶素子３１０においては、記録層１３は、典型元素Ａ、遷移元素Ｂと、酸素Ｏと、を含む。すなわち、記録層１３は、ＡｘＢｙＯｚ（ここで、ｘは典型元素のモル比、ｙは遷移元素のモル比、ｚは酸素Ｏのモル比である。）で表される。【００２４】
そして、記録層１３は、高抵抗状態と低抵抗状態との間を可逆的に遷移することによって情報を記録することが可能である。【００２５】
一方、第１層（上部電極１４）が記録層１３と隣接して設けられる。上部電極１４は、金属、金属酸化物、金属窒化物及び金属炭化物の少なくともいずれかからなり、導電性を有する。【００２６】
そして、図１（ｂ）に表したように、上部電極１４は、記録層１３に含まれる典型元素Ａを含む。そして、上部電極１４における典型元素Ａの濃度ＣＡは、記録層１３における典型元素Ａの濃度ＣＡよりも低い。【００２７】
本実施形態に係る不揮発性記憶素子３１０においては、記録層１３が、ＡｘＢｙＯｚからなる酸化物で構成されており、記録層１３における高抵抗状態と低抵抗状態との間の遷移が、例えば、以下のように行われる。【００２８】
例えば、記録層１３に電圧が印加された場合した時、記録層１３に含まれる典型元素Ａの一部が、例えば、上部電極１４に向けて移動する。【００２９】
上部電極１４の側に移動した典型元素Ａのイオンは、上部電極１４から電子を受け取り、金属として析出して金属層を形成する。従って、上部電極１４に近い領域では、典型元素が還元されて金属的に振舞い、電気抵抗が減少する。【００３０】
一方、記録層１３の内部においては、典型元素Ａの一部が上部電極１４の側に移動したため、記録層１３の内部の陽イオンの数が、酸素イオンに対して相対的に減少する。  この時、記録層１３の内部では、結果的に、記録層１３の内部に残された遷移金属Ｂのイオンの価数を上昇させる。この時、その価数が上昇した時に電気抵抗が減少するように遷移金属Ｂを選択すると、金属層、及び、記録層１３の内部、ともに電気抵抗が減少する。このようにして、記録層１３に与えられた電界によって、抵抗値が低下し、低抵抗状態相ＬＲが得られる。この動作をセット動作ＳＯと呼ぶ。【００３１】
そして、記録した情報の再生に関しては、例えば電圧パルスを記録層１３に印加し、記録層１３の抵抗値を検出することにより行う。この時、電圧パルスの大きさは、Ａイオンの移動が生じない程度の微小な値とされる。【００３２】
一方、例えば、記録層１３に大電流パルスを印加し、それによるジュール熱によって記録層１３を加熱して、記録層１３の酸化還元反応を促進させると、典型元素Ａは熱的により安定な記録層１３の内部へと戻り、初期の高抵抗状態相ＨＲが現れる。また、セット動作ＳＯとは逆極性の電圧パルスを印加し、上部電極１４近傍の典型元素Ａは上部電極１４に電子を与え、イオンとなった後、記録層１３内の電位勾配により記録層１３の内部に戻すことによって、価数が上昇していた一部の遷移元素Ｂのイオンは、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ＨＲへと変化する。【００３３】
このようにして、本実施形態に係る不揮発性記憶装置２１０は記録動作、すなわち、セット動作ＳＯ及びリセット動作ＲＯを行う。【００３４】
そして、既に説明したように、上部電極１４は、記録層１３に含まれる典型元素Ａを含む。そして、上部電極１４における典型元素Ａの濃度ＣＡは、記録層１３における典型元素Ａの濃度ＣＡよりも低い。  
これにより、上記のセット動作ＳＯにおける典型元素Ａが記録層１３から上部電極１４の側に移動することを容易にすることができる。【００３５】
すなわち、セット動作ＳＯにおいて、典型元素Ａが記録層１３から上部電極１４の方向に移動する際に、上部電極１４には移動する元素と同じ種類の元素である典型元素Ａが含まれている。そして、典型元素Ａの濃度ＣＡは、記録層１３よりも上部電極１４の方が低い。これにより、セット動作ＳＯの際の典型元素Ａの記録層１３から上部電極１４への方向の移動を容易にさせる。【００３６】
（第１の比較例）
図３は、第１の比較例の不揮発性記憶素子の構成を例示する模式図である。  
すなわち、同図（ａ）は第１の比較例の不揮発性記憶素子３９０の構成を例示する模式的断面図である。同図（ｂ）は第１の比較例の不揮発性記憶素子３９０の記録層１３及び上部電極１４における典型元素Ａの濃度の変化を例示するグラフ図であり、垂直方向の軸は記録層１３及び上部電極１４中における膜厚方向の位置ｘを表し、水平方向の軸は、典型元素Ａの濃度ＣＡを表している。【００３７】
図３に表したように、第１の比較例の不揮発性記憶素子３９０においては、上部電極１４に典型元素Ａが含まれているが、その濃度ＣＡは、記録層１３よりも上部電極１４の方が高い。【００３８】
この場合、セット動作ＳＯにおいて、典型元素Ａが記録層１３から上部電極１４の方向に移動する際に、上部電極１４には移動する元素と同じ種類の元素である典型元素Ａが、記録層１３よりも高濃度で含まれているので、移動し難い。すなわち、移動すべき典型元素Ａが記録層１３に存在する方が、濃度の観点で安定となる。すなわち、典型元素Ａの濃度の観点と、電界に誘起された移動方向とは相反する方向となる。従って、比較例の不揮発性記憶素子３９０においては、セット動作ＳＯの際の典型元素Ａの記録層１３から上部電極１４への方向の移動が困難となり、動作が不安定である。動作を繰り返した場合に動作の不安定性の程度が拡大する。すなわち、低抵抗状態相ＬＲと高抵抗状態相ＨＲの少なくともいずれかの状態が変動してしまう。【００３９】
これに対して、既に説明したように、本実施形態に係る不揮発性記憶素子３１０においては、典型元素Ａの濃度ＣＡは、記録層１３よりも上部電極１４の方が低いので、セット動作ＳＯの際の典型元素Ａの記録層１３から上部電極１４への方向の移動が容易であり、この動作を繰り返しても安定である。
【００４０】
このように、本実施形態に係る不揮発性記憶素子３１０によれば、繰り返し動作安定性の高い不揮発性記憶素子が提供できる。【００４１】
（第２の比較例）
図４は、第２の比較例の不揮発性記憶素子の構成を例示する模式図である。  
すなわち、同図（ａ）は第２の比較例の不揮発性記憶素子３９１の構成を例示する模式的断面図である。同図（ｂ）は第２の比較例の不揮発性記憶素子３９１の記録層１３及び上部電極１４における典型元素Ａの濃度の変化を例示するグラフ図であり、垂直方向の軸は記録層１３及び上部電極１４中における膜厚方向の位置ｘを表し、水平方向の軸は、典型元素Ａの濃度ＣＡを表している。【００４２】
図４に表したように、第２の比較例の不揮発性記憶素子３９１においては、記録層１３に含まれる典型元素Ａが上部電極１４に含まれていない。【００４３】
このような構成の不揮発性記憶素子３９１において、セット動作ＳＯにおいて、典型元素Ａが記録層１３から上部電極１４の方向に移動する際に、上部電極１４には典型元素Ａが含まれていないので、上部電極１４を移動する際に典型元素Ａの移動における抵抗が大きい。すなわち、上部電極１４中に典型元素Ａが存在することのエネルギーが高く、その結果、上部電極１４中を典型元素Ａが移動することを困難にする。【００４４】
これに対し、既に説明したように、本実施形態に係る不揮発性記憶素子３９０においては、上部電極１４は典型元素Ａを、記録層１３の濃度よりも低い濃度で含有する。すなわち、上部電極１４には予め典型元素Ａが、低濃度で含まれている。このため、上部電極１４において典型元素Ａが存在することのエネルギーが低く、上部電極１４を典型元素Ａは容易に移動できる。従って、本実施形態に係る不揮発性記憶素子３１０によれば、繰り返し動作安定性の高い不揮発性記憶素子が提供できる。【００４５】
なお、特許文献１に開示されている技術においては、下部金属電極と上部金属電極に可変抵抗膜が挟まれ、その可変抵抗膜には、下部金属電極と上部金属電極を構成する原子がドーピングされているので、本実施形態に係る不揮発性記憶素子３１０のように、記録層１３に含まれる典型元素Ａが上部電極１４に低濃度で含まれているのではなく、金属電極に含まれる原子が記録層１３に含まれる構成である。すなわち、金属電極に含まれるその原子の濃度は、金属電極の方が、可変抵抗膜よりも高い構成である。【００４６】
また、特許文献２に開示されている技術においては、抵抗変化層がＦｅ２Ｏ３とＦｅ３Ｏ４とを含み、下部電極が抵抗変化層とは組成が異なり、かつ、Ｆｅ３Ｏ４を含む鉄酸化物からなる構成であるので、抵抗変化層が、典型元素と遷移元素と酸素とからなる構成ではない。さらに、もし、この構成において、Ｆｅを本実施形態における典型元素Ａと見なした場合においても、抵抗変化層におけるＦｅ濃度よりも下部電極におけるＦｅ濃度の方が高くなる。【００４７】
このように、特許文献１及び特許文献２で開示された構成は、第１の比較例で説明したように、記録層１３に含まれる典型元素Ａの移動を容易化しない。【００４８】
図５は、本発明の第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶素子の構成を例示する模式図である。  
すなわち、同図（ａ）は本実施形態に係る別の不揮発性記憶素子３１１の構成を例示する模式的断面図である。同図（ｂ）は本実施形態に係る別の不揮発性記憶素子３１１の記録層１３及び上部電極１４における典型元素Ａの濃度の変化を例示するグラフ図であり、垂直方向の軸は記録層１３及び上部電極１４中における膜厚方向の位置ｘを表し、水平方向の軸は、典型元素Ａの濃度ＣＡを表している。【００４９】
図５に表したように、本発明の第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶素子３１１においては、上部電極１４における典型元素の濃度ＣＡが、徐々に変化している。これ以外は、不揮発性記憶素子３１０と同様とすることができるので説明を省略する。【００５０】
本実施形態に係る別の不揮発性記憶素子３１１においては、上部電極１４における典型元素Ａの濃度ＣＡは、記録層１３と上部電極１４との間の第１界面１４ａに近い領域の方が、第１界面１４ａから遠い領域よりも高い。例えば、第１界面１４ａから上部電極１４の中を第１界面１４ａから離れるように進むに従って、典型元素Ａの濃度ＣＡは連続的に変化している。すなわち、濃度ＣＡが徐々に低下している。【００５１】
このように、本実施形態に係る別の不揮発性記憶素子３１１においては、上部電極１４において、典型元素Ａの濃度ＣＡが濃度勾配を有しているので、典型元素Ａが記録層１３から上部電極１４に向かって、そして、第１界面１４ａから上部電極１４の中への方向に移動し易い。【００５２】
これにより、本実施形態に係る不揮発性記憶素子３１１によれば、繰り返し動作安定性のより高い不揮発性記憶素子が提供できる。【００５３】
図６は、本発明の第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶素子の構成を例示する模式図である。  
すなわち、同図（ａ）は本実施形態に係る別の不揮発性記憶素子３１２の構成を例示する模式的断面図である。同図（ｂ）は本実施形態に係る別の不揮発性記憶素子３１２の記録層１３及び上部電極１４における典型元素Ａの濃度の変化を例示するグラフ図であり、垂直方向の軸は記録層１３及び上部電極１４中における膜厚方向の位置ｘを表し、水平方向の軸は、典型元素Ａの濃度ＣＡを表している。【００５４】
図６に表したように、本発明の第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶素子３１２においては、記録層１３における典型元素の濃度ＣＡが、徐々に変化している。これ以外は、不揮発性記憶素子３１１と同様とすることができるので説明を省略する。【００５５】
すなわち、本実施形態に係る別の不揮発性記憶素子３１２においては、上部電極１４における典型元素Ａの濃度ＣＡが濃度勾配を有している他に、記録層１３における典型元素Ａの濃度ＣＡが濃度勾配を有している。【００５６】
すなわち、記録層１３においては、記録層１３と上部電極１４との間の第１界面１４ａに近い領域の方が、第１界面１４ａから遠い領域よりも低い。すなわち、典型元素Ａの濃度は、記録層１３の第１界面１４ａから離れた部分が一番高く、そこから、記録層１３の第１界面１４ａに近い部分で低くなる。  
さらに、上部電極１４の第１界面１４ａに近い部分で低く、そして、上部電極１４において第１界面１４ａから離れた部分において一番低くなっている。  
そして、濃度ＣＡは、上記の各部分において連続的に変化している。【００５７】
このように、本実施形態に係る別の不揮発性記憶素子３１２においては、記録層１３及び上部電極１４において、記録層１３から上部電極１４の方向に進むに従って、典型元素Ａの濃度ＣＡが濃度勾配を有しているので、典型元素Ａが記録層１３から上部電極１４に向かって、そして、第１界面１４ａから上部電極１４の中への方向に移動し易い。【００５８】
これにより、本実施形態に係る不揮発性記憶素子３１２によれば、繰り返し動作安定性のより高い不揮発性記憶素子が提供できる。【００５９】
図７は、本発明の第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶素子の構成を例示する模式図である。  
すなわち、同図（ａ）は本実施形態に係る別の不揮発性記憶素子３１３の構成を例示する模式的断面図である。同図（ｂ）は本実施形態に係る別の不揮発性記憶素子３１３の記録層１３及び上部電極１４における典型元素Ａの濃度の変化を例示するグラフ図であり、垂直方向の軸は記録層１３及び上部電極１４中における膜厚方向の位置ｘを表し、水平方向の軸は、典型元素Ａの濃度ＣＡを表している。【００６０】
図７に表したように、本発明の第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶素子３１３においては、上部電極１４における典型元素の濃度ＣＡが、第１界面１４ａから上部電極１４の方向に進むに従って一旦低下し、その後増大している。これ以外は、不揮発性記憶素子３１１と同様とすることができるので説明を省略する。【００６１】
本実施形態に係る別の不揮発性記憶素子３１３においては、上部電極１４における典型元素Ａの濃度ＣＡは、記録層１３と上部電極１４との間の第１界面１４ａに近い近傍領域１４ｂの方が、第１界面１４ａから遠い中間領域１４ｃよりも高く、第１界面１４ａから中間領域１４ｃよりもさらに遠い遠隔領域１４ｄでは、中間領域１４ｃよりも高い。【００６２】
本実施形態においては、記録層１３から上部電極１４に向かって典型元素Ａが移動し、その際の移動を容易化することによって、繰り返し動作安定性を向上させる効果を発揮する。このため、本実施形態に係る不揮発性記憶素子３１３のように、上部電極１４における典型元素Ａの濃度ＣＡは、記録層１３と上部電極１４との間の第１界面１４ａに近い近傍領域１４ｂにおいて、第１界面１４ａから遠い領域、すなわち、ここでは中間領域１４ｃ、よりも高い部分があれば良く、中間領域１４ｃを過ぎた遠隔領域１４ｄにおいて、濃度ＣＡが再び高くなっても良い。【００６３】
本実施形態に係る不揮発性記憶素子３１３によっても、繰り返し動作安定性のより高い不揮発性記憶素子が提供できる。【００６４】
図８は、本発明の第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶素子の構成を例示する模式図である。  
すなわち、同図（ａ）は本実施形態に係る別の不揮発性記憶素子３１４の構成を例示する模式的断面図である。同図（ｂ）は本実施形態に係る別の不揮発性記憶素子３１４の記録層１３及び上部電極１４における典型元素Ａの濃度の変化を例示するグラフ図であり、垂直方向の軸は記録層１３及び上部電極１４中における膜厚方向の位置ｘを表し、水平方向の軸は、典型元素Ａの濃度ＣＡを表している。【００６５】
図８に表したように、本発明の第１の実施形態に係る別の不揮発性記憶素子３１４においては、記録層１３における典型元素の濃度ＣＡが、徐々に変化している。これ以外は、不揮発性記憶素子３１３と同様とすることができるので説明を省略する。【００６６】
すなわち、本実施形態に係る別の不揮発性記憶素子３１４においては、記録層１３における典型元素Ａの濃度ＣＡが濃度勾配を有している。そして、上部電極１４における典型元素Ａの濃度ＣＡは、記録層１３と上部電極１４との間の第１界面１４ａに近い近傍領域１４ｂの方が、第１界面１４ａから遠い中間領域１４ｃよりも高く、第１界面１４ａから中間領域１４ｃよりもさらに遠い遠隔領域１４ｄでは、中間領域１４ｃよりも高い。【００６７】
すなわち、記録層１３においては、記録層１３と上部電極１４との間の第１界面１４ａに近い領域の方が、第１界面１４ａから遠い領域よりも低い。すなわち、典型元素Ａの濃度は、記録層１３の第１界面１４ａから離れた部分が一番高く、そこから、記録層１３の第１界面１４ａに近い部分で低くなる。  
さらに、上部電極１４における典型元素の濃度ＣＡは、第１界面１４ａから上部電極１４の方向に進むに従って一旦低下し、その後増大している。  
そして、濃度ＣＡは、上記の各部分において連続的に変化している。【００６８】
このように、本実施形態に係る別の不揮発性記憶素子３１４においては、記録層１３及び上部電極１４において、記録層１３から上部電極１４の方向に進むに従って、典型元素Ａの濃度ＣＡが濃度勾配を有しているので、典型元素Ａが記録層１３から上部電極１４に向かって、そして、第１界面１４ａから上部電極１４の中への方向に移動し易い。【００６９】
そして、本実施形態に係る不揮発性記憶素子３１４のように、上部電極１４における典型元素Ａの濃度ＣＡが、記録層１３と上部電極１４との間の第１界面１４ａに近い近傍領域１４ｂにおいて、第１界面１４ａから遠い領域、すなわち、ここでは中間領域１４ｃ、よりも高い部分があれば良く、中間領域１４ｃを過ぎた遠隔領域１４ｄにおいて、濃度ＣＡが再び高くなっても良い。【００７０】
これにより、本実施形態に係る不揮発性記憶素子３１４によっても、繰り返し動作安定性のより高い不揮発性記憶素子が提供できる。【００７１】
本実施形態に係る不揮発性記憶素子３１０〜３１４において、記録層１３に含まれる典型元素Ａを、記録層１３における濃度よりも低い濃度で、上部電極１４に含有させる方法は任意である。【００７２】
例えば、記録層１３となる膜を成膜した後に、上部電極１４となる金属、金属酸化物、金属窒化物及び金属炭化物の少なくともいずれかを含むターゲットであって、記録層１３に含まれる典型元素Ａをも含むターゲットを用いて、上部電極１４となる膜を成膜する方法を採用することができる。例えば、不揮発性記憶素子３１０はこの方法によって作製することができる。【００７３】
また、記録層１３を成膜した後に、上部電極１４となる金属、金属酸化物、金属窒化物及び金属炭化物の少なくともいずれかを含むターゲットを用いて、上部電極１４となる膜を成膜し、その後、記録層１３となる膜と上部電極１４となる膜を加熱することにより、記録層１３となる膜に含有される典型元素を、記録層１３となる膜から上部電極１４となる膜に拡散させる方法を採用することができる。
【００７４】
なお、上記において、記録層１３となる膜の成膜と、上部電極１４となる膜の成膜と、の順序は任意である。【００７５】
また、記録層１３となる膜及び上部電極１４となる膜の上に（上部電極１４の記録層１３とは反対側の面に）、例えば、既に説明した、ワード線ＷＬｉ、整流素子３４、ヒータ層３５、保護層３３Ｂ、ビット線ＢＬｊの少なくともいずれかとなる膜が成膜され、その膜が、記録層１３含まれる典型元素Ａを含有する場合には、不揮発性記憶素子３１３、３１４のように、上部電極１４において、典型元素Ａの濃度ＣＡが、第１界面１４ａから離れるに従って、一旦減少し、その後上昇する特性が得られる。【００７６】
（第２の実施の形態）
図９は、本発明の第２の実施形態に係る不揮発性記憶素子の構成を例示する模式図である。  
すなわち、同図（ａ）は本実施形態に係る不揮発性記憶素子３２０の構成を例示する模式的断面図である。同図（ｂ）は本実施形態に係る不揮発性記憶素子３２０の下部電極１２、記録層１３及び上部電極１４における典型元素Ａの濃度の変化を例示するグラフ図であり、垂直方向の軸は下部電極１２、記録層１３及び上部電極１４中における膜厚方向の位置ｘを表し、水平方向の軸は、典型元素Ａの濃度ＣＡを表している。【００７７】
図９に表したように、本発明の第２の実施形態に係る不揮発性記憶素子３２０においては、記録層１３と上部電極１４（第１層）と下部電極１２（第２層）を有する。【００７８】
そして、上部電極１４は、記録層１３に含まれる典型元素Ａを含む。そして、上部電極１４における典型元素Ａの濃度ＣＡは、記録層１３における典型元素Ａの濃度ＣＡよりも低い。【００７９】
さらに、下部電極１２は、金属、金属酸化物、金属窒化物及び金属炭化物の少なくともいずれかからなり、記録層１３に含まれる典型元素Ａを含む。そして、下部電極１２における典型元素Ａの濃度ＣＡは、記録層１３における典型元素Ａの濃度ＣＡよりも低い。【００８０】
すなわち、不揮発性記憶素子３２０は、既に説明した不揮発性記憶素子３１０において、記録層１３の上部電極１４とは反対の側に隣接して設けられ、金属、金属酸化物、金属窒化物及び金属炭化物の少なくともいずれかからなり、記録層１３における典型元素Ａの濃度よりも低い濃度で典型元素Ａを含む下部電極１２をさらに備えている。【００８１】
これにより、第１の実施形態で説明したのと同様の効果により、上部電極１４及び下部電極１２に印加される電圧の極性を反転させた場合、または、上部電極１４及び下部電極１２の間に通電される電流の向きを反転させた場合に、生じる記録層１３から、上部電極１４または下部電極１２に向かって移動する典型元素Ａの移動を容易にさせる。【００８２】
すなわち、記録層１３に異なる極性の電圧を印加し、または、異なる方向の電流を通電した時において、典型元素Ａの移動を容易にすることで、両方の極性の動作において、動作を安定化させることができる。【００８３】
本実施形態に係る不揮発性記憶素子３２０においても、第１の実施形態に係る不揮発性記憶素子３１０と同様に各種の変形が可能である。【００８４】
図１０〜図１３は、本発明の第２の実施形態に係る別の不揮発性記憶素子の構成を例示する模式図である。  
すなわち、図１０（ａ）〜図１３（ａ）は、それぞれ、本実施形態に係る別の不揮発性記憶素子３２１〜３２４の構成を例示する模式的断面図である。図１０（ｂ）〜図１３（ｂ）は、それぞれ、本実施形態に係る別の不揮発性記憶素子３２１〜３２４の下部電極１２、記録層１３及び上部電極１４における典型元素Ａの濃度の変化を例示するグラフ図であり、垂直方向の軸は下部電極１２、記録層１３及び上部電極１４中における膜厚方向の位置ｘを表し、水平方向の軸は、典型元素Ａの濃度ＣＡを表している。  
なお、図１０〜図１３において、上部電極１４及び記録層１３の特性については、第１の実施形態において既に説明したので、適宜省略する。【００８５】
図１０に表したように、本発明の第２の実施形態に係る別の不揮発性記憶素子３２１においては、上部電極１４及び下部電極１２における典型元素の濃度ＣＡが、徐々に変化している。これ以外は、不揮発性記憶素子３２０と同様とすることができるので説明を省略する。【００８６】
本実施形態に係る別の不揮発性記憶素子３２１においては、上部電極１４における典型元素Ａの濃度ＣＡは、記録層１３と上部電極１４との間の第１界面１４ａに近い領域の方が、第１界面１４ａから遠い領域よりも高く、さらに、下部電極１２における典型元素Ａの濃度ＣＡは、記録層１３と下部電極１２との間の第２界面１２ａに近い領域の方が、第２界面１２ａから遠い領域よりも高い。
【００８７】
このように、本実施形態に係る別の不揮発性記憶素子３２１においては、上部電極１４及び下部電極１２において、典型元素Ａの濃度ＣＡが濃度勾配を有しているので、典型元素Ａが、記録層１３から上部電極１４に向かって、そして、第１界面１４ａから上部電極１４の中への方向に移動し易く、また、記録層１３から下部電極１２に向かって、第２界面１２ａから下部電極１２の中への方向に移動し易い。【００８８】
これにより、本実施形態に係る不揮発性記憶素子３２１によれば、繰り返し動作安定性のより高い不揮発性記憶素子が提供できる。【００８９】
図１１に表したように、本実施形態に係る別の不揮発性記憶素子３２２においては、記録層１３における典型元素の濃度ＣＡが、第１界面１４ａ及び第２界面１２ａの近傍において、徐々に変化している。【００９０】
すなわち、記録層１３においては、記録層１３と上部電極１４との間の第１界面１４ａに近い領域の方が、第１界面１４ａから遠い領域よりも低く、さらに、記録層１３と下部電極１２との間の第２界面１２ａに近い領域の方が、第２界面１２ａから遠い領域よりも低い。  
そして、さらに、濃度ＣＡは、上部電極１４においては、上部電極１４の第１界面１４ａに近い部分で低く、そして、上部電極１４において第１界面１４ａから離れた部分において一番低く、下部電極１２においては、記録層１３と下部電極１２との間の第２界面１２ａに近い領域の方が、第２界面１２ａから遠い領域よりも低く、なっている。  
そして、濃度ＣＡは、上記の各部分において連続的に変化している。【００９１】
このように、本実施形態に係る別の不揮発性記憶素子３２２においては、下部電極１２、記録層１３及び上部電極１４において、記録層１３から上部電極１４の方向に進むに従って、典型元素Ａの濃度ＣＡが濃度勾配を有し、記録層１３から下部電極１２の方向に進むに従って、典型元素Ａの濃度ＣＡが濃度勾配を有しているので、典型元素Ａは、記録層１３から上部電極１４に向かって、そして、第１界面１４ａから上部電極１４の中への方向に、または、典型元素Ａが記録層１３から下部電極１２に向かって、そして、第２界面１２ａから下部電極１２の中への方向に、移動し易い。【００９２】
これにより、本実施形態に係る不揮発性記憶素子３２２によれば、繰り返し動作安定性のより高い不揮発性記憶素子が提供できる。【００９３】
図１２に表したように、本実施形態に係る別の不揮発性記憶素子３２３においては、上部電極１４における典型元素の濃度ＣＡが、第１界面１４ａから上部電極１４の方向に進むに従って一旦低下し、その後増大し、さらに、下部電極１２における典型元素の濃度ＣＡが、第２界面１２ａから下部電極１２の方向に進むに従って一旦低下し、その後増大している。【００９４】
このように、上部電極１４における典型元素Ａの濃度ＣＡは、記録層１３と上部電極１４との間の第１界面１４ａに近い近傍領域１４ｂにおいて、第１界面１４ａから遠い領域、すなわち、ここでは中間領域１４ｃ、よりも高い部分があれば良く、中間領域１４ｃを過ぎた遠隔領域１４ｄにおいて、濃度ＣＡが再び高くなっても良い。そして、下部電極１２における典型元素Ａの濃度ＣＡは、記録層１３と下部電極１２との間の第２界面１２ａに近い近傍領域１２ｂにおいて、第２界面１２ａから遠い領域、すなわち、ここでは中間領域１２ｃ、よりも高い部分があれば良く、中間領域１２ｃを過ぎた遠隔領域１２ｄにおいて、濃度ＣＡが再び高くなっても良い。【００９５】
本実施形態に係る不揮発性記憶素子３２３によっても、繰り返し動作安定性のより高い不揮発性記憶素子が提供できる。【００９６】
図１３に表したように、本実施形態に係る別の不揮発性記憶素子３２４においては、記録層１３における典型元素の濃度ＣＡが、徐々に変化し、また、上部電極１４における典型元素の濃度ＣＡが、第１界面１４ａから上部電極１４の方向に進むに従って一旦低下し、その後増大し、さらに、下部電極１２における典型元素の濃度ＣＡが、第２界面１２ａから下部電極１２の方向に進むに従って一旦低下し、その後増大している。【００９７】
このように、本実施形態に係る別の不揮発性記憶素子３２４においては、記録層１３及び上部電極１４において、記録層１３から上部電極１４の方向に進むに従って、典型元素Ａの濃度ＣＡが濃度勾配を有しているので、典型元素Ａが記録層１３から上部電極１４に向かって、そして、第１界面１４ａから上部電極１４の中への方向に移動し易い。記録層１３及び下部電極１２において、記録層１３から下部電極１２の方向に進むに従って、典型元素Ａの濃度ＣＡが濃度勾配を有しているので、典型元素Ａが記録層１３から下部電極１２に向かって、そして、第２界面１２ａから下部電極１２の中への方向に移動し易い。【００９８】
これにより、本実施形態に係る不揮発性記憶素子３２４によっても、繰り返し動作安定性のより高い不揮発性記憶素子が提供できる。【００９９】
このように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置３２０〜３２４によって、上部電極１４及び下部電極１２に印加される電圧の極性を反転させた場合、または、上部電極１４及び下部電極１２の間に通電される電流の向きを反転させた場合に、生じる記録層１３から、上部電極１４または下部電極１２に向かって移動する典型元素Ａの移動を容易にさせる。そして、記録層１３に異なる極性の電圧を印加し、または、異なる方向の電流を通電した時において、典型元素Ａの移動を容易にすることで、両方の極性の動作において、動作を安定化させることができる。  
すなわち、リセット動作ＲＯにおいて、セット動作ＳＯとは逆極性のパルスを印加する方法を採用した場合において、すなわち、両極性の駆動において、動作を安定化させることができる。【０１００】
なお、本実施形態に係る不揮発性記憶装置３２０〜３２４において、片側極性の駆動を行っても良く、その場合にも、繰り返し動作安定性のより高い不揮発性記憶素子が提供できる。【０１０１】
なお、上記の不揮発性記憶素子３２０〜３２４においては、記録層１３の上部電極１４の側の特性及び上部電極１４の特性（例えば濃度ＣＡの分布）と、記録層１３の下部電極１２の側の特性及び下部電極１２の特性（例えば濃度ＣＡの分布）と、が、比較的類似している場合として説明したが、本発明はこれには限らない。例えば、不揮発性記憶素子３２０に例示した上部電極１４の特性と、不揮発性記憶素子３２１〜３２４に例示したいずれかの下部電極１２の特性と、を組み合わせても良い。すなわち、上部電極１４の特性と、下部電極１２の特性と、は互いに独立して、任意に設定することができる。【０１０２】
また、上部電極１４と下部電極１２とは、相互に入れ替えが可能なので、第１の実施形態について説明した上部電極１４及び上部電極１４に関係した記録層１３の特性は、下部電極１２及び下部電極１２に関係した記録層１３の特性に適用される。【０１０３】
また、本実施形態に係る不揮発性記憶素子３２０〜３２４において、記録層１３に含まれる典型元素Ａを、記録層１３における濃度よりも低い濃度で、上部電極１４及び下部電極１２の少なくともいずれかに含有させる方法は任意であり、第１の実施形態において、上部電極１４に典型元素Ａを含有させる方法と類似の方法を下部電極１２にも適用できる。【０１０４】
上記の第１及び第２の実施形態に係る不揮発性記憶素子３１０〜３１４、３２０〜３２４において、上部電極１４及び下部電極１２の少なくともいずれかにおける典型元素Ａの濃度ＣＡは、２原子パーセント（原子百分率）以上、３０原子パーセント以下とすることができる。【０１０５】
記録層１３は、典型元素をＡとし、遷移元素をＢとした時に、ＡｘＢｙＯ４（０．１≦ｘ≦２．２、１．５≦ｙ≦２）で表されるスピネル構造、ＡｘＢｙＯ２（０．１≦ｘ≦１．１、０．９≦ｙ≦１．１）で表されるデラフォサイト構造、ＡｘＢｙＯ４（０．５≦ｘ≦１．１、０．７≦ｙ≦１．１）で表されるウルフラマイト構造、及びＡｘＢｙＯ３（０．５≦ｘ≦１．１、０．９≦ｙ≦１）で表されるイルメナイト構造のいずれかを有することができる。【０１０６】
そして、典型元素Ａは、Ｚｎ、Ｃｄ及びＨｇよりなる群から選択された少なくとも１種とすることができる。【０１０７】
遷移元素Ｂは、Ｃｒ及びＭｎよりなる群から選択された少なくとも１種とすることができる。【０１０８】
さらに、具体的には、典型元素Ａは、Ｚｎ、Ｃｄ及びＨｇよりなる群から選択された少なくとも１種であり、かつ、遷移元素Ｂは、Ｃｒ及びＭｎよりなる群から選択された少なくとも１種とすることができる。【０１０９】
（第３の実施の形態）
図１４は、本発明の第３の実施形態に係る不揮発性記憶素子の構成を例示する模式図である。  
すなわち、同図（ａ）は本実施形態に係る不揮発性記憶素子３３０の構成を例示する模式的断面図である。同図（ｂ）は本実施形態に係る不揮発性記憶素子３３０の下部電極１２、記録層１３及び上部電極１４における典型元素Ａの濃度の変化を例示するグラフ図であり、垂直方向の軸は下部電極１２、記録層１３及び上部電極１４中における膜厚方向の位置ｘを表し、水平方向の軸は、典型元素Ａの濃度ＣＡを表している。【０１１０】
図１４に表したように、本発明の第３の実施形態に係る不揮発性記憶素子３３０においては、記録層１３と上部電極１４（第１層）と下部電極１２（第２層）を有する。【０１１１】
すなわち、不揮発性記憶素子３３０は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶素子３１０において、記録層１３の上部電極１４とは反対の側に隣接して設けられ、金属、金属酸化物、金属窒化物及び金属炭化物の少なくともいずれかからなる下部電極１２をさらに備える。【０１１２】
そして、上部電極１４及び下部電極１２のいずれかのうち、低い電位が与えられる方における典型元素Ａの濃度ＣＡは、いずれかのうちの他方よりも高い。【０１１３】
本具体例においては、上部電極１４及び下部電極１２のうち、上部電極１４に下部電極１２よりも低い電位が与えられる。そして、上部電極１４における典型元素Ａの濃度ＣＡが、下部電極１２における典型元素Ａの濃度ＣＡよりも高い。すなわち、負側の極となる上部電極１４に含まれる典型元素Ａの濃度ＣＡは、記録層１３よりも低く、正側の極となる下部電極１２よりも高い。【０１１４】
本実施形態に係る不揮発性記憶素子３３０は、例えば、上部電極１４及び下部電極１２のうち、上部電極１４に下部電極１２よりも低い電位が与えられる単極性の動作において、繰り返し動作安定性を向上させる。【０１１５】
本具体例の不揮発性記憶素子３３０においては、セット動作ＳＯにおいて、例えば、上部電極１４に下部電極１２よりも低い電位が与えられ、この時、記録層１３に含まれる典型元素Ａが記録層１３から上部電極１４に移動する。そして、第１の実施形態で説明したのと同様の効果によって、上部電極１４における典型元素Ａの濃度ＣＡを、下部電極１２よりも高く設定することによって、典型元素Ａが記録層１３から上部電極１４に向けて移動することを容易化する。すなわち、セット動作ＳＯを容易化し、安定化させる。  
これにより、本実施形態に係る不揮発性記憶素子３３０によって、繰り返し動作安定性のより高い不揮発性記憶素子が提供できる。【０１１６】
なお、本実施形態に係る不揮発性記憶素子３３０の場合において、リセット動作ＲＯの際には、既に説明したジュール熱による方法を用いることができる。【０１１７】
なお、本実施形態に係る不揮発性記憶装置３３０においては、負側の極となる上部電極１４に含まれる典型元素Ａの濃度ＣＡが、正側の極となる下部電極１２よりも高ければ良いので、正側の極となる下部電極１２には典型元素Ａは含まれなくても良い。【０１１８】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施形態に係る不揮発性記憶装置は、クロスポイント型の不揮発性記憶装置であり、上記の第１〜第３の実施形態に係る不揮発性記憶素子を用いた不揮発性記憶装置である。【０１１９】
図１５は、本発明の第４の実施形態に係る不揮発性記憶装置の構成を例示する模式的斜視図である。  
図１６は、本発明の第４の実施形態に係る不揮発性記憶装置の構成を例示する模式的回路図である。  
図１５及び図１６に表したように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置２１０においては、基板３０の主面の上に、Ｘ軸方向に延在する帯状の第１の配線（ワード線ＷＬｉ−１、ＷＬｉ、ＷＬｉ＋１）が設けられている。そして、基板３０に平行な面内でＸ軸と直交するＹ軸方向に延在する帯状の第２の配線（ビット線ＢＬｊ−１、ＢＬｊ、ＢＬｊ＋１）が、第１の配線（ワード線ＷＬｉ−１、ＷＬｉ、ＷＬｉ＋１）に対向して設けられている。  
なお、上記では、第１の配線と第２の配線とが直交する例であるが、第１の配線と第２の配線とは交差（非平行）であれば良い。  
なお、このように、基板３０の主面に対して並行な平面をＸ−Ｙ平面とし、第１の配線の延在する方向をＸ軸とし、Ｘ−Ｙ平面内においてＸ軸と直交する軸をＹ軸とし、Ｘ軸及びＹ軸に対して垂直方向をＺ軸とする。【０１２０】
なお、上記において添え字ｉ及び添え字ｊは任意である。すなわち、図１５及び図１６においては、第１の配線と第２の配線とは、それぞれ３本ずつ設けられている例が示されているが、これには限らず、第１の配線と第２の配線の数は任意である。そして、本具体例では、第１の配線がワードとなり、第２の配線がビット線となる。ただし、第１の配線をビット線とし、第２の配線をワード線としても良い。以下では、第１の配線がワード線であり、第２の配線がビットであるとして説明する。【０１２１】
そして、図１５及び図１６に表したように、第１の配線と第２の配線との間にメモリセル３３が挟まれている。すなわち、不揮発性記憶装置２１０においては、ビット配線とワード配線が３次元的に交差して形成される交差部にメモリセル３３が設けられている。【０１２２】
図１６に表したように、例えば、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、デコーダ機能を有するワード線ドライバ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、デコーダ及び読み出し機能を有するビット線ドライバ３２に接続される。【０１２３】
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。【０１２４】
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。【０１２５】
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)を防止するための整流素子３４を付加することができる。【０１２６】
なお、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。【０１２７】
既に図２によって説明したように、ワード線ＷＬｉとビット線ＢＬｊとの間には、メモリセル３３及び整流素子３４が設けられる。なお、ワード線ＷＬｉとビット線ＢＬｊとの上下の配置の関係は任意である。そして、ワード線ＷＬｉとビット線ＢＬｊとの間における、メモリセル３３と整流素子３４との配置の関係も任意である。【０１２８】
そして、既に説明したように、メモリセル３３として、第１〜第３の実施形態に係る不揮発性記憶素子のいずれかを用いることができる。すなわち、メモリセル３３の記録部２２として、第１〜第３の実施形態に係る不揮発性記憶素子のいずれかを用いることができる。【０１２９】
記録部２２は、下部電極１２と、上部電極１４と、下部電極１２と上部電極１４との間に設けられた記録層１３を有する。  
ここで、記録層１３、下部電極１２及び上部電極１４には、第１〜第３の実施形態で説明した記録層１３、下部電極１２及び上部電極１４のそれぞれを用いることができる。【０１３０】
このような構成を有する本実施形態に係る不揮発性記憶装置２１０において、駆動部となるワード線ドライバ３１及びビット線ドライバ３２は、ワード線ＷＬｉ及びビット線ＢＬｊを介して、メモリセル３３の不揮発性記憶素子の記録層１３への電圧の印加、及び、前記記録層１３への電流の通電、の少なくともいずれかを行う。これにより、駆動部は、記録層１３に高抵抗状態と低抵抗状態との間を遷移させて情報を記録する。なお、駆動部は、記録層１３に記録された情報を読み出すことができる。【０１３１】
すなわち、本実施形態に係る不揮発性記憶装置２１０は、第１〜第３の実施形態に係る不揮発性記憶素子のいずれかと、前記不揮発性記憶素子の記録層１３への電圧の印加、及び、記録層１３への電流の通電、の少なくともいずれかによって、記録層１３に高抵抗状態と低抵抗状態との間を遷移させて情報を記録する駆動部と、を備える。【０１３２】
不揮発性記憶装置２１０は、不揮発性記憶素子を挟むようにして設けられたワード線ＷＬｉ及びビット線ＢＬｊをさらに備え、前記駆動部は、ワード線ＷＬｉ及びビット線ＢＬｊを介して、記録層１３への電圧の印加、及び、前記記録層への電流の通電、の少なくともいずれかを行う。【０１３３】
このような構成を有する本実施形態に係る不揮発性記憶装置２１０によって、繰り返し動作安定性の高い不揮発性記憶装置が提供できる。【０１３４】
図１７は、本発明の第４の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の構成を例示する模式的斜視図である。  
図１８は、本発明の第４の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の構成を例示する模式的斜視図である。  
図１７に表したように、ワード線、ビット線、及び、それらに挟まれたメモリセル３３からなる積層構造体を２層積み重ねて、３次元構造の不揮発性記憶装置２１１を構成することもできる。  
さらに、図１８に表したように、ワード線、ビット線、及び、それらに挟まれたメモリセル３３からなる積層構造体を３層積み重ねて、３次元構造の不揮発性記憶装置２１２を構成することもできる。【０１３５】
このように、ワード線、ビット線、及び、それらに挟まれたメモリセル３３からなる積層構造体を複数層積み重ねて、３次元構造の不揮発性記憶装置を構成することもでき、積み重ねる積層数は任意である。【０１３６】
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態は、プローブメモリ型の不揮発性記憶装置である。  
図１９は、本発明の第５の実施形態に係る不揮発性記憶装置の構成を例示する模式的斜視図である。  
図２０は、本発明の第５の実施形態に係る不揮発性記憶装置の構成を例示する模式的平面図である。  
図１９及び図２０に表したように、本発明の第５の実施形態に係る不揮発性記憶装置２５０では、ＸＹスキャナ５１６の上には、電極５２１の上に設けられた記録層１３が配置されている。そして、この記録層１３に対向する形で、プローブアレイが配置される。【０１３７】
プローブアレイは、基板５２３と、基板５２３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）５２４と、を有する。複数のプローブ５２４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５２５、５２６により駆動される。  
複数のプローブ５２４は、それぞれ、基板５２３内のマイクロアクチュエータを用いて個別に動作可能であるが、全てをまとめて同じ動作をさせて記憶媒体（記録層１３）のデータエリア５３１に対してアクセスを行うこともできる。【０１３８】
まず、マルチプレクスドライバ５２５、５２６を用いて、全てのプローブ５２４をＸ方向に一定周期で往復動作させ、記憶媒体（記録層１３）のサーボエリア５３２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５１５に転送される。  
ドライバ５１５は、この位置情報に基づいてＸＹスキャナ５１６を駆動し、記憶媒体（記録層１３）をＹ方向に移動させ、記憶媒体（記録層１３）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５３１上のプローブ５２４の全てに対して、同時、かつ、連続的に、データの読み出しまたは書き込みを行う。  
データの読み出し及び書き込みは、プローブ５２４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、記録層１３のＹ方向の位置を順次変えることにより、データエリア５３１に対して、一行ずつ、実施される。  
なお、記録層１３をＸ方向に一定周期で往復運動させて記憶媒体（記録層１３）から位置情報を読み出し、プローブ５２４をＹ方向に移動させるようにしても良い。【０１３９】
記録層１３は、例えば、基板５２０に設けられた電極５２１の上に設けられる。  
記録層１３は、複数のデータエリア５３１、並びに、複数のデータエリア５３１のＸ方向の両端にそれぞれ配置されるサーボエリア５３２を有する。複数のデータエリア５３１は、記録層１３の主要部を占める。【０１４０】
サーボエリア５３２内には、サーボバースト信号が記憶される。サーボバースト信号は、データエリア５３１内のＹ方向の位置情報を示している。【０１４１】
記録層１３内には、これらの情報の他に、さらに、アドレスデータが記憶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、記憶ビット（電気抵抗変動）として記録層１３に記憶される。記憶ビットの“１”及び“０”情報は、記録層１３の電気抵抗を検出することにより読み出す。【０１４２】
本具体例では、１つのデータエリア５３１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５３２に対して１つのプローブが設けられる。  
データエリア５３１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５３１のトラックが特定される。また、サーボエリア５３２から読み出されるサーボバースト信号は、プローブ５２４をトラックの中心に移動させ、記憶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、例えば、ＨＤＤのヘッド位置制御技術を利用することが可能になる。【０１４３】
そして、各プローブ５２４は、例えばマルチプレクスドライバ５２５、５２６を介して、駆動部６００に接続される。駆動部６００は、それぞれのプローブ５２４に、情報記録のための、電圧及び電流の少なくともいずれかを供給する。そして、記録層１３は、プローブ５２４を介して与えられた電圧及び電流によって、高抵抗状態と低抵抗状態との間を遷移する。また、駆動部６００は、記録層１３に記録された高抵抗状態と低抵抗状態とを検出し、記録された情報を読み出す。【０１４４】
このような構成の不揮発性記憶装置２５０においては、記録層１３として、第１〜第３の実施形態で説明した不揮発性記憶素子のいずれかの記録層１３を用いることができる。また、電極５２１として、第１〜第３の実施形態で説明した不揮発性記憶素子のいずれかの上部電極１４または下部電極１２を用いることができる。すなわち、記録層１３及び電極５２１として、第１〜第３の実施形態で説明した不揮発性記憶素子のいずれかを用いることができる。【０１４５】
すなわち、本実施形態に係る不揮発性記憶装置２５０は、第１〜第３の実施形態で説明した不揮発性記憶素子のいずれかと、前記不揮発性記憶素子の記録層１３への電圧の印加、及び、記録層１３への電流の通電、の少なくともいずれかによって、記録層１３に高抵抗状態と低抵抗状態との間を遷移させて情報を記録する駆動部６００と、を備える。【０１４６】
そして、不揮発性記憶装置２５０は、記録層１３及び電極５２１を含む不揮発性記憶素子に併設されたプローブ５２４をさらに備え、駆動部６００は、プローブ５２４を介して、不揮発性記憶素子の記録層１３の記録単位に対して前記電圧の印加及び前記電流の通電の少なくともいずれかを行う。【０１４７】
なお、駆動部６００は、上記のドライバ５１５及びＸＹスキャナ５１６を含むこともでき、逆に、駆動部は、上記のドライバ５１５及びＸＹスキャナ５１６に含まれても良い。【０１４８】
これにより、本実施形態に係るプローブメモリ型の不揮発性記憶装置２５０においても、既に説明した第１〜第３の実施形態に係る不揮発性記憶素子に関して説明した効果により、繰り返し動作安定性の高い不揮発性記憶装置が提供できる。【０１４９】
（第６の実施の形態）
本発明の第６の実施の形態は、フラッシュメモリ型の不揮発性記憶装置である。  
図２１は、本発明の第６の実施形態に係る不揮発性記憶装置の要部の構成を例示する模式的断面図である。  
図２２は、本発明の第６の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を例示する模式的断面図である。  
図２１に表したように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置２６０においては、フラッシュメモリ型のメモリセルを有し、このメモリセルは、ＭＩＳ(metal-insulator-semiconductor)トランジスタから構成される。【０１５０】
すなわち、半導体基板４１の表面領域には、拡散層４２が形成される。拡散層４２の間のチャネル領域上には、ゲート絶縁層４３が形成される。ゲート絶縁層４３上には、本発明の実施形態に係る不揮発性記憶素子４４が形成される。不揮発性記憶素子４４の上には、コントロールゲート電極４５が形成される。【０１５１】
ここで、不揮発性記憶素子４４には、第１〜第３の実施形態に係る不揮発性記憶素子のいずれかを用いることができる。  
すなわち、図２１では図示しないが、不揮発性記憶素子４４は、第１〜第３の実施形態に係る不揮発性記憶素子において説明した記録層１３と上部電極１４とを有する。さらに、不揮発性記憶素子４４は、第１〜第３の実施形態に係る不揮発性記憶素子において説明した下部電極１２をさらに有することができる。【０１５２】
すなわち、本実施形態に係る不揮発性記憶装置２６０は、第１〜第３の実施形態で説明した不揮発性記憶素子の少なくともいずれかと、前記不揮発性記憶素子の記録層１３に電圧を印加し、または、電流を通電して、記録層１３に前記高抵抗状態と前記低抵抗状態との間を遷移させて情報を記録する駆動部（図示しない）と、を備える。  
この場合の駆動部は、コントロールゲート電極４５に接続され、駆動部は、コントロールゲート電極４５を介して、記録層１３への電圧の印加、及び、記録層１３への電流の通電、の少なくともいずれかを行う。【０１５３】
すなわち、本実施形態に係る不揮発性記憶装置２６０は、ゲート電極（コントロールゲート電極４５）とゲート絶縁膜（ゲート絶縁層４３）とを有するＭＩＳトランジスタをさらに備える。不揮発性記憶素子４４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る。【０１５４】
なお、上記において、不揮発性記憶素子４４の上部電極１４及び下部電極１２のいずれかは、例えばコントロールゲート電極４５と兼用されても良い。【０１５５】
半導体基板４１は、ウェル領域でも良く、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。【０１５６】
図２２に表したように、セット（書き込み）動作ＳＯでは、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。  
電位Ｖ１及び電位Ｖ２の差は、不揮発性記憶素子４４の記録層１３が高抵抗状態と低抵抗状態を遷移するのに十分な大きさである。ただし、電位の差の極性は、特に、限定されない。すなわち、Ｖ１＞Ｖ２、及び、Ｖ１＜Ｖ２のいずれでも良い。【０１５７】
例えば、初期状態（リセット状態）において、記録層１３が高抵抗状態相ＨＲ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。【０１５８】
この状態から電位Ｖ１、Ｖ２を与えて記録層１３を低抵抗状態相ＬＲ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。【０１５９】
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良い。  
なお、同図において、矢印Ａｅは電子の移動を表し、矢印Ａｉはイオンの移動を表している。【０１６０】
一方、リセット（消去）動作ＲＯでは、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。  
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。【０１６１】
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１３に注入されるため、記録層１３の温度が上昇する。【０１６２】
これにより、記録層１３は、低抵抗状態相ＬＲから高抵抗状態相に変化するため、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。【０１６３】
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、不揮発性記憶装置として利用できる。  
この時、本実施形態に係る不揮発性記憶装置２６０においては、不揮発性記憶素子４４として第１〜第３の実施形態で説明した不揮発性記憶素子のいずれかを用いているので、繰り返し安定動作可能な不揮発性の不揮発性記憶装置を提供できる。【０１６４】
図２３は、本発明の第６の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の要部の構成を例示する模式図である。  
図２４は、本発明の第６の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の要部を例示する模式的断面図である。  
すなわち、本実施形態に係る別の不揮発性記憶装置２６１は、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリであり、図２３は、ＮＡＮＤセルユニット２６１ｃ及びそれに接続された駆動部６００を例示しており、図２４は、ＮＡＮＤセルユニット２６１ｃの構造を例示している。【０１６５】
図２３及び図２４に表したように、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、ＮＡＮＤセルユニット２６１ｃが形成される。  
ＮＡＮＤセルユニット２６１ｃ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。【０１６６】
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上の不揮発性記憶素子４４と、不揮発性記憶素子４４の上のコントロールゲート電極４５（ＣＧ）とから構成される。【０１６７】
そして、各コントロールゲート電極４５（ＣＧ）は、駆動部６００に電気的に接続される。なお、駆動部６００は、ＮＡＮＤセルユニット２６１ｃが設けられる基板に設けられても良く、それとは別の基板に設けられても良い。【０１６８】
そして、不揮発性記憶素子４４には、第１〜第３の実施形態に係る不揮発性記憶素子の少なくともいずれかが用いられる。すなわち、これらの図には図示しないが、不揮発性記憶素子４４には、第１〜第３の実施形態で説明した記録層１３、及び、上部電極１４及び下部電極の少なくともいずれか、が設けられている。【０１６９】
メモリセルＭＣである不揮発性記憶素子４４の記録層１３の状態（高抵抗状態相ＨＲ及び低抵抗状態相ＬＲ）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１３は、セット状態、すなわち、低抵抗状態相ＬＲに固定される。【０１７０】
セレクトゲートトランジスタＳＴの１つは、ソース線ＳＬに接続され、他の１つは、ビット線ＢＬに接続される。  
セット（書き込み）動作ＳＯの前には、ＮＡＮＤセルユニット２６１ｃ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ＳＯにおいては、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（正電位）を与え、非選択のワード線ＷＬに転送電位（メモリセルＭＣがオンになる電位）としてＶｐａｓｓを与える。  
ソース線ＳＬ側のセレクトゲートトランジスタＳＴをオフ、ビット線ＢＬ側のセレクトゲートトランジスタＳＴをオンにし、ビット線ＢＬから選択されたメモリセルＭＣのチャネル領域にプログラムデータを転送する。【０１７１】
例えば、プログラムデータが“１”の時は、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１３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。【０１７２】
また、プログラムデータが“０”の時は、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１３の抵抗値を高い状態から低い状態に変化させる。【０１７３】
一方、リセット（消去）動作ＲＯ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２６１ｃ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。【０１７４】
この時、ホットエレクトロンがＮＡＮＤセルユニット２６１ｃ内の全てのメモリセルＭＣの記録層１３に注入されるため、ＮＡＮＤセルユニット２６１ｃ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。【０１７５】
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（正電位）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またはオフになるため、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。【０１７６】
なお、図２４に例示した構造では、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、以下のように変形しても良い。  
図２５は、本発明の第６の実施形態に係る変形例の不揮発性記憶装置の要部を例示する模式的断面図である。  
図２５に表したように、本実施形態に係る変形例の不揮発性記憶装置２６２では、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。【０１７７】
図２６は、本発明の第６の実施形態に係る変形例の不揮発性記憶装置の要部を例示する模式的断面図である。  
図２６に表したように、本実施形態に係る変形例の不揮発性記憶装置２６３では、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。【０１７８】
高集積化が進み、メモリセルＭＣが微細化されると、電圧を与えていない状態で、Ｐ型半導体層４７は、空乏層で満たされることになる。  
セット（書き込み）動作ＳＯにおいては、選択されたメモリセルＭＣのコントロールゲート電極４５に正の書き込み電位（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に正の転送電位（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。【０１７９】
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。【０１８０】
一方、リセット（消去）動作ＲＯにおいては、例えば、全てのコントロールゲート電極４５に負の消去電位（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。【０１８１】
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に正の読み出し電位（例えば、０．５Ｖ）を与え、かつ、非選択のメモリセルＭＣのコントロールゲート電極４５に、メモリセルＭＣがデータ“０”、“１”によらず必ずオンになる転送電位（例えば、１Ｖ）を与える。  
ただし、“１”状態のメモリセルＭＣの閾値電圧Ｖｔｈ“１”については、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。【０１８２】
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に正の電位を与えた時に、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に用いられる不揮発性記憶素子４４の記録層１３が低抵抗状態相ＬＲ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。【０１８３】
図２７は、本発明の第６の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の要部の構成を例示する模式図である。  
図２８は、本発明の第６の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の要部を例示する模式的断面図である。  
すなわち、本実施形態に係る別の不揮発性記憶装置２６４は、ＮＯＲ型フラッシュメモリであり、図２７は、ＮＯＲセルユニット２６４ｃ及びそれに接続された駆動部６００を例示しており、図２８は、ＮＯＲセルユニット２６４ｃの構造を例示している。【０１８４】
図２７及び図２８に表したように、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、ＮＯＲセルが形成される。  
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上の不揮発性記憶素子４４と、不揮発性記憶素子４４の上のコントロールゲート電極４５とから構成される。【０１８５】
そして、各コントロールゲート電極４５（ＣＧ）は、駆動部６００に電気的に接続される。なお、駆動部６００は、ＮＯＲセルユニット２６４ｃが設けられる基板に設けられても良く、それとは別の基板に設けられても良い。【０１８６】
メモリセルＭＣに用いられる不揮発性記憶素子４４の記録層１３の状態（高抵抗状態相ＨＲ及び低抵抗状態相ＬＲ）は、上述の基本動作により変化させることが可能である。【０１８７】
図２９は、本発明の第６の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の要部の構成を例示する模式図である。  
図３０は、本発明の第６の実施形態に係る別の不揮発性記憶装置の要部を例示する模式的断面図である。  
すなわち、本実施形態に係る別の不揮発性記憶装置２６５は、２トラ型フラッシュメモリであり、図２９は、２トラセルユニット２６５ｃ及びそれに接続された駆動部６００を例示しており、図３０は、２トラセルユニット２６５ｃの構造を例示している。【０１８８】
図２９及び図３０に表したように、２トラセルユニット２６５ｃ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セル構造である。【０１８９】
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、２トラセルユニット２６５ｃが形成される。【０１９０】
２トラセルユニット２６５ｃ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上の不揮発性記憶素子４４と、不揮発性記憶素子４４の上のコントロールゲート電極４５とから構成される。【０１９１】
そして、各コントロールゲート電極４５（ＣＧ）は、駆動部６００に電気的に接続される。なお、駆動部６００は、２トラセルユニット２６５ｃが設けられる基板に設けられても良く、それとは別の基板に設けられても良い。【０１９２】
メモリセルＭＣに用いられる不揮発性記憶素子４４の記録層１３の状態（高抵抗状態相ＨＲ及び低抵抗状態相ＬＲ）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１３は、セット状態、すなわち、低抵抗状態相ＬＲに固定される。【０１９３】
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。【０１９４】
メモリセルＭＣに用いられる不揮発性記憶素子４４の記録層１３状態（高抵抗状態相ＨＲ及び低抵抗状態相ＬＲ）は、上述の基本動作により変化させることが可能である。【０１９５】
なお、図３０に例示した構造では、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、以下のように変形しても良い。  
図３１は、本発明の第６の実施形態に係る変形例の不揮発性記憶装置の要部を例示する模式的断面図である。  
図３１に表したように、本実施形態に係る変形例の不揮発性記憶装置２６６では、セレクトゲートトランジスタＳＴについては、不揮発性記憶素子４４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。【０１９６】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、不揮発性記憶素子及び不揮発性記憶装置を構成する各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。  
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。【０１９７】
その他、本発明の実施の形態として上述した不揮発性記憶素子及び不揮発性記憶装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての不揮発性記憶素子及び不揮発性記憶装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。【０１９８】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【０１９９】
本発明によれば、繰り返し動作安定性の高い不揮発性記憶素子及び不揮発性記憶装置が提供される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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