(57)【要約】  第１の層と、第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に狭持され、前記第１の層と前記第２の層とを介して供給される電流により、抵抗が低い第１の状態と抵抗が高い第２の状態との間を可逆的に遷移可能な記録層と、を備え、前記記録層は、その主面の面内において、第１の部分と、前記第１の部分より窒素の含有量が相対的に高い第２の部分と、を有することを特徴とする不揮発性記憶装置が提供される。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。
2009104239.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の層と、
第２の層と、
前記第１の層と前記第２の層との間に狭持され、前記第１の層と前記第２の層とを介して供給される電流により、抵抗が低い第１の状態と抵抗が高い第２の状態との間を可逆的に遷移可能な記録層と、
を備え、
前記記録層は、その主面の面内において、第１の部分と、前記第１の部分より窒素の含有量が相対的に高い第２の部分と、を有することを特徴とする不揮発性記憶装置。
【請求項２】
前記第１の部分は、前記主面の面内において、前記第２の部分を取り囲むように設けられたことを特徴とする請求項１記載の不揮発性記憶装置。
【請求項３】
前記第２の部分は、前記主面の面内において、前記第１の部分を取り囲むように設けられたことを特徴とする請求項１記載の不揮発性記憶装置。
【請求項４】
前記第２の部分は、前記第１の部分よりも高い濃度の酸素を含有してなることを特徴とする請求項３記載の不揮発性記憶装置。
【請求項５】
前記第１の部分は、前記第１の状態において結晶状態であり、前記第２の状態において非晶質状態である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装置。
【請求項６】
前記第２の部分は、前記第１の状態においても前記第２の状態においても実質的に非晶質状態であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置。
【請求項７】
前記記録層は、１６族元素を含む化合物を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置。
【請求項８】
前記１６族元素は、セレン及びテルルの少なくともいずれかであることを特徴とする請求項７記載の不揮発性記憶装置。
【請求項９】
前記１６族元素を含む化合物は、Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５、ＧｅＳｂＴｅ、ＳｂＴｅ、ＡｓＳｂＴｅ、ＳｅＳｂＴｅ、及びＡｇＩｎＳｂＴｅよりなる群から選択された少なくともいずれかであることを特徴とする請求項７記載の不揮発性記憶装置。
【請求項１０】
第１の方向に延在する第１の配線と、
前記第１の方向と交差する第２の方向に延在する第２の配線と、
をさらに備え、
前記第１の層と前記第２の層と前記記録層とを含む積層体は、前記第１の配線と前記第２の配線とが交叉した部分において、前記第１の配線と前記第２の配線との間に接続され、前記第１及び第２の配線を介して前記電流が供給されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の不揮発性記憶装置。
【請求項１１】
第１の層と第２の層の間に狭持され、前記第１の層と前記第２の層とを介して供給される電流により、抵抗が低い第１の状態と抵抗が高い第２の状態との間を可逆的に遷移可能な記録層を有する不揮発性記憶装置の製造方法であって、
第１の層と、窒素を含有する記録層と、第２の層と、を含む積層体を形成する工程と、
前記記録層の側面から窒素を除去する工程と、
を備えたことを特徴とする不揮発性記憶装置の製造方法。
【請求項１２】
前記窒素を除去する工程は、減圧下での熱処理を含むことを特徴とする請求項１１記載の不揮発性記憶装置の製造方法。
【請求項１３】
第１の層と第２の層の間に狭持され、前記第１の層と前記第２の層とを介して供給される電流により、抵抗が低い第１の状態と抵抗が高い第２の状態との間を可逆的に遷移可能な記録層を有する不揮発性記憶装置の製造方法であって、
第１の層と、記録層と、第２の層と、を含む積層体を形成する工程と、
前記記録層の側面から窒素を導入する工程と、
を備えたことを特徴とする不揮発性記憶装置の製造方法。
【請求項１４】
前記記録層の側面から酸素を導入する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１３記載の不揮発性記憶装置の製造方法。
【請求項１５】
第１の層と第２の層の間に狭持され、前記第１の層と前記第２の層とを介して供給される電流により、抵抗が低い第１の状態と抵抗が高い第２の状態との間を可逆的に遷移可能な記録層を有する不揮発性記憶装置の製造方法であって、
前記第１の層の上に前記記録層を形成する工程と、
前記記録層の主面上にマスクを形成する工程と、
前記記録層のうちで前記マスクにより覆われていない部分に相対的に高い濃度で窒素を導入する工程と、
前記記録層の上に前記第２の層を形成する工程と、
前記マスクにより覆われた部分と覆われていない部分と、を含むように、前記第１の層、前記記録層及び前記第２の層をパターニングする工程と、
を備えたことを特徴とする不揮発性記憶装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不揮発性記憶装置及びその製造方法に関し、より詳細には、電圧を印加することによって結晶状態と非晶質状態との間で変化する材料を含む相変化膜を備えた不揮発性記憶装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ユビキタス社会の実現に向け小型携帯機器の普及が進む中、近年、小型大容量の不揮発性記憶装置（メモリ）の需要が急速に増加している。とりわけ、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ及び小型ＨＤＤ（Hard Disk Drive）は、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。  
しかしながら、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ及び小型ＨＤＤは、ともに将来、記録密度の限界に直面することが予想される。【０００３】
ＮＡＮＤ型フラッシュメモリについては、記憶部にトランジスタを用いているため、いわゆる短チャネル効果の影響により、微細化が限界に達することが予想される。「短チャネル効果」とは、装置の微細化によってソース部とドレイン部との距離が近くなることによって生ずる現象であり、具体例にはソースとドレインとの間のリーク電流の増加等である。また、最小線幅の縮小による製造コストの増大が生じている。  
小型ＨＤＤについては、トラッキング精度（ＨＤＤ上のトラックの正しい位置にヘッドを合わせることの精度）が限界に達することが予想される。【０００４】
このため、記録密度の限界を打破する新規技術の開発が求められている。  
このような新規技術として、相変化型不揮発性記憶装置（相変化メモリ）（ＰＣＲＡＭ：Phase-Change Random Access Memory）が検討されている。相変化型不揮発性記憶装置は、半導体膜（相変化膜）に電界パルスを印加することによって相変化膜が結晶状態と非晶質状態との間で変化するという特性を利用する不揮発性記憶装置である。相変化膜において高抵抗状態（非晶質状態、オン）と低抵抗状態（結晶状態、オフ）とを可逆的に変換することによって、情報が書き換え可能なように、かつ、電源を切っても情報が消えないように記憶される。相変化膜の高抵抗及び低抵抗の状態がそれぞれ安定であるため、不揮発性が実現される。相変化型不揮発性記憶装置は、上述したＮＡＮＤ型フラッシュメモリや小型ＨＤＤにおいて生じ得る問題がなく、高速性及び微細化可能性において前二者より優れていると考えられる。【０００５】
ここで、相変化型不揮発性記憶装置については、動作時、特に消去（リセット）時において比較的大きな電流が流れることから、この動作電流の低減化が求められている。【０００６】
これに関連する従来技術としては、ゲルマニウム（Ｇｅ）、アンチモン（Ｓｂ）そしてテルル（Ｔｅ）の合金膜（ＧＳＴ膜）を記憶素子とした半導体集積回路装置において、窒素、酸素あるいは炭素のイオンをドーピングした半導体集積回路装置がある。具体例には、高濃度の酸素イオンを打ち込んだ領域は、ほとんど絶縁性を示し、書き換えや信号伝達のための電流は、その通路が低濃度イオン打ち込み領域に限定されるというものである（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００６−１５６８８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、電圧を印加することによって結晶状態と非晶質状態との間で変化する材料を含む相変化膜を備えた不揮発性記憶装置において、消費電力を低減することができる不揮発性記憶装置及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、第１の層と、第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に狭持され、前記第１の層と前記第２の層とを介して供給される電流により、抵抗が低い第１の状態と抵抗が高い第２の状態との間を可逆的に遷移可能な記録層と、を備え、前記記録層は、その主面の面内において、第１の部分と、前記第１の部分より窒素の含有量が相対的に高い第２の部分と、を有することを特徴とする不揮発性記憶装置が提供される。【０００９】
本発明の他の一態様によれば、第１の層と第２の層の間に狭持され、前記第１の層と前記第２の層とを介して供給される電流により、抵抗が低い第１の状態と抵抗が高い第２の状態との間を可逆的に遷移可能な記録層を有する不揮発性記憶装置の製造方法であって、第１の層と、窒素を含有する記録層と、第２の層と、を含む積層体を形成する工程と、前記記録層の側面から窒素を除去する工程と、を備えたことを特徴とする不揮発性記憶装置の製造方法が提供される。【００１０】
本発明のさらに他の一態様によれば、第１の層と第２の層の間に狭持され、前記第１の層と前記第２の層とを介して供給される電流により、抵抗が低い第１の状態と抵抗が高い第２の状態との間を可逆的に遷移可能な記録層を有する不揮発性記憶装置の製造方法であって、第１の層と、記録層と、第２の層と、を含む積層体を形成する工程と、前記記録層の側面から窒素を導入する工程と、を備えたことを特徴とする不揮発性記憶装置の製造方法が提供される。【００１１】
本発明のさらに他の一態様によれば、第１の層と第２の層の間に狭持され、前記第１の層と前記第２の層とを介して供給される電流により、抵抗が低い第１の状態と抵抗が高い第２の状態との間を可逆的に遷移可能な記録層を有する不揮発性記憶装置の製造方法であって、前記第１の層の上に前記記録層を形成する工程と、前記記録層の主面上にマスクを形成する工程と、前記記録層のうちで前記マスクにより覆われていない部分に相対的に高い濃度で窒素を導入する工程と、前記記録層の上に前記第２の層を形成する工程と、前記マスクにより覆われた部分と覆われていない部分と、を含むように、前記第１の層、前記記録層及び前記第２の層をパターニングする工程と、を備えたことを特徴とする不揮発性記憶装置の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の一例（具体例１）を表す模式断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の別の一例（具体例２）を表す模式断面図である。
【図３】本実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作メカニズムを説明するための概念図である。
【図４】（ａ）は、具体例１の効果を表すための、相変化膜４０の模式断面図であり、（ｂ）は、具体例２の効果を表すための、相変化膜４０の模式断面図である。
【図５】具体例２の効果を説明するための、相変化膜４０の模式断面図である。
【図６】具体例１の不揮発性記憶装置の製造方法の一例を表す工程断面図である。
【図７】具体例１の不揮発性記憶装置に係る製造方法の別の一例を表す工程断面図である。
【図８】具体例１の不揮発性記憶装置に係る製造方法の別の一例を表す工程断面図である。
【図９】具体例２の不揮発性記憶装置に係る製造方法の一例を表す工程断面図である。
【図１０】具体例２の不揮発性記憶装置の製造方法の別の一例を表す工程断面図である。
【図１１】具体例２の不揮発性記憶装置の製造方法の別の一例を表す工程断面図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態に係る不揮発性記憶装置の一例（具体例３）を表す模式図である。
【図１３】具体例３の不揮発性記憶装置の製造方法の一例を表す工程断面図である。
【図１４】具体例３の不揮発性記憶装置に係る製造方法の別の一例を表す工程断面図である。
【図１５】具体例３の不揮発性記憶装置に係る製造方法の別の一例を表す工程断面図である。
【図１６】本発明の第５の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示する模式図である。
【図１７】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の別の例を表す模式斜視図である。
【図１８】多層構造の不揮発性記憶装置を表す模式図である。
【図１９】図１６に表す不揮発性記憶装置の回路を表す模式図である。
【符号の説明】
【００１３】
２  不揮発性記憶装置
２ａ  １層目の不揮発性記憶装置
２ｂ  ２層目の不揮発性記憶装置
４  不揮発性記憶装置
６  不揮発性記憶装置
１０  第１の配線
２０  整流素子
３０  第１の電極
４０  相変化膜
４２  低窒素濃度部分
４４  高窒素濃度部分
４６  窒素酸素導入部分
４８  相変化材料膜
５０  第２の電極
６０  第２の配線
７０  ダミーマスク
１０５  基板
１０６  主面
１１０  第１の配線
１１０ａ  １層目の第１の配線
１１０ｂ  ２層目の第１の配線
１１５  ワード線ドライバ及びデコーダ
１２０  第２の配線
１２０ａ  １層目の第２の配線
１２０ｂ  ２層目の第２の配線
１２５  ビット線ドライバ、デコーダ、及び読出し回路
１４０  整流素子部
１４０ａ  スイッチ素子部
１４０ｂ  スイッチ素子部
２００  記憶部
２００ａ  １層目の記憶部
２００ｂ  ２層目の記憶部
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。  
（第１の実施形態）  
図１は、本発明の第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の一例（具体例１）を表す模式断面図である。  
本具体例の不揮発性記憶装置は、第１の配線１０と、第１の配線１０の上に設けられた整流素子２０と、整流素子２０の上に設けられた第１の電極（第１の層）３０と、第１の電極３０の主面の上に設けられた相変化膜（記録層）４０と、相変化膜４０の主面の上に設けられた第２の電極（第２の層）５０と、第２の電極５０の上に設けられた第２の配線６０と、を備える。ここで、「主面」とは、第１の電極３０や、相変化膜４０、第２の電極５０などの積層方向（図１において上下方向）に対して垂直な面をいう。ここで、相変化膜４０は、全部または一部に窒素を含有し、主面の面内において内側に相対的に窒素濃度の高い第２の部分（高窒素濃度部分４４）を、また主面の面内において外側に相対的に窒素濃度の低い第１の部分（低窒素濃度部分４２）を有する。すなわち、低窒素濃度部分４２は、主面の面内において高窒素濃度部分４４を取り囲むように設けられている。【００１５】
また、消去動作時において相変化膜４０の加熱を効率よく行うために、第１の電極３０側または第２の電極５０側に、例えば抵抗率が約１０−５Ωｃｍ以上の材料からなるヒータ層（図示せず）を設けてもよい。  
整流素子２０は、例えばダイオードからなる。【００１６】
第１の電極３０及び第２の電極５０は、素子全体に対して酸化処理が行われる場合を考慮に入れ、酸化されにくい材料から構成することができる。そのような材料としては、例えば、以下に掲げる化合物を挙げることができる。【００１７】
（イ）ＭＮ  
Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、及びＴａの群から選択される少なくとも１種類の元素である。Ｎは、窒素である。  
（ロ）ＭＯｘ  
Ｍは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｏｓ、及びＰｔの群から選択される少なくとも１種類の元素である。ｘは、１≦ｘ≦４を満たす。Ｏは、酸素である。【００１８】
（ハ）ＡＭＯ３  
Ａは、Ｌａ、Ｋ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、及びＬｎ（ランタノイド）の群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、及びＰｔの群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。【００１９】
（ニ）Ａ２ＭＯ４  
Ａは、Ｋ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、及びＬｎ（ランタノイド）の群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、及びＰｔの群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。【００２０】
なお、これらの材料から構成される第１の電極３０及び第２の電極５０は、保護膜としての機能も有する。  
相変化膜４０は、電圧を印加することによって結晶状態と非晶質状態との間で変化する材料を含む。この材料としては、具体例には、カルコゲナイド系材料が挙げられる。カルコゲナイドとは、Ｓｅ、Ｔｅ等の１６族元素を含む化合物の総称であり、１６族元素がカルコゲンと呼ばれることに由来する。具体例な材料としては、例えばＳｅまたはＴｅを含むものが挙げられ、より詳細には、Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５、ＧｅＳｂＴｅ、ＳｂＴｅ、ＡｓＳｂＴｅ、ＳｅＳｂＴｅ、ＡｇＩｎＳｂＴｅ、等が挙げられる。  
なお、本願明細書において、「結晶」とは、完全な結晶のみを意味するものではなく、欠陥を含む単結晶及び多結晶状態を包含する。一方、「非晶質」とは、完全に無秩序な原子配列を有するもののみを意味するものではなく、短範囲の周期構造を有するものや、無秩序なマトリックス中に微細な結晶粒を含むようなものも「非晶質」に含むものとする。【００２１】
上記材料の全部または一部に窒素を導入することにより、相変化膜４０が作製される。窒素を導入する目的は、結晶状態または非晶質状態を安定化することである。窒素を導入すると、相変化温度は上昇するため、相変化が生じにくくなる。これにより、記録された情報が消えにくくなり、不揮発性が確保される。高窒素濃度部分４４は相対的に窒素濃度が高い部分であり、低窒素濃度部分４２は相対的に窒素濃度が低い部分である。【００２２】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の別の一例（具体例２）を表す模式断面図である。  
本具体例の不揮発性記憶装置は、第１の配線１０と、第１の配線１０の上に設けられた整流素子２０と、整流素子２０の上に設けられた第１の電極３０と、第１の電極３０の主面の上に設けられた相変化膜４０と、相変化膜４０の主面の上に設けられた第２の電極５０と、第２の電極５０の上に設けられた第２の配線６０と、を備える。ここで、相変化膜４０は、全部または一部に窒素を含有し、主面の面内において内側に相対的に窒素濃度の低い第１の部分（低窒素濃度部分４２）を、また主面の面内において外側に相対的に窒素濃度の高い第２の部分（高窒素濃度部分４４）を有する。すなわち、高窒素濃度部分４４は、主面の面内において低窒素濃度部分４２を取り囲むように設けられている。【００２３】
本具体例においても、消去動作時において相変化膜４０の加熱を効率よく行うために、第１の電極３０側または第２の電極５０側に、例えば抵抗率が約１０−５Ωｃｍ以上の材料からなるヒータ層（図示せず）を設けてもよい。  
本具体例の整流素子２０、第１の電極３０、第２の電極５０、及び相変化膜４０の構成材料等については、具体例１に関して前述したものと同様とすることができる。【００２４】
具体例１との違いは、高窒素濃度部分４４と低窒素濃度部分４２との位置関係が逆になっていることである。すなわち、具体例１では低窒素濃度部分４２が主面の面内において外側に配置されるのに対し、具体例２では低窒素濃度部分４２は主面の面内において内側に配置される。【００２５】
本実施形態の特徴のひとつは、相変化膜４０において、主面の面内において異なる窒素濃度の部分が存在するということである。具体例１及び具体例２は、ともにこの特徴を有する。【００２６】
次に、本実施形態に係る不揮発性記憶装置の記録、消去、及び再生動作のメカニズムについて、図３を参照しつつ説明する。  
図３は、本実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作メカニズムを説明するための概念図である。すなわち、図３（ａ）は、本実施形態に係る不揮発性記憶装置の相変化膜４０近傍を表す模式断面図である。図３（ｂ）は、相変化膜４０の材料となり得るカルコゲナイド、具体例にはＧｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５の非晶質状態の構造を表す模式図である。この場合、この化合物は４員環、６員環、８員環等の各種環からなる構造を有する。一方、図３（ｃ）は、Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５の結晶状態の構造を表す模式図である。この場合、この化合物は４員環、６員環、及び８員環の環のみからなる構造を有する。【００２７】
相変化膜４０に用いられるＧｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５等のカルコゲナイドは、熱を与えると相変化が生じ、低抵抗の結晶状態と高抵抗の非晶質状態との間で変化する。図３に表した具体例では、非晶質状態（図３（ｂ））が初期状態であり、これが結晶状態（図３（ｃ））に相変化すると書込みが行われることになる。逆に、結晶状態（図３（ｃ））から非晶質状態（図３（ｂ））に相変化すれば、書き込まれた情報が消去されることになる。なお、結晶状態（図３（ｃ））を初期状態とし、これが非晶質状態（図３（ｂ））に相変化すると書込みが行われるようなシステムとしてもよい。【００２８】
相変化膜４０における情報の記録（書込み）は、相変化膜４０に電圧を印加して発電流パルスを流すことによって行われる。この時に発生するジュール熱により、相変化膜４０は、結晶化温度以上に昇温される。この温度は、一定時間、例えば１μ秒よりも短い時間だけ保持される。その後、相変化膜４０を徐冷し、結晶状態に相変化させる。これにより、情報が書き込まれる。【００２９】
相変化膜４０内の情報の消去は、相変化膜４０に大電流パルスを流し、この時に発生するジュール熱によって行う。このジュール熱により、相変化膜４０は融点（Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５の場合、融点は６３３℃）以上に昇温される。その後、相変化膜４０を、例えば１００ｎ秒よりも短い時間で急冷し、非晶質状態に相変化させる。これにより、情報が消去される。【００３０】
相変化膜４０内の情報の再生は、相変化膜４０に電圧を印加して電流パルスを流し、抵抗値を検出することにより行う。ただし、電流パルスは、相変化膜４０を構成する材料が相変化を生じない程度の微小な振幅とする。【００３１】
次に、本実施形態の効果について、図４を参照しつつ説明する。  
本実施形態の効果の１つとして、消費電力の低減が挙げられる。  
図４（ａ）は、具体例１の効果を表すための、相変化膜４０の模式断面図である。具体例１では、相変化膜４０において、主面の面内において内側に高窒素濃度部分４４があり、主面の面内において外側に低窒素濃度部分４２がある。【００３２】
ここで、カルコゲナイドに窒素を導入すると、窒素の導入量とともに抵抗率は上昇する。このため、高窒素濃度部分４４を非晶質状態とした場合、低窒素濃度部分４２が結晶状態であっても非晶質状態であっても、低窒素濃度部分４２の抵抗率は高窒素濃度部分４４の抵抗率より低くなる。したがって、低窒素濃度部分４２に優先的に電流が流れ、高窒素濃度部分４４には電流が殆ど流れないようにすることができる。その結果として、低窒素濃度部分４２に優先的に電流を流し、低窒素濃度部分４２のみを相変化させることができる。低窒素濃度部分４２を結晶状態から非晶質状態に相変化させる時には、低窒素濃度部分４２を溶融させる必要があるが、この際にも、低窒素濃度部分４２のみに優先的に電流パルスを流して低窒素濃度部分のみを局所的に溶融させ、急冷することにより非晶質状態に相変化させることが可能である。つまり、高窒素濃度部分４４を非晶質状態に固定したままで、低窒素濃度部分４２を結晶状態から非晶質状態に相変化させ、また非晶質状態から結晶状態に相変化させることが可能である。なお、低窒素濃度部分４２を溶融させた時には、隣接する高窒素濃度部分４４の温度もある程度上昇することがある。しかし、低窒素濃度部分４２を非晶質に相変化させる際には加熱の後に急冷するので、隣接する高窒素濃度部分４４の結晶化を抑制することが可能である。また、カルコゲナイドに窒素を導入すると、窒素の導入量とともに相変化（結晶化）温度が上昇する。つまり、高窒素濃度部分４４の結晶化温度を高くすることにより、隣接する低窒素濃度部分４２を加熱しても、高窒素濃度部分４４が結晶化することを抑制できる。【００３３】
以上説明したように、本実施形態によれば、高窒素濃度部分４４を非晶質状態のまま固定し（非晶質状態から結晶状態へと相変化を生じさせない）、低窒素濃度部分４２にのみ相変化を生じさせることが可能となる。つまり、低窒素濃度部分４２にのみ電流が流れ、高窒素濃度部分４４には電流が流れないようにすることができる。その結果として、具体例１によれば、窒素濃度が一様である従来型の相変化膜に比べて、相変化膜４０に流れる電流の量を低減し、消費電力を低減するという効果が得られる。【００３４】
図４（ｂ）は、具体例２の効果を表すための、相変化膜４０の模式断面図である。具体例１と同様に、相変化膜４０において、低窒素濃度部分４２にのみ電流が流れ、高窒素濃度部分４４には電流が流れないようにすることができる。つまり、具体例２も、窒素濃度が一様である従来型の相変化膜に比べて、相変化膜４０に流れる電流の量を低減し、消費電力を低減するという効果を有する。【００３５】
次に、本実施形態のうち具体例２がさらに有する効果として、相変化膜４０への不純物の侵入を防ぐことが挙げられる。これについて、図５を参照しつつ説明する。  
図５は、具体例２の効果を説明するための、相変化膜４０の模式断面図である。  
本実施形態においては、低窒素濃度部分４２に相変化を生じさせ、情報の書き込み、消去を行う。したがって、安定動作のためには、低窒素濃度部分４２の電流抵抗特性や相変化温度などが所定の範囲内にあることが必要とされる。しかし、低窒素濃度部分４２に不純物が混入すると、電気抵抗や相変化温度が変動し、所定の動作特性が得られないこともあり得る。【００３６】
これに対して、具体例２では、低窒素濃度部分４２の外側に高濃度の窒素が導入された高窒素濃度部分４４が設けられている。窒素を高濃度に導入した高窒素濃度部分４４は、防護壁の役割を果たし、素子間絶縁膜などの外部から低窒素濃度部分４２に不純物が入り込みにくくなる。つまり、具体例２によれば、相変化膜４０の低窒素濃度部分４２への不純物の侵入を防ぐという効果も得られる。その結果として、不揮発性記憶装置の製造プロセスの途中で低窒素濃度部分４２に不純物が侵入することにより歩留まりが低下したり、あるいは製造した不揮発性記憶装置をさまざまな環境下で書き込み・消去を繰り返したような場合でも、低窒素濃度部分４２に不純物が拡散侵入することによる動作特性の変動を防止でき、長期信頼性を向上させることが可能となる。【００３７】
（第２の実施形態）  
次に、本発明の第２の実施形態である不揮発性記憶装置の製造方法について、図６〜図１１を参照しつつ説明する。  
まず、具体例１の不揮発性記憶装置の製造方法について、図６〜図８を参照しつつ説明する。【００３８】
図６は、具体例１の不揮発性記憶装置の製造方法の一例を表す工程断面図である。  
まず、図６（ａ）に表したように、図示しない第１の配線１０の上に、整流素子２０を形成する。整流素子２０の上に、第１の電極３０を形成する。第１の電極３０の上に、窒素を含む相変化膜４０を形成する。相変化膜４０をスパッタリングで形成する場合、例えば、窒素ガスとアルゴンガスとの流量比（Ｎ２／Ａｒ）が１〜１０％の窒素雰囲気下でスパッタリングを実行することにより窒素を導入することができる。相変化膜４０の上に、第２の電極５０を形成する。第２の電極５０の上には、図示しない第２の配線６０を形成する。【００３９】
その後、図６（ｂ）に表したように、この積層体をエッチング等によってパターニングする。エッチングは、第１の配線１０と整流素子２０との界面の深さまで行う。  
その後、図６（ｃ）に表したように、相変化膜４０の側面から窒素を除去する。除去方法としては、例えば減圧下または真空下でのアニールが挙げられる。前述したエッチングにより、相変化膜４０の側面は損傷を受けている。この状態で減圧下または真空下でのアニールを行うと、相変化膜４０の側面近傍の窒素が放出される。これにより、相変化膜４０の主面の面内において外側においては、相対的に窒素濃度が低くなる。この結果、主面の面内において内側に高窒素濃度部分４４が形成され、主面の面内において外側に低窒素濃度部分４２が形成される。また、アニールの前に、相変化膜４０の側面を例えば希ガスのプラズマなどに晒したり、イオンビームや電子ビームを照射して改質する方法も有効である。プラズマや電子ビームなどにより、相変化膜４０の側面に物理的あるいは化学的な衝撃を与え、側面近傍における元素の結合状態を変化させたり、欠陥を導入することができる。その結果として、窒素の脱離を促進できる。【００４０】
図７及び図８は、具体例１の不揮発性記憶装置に係る製造方法の別の一例を表す工程断面図である。  
まず、図７（ａ）に表したように、図示しない第１の配線１０の上に、整流素子２０を形成する。整流素子２０の上に、第１の電極３０を形成する。第１の電極３０の上に、窒素を含まない相変化材料膜４８を形成する。【００４１】
その後、図７（ｂ）に表したように、相変化材料膜４８の上に、ダミーマスク７０を形成する。  
その後、図７（ｃ）に表したように、ダミーマスク７０をマスクとして相変化材料膜４８に窒素を導入する。導入方法としては、イオン注入法や気相拡散法、窒素プラズマや窒素ラジカルを用いる方法などが挙げられる。これにより、相対的に窒素濃度の高い高窒素濃度部分４４と、相対的に窒素濃度の低い低窒素濃度部分４２と、を有する相変化膜４０が形成される。【００４２】
その後、図８（ａ）に表したように、ダミーマスク７０を除去する。その後、相変化膜４０の上に、第２の電極５０を形成する。その後、第２の電極５０の上に、図示しない第２の配線６０を形成する。  
その後、図８（ｂ）に表したように、低窒素濃度部分４２の中央部の直上面からエッチング等によってパターニングする。エッチングは、第１の配線１０と整流素子２０との界面の深さまで行う。これにより、主面の面内において内側に高窒素濃度部分４４を有し、主面の面内において外側に低窒素濃度部分４２を有する、具体例１の不揮発性記憶装置が作製される。【００４３】
次に、具体例２の不揮発性記憶装置の製造方法について、図９〜図１１を参照しつつ説明する。  
図９は、具体例２の不揮発性記憶装置に係る製造方法の一例を表す工程断面図である。
まず、図９（ａ）に表したように、図示しない第１の配線１０の上に、整流素子２０を形成する。整流素子２０の上に、第１の電極３０を形成する。第１の電極３０の上に、窒素を含む相変化膜４０を形成する。相変化膜４０を作製する工程において、前述したように、例えば窒素ガスとアルゴンガスとの流量比（Ｎ２／Ａｒ）が１〜１０％の窒素雰囲気下でスパッタリングすることにより、窒素を導入することができる。相変化膜４０の上に、第２の電極５０を形成する。第２の電極５０の上には、図示しない第２の配線６０を形成する。【００４４】
その後、図９（ｂ）に表したように、エッチング等によってパターニングする。エッチングは、第１の配線１０と整流素子２０との界面の深さまで行う。  
その後、図９（ｃ）に表したように、相変化膜４０の側面から窒素を導入する。導入方法としては、例えば、窒素ガスを含む雰囲気においてアニールしたり、窒素プラズマや窒素ラジカルなどに晒す方法を挙げることができる。相変化膜４０の主面の面内の外側においては、相対的に窒素濃度が高くなる。この結果、主面の面内の内側の低窒素濃度部分４２が形成され、主面の面内において外側に高窒素濃度部分４４が形成される。なお、この窒素導入工程において、例えば、相変化膜４０以外の要素も併せて窒化することもできる。例えば、整流素子２０に窒素を導入し、所定の整流特性を得るようにしてもよい。【００４５】
図１０及び図１１は、具体例２の不揮発性記憶装置の製造方法の別の一例を表す工程断面図である。  
まず、図１０（ａ）に表したように、図示しない第１の配線１０の上に、整流素子２０を形成する。整流素子２０の上に、第１の電極３０を形成する。第１の電極３０の上に、窒素を含まない相変化材料膜４８を形成する。【００４６】
その後、図１０（ｂ）に表すように、相変化材料膜４８の上に、ダミーマスク７０を形成する。  
その後、図１０（ｃ）に表すように、ダミーマスク７０をマスクとして相変化材料膜４８に窒素を導入する。導入方法としては、イオン注入等が挙げられる。これにより、相対的に窒素濃度の高い高窒素濃度部分４４と、相対的に窒素濃度の低い低窒素濃度部分４２と、を有する相変化膜４０が形成される。【００４７】
その後、図１１（ａ）に表すように、ダミーマスク７０を除去する。その後、相変化膜４０の上に、第２の電極５０を形成する。その後、第２の電極５０の上に、図示しない第２の配線６０を形成する。  
その後、図１１（ｂ）に表すように、高窒素濃度部分４４の中央部の直上面から、エッチング等によってパターニングする。エッチングは、第１の配線１０と整流素子２０との界面の深さまで行う。これにより、相変化膜４０において、主面の面内において内側に低窒素濃度部分４２を有し、主面の面内において外側に高窒素濃度部分４４を有する、具体例２の不揮発性記憶装置が作製される。【００４８】
なお、上記具体例では、図９（ａ）に係る工程において、第１の電極３０の上に窒素を含む相変化膜４０を形成したが、窒素を含まない相変化材料膜４８を形成してもよい。【００４９】
また、上記具体例では、図７（ａ）及び図１０（ａ）に係る工程において、第１の電極３０の上に窒素を含まない相変化材料膜４８を形成したが、窒素を低濃度で含む相変化膜４０を形成してもよい。【００５０】
（第３の実施形態）  
次に、本発明の第３の実施形態について、図１２を参照しつつ説明する。  
図１２は、本発明の第３の実施形態に係る不揮発性記憶装置の一例（具体例３）を表す模式断面図である。  
本具体例の不揮発性記憶装置は、第１の配線１０と、第１の配線１０の上に設けられた整流素子２０と、整流素子２０の上に設けられた第１の電極３０と、第１の電極３０の上に設けられた相変化膜４０と、相変化膜４０の上に設けられた第２の電極５０と、第２の電極５０の上に設けられた第２の配線６０と、を備える。ここで、相変化膜４０は、全部または一部に窒素を含有するとともに一部に酸素を含有し、主面の面内において内側に窒素を相対的に低濃度で含み酸素を含まない部分（低窒素濃度部分４２）を有し、主面の面内において外側に窒素を相対的に高濃度で含み酸素を含む部分（窒素酸素導入部分４６）を有する。【００５１】
また、本実施形態においても、消去動作時において相変化膜４０の加熱を効率よく行うために、第１の電極３０側または第２の電極５０側に、例えば抵抗率が約１０−５Ωｃｍ以上の材料からなるヒータ層（図示せず）を設けてもよい。  
整流素子２０、第１の電極３０、第２の電極５０、及び相変化膜４０の構成材料等については、第１実施形態に関して前述したものと同様とすることができる。ただし、相変化膜４０は、一部（主面の面内において外側）に酸素を含有する。  
具体例３は、相変化膜４０の主面の面内において外側に酸素を導入したことを除き、具体例２と同様とすることができる。【００５２】
第１の実施形態に関して前述したように、相変化型不揮発性記憶装置において、相変化膜４０の主面の面内方向における窒素濃度分布を用いることにより、消費電力の低減及び不純物の侵入に対する防護壁効果が得られる。本実施形態では、相変化膜４０に窒素のほか酸素も導入する。【００５３】
以下、具体例３の効果について説明する。  
具体例２と同様に、具体例３においても、相変化膜４０の主面の面内において外側に高濃度の窒素が存在する。また、相変化膜４０の主面の面内において外側には、酸素も導入されている。ここで、カルコゲナイドに酸素を導入すると、窒素を導入したときと同様に、抵抗率及び相変化温度は上昇する。このため、第１の実施形態に関して前述したように、相変化膜４０において、低窒素濃度部分４２に優先的に電流が流れ、窒素酸素導入部分４６には電流が殆ど流れないようにすることができる。【００５４】
したがって、本具体例も、相変化膜４０に流れる電流の量を低減し、消費電力を低減するという効果を有する。  
本具体例では、酸素の導入により、窒素酸素導入部分４６の抵抗率及び相変化温度を、具体例２の場合における高窒素濃度部分４４の抵抗率及び相変化温度よりもさらに高くすることができる。このため、消費電力の低減化の効果はさらに大きくなる。換言すれば、窒素酸素導入部分４６を流れる電流をより抑制し、結晶化もより抑制することができる。その結果として、低窒素濃度部分４２を安定的に相変化させることができ、書き込みや消去、読み出しの電流条件の許容範囲も拡げることができる。【００５５】
また、窒素及び酸素が高濃度に存在すると、素子間絶縁膜などの外部から低窒素濃度部分４２へ不純物が入り込みにくいという効果を増大することが可能となる。このため、具体例３においては、具体例２の場合と同様に、窒素酸素導入部分４６は防護壁の役割を果たし、その効果は具体例２と同等あるいはそれ以上とすることも可能となる。【００５６】
（第４の実施形態）  
次に、本発明の第４の実施形態である不揮発性記憶装置の製造方法について、図１３〜図１５を参照しつつ説明する。  
図１３は、具体例３の不揮発性記憶装置の製造方法の一例を表す工程断面図である。【００５７】
まず、図１３（ａ）に表したように、図示しない第１の配線１０の上に、整流素子２０を形成する。整流素子２０の上に、第１の電極３０を形成する。第１の電極３０の上に、窒素を含む相変化膜４０を形成する。相変化膜４０を作製する工程において、前述したように、例えば窒素ガスとアルゴンガスとの流量比（Ｎ２／Ａｒ）が１〜１０％の窒素雰囲気下でスパッタリングすることにより、窒素を導入することができる。相変化膜４０の上に、第２の電極５０を形成する。第２の電極５０の上には、図示しない第２の配線６０を形成する。【００５８】
その後、図１３（ｂ）に表したように、エッチング等によってパターニングする。エッチングは、第１の配線１０と整流素子２０との界面の深さまで行う。  
その後、図１３（ｃ）に表したように、相変化膜４０の側面から窒素及び酸素を導入する。導入方法としては、例えば、第１の配線１０及び第２の配線６０も含めた素子全体に対する窒化処理及び酸化処理が挙げられる。ここで、窒素と酸素の導入の順番は問わない。まず窒素を導入した後に酸素を導入してもよく、まず酸素を導入した後に窒素を導入してもよく、両者を同時に導入してもよい。【００５９】
本実施形態における窒素の導入方法としては、第２実施形態に関して前述したものを用いることができる。一方、酸化処理は、酸素を含む雰囲気中でアニールしたり、酸素プラズマ処理や酸素ラジカル処理であってもよい。  
また、この酸化処理は、パターニングによって損傷を受けた整流素子２０の修復のために行われる酸化処理と併用してもよい。例えば、整流素子２０に、ＣｕＩｎＯ２、ＺｎＩｎＯ２等の酸化物ダイオードを用いた場合、図１３（ｂ）のパターニング加工において整流素子２０の側壁部が損傷を受けるおそれがある。これに対して、酸化処理を行い、損傷を受けた整流素子２０の側壁部を修復することができる。この整流素子２０の修復のための酸化処理の際に、相変化膜４０の側面から酸素を導入することができる。【００６０】
窒素及び酸素の導入により、相変化膜４０の主面の面内の外側においては、相対的に窒素濃度が高くなるとともに、酸素が導入される。この結果、主面の面内において内側に低窒素濃度部分４２が形成され、主面の面内において外側に窒素酸素導入部分４６が形成される。【００６１】
図１４及び図１５は、具体例３の不揮発性記憶装置に係る製造方法の別の一例を表す工程断面図である。  
図１４（ａ）に表したように、図示しない第１の配線１０の上に、整流素子２０を形成する。整流素子２０の上に、第１の電極３０を形成する。第１の電極３０の上に、窒素を含む相変化膜４０を形成する。前述したように、相変化膜４０を作製する工程において、窒素ガスとアルゴンガスとの流量比（Ｎ２／Ａｒ）が１〜１０％の窒素雰囲気下でスパッタリングすることにより、窒素を導入することができる。【００６２】
その後、図１４（ｂ）に表すように、相変化膜４０の上に、ダミーマスク７０を形成する。
その後、図１４（ｃ）に表すように、ダミーマスク７０をマスクとして相変化膜４０に窒素及び酸素を導入する。導入方法としては、イオン注入法や、気相拡散法、プラズマやラジカルを用いる方法などが挙げられる。ここで、窒素と酸素の導入の順番は問わない。まず窒素を導入した後に酸素を導入してもよく、まず酸素を導入した後に窒素を導入してもよく、両者を同時に導入してもよい。これにより、相変化膜４０には、相対的に窒素濃度が高く酸素が導入された窒素酸素導入部分４６と、相対的に窒素濃度が低い低窒素濃度部分４２とが形成される。【００６３】
その後、図１５（ａ）に表すように、ダミーマスク７０を除去する。その後、相変化膜４０の上に、第２の電極５０を形成する。その後、第２の電極５０の上に、図示しない第２の配線６０を形成する。【００６４】
その後、図１５（ｂ）に表すように、窒素酸素導入部分４６の中央部の直上面から、エッチング等によってパターニングする。エッチングは、第１の配線１０と整流素子２０との界面の深さまで行う。これにより、相変化膜４０において、主面の面内において内側に低窒素濃度部分４２を有し、主面の面内において外側に窒素酸素導入部分４６を有する、具体例３の不揮発性記憶装置が作製される。【００６５】
なお、本具体例では、図１３（ａ）及び図１４（ａ）に係る工程において、第１の電極３０の上に窒素を含む相変化膜４０を形成したが、窒素を含まない相変化材料膜４８を形成してもよい。【００６６】
（第５の実施形態）  
次に、本発明の第５の実施形態である単層または多層のクロスポイント型不揮発性記憶装置について、図１６〜図１９を参照しつつ説明する。  
図１６は、本発明の第５の実施形態に係る不揮発性記憶装置を例示する模式図である。なお、図１６においては、素子間分離絶縁膜は、省略した。  
本実施形態の不揮発性記憶装置２においては、基板１０５の主面１０６の上に、Ｘ軸方向に延在する帯状の第１の配線１１０が設けられている。そして、基板１０５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１２０が、第１の配線１１０に対向して設けられている。【００６７】
第１の配線１１０と第２の配線１２０との間に、相変化膜からなる記憶部２００が挟まれている。すなわち、不揮発性記憶装置２では、第１の配線１１０と第２の配線１２０とが交叉した部分（クロスポイント）に記憶部２００が設けられている。いわゆるクロスポイント型セルアレイ構造である。【００６８】
第１の配線１１０に与える電位と第２の配線１２０に与える電位との組み合わせによって、各記憶部２００に印加される電圧が変化し、その時の記憶部２００の特性、すなわち抵抗値（非晶質状態の高抵抗状態または結晶状態の低抵抗状態）によって、情報を記憶したり消去することができる。【００６９】
記憶部２００において記録・再生時の回り込み電流（Sneak Current）を防止するためなど、記憶部２００に印加される電圧の極性に方向性を持たせるために、例えばダイオードからなる整流素子部１４０を設けることができる。図１６では、整流素子部１４０を、第１の配線１１０と記憶部２００との間に設けた例を表したが、整流素子部１４０は、第２の配線１２０と記憶部２００との間に設けてもよい。また、整流素子部１４０は、第１の配線１１０と第２の配線１２０とが対向する領域以外の領域に設けてもよい。【００７０】
整流素子部１４０と記憶部２００との間、及び記憶部２００と第２の配線１２０との間のそれぞれに、図示しない電極を設けることができる。この電極は、保護膜の役割も担う。【００７１】
１つの第１の配線１１０と１つの第２の配線１２０とが交叉する領域に設けられた１つの記憶部２００（及び整流素子部１４０）が１つの要素であり、これを「セル」という。【００７２】
相変化膜からなる記憶部２００は、第１の実施形態に関して前述したように、主面の面内方向に低窒素濃度部分と高窒素濃度部分とを有することができる。この場合、本実施形態の不揮発性記憶装置は、第１の実施形態の説明で記載した効果、すなわち消費電力の低減及び不純物の侵入に対する防護壁の効果を有する。【００７３】
また、相変化膜からなる記憶部２００は、第３の実施形態に関して前述したように、主面方向に低窒素濃度部分と窒素酸素導入部分とを有することができる。この場合も、本実施形態の不揮発性記憶装置は、第３の実施形態の説明で記載した効果、すなわち消費電力の低減及び不純物の侵入に対する防護壁の効果を有する。【００７４】
なお、図１６においては、第１の配線１１０と第２の配線１２０とは、それぞれ３本ずつ設けられている例を表したが、これには限らず、第１の配線１１０と第２の配線１２０の数は任意である。  
第１の配線１１０をビット配線（ＢＬ）、第２の配線１２０をワード線（ＷＬ）と、それぞれいう。ただし、第１の配線１１０をワード線（ＷＬ）、第２の配線１２０をビット線（ＢＬ）としてもよい。【００７５】
図１７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の別の例を表す模式斜視図である。  
図１７に表すように、本発明の第５の実施形態に係る不揮発性記憶装置４においては、記憶部２００は、２層構造とされている。すなわち、不揮発性記憶装置４は、基板１０５と、基板１０５の主面１０６の上に設けられた１層目の第１の配線１１０ａと、１層目の第１の配線１１０ａと対向して設けられた１層目の第２の配線１２０ａと、１層目の第１の配線１１０ａと１層目の第２の配線１２０ａとに挟持された１層目の記憶部２００ａと、を備える。これらが、１層目の不揮発性記憶装置２ａとなる。さらに、１層目の第２の配線１２０ａを２層目の第１の配線１１０ｂとし、その上に２層目の記憶部２００ｂが設けられ、その上に２層目の第２の配線１２０ｂが設けられている。これらが、２層目の不揮発性記憶装置２ｂとなる。また、それぞれの層には、スイッチ素子部１４０ａ、１４０ｂが設けられている。【００７６】
それぞれの相変化膜からなる記憶部２００は、低窒素濃度部分及び高窒素濃度部分、または低窒素濃度部分及び窒素酸素導入部分、を有することができる。この場合、図１６に関して前述した各効果が得られる。  
また、図１８に表すように、本発明の第３の実施形態に係る不揮発性記憶装置６においては、１層目の第２の配線１２０ａと２層目の第１の配線１１０ｂとは、それぞれ個別に設けられている。この場合も、それぞれの相変化膜からなる記憶部２００は、低窒素濃度部分及び高窒素濃度部分、または低窒素濃度部分及び窒素酸素導入部分、を有することができる。この場合も、図１６に関して前述した各効果が得られる。【００７７】
図１７及び図１８では、記憶部２００が２層に積層された場合を表したが、３層以上でもよい。  
次に、本発明の第３の実施形態に係る不揮発性記憶装置の記録、消去、及び再生動作について、図１６を参照しつつ説明する。【００７８】
１つの記憶部２００には、例えば１ビットのデータが記憶される。  
記憶部２００の初期状態（情報が記憶されていない状態）は、結晶状態（低抵抗状態）、非晶質状態（高抵抗状態）のいずれであってもよい。以下、記憶部２００の初期状態が非晶質状態（高抵抗状態）である場合を取り上げる。【００７９】
記憶部２００における情報の記録（書込み）は、記憶部２００に電圧を印加して電流パルスを流すことによって行われる。このため、例えば、第１の配線１１０の電位が第２の配線１２０の電位よりも相対的に低い状態を作る。第２の配線１２０を、例えば接地電位とすれば、第１の配線１１０に負の電位を与えればよい。この際に、電流パルスは、前述した低窒素濃度部分４２を優先的に流れる。【００８０】
この時に発生するジュール熱により、記憶部２００の低窒素濃度部分４２は、結晶化温度以上に昇温される。この温度は、一定時間、例えば１μ秒よりも短い時間だけ保持される。その後、記憶部２００を徐冷し、結晶状態に相変化させる。これにより、情報が書き込まれる。この際に、低窒素濃度部分４２に隣接する高窒素濃度部分４４は、電流が殆ど流れずまた結晶化温度が高いので、結晶化することはなく、非晶質状態を維持できる。【００８１】
ここで、選択されないセルに係る第１の配線１１０と第２の配線１２０との間には、電位勾配を発生させないようにすることが望ましい。すなわち、両者を等電位とすることが望ましい。【００８２】
また、記録（書込み）の直前時（スタンバイ時）には、全ての第１の配線１１０及び全ての第２の配線１２０は、プリチャージしておくことが望ましい。プリチャージとは、良好な動作特性を確保するため、あらかじめ各配線の電位を一定にしておくことである。  
また、記録のための電圧パルスは、第１の配線１１０の電位が第２の配線１２０の電位よりも高くすることにより発生させてもよい。【００８３】
消去（リセット）は、記憶部２００に大電流パルスを流し、この時に発生するジュール熱によって行う。この際にも、低窒素濃度部分４２に電流パルスが優先的に流れる。このジュール熱により、記憶部２００の低窒素濃度部分４２は、融点（Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５の場合、融点は６３３℃）以上に昇温される。その後、記憶部２００を、例えば１００ｎ秒よりも短い時間で急冷し、低窒素濃度部分４２を非晶質状態に相変化させる。これにより、情報が消去される。この際に、低窒素濃度部分４２に隣接した高窒素濃度部分４４は、殆ど電流が流れず、また、結晶化温度も高いので、低窒素濃度部分４２を加熱後に急冷した場合には、溶融することも結晶化することも防止できる。【００８４】
再生（読出し）は、記憶部２００に電圧を印加して電流パルスを流し、この時の抵抗値を検出することにより行う。ただし、電圧パルスは、記憶部２００を構成する材料が相変化を生じない程度の微小な振幅とする。このとき、例えば、読出し回路を用いて記憶部２００の抵抗値を測定することができる。読出し回路から発生した読出し電流は、第２の配線１２０を通じて記憶部２００に流れ、読出し回路によって記憶部２００の抵抗値が測定される。低窒素濃度部分４２は書き込み・消去により結晶状態あるいは非晶質状態とされ、一方、高窒素濃度部分４４は常に非晶質状態が維持されている。そのため、低窒素濃度部分４２の抵抗の変化を検出することにより、情報の再生が可能となる。  
また、再生の際にも、低窒素濃度部分４２に電流パルスを優先的に流し、高窒素濃度部分４４には電流を殆ど流さないようにすることができる。その結果として、消費電力を低減できる。【００８５】
このような不揮発性記憶装置により、現在用いられているハードディスクやトランジスタを用いた従来型の不揮発性記憶装置よりも高い記録密度や低い消費電力を実現できる。【００８６】
図１９は、図１６に表す不揮発性記憶装置の回路を表す模式図である。ＢＬはビット線、ＷＬはワード線を表す。  
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（Row Switch：行スイッチ）を経由してワード線ドライバ及びデコーダ１１５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（Column Switch：列スイッチ）を経由してビット線ドライバ、デコーダ、及び読出し回路１２５に接続される。【００８７】
ＭＯＳトランジスタＲＳＷのゲートには、１本のワード線（Row：ロウ：行）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（Column：カラム：列）を選択するための選択信号Ｃｊ−１、Ｃｊ、Ｃｊ＋１が入力される。  
記憶部２００は、ワード線ＷＬｉ−１、ＷＬｉ、ＷＬｉ＋１とビット線ＢＬｊ−１、ＢＬｊ、ＢＬｊ＋１との交叉部に配置される。  
記憶部２００には、整流素子部１４０が付加される。【００８８】
このように、本具体例のクロスポイント型不揮発性記憶装置は、各セルの記憶部に個別にＭＯＳトランジスタを接続する必要がないこと、また多層化が可能であること、から、高集積化に有利である。【００８９】
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。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。  
また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明によれば、電圧を印加することによって結晶状態と非晶質状態との間で変化する材料を含む相変化膜を備えた不揮発性記憶装置において、消費電力を低減することができる不揮発性記憶装置及びその製造方法が提供される。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成22年8月4日(2010.8.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
ＮＡＮＤ型フラッシュメモリについては、記憶部にトランジスタを用いているため、いわゆる短チャネル効果の影響により、微細化が限界に達することが予想される。「短チャネル効果」とは、装置の微細化によってソース部とドレイン部との距離が近くなることによって生ずる現象であり、具体的にはソースとドレインとの間のリーク電流の増加等である。また、最小線幅の縮小による製造コストの増大が生じている。  
小型ＨＤＤについては、トラッキング精度（ＨＤＤ上のトラックの正しい位置にヘッドを合わせることの精度）が限界に達することが予想される。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
これに関連する従来技術としては、ゲルマニウム（Ｇｅ）、アンチモン（Ｓｂ）そしてテルル（Ｔｅ）の合金膜（ＧＳＴ膜）を記憶素子とした半導体集積回路装置において、窒素、酸素あるいは炭素のイオンをドーピングした半導体集積回路装置がある。具体的には、高濃度の酸素イオンを打ち込んだ領域は、ほとんど絶縁性を示し、書き換えや信号伝達のための電流は、その通路が低濃度イオン打ち込み領域に限定されるというものである（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００６−１５６８８６号公報
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
なお、これらの材料から構成される第１の電極３０及び第２の電極５０は、保護膜としての機能も有する。  
相変化膜４０は、電圧を印加することによって結晶状態と非晶質状態との間で変化する材料を含む。この材料としては、具体的には、カルコゲナイド系材料が挙げられる。カルコゲナイドとは、Ｓｅ、Ｔｅ等の１６族元素を含む化合物の総称であり、１６族元素がカルコゲンと呼ばれることに由来する。具体的な材料としては、例えばＳｅまたはＴｅを含むものが挙げられ、より詳細には、Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５、ＧｅＳｂＴｅ、ＳｂＴｅ、ＡｓＳｂＴｅ、ＳｅＳｂＴｅ、ＡｇＩｎＳｂＴｅ、等が挙げられる。  
なお、本願明細書において、「結晶」とは、完全な結晶のみを意味するものではなく、欠陥を含む単結晶及び多結晶状態を包含する。一方、「非晶質」とは、完全に無秩序な原子配列を有するもののみを意味するものではなく、短範囲の周期構造を有するものや、無秩序なマトリックス中に微細な結晶粒を含むようなものも「非晶質」に含むものとする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
次に、本実施形態に係る不揮発性記憶装置の記録、消去、及び再生動作のメカニズムについて、図３を参照しつつ説明する。  
図３は、本実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作メカニズムを説明するための概念図である。すなわち、図３（ａ）は、本実施形態に係る不揮発性記憶装置の相変化膜４０近傍を表す模式断面図である。図３（ｂ）は、相変化膜４０の材料となり得るカルコゲナイド、具体的にはＧｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５の非晶質状態の構造を表す模式図である。この場合、この化合物は４員環、６員環、８員環等の各種環からなる構造を有する。一方、図３（ｃ）は、Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５の結晶状態の構造を表す模式図である。この場合、この化合物は４員環、６員環、及び８員環の環のみからなる構造を有する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１４】
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【国際調査報告】
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