(57)【要約】【課題】相変化メモリの性能向上を図ることができる技術を提供する。【解決手段】本発明は、Ｓｎ（錫）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｔｅ（テルル）を含有し、かつ、ＳｎとＴｅとの結合力やＳｂとＴｅとの結合力よりもＴｅとの結合力が強い元素Ｘを含有する記録再生膜を備える。ここで、記録再生膜は、（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ合金相を有し、この（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ合金相は、自己組織化超格子構造を含む。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅを含有し、かつ、ＳｎとＴｅとの結合力やＳｂとＴｅとの結合力よりもＴｅとの結合力が強い元素Ｘを含有する記録再生膜を備え、
前記記録再生膜は、（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ合金相を有し、
前記（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ合金相は、自己組織化超格子構造を含む、相変化メモリ。
【請求項２】
請求項１に記載の相変化メモリにおいて、
前記元素Ｘは、Ｇｅ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｓｉのいずれかの元素である、相変化メモリ。
【請求項３】
請求項１に記載の相変化メモリにおいて、
Ｓｎ酸化物の標準生成自由エネルギーをΔＧ°（Ｓｎ）とし、
Ｓｂ酸化物の標準生成自由エネルギーをΔＧ°（Ｓｂ）とし、
元素Ｘの酸化物の標準生成自由エネルギーをΔＧ°（Ｘ）とする場合、
前記ΔＧ°（Ｘ）の絶対値は、前記ΔＧ°（Ｓｎ）の絶対値よりも大きく、かつ、前記ΔＧ°（Ｓｂ）の絶対値よりも大きい、相変化メモリ。
【請求項４】
請求項１に記載の相変化メモリにおいて、
前記自己組織化超格子構造は、少なくとも、ファンデルワールスギャップ層を含む第１部分格子と、空孔層を含む第２部分格子が超格子成長方向に隣接する構造を含む、相変化メモリ。
【請求項５】
請求項４に記載の相変化メモリにおいて、
前記空孔層は、Ｓｎの挿入と脱離が行なわれる層として機能し、
前記ファンデルワールスギャップ層は、前記空孔層でのＳｎの挿入と脱離に起因する体積変化を緩和する緩衝層として機能する、相変化メモリ。
【請求項６】
請求項１に記載の相変化メモリにおいて、
前記記録再生膜の下層に、Ｓｂ２Ｔｅ３を含む下地膜が形成されている、相変化メモリ。
【請求項７】
請求項６に記載の相変化メモリにおいて、
前記下地膜の下層にシード層が形成されている、相変化メモリ。
【請求項８】
Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅを含有し、かつ、元素Ｘを含有する記録再生膜を備え、
前記記録再生膜は、（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ合金相を有し、
前記（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ合金相は、自己組織化超格子構造を含み、
前記元素Ｘは、Ｇｅ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｓｉのいずれかの元素である、相変化メモリ。
【請求項９】
複数のメモリセルを備え、
前記複数のメモリセルのそれぞれは、
（ａ）メモリセルを選択する選択トランジスタ、
（ｂ）前記選択トランジスタと電気的に接続されるメモリ部であって、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅを含有し、かつ、ＳｎとＴｅとの結合力やＳｂとＴｅとの結合力よりもＴｅとの結合力が強い元素Ｘを含有する記録再生膜を含む前記メモリ部、
を有し、
前記記録再生膜は、（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ合金相を有し、
前記（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ合金相は、自己組織化超格子構造を含む、半導体記録再生装置。
【請求項１０】
複数のメモリセルを備え、
前記複数のメモリセルのそれぞれは、
（ａ）メモリセルを選択する選択トランジスタ、
（ｂ）前記選択トランジスタと電気的に接続されるメモリ部であって、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅを含有し、かつ、元素Ｘを含有する記録再生膜を含む前記メモリ部、
を有し、
前記記録再生膜は、（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ合金相を有し、
前記（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ合金相は、自己組織化超格子構造を含み、
前記元素Ｘは、Ｇｅ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｓｉのいずれかの元素である、半導体記録再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相変化メモリおよび半導体記録再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
相変化メモリは、次世代不揮発性メモリ（ＰＣＲＡＭ：（Phase-Change Random Access Memory））として期待されている。なぜなら、相変化メモリは、素子サイズの縮小化および書き変え耐性に優れているからである。しかしながら、相変化メモリにおいては、リセット電流が高いという問題がある。
【０００３】
この問題を解決するため、ＧｅＴｅ（１１１）／Ｓｂ２Ｔｅ３（００１）超格子膜で構成される超格子相変化メモリ、通称「interfacial Phase-Change Memory (ｉＰＣＭ)」の提案がなされている。このような超格子相変化メモリでは、第一原理計算と検証実験により、従来のＧＳＴ２２５（ＧＳＴ２２５:Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５の略称）と呼ばれる「非晶質」と「結晶質」との間の相変化を動作メカニズムとする相変化メモリと比べて、スイッチングパワーを約１／１０に低減できることが示されている。
【０００４】
非特許文献１、非特許文献２および特開２０１０−２６３１３１号公報（特許文献１）によると、ＧｅＴｅ（１１１）とＳｂ２Ｔｅ３（００１）とからなる超格子を使用する超格子相変化メモリは、印加する電圧や電流によって、Ｇｅ原子の位置が「６配位中心位置」と「４配位中心位置」の間で可逆的に変化することを動作原理としている。この変化を、本明細書では、「Ｇｅスイッチ」と呼ぶことがある。また、ＧｅＴｅ（１１１）とＳｂ２Ｔｅ３（００１）からなる超格子を使用する超格子相変化メモリを、簡略化して、ＧｅＴｅ（１１１）／Ｓｂ２Ｔｅ３（００１）超格子相変化メモリと呼ぶことがある。
【０００５】
これらの文献では、Ｇｅ原子が６配位中心位置にある場合、低抵抗を示す一方、Ｇｅ原子が４配位中心位置にある場合、高抵抗を示すので、低抵抗状態をセット状態とし、高抵抗状態をリセット状態として機能させることができることが開示されている。すなわち、ＧｅＴｅ（１１１）／Ｓｂ２Ｔｅ３（００１）超格子相変化メモリによれば、上述した低抵抗状態と高抵抗状態のそれぞれに、デジタル値である「０」と「１」を対応付けることにより、情報を記憶することができる。
【０００６】
上述した文献によると、Ｓｂ２Ｔｅ３（００１）層は、Ｓｂ２Ｔｅ３[００１]方向に、ファンデルワールスギャップ層（Van der Waals Gap）のあるＴｅ層−Ｔｅ層の弱結合（Weak Bond）部位を除き、Ｔｅ層とＳｂ層が交互に積層して構成される。一方、ＧｅＴｅ（１１１）層は、ＧｅＴｅ[１１１]方向に、空孔層のあるＴｅ層−Ｔｅ層の積層部位を除き、Ｔｅ層とＧｅ層が交互に積層して構成される。
【０００７】
さらに、上述した文献によると、「Ｇｅスイッチ」の際に、ＧｅＴｅ[１１１]方向の積層状態が「−Ｇｅ層−Ｔｅ層−空孔層−Ｔｅ層−Ｇｅ層−」であるＧｅ原子の６配位中心位置の状態と、「−Ｔｅ層−Ｇｅ層−空孔層−Ｇｅ層−Ｔｅ層−」であるＧｅ原子の４配位中心位置の状態との間で格子の組み換えが起こり、このことにより、ＧｅＴｅ（１１１）／Ｓｂ２Ｔｅ３（００１）超格子相変化メモリでは、低電力動作が可能になることが開示されている。このとき、Ｇｅ原子の６配位中心位置の状態が低抵抗状態に対応し、Ｇｅ原子の４配位中心位置の状態が高抵抗状態に対応している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−２６３１３１号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Simpson et al.,Nature Nanotechnology 6, 501 (2011)
【非特許文献２】Tominaga et al.,Proceeding of the IEEE International Electron Device Meeting, San Francisco (2010), pp.22.3.1-22.3.4
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
現在、製品化されているＧＳＴ２２５に代表される相変化メモリは、記録再生膜における「非晶質」状態と「結晶質」状態との間で相変化を起こさせることを動作原理としている。しかしながら、この種類の相変化メモリは、スイッチングパワーに代表される消費電力が大きく、消費電力を低減することが求められている。
【００１１】
この点に関し、上述したＧｅＴｅ（１１１）／Ｓｂ２Ｔｅ３（００１）超格子相変化メモリが提案されている。このＧｅＴｅ（１１１）／Ｓｂ２Ｔｅ３（００１）超格子相変化メモリによれば、従来の相変化メモリであるＧＳＴ２２５に比べて、スイッチングパワーを約１／１０に低減できることが実証されたが、相変化メモリの性能向上の観点から、さらなる消費電力の低減が求められている。
【００１２】
本発明の目的は、相変化メモリの性能向上を図ることができる技術を提供することにある。
【００１３】
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
一実施の形態における相変化メモリは、Ｓｎ（錫）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｔｅ（テルル）を含有し、かつ、ＳｎとＴｅとの結合力やＳｂとＴｅとの結合力よりもＴｅとの結合力が強い元素Ｘを含有する記録再生膜を備える。ここで、記録再生膜は、（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ合金相を有し、この（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ合金相は、自己組織化超格子構造を含む。
【００１５】
また、一実施の形態における相変化メモリは、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅを含有し、かつ、元素Ｘを含有する記録再生膜を備える。ここで、記録再生膜は、（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ合金相を有し、この（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ合金相は、自己組織化超格子構造を含む。そして、元素Ｘは、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）、Ｓｉ（シリコン）のいずれかの元素である。
【００１６】
一実施の形態における半導体記録再生装置は、複数のメモリセルを備え、複数のメモリセルのそれぞれは、（ａ）メモリセルを選択する選択トランジスタ、（ｂ）選択トランジスタと電気的に接続されるメモリ部であって、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅを含有し、かつ、ＳｎとＴｅとの結合力やＳｂとＴｅとの結合力よりもＴｅとの結合力が強い元素Ｘを含有する記録再生膜を含む前記メモリ部、を有する。ここで、記録再生膜は、（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ合金相を有し、この（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ合金相は、自己組織化超格子構造を含む。
【００１７】
また、一実施の形態における半導体記録再生装置は、複数のメモリセルを備え、複数のメモリセルのそれぞれは、（ａ）メモリセルを選択する選択トランジスタ、（ｂ）前記選択トランジスタと電気的に接続されるメモリ部であって、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅを含有し、かつ、元素Ｘを含有する記録再生膜を含む前記メモリ部、を有する。ここで、記録再生膜は、（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ合金相を有し、この（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ合金相は、自己組織化超格子構造を含む。そして、元素Ｘは、Ｇｅ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｓｉのいずれかの元素である。
【発明の効果】
【００１８】
一実施の形態によれば、相変化メモリの性能向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施の形態１における相変化メモリの要部であるメモリ部の模式的な構成を示す断面図である。
【図２】実施の形態１における記録再生膜を形成する方法を示す図である。
【図３】（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ合金相を模式的示す図である。
【図４】元素ＸがＧｅの場合において、（ＳｎＧｅＳｂ）／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜のＸ線回折プロファイルを示す図である。
【図５】（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ合金相の結晶構造を示す図である。
【図６】Ｓｎ酸化物とＳｂ酸化物とＧｅ酸化物のそれぞれの標準生成自由エネルギーの温度依存性を示すグラフである。
【図７】様々な物質からなる記録再生膜の相転移温度を示す表である。
【図８】元素ＸがＡｌの場合において、（ＳｎＡｌＳｂ）／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜のＸ線回折プロファイルを示す図である。
【図９】（ＳｎＡｌＳｂ）Ｔｅ合金相の結晶構造を示す図である。
【図１０】Ｓｎ酸化物とＳｂ酸化物とＡｌ酸化物のそれぞれの標準生成自由エネルギーの温度依存性を示すグラフである。
【図１１】（ＳｎＭｎＳｂ）Ｔｅ合金相の結晶構造を示す図である。
【図１２】（ＳｎＣｒＳｂ）Ｔｅ合金相の結晶構造を示す図である。
【図１３】Ｓｎ酸化物とＳｂ酸化物とＭｎ酸化物とＣｒ酸化物のそれぞれの標準生成自由エネルギーの温度依存性を示すグラフである。
【図１４】Ｓｎ酸化物とＳｂ酸化物とＭｏ酸化物とＮｂ酸化物とＶ酸化物とＳｉ酸化物のそれぞれの標準生成自由エネルギーの温度依存性を示すグラフである。
【図１５】実施の形態２における半導体記録再生装置のメモリセルの構成を示す断面図である。
【図１６】実施の形態２における半導体記録再生装置のメモリセルアレイの構成例を示す等価回路図である。
【図１７】（ａ）は、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリを模した簡易素子のリード抵抗のパルス電圧依存性を示すグラフであり、（ｂ）は、リード抵抗のダイナミック電流依存性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
【００２１】
また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
【００２２】
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
【００２３】
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００２４】
また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。
【００２５】
（実施の形態１）
＜関連技術の説明＞
例えば、特許文献２（特願２０１３−０４８０５０号）および非特許文献３（Soeya et al., Appl. Phys. Lett. 103, 053103 (2013)）には、Ｓｎ（錫）、Ｓｂ（アンチモン）およびＴｅ（テルル）を含有する膜から記録再生膜を構成する相変化メモリが記載されている。具体的に、上述した特許文献２には、ＳｎＸＴｅ１００−Ｘ膜とＳｂ２Ｔｅ３膜とを交互に積層することにより形成されたＳｎＸＴｅ１００−Ｘ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜を記録再生膜に使用する超格子相変化メモリが記載されている。ここで、特許文献２に記載されている超格子相変化メモリをＳｎＸＴｅ１００−Ｘ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリと呼ぶ。
【００２６】
上述した特許文献２において、ＳｎＸＴｅ１００−Ｘ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜は、ＳｎＴｅとＳｂ２Ｔｅ３からなるＳｎＴｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相と、ＳｎＳｂＴｅ合金相と、Ｔｅ相とを含むように構成され、ＳｎＴｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相は、ＳｎＳｂＴｅ合金相とＴｅ相で希釈されていると述べられている。そして、上述した特許文献２によると、このようなＳｎＸＴｅ１００−Ｘ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリによれば、従来のＧＳＴ２２５と比べ、消費電力を最大約１／７０７０まで低減できるとしている。つまり、ＳｎＸＴｅ１００−Ｘ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリは、従来のＧＳＴ２２５だけでなく、ＧｅＴｅ（１１１）／Ｓｂ２Ｔｅ３（００１）超格子相変化メモリよりも大幅に消費電力を低減することができることになり、相変化メモリの性能向上を図る観点から非常に期待されている。
【００２７】
＜本発明者が見出した新たな知見＞
ただし、上述した特許文献２では、ＳｎＸＴｅ１００−Ｘ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリの低電力動作メカニズムについて完全に解明しておらず、（１）ＳｎＴｅ／Ｓｂ２Ｔ３超格子相で低電力動作している可能性と、（２）ＳｎＳｂＴｅ合金相で低電力動作をしている可能性が考えられると説明している。
【００２８】
この点に関し、本発明者がさらに研究を進めた結果、この記録再生膜には、ＳｎＴｅ／Ｓｂ２Ｔ３超格子相がわずかにしか存在せず、大部分はＳｎＳｂＴｅ合金相から構成されている可能性が高いことが判明した。このため、ＳｎＴｅ／Ｓｂ２Ｔ３超格子相が自己組織化超格子構造を構成しているのではなく、ＳｎＳｂＴｅ合金相が自己組織化超格子構造を構成している可能性が高いと推測されている。そして、このＳｎＳｂＴｅ合金相に含まれる自己組織化超格子構造内で「Ｓｎスイッチ」が起こる低電力動作メカニズムによって、ＳｎＸＴｅ１００−Ｘ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリによれば、従来のＧＳＴ２２５と比べ、消費電力を最大約１／７０７０まで低減することが可能となっている。
【００２９】
ここで、「自己組織化超格子構造」とは、少なくとも、ファンデルワールスギャップ層を含む第１部分格子と、空孔層を含む第２部分格子が超格子成長方向に隣接する構造を含む構造として定義される。具体的に、ＳｎＳｂＴｅ合金相の自己組織化超格子構造の積層順序は、例えば、下側から上側に向かって「−Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−ファンデルワールスギャップ層−Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−空孔層−Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−」となっている。
【００３０】
そして、ＳｎＳｂＴｅ合金相に含まれる自己組織化超格子構造内で「Ｓｎスイッチ」が起こる低電力動作メカニズムは、以下に示すものと考えられている。すなわち、ＳｎＸＴｅ１００−Ｘ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリに印加する電圧や電流によって、超格子成長方向の積層状態が「−（Ｓｎ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−空孔層−Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ｓｂ）層−」であるＳｎ原子の６配位中心位置の状態と、超格子成長方向の積層状態が「−Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ｓｂ）層−空孔層−（Ｓｎ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−」であるＳｎ原子の４配位中心位置の状態との間で格子の組み換えが起こる（「Ｓｎスイッチ」）。このとき、空孔層は、Ｓｎの挿入と脱離が行なわれる層として機能し、ファンデルワールスギャップ層は、空孔層でのＳｎの挿入と脱離に起因する体積変化を緩和する緩衝層として機能すると考えられている。そして、このＳｎＸＴｅ１００−Ｘ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリによれば、印加する電圧や電流が小さくても、「Ｓｎスイッチ」が起こることから、低電力動作が可能になるのである。つまり、ＳｎＸＴｅ１００−Ｘ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリでは、Ｓｎ原子の６配位中心位置の状態と、Ｓｎ原子の４配位中心位置の状態との間でＳｎ原子が移動しやすい状態になっているため、印加される電圧や電流が小さくても「Ｓｎスイッチ」が生じると考えられる。
【００３１】
＜改善の余地＞
このようにＳｎ原子が移動しやすいということは、ＳｎＸＴｅ１００−Ｘ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリの低電力動作を実現する観点から有用であるが、リテンション特性、すなわち、データ保持特性の観点からは、改善の余地が存在することになる。
【００３２】
例えば、ＳｎＸＴｅ１００−Ｘ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリでは、Ｓｎ原子の６配位中心位置の状態が低抵抗状態に対応し、Ｓｎ原子の４配位中心位置の状態が高抵抗状態に対応している。そして、このＳｎＸＴｅ１００−Ｘ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリでは、低抵抗状態と高抵抗状態のそれぞれに、デジタル値である「０」と「１」とを対応付けることにより、情報を記憶している。
【００３３】
ところが、このＳｎＸＴｅ１００−Ｘ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリでは、Ｓｎ原子が動きやすいことから、例えば、比較的低い温度（８５℃程度）で４配位中心位置の状態（高抵抗状態）から６配位中心位置の状態（低抵抗状態）に変化してしまう現象が生じる。この現象を本明細書では相転移と呼ぶことにすると、相転移が起こる相転移温度以上になると、ＳｎＸＴｅ１００−Ｘ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリにおいては、記憶されている情報が消失してしまうことになる。したがって、情報の保持特性を示すリテンション特性は、相転移温度が低くなるほど低下することになる。言い換えれば、相転移温度が高くなるほどリテンション特性は向上することになる。この点に関し、ＳｎＸＴｅ１００−Ｘ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリは、上述した相転移温度が低く、リテンション特性を向上する観点から改善の余地が存在するのである。
【００３４】
そこで、本実施の形態１では、ＳｎＸＴｅ１００−Ｘ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリにおけるリテンション特性の向上を図ることができる工夫を施している。以下に、この工夫を施した本実施の形態１における技術的思想について説明することにする。
【００３５】
＜相変化メモリのメモリ部の構成＞
図１は、本実施の形態１における相変化メモリの要部であるメモリ部の模式的な構成を示す断面図である。図１に示すように、メモリ部ＭＵは、下部電極ＢＥを有し、この下部電極ＢＥ上にシード層ＳＤＬが形成されている。そして、このシード層ＳＤＬ上に下地膜ＦＤＦが形成され、下地膜ＦＤＦ上に記録再生膜ＭＲＦが形成されている。さらに、記録再生膜ＭＲＦ上には、上部電極ＵＥが形成されている。これらの膜は、例えば、スパッタリング法により形成することができる。
【００３６】
下部電極ＢＥは、例えば、タングステン膜（Ｗ膜）から構成され、例えば、膜厚は、１００ｎｍである。また、シード層ＳＤＬは、例えば、窒化チタン膜（ＴｉＮ膜）から構成され、例えば、膜厚は、１ｎｍである。このシード層ＳＤＬは、上方に形成される下地膜ＦＤＦと記録再生膜ＭＲＦを稠密面配向させる機能を有している。さらに、下地膜ＦＤＦは、例えば、Ｓｂ２Ｔｅ３膜から構成され、例えば、膜厚は、１０ｎｍである。この下地膜ＦＤＦも、上述したシード層ＳＤＬと同様に、上方に形成される記録再生膜ＭＲＦを稠密面配向させる機能を有している。そして、記録再生膜ＭＲＦ上に形成される上部電極ＵＥは、例えば、タングステン膜から形成され、例えば、膜厚は、５０ｎｍである。
【００３７】
本実施の形態１における記録再生膜ＭＲＦは、Ｓｎ（錫）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｔｅ（テルル）を含有し、かつ、元素Ｘを含有する膜から構成される。図２は、本実施の形態１における記録再生膜ＭＲＦを形成する方法を示す図である。図２に示すように、記録再生膜ＭＲＦは、例えば、スパッタリング法を使用することにより、自由層ＦＲＬと固定層ＦＸＬを交互に積層することにより形成される。すなわち、記録再生膜ＭＲＦは、超格子膜を構成するように形成される。
【００３８】
このとき、自由層ＦＲＬは、（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ膜から構成され、その膜厚は、例えば、約１ｎｍである。一方、固定層ＦＸＬは、Ｓｂ２Ｔｅ３膜から構成され、その膜厚は、例えば、約４ｎｍである。本明細書では、このような超格子膜を（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜と呼ぶことにする。この（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜の総膜厚は、例えば、４５ｎｍである。
【００３９】
本実施の形態１における記録再生膜ＭＲＦは、図２に示すような（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜から形成されることになるが、図２は、（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜の製造方法を模式的に示すものであり、実際の記録再生膜ＭＲＦの構造は、図２に示す模式的な構造と相違する。すなわち、図２に示す方法で形成される（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜は、図２に示す構造とはなっておらず、実際には、（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜は、図３に示す（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ合金相ＡＬＰから構成される。そして、（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ合金相ＡＬＰは、自己組織化超格子構造を含んでいる。このように、本実施の形態１における記録再生膜ＭＲＦは、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅを含有し、かつ、元素Ｘを含有する（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜から構成されるが、この（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜は、自己組織化超格子構造を含む（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ合金相ＡＬＰが大部分を占めるように構成されていることになる。
【００４０】
つまり、元素Ｘを含有しないＳｎＳｂＴｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜は、ＳｎＳｂＴｅ合金相から構成され、このＳｎＳｂＴｅ合金相は、自己組織化超格子構造を含むように構成される。この点に関し、本実施の形態１では、元素Ｘを含有する場合の（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜も、（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ合金相ＡＬＰから構成され、この（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ合金相ＡＬＰは、自己組織化超格子構造を含んでいる。すなわち、本実施の形態１において添加される元素Ｘは、少なくとも、（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜において、自己組織化超格子構造が維持される元素である必要がある（第１条件）。具体的に、このような元素Ｘとしては、自己組織化超格子構造に含まれる（Ｓｎ、Ｓｂ）層内に配置されて、（Ｓｎ、Ｘ、Ｓｂ）層を構成する元素を挙げることができる。
【００４１】
これにより、（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜では、ＳｎＳｂＴｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜の低電圧動作メカニズムと同等のメカニズムによって、（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜を記録再生膜ＭＲＦに使用した（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリでの低電圧動作が可能となる。すなわち、（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜においても、（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ合金相に含まれる自己組織化超格子構造での「Ｓｎスイッチ」を生じさせることができ、これによって、超格子相変化メモリでの低電力動作を実現することができる。ここで、（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜を記録再生膜ＭＲＦに使用した超格子相変化メモリを（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリと呼ぶことにする。
【００４２】
＜実施の形態１の特徴＞
そして、本実施の形態１の特徴点は、上述した第１条件を満たす元素Ｘが、さらに、ＳｎとＴｅとの結合力やＳｂとＴｅとの結合力よりもＴｅとの結合力が強い元素である点にある（第２条件）。これにより、本実施の形態１における（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリによれば、上述した第１条件および第２条件を満たす元素Ｘを導入することにより、リテンション特性の向上を図ることができる。
【００４３】
なぜなら、ＳｎとＴｅとの結合力やＳｂとＴｅとの結合力よりもＴｅとの結合力が強い元素Ｘが導入されている自己組織化超格子構造の（Ｓｎ、Ｘ、Ｓｂ）層においては、元素ＸとＴｅとの結合が強いため、元素ＸとＴｅとの結合の波動関数の染み出しが生じ、（Ｓｎ、Ｘ、Ｓｂ）層内の各原子同士の化学的結合力が強まるからである。言い換えれば、元素ＸとＴｅとの結合が強いということは、電子雲が広がることを意味し、この広がった電子雲の影響によって、（Ｓｎ、Ｘ、Ｓｂ）層内の各原子同士の化学的結合力が強まるのである。このことは、（Ｓｎ、Ｘ、Ｓｂ）層内に存在するＳｎ原子が移動しにくくなることを意味し、これによって、相転移が起きにくくなる。つまり、本実施の形態１によれば、相転移が生じる相転移温度が高くなり、これによって、本実施の形態１における（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリによれば、リテンション特性を向上させることができるのである。
【００４４】
このように本実施の形態１によれば、リテンション特性を向上させることができるが、リテンション特性が向上する理由は、ＳｎとＴｅとの結合力やＳｂとＴｅとの結合力よりもＴｅとの結合力が強い元素Ｘを自己組織化超格子構造の（Ｓｎ、Ｓｂ）層に導入して、（Ｓｎ、Ｘ、Ｓｂ）層を形成することにより、（Ｓｎ、Ｘ、Ｓｂ）層内の各原子同士の化学的結合力を強くしているからである。この結果、（Ｓｎ、Ｘ、Ｓｂ）層内に存在するＳｎ原子が移動しにくくなって、相転移温度が高くなることになるが、一方で、Ｓｎ原子が移動しにくくなるということは、一見、電圧および電流を印加することによる「Ｓｎスイッチ」の低電力動作も起きにくくなるのではないかと考えることができる。
【００４５】
ところが、本実施の形態１によれば、「Ｓｎスイッチ」の低電力動作も実現できるのである。以下にこの理由について説明する。上述したように、本実施の形態１では、ＳｎとＴｅとの結合力やＳｂとＴｅとの結合力よりもＴｅとの結合力が強い元素Ｘを自己組織化超格子構造の（Ｓｎ、Ｓｂ）層に導入して、（Ｓｎ、Ｘ、Ｓｂ）層を形成している。これにより、（Ｓｎ、Ｘ、Ｓｂ）層内の各原子同士の化学的結合力が強くなり、Ｓｎ原子が移動しにくくなる。このことは、電圧および電流を印加することによる「Ｓｎスイッチ」に寄与するＳｎ原子が少なくなると考えることができる。すなわち、本実施の形態１では、元素Ｘを導入することによる各原子同士の結合力が強くなる結果、「Ｓｎスイッチ」で移動できるＳｎ原子が少なくなると考えることができる。このことは、「Ｓｎスイッチ」を低電力で生じさせることができることを意味し、これによって、（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリの低電力動作が可能となるのである。
【００４６】
さらに言えば、「Ｓｎスイッチ」で移動できるＳｎ原子が少なくなるということは、あたかも、（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリにおいて、Ｓｎの原子％を低減することと同等であるとみなすことができる。そして、この点に関し、上述した特許文献２には、ＳｎＸＴｅ１００−Ｘ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリにおいて、Ｓｎの原子％を低くすることによって、低電力動作が加速されることが記載されている。したがって、この特許文献２からの類推によっても、本実施の形態１における（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリによれば、低電力動作が可能になると考えることができる。
【００４７】
以上のことから、本実施の形態１における（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリによれば、低電力動作を実現しながら、リテンション特性の向上を図ることができるという顕著な効果を得ることができる。つまり、本実施の形態１によれば、相変化メモリの性能向上を図ることができることになる。
【００４８】
ここで、上述したように、本実施の形態１における特徴点は、元素Ｘが、ＳｎとＴｅとの結合力やＳｂとＴｅとの結合力よりもＴｅとの結合力が強い元素である点にある。このとき、元素Ｘが、ＳｎとＴｅとの結合力やＳｂとＴｅとの結合力よりもＴｅとの結合力が強いということは、例えば、元素間の結合エネルギーの指標となる標準生成自由エネルギーの大小関係で評価することができる。つまり、元素間の結合が強いということは、結合エネルギーが大きいことを意味し、これは、標準生成自由エネルギーの絶対値が大きいことに対応する。そこで、例えば、Ｓｎ酸化物の標準生成自由エネルギーをΔＧ°（Ｓｎ）とし、Ｓｂ酸化物の標準生成自由エネルギーをΔＧ°（Ｓｂ）とし、元素Ｘの酸化物の標準生成自由エネルギーをΔＧ°（Ｘ）とする。この場合、ＳｎとＴｅとの結合力やＳｂとＴｅとの結合力よりもＴｅとの結合力が強いということは、間接的に、ΔＧ°（Ｘ）の絶対値が、ΔＧ°（Ｓｎ）の絶対値よりも大きく、かつ、ΔＧ°（Ｓｂ）の絶対値よりも大きいことに対応する。ここでは、一般的に取得が容易な酸化物の標準生成自由エネルギーを採り上げているが、酸化物における標準生成自由エネルギーの関係は、酸素原子と同族である硫黄原子との化合物である硫化物における標準生成自由エネルギーの関係と同様の傾向を示し、さらには、酸素原子および硫黄原子と同族であるテルル原子との化合物であるテルル化物においても同様の傾向を示すと考えられる。このことから、ＳｎとＴｅとの結合力やＳｂとＴｅとの結合力よりもＴｅとの結合力が強いということは、間接的に、ΔＧ°（Ｘ）の絶対値が、ΔＧ°（Ｓｎ）の絶対値よりも大きく、かつ、ΔＧ°（Ｓｂ）の絶対値よりも大きいことに対応すると考えることができるのである。
【００４９】
以上のように本実施の形態１における技術的思想は、上述した第１条件および第２条件を満たす元素Ｘを含有する記録再生膜を備え、この記録再生膜が（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ合金相を有し、かつ、（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ合金相が自己組織化超格子構造を含むという（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリに幅広く適用することができる。
【００５０】
以下では、上述した第１条件および第２条件を満たす元素Ｘのうちの代表的な元素について、（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜を記録再生膜ＭＲＦとして採用することにより、（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリのリテンション特性を改善できる点を実験データに基づきながら説明することにする。
【００５１】
＜実施例１：元素Ｘ＝Ｇｅ原子の場合＞
図４は、元素ＸがＧｅの場合において、（ＳｎＧｅＳｂ）／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜のＸ線回折プロファイルを示す図である。図４に示すように、ＮａＣｌ型の（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ合金相のピークのみが観測されている。このことから、（ＳｎＧｅＳｂ）／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜は、大部分が（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ合金相から構成されていることがわかる。そして、図４から他相が観測されていないため、Ｇｅは（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ合金相の中の（Ｓｎ、Ｓｂ）層に固溶していると考えられる。
【００５２】
次に、図４に示すピークを有するＮａＣｌ型の（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ合金相についての結晶構造解析結果を説明する。結晶構造解析には、例えば、「J. Appl. Phys.112, 034301 (2012)」に記載された方法を使用している。具体的に、この結晶構造解析においては、(Ｉ１１１／Ｉ２２２)Ｏｂｓ≒(Ｉ１１１／Ｉ２２２)Ｃａｌ、および０．７≦Ｓ≦１（±０．１）を満たす結晶構造を探索した。ここで、Ｉ１１１は、（１１１）ピークの積分強度を示しており、Ｉ２２２は、（２２２）ピークの積分強度を示している。また、(Ｉ１１１/Ｉ２２２)Ｏｂｓは、実験積分強度比であり、(Ｉ１１１/Ｉ２２２)Ｃａｌは、理論積分強度比であり、Ｓは規則度である。
【００５３】
この結晶構造解析の結果、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ合金相の結晶構造として最も可能性の高い結晶構造は、例えば、図５に示すような空孔層を有するＮａＣｌ型の結晶構造であることがわかった。具体的に、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ合金相は、図５に示すように、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ[１１１]方向に、「−Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−ファンデルワールスギャップ層―Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層―空孔層―Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−」の順に積層された結晶構造を有していると考えられる。
【００５４】
そして、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ合金相の結晶構造においては、印加電圧および印加電流に応じて、空孔層という空間を使用して、「−Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−空孔層−Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−」状態であるＳｎ原子の６配位中心位置（Ａｓ−ｄｅｐ．状態）と、「−Ｔｅ層−空孔層−Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−空孔層−Ｔｅ層−」状態であるＳｎ原子の４配位中心位置との間で積層構造が変化する可能性がある。つまり、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ合金相に存在する空孔層で、Ｓｎの挿入と脱離が行なわれる「Ｓｎスイッチ」が生じる可能性が高い。
【００５５】
また、上側の結晶構造に含まれている空孔層は「Ｓｎスイッチ」する上で重要な空間層である一方、下側の結晶構造においては、「Ｓｎスイッチ」の際の体積変化を吸収する緩衝層として機能するために必要な空間であるファンデルワールスギャップ層である可能性が高い。すなわち、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ合金相は、自己組織化超格子構造を含んでいる可能性が高いことがわかる。
【００５６】
このことから、（ＳｎＧｅＳｂ）／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜は、自己組織化超格子構造を含む（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ合金相から構成されており、この（ＳｎＧｅＳｂ）／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜を記録再生膜ＭＲＦに使用した超格子相変化メモリによれば、低電圧動作が可能となると考えられる。つまり、元素ＸがＧｅの場合、Ｇｅは、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ合金相の自己組織化超格子構造に含まれる（Ｓｎ、Ｓｂ）層内に配置されて、（Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｂ）層を構成しており、Ｇｅが上述した第１条件を満たしていると考えられる。
【００５７】
このように、本実施例１において添加されるＧｅは、少なくとも、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜において、添加しても自己組織化超格子構造を破壊せずに維持する第１条件を満たす元素であることがわかる。これにより、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜では、ＳｎＸＴｅ１００−Ｘ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜の低電圧動作メカニズムと同等のメカニズムによって、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜を記録再生膜ＭＲＦに使用した（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリでの低電圧動作が可能となる。すなわち、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜においても、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ合金相に含まれる自己組織化超格子構造での「Ｓｎスイッチ」を低電力で生じさせることができ、これによって、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリでの低電力動作を実現することができる。
【００５８】
続いて、Ｇｅによれば、上述した第２条件も満たしており、これによって、（ＳｎＧｅＳｂ）／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜を記録再生膜ＭＲＦに使用した超格子相変化メモリによれば、リテンション特性の向上を図ることができる点について説明する。
【００５９】
図６は、Ｓｎ酸化物とＳｂ酸化物とＧｅ酸化物のそれぞれの標準生成自由エネルギーの温度依存性を示すグラフである。図６に示すように、広い温度範囲（３００Ｋ〜８００Ｋ）にわたって、Ｇｅ酸化物の標準生成自由エネルギーΔＧ°（Ｇｅ）の絶対値が、Ｓｎ酸化物の標準生成自由エネルギーΔＧ°（Ｓｎ）の絶対値や、Ｓｂ酸化物の標準生成自由エネルギーΔＧ°（Ｓｂ）の絶対値よりも大きいことがわかる。このことは、間接的に、ＳｎとＴｅとの結合力やＳｂとＴｅとの結合力よりも、ＧｅとＴｅとの結合力が強いということを意味していることになる。
【００６０】
したがって、本実施例１で導入するＧｅは、上述した第１条件および第２条件を満たす元素であり、このＧｅが導入された（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリによれば、従来のＧＳＴ２２５に比べて充分な低電力動作を維持しつつ、リテンション特性の向上を図ることができる。なぜなら、ＳｎとＴｅとの結合力やＳｂとＴｅとの結合力よりもＴｅとの結合力が強いＧｅが導入されている自己組織化超格子構造の（Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｂ）層においては、ＧｅとＴｅとの結合が強いため、ＧｅとＴｅとの結合の波動関数の染み出しが生じ、（Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｂ）層内の各原子同士の化学的結合力が強まるからである。言い換えれば、ＧｅとＴｅとの結合が強いということは、電子雲が広がることを意味し、この広がった電子雲の影響によって、（Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｂ）層内の各原子同士の化学的結合力が強まるのである。この結果、Ｓｎ原子の揺らぎを改善することができ、これによって、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリのリテンション特性の向上を図ることができる。
【００６１】
具体的に、図７は、様々な物質からなる記録再生膜の相転移温度を示す表である。このときの相転移温度とは、温度上昇によって、相変化メモリのリセット状態からセット状態に構造が変化する温度として定義される。リセット状態とセット状態は、それぞれ、記録再生膜の高抵抗状態と低抵抗状態に対応しており、例えば、デジタル値の「０」と「１」が対応付けられている。これにより、相変化メモリの記録再生膜に情報（データ）が記憶されることになる。そして、上述した相転移温度とは、例えば、温度変化によって、リセット状態がセット状態に変化してしまう温度であり、これによって、記録再生膜に記憶されている情報が消失してしまうことになる。したがって、データ保持特性を示すリテンション特性は、相転移温度が低いほど低下し、相転移温度が高いほど向上することになる。つまり、記録再生膜の相転移温度を測定することによって、相変化メモリのリテンション特性を評価することができるのである。
【００６２】
図７において、ＳｎＴｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜は、特許文献２に記載されているＳｎＸＴｅ１００−Ｘ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリの記録再生膜であり、ＳｎＴｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜の相転移温度が８５℃であることが示されている。一方、図７において、ＧＳＴ２２５膜は、従来のＧＳＴ２２５と呼ばれる相変化メモリの記録再生膜であり、ＧＳＴ２２５膜の相転移温度が１４５℃であることが示されている。また、図７において、ＧｅＴｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜は、例えば、特許文献１に記載されたＧｅＴｅ（１１１）／Ｓｂ２Ｔｅ３（００１）超格子相変化メモリの記録再生膜であり、ＧｅＴｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜の相転移温度が１６５℃であることが示されている。以上のことから、ＳｎＸＴｅ１００−Ｘ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリの相転移温度は、ＧＳＴ２２５の相転移温度やＧｅＴｅ（１１１）／Ｓｂ２Ｔｅ３（００１）超格子相変化メモリの相転移温度よりもかなり低いことがわかる。このことは、ＳｎＸＴｅ１００−Ｘ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリのリテンション特性が、ＧＳＴ２２５のリテンション特性やＧｅＴｅ（１１１）／Ｓｂ２Ｔｅ３（００１）超格子相変化メモリのリテンション特性よりも劣化していることを意味している。
【００６３】
一方、図７において、Ｓｎ２５Ｇｅ２５Ｔｅ５０／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜は、本実施例１における（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリの記録再生膜の一例であり、Ｓｎ２５Ｇｅ２５Ｔｅ５０／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜の相転移温度が１５０℃であることが示されている。また、Ｓｎ４５Ｇｅ５Ｔｅ５０／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜は、本実施例１における（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリの記録再生膜の他の一例であり、Ｓｎ４５Ｇｅ５Ｔｅ５０／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜の相転移温度も１５０℃であることが示されている。したがって、ＳｎＴｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜の相転移温度に比べて、Ｓｎ２５Ｇｅ２５Ｔｅ５０／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜の相転移温度やＳｎ４５Ｇｅ５Ｔｅ５０／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜の相転移温度が高くなっており、かつ、ＧＳＴ２２５膜の相転移温度やＧｅＴｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜の相転移温度と同等であることがわかる。
【００６４】
このことは、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリのリテンション特性が、Ｇｅを導入することにより、ＳｎＸＴｅ１００−Ｘ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリのリテンション特性から大幅に向上していることを意味する。さらに、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリのリテンション特性が、ＧＳＴ２２５のリテンション特性やＧｅＴｅ（１１１）／Ｓｂ２Ｔｅ３（００１）超格子相変化メモリのリテンション特性と同等であることを意味している。したがって、本実施例１における（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリによれば、リテンション特性が実用に耐えうるレベルにまで向上していることが定量的に裏付けられていることがわかる。
【００６５】
ところで、図２は、記録再生膜ＭＲＦを形成する方法を示す図であり、記録再生膜ＭＲＦは、例えば、スパッタリング法を使用することにより、自由層ＦＲＬと固定層ＦＸＬを交互に積層することにより形成され、自由層ＦＲＬは、（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ膜から構成される。ここで、本実施例１では、元素ＸをＧｅとし、自由層ＦＲＬを（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ膜から形成している。そして、本実施例１で形成される（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ膜は、ＳｎとＧｅとＳｂとをあわせた原子％とＴｅの原子％とがおおよそ５０％対５０％になる組成比で形成されている。
【００６６】
ここで、特許文献２（特許文献２の図２４参照）においては、Ｓｎの原子％が５０原子％の場合のＳｎＸＴｅ１００−Ｘ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜中におけるＮａＣｌ型のＳｎＳｂＴｅ合金相の結晶構造が示されている。したがって、特許文献２からの類推によって、本実施例１のように、ＳｎとＧｅとＳｂとをあわせた原子％とＴｅの原子％とがおおよそ５０％対５０％になる組成比の（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ膜を使用して、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜を形成する場合、形成される（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ合金相は、ＮａＣｌ型であることが予想され、実際に、（ＳｎＧｅＳｂ）／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜のＸ線回折プロファイルを示す図４から、ＮａＣｌ型の（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ合金相が形成されていることがわかる。そして、上述した結晶構造解析によると、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ合金相の結晶構造として最も可能性の高い結晶構造は、例えば、図５に示すような空孔層を有するＮａＣｌ型の結晶構造であることが明らかになり、空孔層を有するＮａＣｌ型の結晶構造が自己組織化超格子構造と機能している。この結果、本実施例１で使用しているＧｅが上述した第１条件を満たしていることになり、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ合金相に含まれる自己組織化超格子構造での「Ｓｎスイッチ」を低電力で生じさせることができ、これによって、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリでの低電力動作を実現することができる。さらには、本実施例１で使用しているＧｅは、図６から第２条件も満たしており、これによって、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリのリテンション特性の向上を図ることができることになる。
【００６７】
また、特許文献２（特許文献２の図２５参照）においては、Ｓｎの原子％が低くなった場合（５原子％、１０原子％、２０原子％、３５原子％）、ＳｎＸＴｅ１００−Ｘ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜中におけるＳｎＳｂＴｅ合金相の結晶構造は、ＮａＣｌ型ではなく、ｈｃｐ（hexagonal closest packed）六方晶型の結晶構造になることが示されている。したがって、特許文献２からの類推によって、本実施例１において、ＳｎとＧｅとＳｂとをあわせた原子％がＴｅの原子％よりもかなり低くなる組成比の（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ膜を使用して、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜を形成する場合、形成される（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ合金相は、ｈｃｐ六方晶の結晶構造になることが予想される。そして、この場合も、特許文献２からの類推によって、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ合金相の結晶構造として最も可能性の高い結晶構造は、例えば、空孔層を有するｈｃｐ六方晶型の結晶構造であることが推測され、空孔層を有するｈｃｐ六方晶型の結晶構造が自己組織化超格子構造と機能すると考えられる。この場合も、本実施例１と同様に、Ｇｅが上述した第１条件を満たしていることになり、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ合金相に含まれる自己組織化超格子構造での「Ｓｎスイッチ」を低電力で生じさせることができ、これによって、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリでの低電力動作を実現することができると考えられる。さらに、Ｇｅは、図６から第２条件も満たしており、これによって、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリのリテンション特性の向上を図ることができることになる。
【００６８】
特に、特許文献２の説明から、ＳｎとＧｅとＳｂとをあわせた原子％がＴｅの原子％よりもかなり低くなる組成比の（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ膜を使用すれば、「Ｓｎスイッチ」の低電力動作が加速されると類推することができる。したがって、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリでのリテンション特性の向上を図りながら、かつ、充分な低電力動作を実現する観点からは、ＳｎとＧｅとＳｂとをあわせた原子％がＴｅの原子％よりもかなり低くなる組成比の（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ膜を使用して、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜を形成することが望ましいと考えることができる。
【００６９】
さらに、本実施例１で説明したメカニズムによれば、ＧｅとＴｅとの結合が強いため、ＧｅとＴｅとの結合の波動関数の染み出しが生じ、（Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｂ）層内の各原子同士の化学的結合力が強まることによってリテンション特性を向上できる。このことを考慮すると、ＳｎとＧｅとＳｂとをあわせた原子％がＴｅの原子％よりもかなり低くなる組成比の（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ膜を使用し、かつ、各原子同士の化学結合力を強める機能を有するＧｅの原子％を固溶限界の範囲内で増加させることにより、効率的にリテンション特性の向上を図りながら、かつ、充分な低電力動作を実現することができると考えられる。以上のことは、後述する実施例２〜実施例４にも同様に当てはまる。
【００７０】
＜実施例２：元素Ｘ＝Ａｌ原子の場合＞
図８は、元素ＸがＡｌの場合において、（ＳｎＡｌＳｂ）／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜のＸ線回折プロファイルを示す図である。図８に示すように、ＮａＣｌ型の（ＳｎＡｌＳｂ）Ｔｅ合金相のピークのみが観測されている。このことから、（ＳｎＡｌＳｂ）／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜は、大部分が（ＳｎＡｌＳｂ）Ｔｅ合金相から構成されていることがわかる。そして、図８から他相が観測されていないため、Ａｌは（ＳｎＡｌＳｂ）Ｔｅ合金相の中の（Ｓｎ、Ｓｂ）層に固溶していると考えられる。
【００７１】
次に、図８に示すピークを有するＮａＣｌ型の（ＳｎＡｌＳｂ）Ｔｅ合金相についての結晶構造解析結果を説明する。結晶構造解析には、例えば、「J. Appl. Phys.112, 034301 (2012)」に記載された方法を使用している。具体的に、この結晶構造解析においては、(Ｉ１１１／Ｉ２２２)Ｏｂｓ≒(Ｉ１１１／Ｉ２２２)Ｃａｌ、および０．７≦Ｓ≦１（±０．１）を満たす結晶構造を探索した。ここで、Ｉ１１１は、（１１１）ピークの積分強度を示しており、Ｉ２２２は、（２２２）ピークの積分強度を示している。また、(Ｉ１１１/Ｉ２２２)Ｏｂｓは、実験積分強度比であり、(Ｉ１１１/Ｉ２２２)Ｃａｌは、理論積分強度比であり、Ｓは規則度である。
【００７２】
この結晶構造解析の結果、（ＳｎＡｌＳｂ）Ｔｅ合金相の結晶構造として最も可能性の高い結晶構造は、例えば、図９に示すような空孔層を有するＮａＣｌ型の結晶構造であることがわかった。具体的に、（ＳｎＡｌＳｂ）Ｔｅ合金相は、図９に示すように、（ＳｎＡｌＳｂ）Ｔｅ[１１１]方向に、「−Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−ファンデルワールスギャップ層―Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層―空孔層―Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−」の順に積層された結晶構造を有していると考えられる。
【００７３】
そして、（ＳｎＡｌＳｂ）Ｔｅ合金相の結晶構造においては、印加電圧および印加電流に応じて、空孔層という空間を使用して、「−Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−空孔層−Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−」状態であるＳｎ原子の６配位中心位置（Ａｓ−ｄｅｐ．状態）と、「−Ｔｅ層−空孔層−Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−空孔層−Ｔｅ層−」状態であるＳｎ原子の４配位中心位置との間で積層構造が変化する可能性がある。つまり、（ＳｎＡｌＳｂ）Ｔｅ合金相に存在する空孔層で、Ｓｎの挿入と脱離が行なわれる「Ｓｎスイッチ」が生じる可能性が高い。
【００７４】
また、上側の結晶構造に含まれている空孔層は「Ｓｎスイッチ」する上で重要な空間層である一方、下側の結晶構造においては、「Ｓｎスイッチ」の際の体積変化を吸収する緩衝層として機能するために必要な空間であるファンデルワールスギャップ層である可能性が高い。すなわち、（ＳｎＡｌＳｂ）Ｔｅ合金相は、自己組織化超格子構造を含んでいる可能性が高いことがわかる。
【００７５】
このことから、（ＳｎＡｌＳｂ）／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜は、自己組織化超格子構造を含む（ＳｎＡｌＳｂ）Ｔｅ合金相から構成されており、この（ＳｎＡｌＳｂ）／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜を記録再生膜ＭＲＦに使用した超格子相変化メモリによれば、低電圧動作が可能となると考えられる。つまり、元素ＸがＡｌの場合、Ａｌは、（ＳｎＡｌＳｂ）Ｔｅ合金相の自己組織化超格子構造に含まれる（Ｓｎ、Ｓｂ）層内に配置されて、（Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂ）層を構成しており、Ａｌが上述した第１条件を満たしていると考えられる。
【００７６】
このように、本実施例２において添加されるＡｌは、少なくとも、（ＳｎＡｌＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜において、添加しても自己組織化超格子構造を破壊せずに維持する第１条件を満たす元素であることがわかる。これにより、（ＳｎＡｌＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜では、ＳｎＸＴｅ１００−Ｘ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜の低電圧動作メカニズムと同等のメカニズムによって、（ＳｎＡｌＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜を記録再生膜ＭＲＦに使用した（ＳｎＡｌＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリでの低電圧動作が可能となる。すなわち、（ＳｎＡｌＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜においても、（ＳｎＡｌＳｂ）Ｔｅ合金相に含まれる自己組織化超格子構造での「Ｓｎスイッチ」を低電力で生じさせることができ、これによって、（ＳｎＡｌＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリでの低電力動作を実現することができる。
【００７７】
続いて、Ａｌによれば、上述した第２条件も満たしており、これによって、（ＳｎＡｌＳｂ）／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜を記録再生膜ＭＲＦに使用した超格子相変化メモリによれば、リテンション特性の向上を図ることができる点について説明する。
【００７８】
図１０は、Ｓｎ酸化物とＳｂ酸化物とＡｌ酸化物のそれぞれの標準生成自由エネルギーの温度依存性を示すグラフである。図１０に示すように、広い温度範囲（３００Ｋ〜８００Ｋ）にわたって、Ａｌ酸化物の標準生成自由エネルギーΔＧ°（Ａｌ）の絶対値が、Ｓｎ酸化物の標準生成自由エネルギーΔＧ°（Ｓｎ）の絶対値や、Ｓｂ酸化物の標準生成自由エネルギーΔＧ°（Ｓｂ）の絶対値よりも大きいことがわかる。このことは、間接的に、ＳｎとＴｅとの結合力やＳｂとＴｅとの結合力よりも、ＡｌとＴｅとの結合力が強いということを意味していることになる。
【００７９】
したがって、本実施例２で導入するＡｌは、上述した第１条件および第２条件を満たす元素であり、このＡｌが導入された（ＳｎＡｌＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリによれば、従来のＧＳＴ２２５に比べて充分な低電力動作を維持しつつ、リテンション特性の向上を図ることができる。なぜなら、ＳｎとＴｅとの結合力やＳｂとＴｅとの結合力よりもＴｅとの結合力が強いＡｌが導入されている自己組織化超格子構造の（Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂ）層においては、ＡｌとＴｅとの結合が強いため、ＡｌとＴｅとの結合の波動関数の染み出しが生じ、（Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂ）層内の各原子同士の化学的結合力が強まるからである。言い換えれば、ＡｌとＴｅとの結合が強いということは、電子雲が広がることを意味し、この広がった電子雲の影響によって、（Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂ）層内の各原子同士の化学的結合力が強まるのである。この結果、Ｓｎ原子の揺らぎを改善することができ、これによって、（ＳｎＡｌＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリのリテンション特性の向上を図ることができる。
【００８０】
具体的に、図７において、Ｓｎ４５Ａｌ５Ｔｅ５０／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜は、本実施例２における（ＳｎＡｌＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリの記録再生膜の一例であり、Ｓｎ４５Ａｌ５Ｔｅ５０／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜の相転移温度が１４５℃であることが示されている。したがって、ＳｎＴｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜の相転移温度に比べて、Ｓｎ４５Ａｌ５Ｔｅ５０／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜の相転移温度が高くなっており、かつ、ＧＳＴ２２５膜の相転移温度やＧｅＴｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜の相転移温度と同等であることがわかる。
【００８１】
このことは、（ＳｎＡｌＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリのリテンション特性が、Ａｌを導入することにより、ＳｎＸＴｅ１００−Ｘ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリのリテンション特性から大幅に向上していることを意味する。さらに、（ＳｎＡｌＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリのリテンション特性が、ＧＳＴ２２５のリテンション特性やＧｅＴｅ（１１１）／Ｓｂ２Ｔｅ３（００１）超格子相変化メモリのリテンション特性と同等であることを意味している。したがって、本実施例２における（ＳｎＡｌＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリによれば、リテンション特性が実用に耐えうるレベルにまで向上していることが定量的に裏付けられていることがわかる。
【００８２】
＜実施例３：元素Ｘ＝Ｍｎ原子、Ｃｒ原子の場合＞
本実施例３では、元素Ｘとして、Ｍｎ原子およびＣｒ原子を使用する例について説明する。ＭｎおよびＣｒは、テルル化物に対して固溶する特性を有していると考えられる。このことから、ＭｎやＣｒが自己組織化超格子構造の（Ｓｎ、Ｓｂ）層に固溶して、自己組織化超格子構造を破壊することなく、（Ｓｎ、Ｍｎ、Ｓｂ）層や（Ｓｎ、Ｃｒ、Ｓｂ）層を形成すると考えることができる。
【００８３】
したがって、元素Ｘが、Ｍｎ原子やＣｒ原子の場合も、実施例１で説明したＧｅ原子や、実施例２で説明したＡｌ原子と同様の結晶構造になる可能性が高いと考えられる。つまり、図１１に示すように、（ＳｎＭｎＳｂ）Ｔｅ合金相は、（ＳｎＭｎＳｂ）Ｔｅ[１１１]方向に、「−Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ｍｎ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−ファンデルワールスギャップ層―Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ｍｎ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ｍｎ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層―空孔層―Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ｍｎ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−」の順に積層された結晶構造を有していると考えられる。
【００８４】
そして、（ＳｎＭｎＳｂ）Ｔｅ合金相の結晶構造においては、印加電圧および印加電流に応じて、空孔層という空間を使用して、「−Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ｍｎ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−空孔層−Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ｍｎ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−」状態であるＳｎ原子の６配位中心位置（Ａｓ−ｄｅｐ．状態）と、「−Ｔｅ層−空孔層−Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ｍｎ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−空孔層−Ｔｅ層−」状態であるＳｎ原子の４配位中心位置との間で積層構造が変化する可能性がある。つまり、（ＳｎＭｎＳｂ）Ｔｅ合金相に存在する空孔層で、Ｓｎの挿入と脱離が行なわれる「Ｓｎスイッチ」が生じる可能性が高い。
【００８５】
また、上側の結晶構造に含まれている空孔層は「Ｓｎスイッチ」する上で重要な空間層である一方、下側の結晶構造においては、「Ｓｎスイッチ」の際の体積変化を吸収する緩衝層として機能するために必要な空間であるファンデルワールスギャップ層である可能性が高い。すなわち、（ＳｎＭｎＳｂ）Ｔｅ合金相は、自己組織化超格子構造を含んでいる可能性が高いことがわかる。
【００８６】
このことから、（ＳｎＭｎＳｂ）／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜は、自己組織化超格子構造を含む（ＳｎＭｎＳｂ）Ｔｅ合金相から構成されており、この（ＳｎＭｎＳｂ）／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜を記録再生膜ＭＲＦに使用した超格子相変化メモリによれば、低電圧動作が可能となると考えられる。つまり、元素ＸがＭｎの場合、Ｍｎは、（ＳｎＭｎＳｂ）Ｔｅ合金相の自己組織化超格子構造に含まれる（Ｓｎ、Ｓｂ）層内に配置されて、（Ｓｎ、Ｍｎ、Ｓｂ）層を構成しており、Ｍｎが上述した第１条件を満たしていると考えられる。
【００８７】
このように、本実施例３において添加されるＭｎは、少なくとも、（ＳｎＭｎＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜において、添加しても自己組織化超格子構造を破壊せずに維持する第１条件を満たす元素であることがわかる。これにより、（ＳｎＭｎＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜では、ＳｎＸＴｅ１００−Ｘ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜の低電圧動作メカニズムと同等のメカニズムによって、（ＳｎＭｎＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜を記録再生膜ＭＲＦに使用した（ＳｎＭｎＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリでの低電圧動作が可能となる。すなわち、（ＳｎＭｎＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜においても、（ＳｎＭｎＳｂ）Ｔｅ合金相に含まれる自己組織化超格子構造での「Ｓｎスイッチ」を低電力で生じさせることができ、これによって、（ＳｎＭｎＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリでの低電力動作を実現することができる。
【００８８】
続いて、Ｍｎによれば、上述した第２条件も満たしており、これによって、（ＳｎＭｎＳｂ）／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜を記録再生膜ＭＲＦに使用した超格子相変化メモリによれば、リテンション特性の向上を図ることができる点について説明する。
【００８９】
図１３は、Ｓｎ酸化物とＳｂ酸化物とＭｎ酸化物のそれぞれの標準生成自由エネルギーの温度依存性を示すグラフである。図１３に示すように、広い温度範囲（３００Ｋ〜８００Ｋ）にわたって、Ｍｎ酸化物の標準生成自由エネルギーΔＧ°（Ｍｎ）の絶対値が、Ｓｎ酸化物の標準生成自由エネルギーΔＧ°（Ｓｎ）の絶対値や、Ｓｂ酸化物の標準生成自由エネルギーΔＧ°（Ｓｂ）の絶対値よりも大きいことがわかる。このことは、間接的に、ＳｎとＴｅとの結合力やＳｂとＴｅとの結合力よりも、ＭｎとＴｅとの結合力が強いということを意味していることになる。
【００９０】
したがって、本実施例３で導入するＭｎは、上述した第１条件および第２条件を満たす元素であり、このＭｎが導入された（ＳｎＭｎＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリによれば、従来のＧＳＴ２２５に比べて充分な低電力動作を維持しつつ、リテンション特性の向上を図ることができる。なぜなら、ＳｎとＴｅとの結合力やＳｂとＴｅとの結合力よりもＴｅとの結合力が強いＭｎが導入されている自己組織化超格子構造の（Ｓｎ、Ｍｎ、Ｓｂ）層においては、ＭｎとＴｅとの結合が強いため、ＭｎとＴｅとの結合の波動関数の染み出しが生じ、（Ｓｎ、Ｍｎ、Ｓｂ）層内の各原子同士の化学的結合力が強まるからである。言い換えれば、ＭｎとＴｅとの結合が強いということは、電子雲が広がることを意味し、この広がった電子雲の影響によって、（Ｓｎ、Ｍｎ、Ｓｂ）層内の各原子同士の化学的結合力が強まるのである。この結果、Ｓｎ原子の揺らぎを改善することができ、これによって、（ＳｎＭｎＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリのリテンション特性の向上を図ることができる。
【００９１】
同様に、（ＳｎＣｒＳｂ）Ｔｅ合金相は、図１２に示すように、（ＳｎＣｒＳｂ）Ｔｅ[１１１]方向に、「−Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ｃｒ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−ファンデルワールスギャップ層―Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ｃｒ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ｃｒ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層―空孔層―Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ｃｒ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−」の順に積層された結晶構造を有していると考えられる。
【００９２】
そして、（ＳｎＣｒＳｂ）Ｔｅ合金相の結晶構造においては、印加電圧および印加電流に応じて、空孔層という空間を使用して、「−Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ｃｒ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−空孔層−Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ｃｒ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−」状態であるＳｎ原子の６配位中心位置（Ａｓ−ｄｅｐ．状態）と、「−Ｔｅ層−空孔層−Ｔｅ層−（Ｓｎ、Ｃｒ、Ｓｂ）層−Ｔｅ層−空孔層−Ｔｅ層−」状態であるＳｎ原子の４配位中心位置との間で積層構造が変化する可能性がある。つまり、（ＳｎＣｒＳｂ）Ｔｅ合金相に存在する空孔層で、Ｓｎの挿入と脱離が行なわれる「Ｓｎスイッチ」が生じる可能性が高い。
【００９３】
また、上側の結晶構造に含まれている空孔層は「Ｓｎスイッチ」する上で重要な空間層である一方、下側の結晶構造においては、「Ｓｎスイッチ」の際の体積変化を吸収する緩衝層として機能するために必要な空間であるファンデルワールスギャップ層である可能性が高い。すなわち、（ＳｎＭｎＳｂ）Ｔｅ合金相は、自己組織化超格子構造を含んでいる可能性が高いことがわかる。
【００９４】
このことから、（ＳｎＣｒＳｂ）／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜は、自己組織化超格子構造を含む（ＳｎＣｒＳｂ）Ｔｅ合金相から構成されており、この（ＳｎＣｒＳｂ）／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜を記録再生膜ＭＲＦに使用した超格子相変化メモリによれば、低電圧動作が可能となると考えられる。つまり、元素ＸがＣｒの場合、Ｃｒは、（ＳｎＣｒＳｂ）Ｔｅ合金相の自己組織化超格子構造に含まれる（Ｓｎ、Ｓｂ）層内に配置されて、（Ｓｎ、Ｃｒ、Ｓｂ）層を構成しており、Ｃｒが上述した第１条件を満たしていると考えられる。
【００９５】
このように、本実施例３において添加されるＣｒは、少なくとも、（ＳｎＣｒＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜において、添加しても自己組織化超格子構造を破壊せずに維持する第１条件を満たす元素であることがわかる。これにより、（ＳｎＣｒＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜では、ＳｎＸＴｅ１００−Ｘ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜の低電圧動作メカニズムと同等のメカニズムによって、（ＳｎＣｒＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜を記録再生膜ＭＲＦに使用した（ＳｎＣｒＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリでの低電圧動作が可能となる。すなわち、（ＳｎＣｒＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜においても、（ＳｎＣｒＳｂ）Ｔｅ合金相に含まれる自己組織化超格子構造での「Ｓｎスイッチ」を低電力で生じさせることができ、これによって、（ＳｎＣｒＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリでの低電力動作を実現することができる。
【００９６】
続いて、Ｃｒによれば、上述した第２条件も満たしており、これによって、（ＳｎＣｒＳｂ）／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜を記録再生膜ＭＲＦに使用した超格子相変化メモリによれば、リテンション特性の向上を図ることができる点について説明する。
【００９７】
図１３は、Ｓｎ酸化物とＳｂ酸化物とＣｒ酸化物のそれぞれの標準生成自由エネルギーの温度依存性を示すグラフである。図１３に示すように、広い温度範囲（３００Ｋ〜８００Ｋ）にわたって、Ｃｒ酸化物の標準生成自由エネルギーΔＧ°（Ｃｒ）の絶対値が、Ｓｎ酸化物の標準生成自由エネルギーΔＧ°（Ｓｎ）の絶対値や、Ｓｂ酸化物の標準生成自由エネルギーΔＧ°（Ｓｂ）の絶対値よりも大きいことがわかる。このことは、間接的に、ＳｎとＴｅとの結合力やＳｂとＴｅとの結合力よりも、ＣｒとＴｅとの結合力が強いということを意味していることになる。
【００９８】
したがって、本実施例３で導入するＣｒは、上述した第１条件および第２条件を満たす元素であり、このＣｒが導入された（ＳｎＣｒＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリによれば、従来のＧＳＴ２２５に比べて充分な低電力動作を維持しつつ、リテンション特性の向上を図ることができる。なぜなら、ＳｎとＴｅとの結合力やＳｂとＴｅとの結合力よりもＴｅとの結合力が強いＣｒが導入されている自己組織化超格子構造の（Ｓｎ、Ｃｒ、Ｓｂ）層においては、ＣｒとＴｅとの結合が強いため、ＣｒとＴｅとの結合の波動関数の染み出しが生じ、（Ｓｎ、Ｃｒ、Ｓｂ）層内の各原子同士の化学的結合力が強まるからである。言い換えれば、ＣｒとＴｅとの結合が強いということは、電子雲が広がることを意味し、この広がった電子雲の影響によって、（Ｓｎ、Ｃｒ、Ｓｂ）層内の各原子同士の化学的結合力が強まるのである。この結果、Ｓｎ原子の揺らぎを改善することができ、これによって、（ＳｎＣｒＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリのリテンション特性の向上を図ることができる。
【００９９】
＜実施例４：元素Ｘ＝Ｍｏ原子、Ｎｂ原子、Ｖ原子、Ｓｉ原子の場合＞
本実施例４では、元素Ｘとして、Ｍｏ原子、Ｎｂ原子、Ｖ原子あるいはＳｉ原子を使用する例について説明する。Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｓｉは、テルル化物に対して固溶する特性を有していると考えられる。このことは、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｓｉが自己組織化超格子構造の（Ｓｎ、Ｓｂ）層に固溶して、自己組織化超格子構造を破壊することなく、（Ｓｎ、Ｍｏ、Ｓｂ）層や（Ｓｎ、Ｎｂ、Ｓｂ）層や（Ｓｎ、Ｖ、Ｓｂ）層や（Ｓｎ、Ｓｉ、Ｓｂ）層を形成すると考えられる。したがって、元素Ｘが、Ｍｏ原子、Ｎｂ原子、Ｖ原子あるいはＳｉ原子の場合も、実施例１で説明したＧｅ原子や、実施例２で説明したＡｌ原子や、実施例３で説明したＭｎ原子およびＣｒ原子と同様の結晶構造になる可能性が高いと考えられ、上述した第１条件を満たしていると考えられる。
【０１００】
続いて、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｓｉによれば、上述した第２条件も満たしており、これによって、（ＳｎＸＳｂ）／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜（Ｘ＝Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｓｉ）を記録再生膜ＭＲＦに使用した超格子相変化メモリによれば、リテンション特性の向上を図ることができる点について説明する。
【０１０１】
図１４は、Ｓｎ酸化物とＳｂ酸化物とＭｏ酸化物とＮｂ酸化物とＶ酸化物とＳｉ酸化物のそれぞれの標準生成自由エネルギーの温度依存性を示すグラフである。図１４に示すように、広い温度範囲（３００Ｋ〜８００Ｋ）にわたって、Ｍｏ酸化物の標準生成自由エネルギーΔＧ°（Ｍｏ）の絶対値が、Ｓｎ酸化物の標準生成自由エネルギーΔＧ°（Ｓｎ）の絶対値や、Ｓｂ酸化物の標準生成自由エネルギーΔＧ°（Ｓｂ）の絶対値よりも大きいことがわかる。このことは、間接的に、ＳｎとＴｅとの結合力やＳｂとＴｅとの結合力よりも、ＭｏとＴｅとの結合力が強いということを意味していることになる。同様に、Ｎｂ酸化物の標準生成自由エネルギーΔＧ°（Ｎｂ）の絶対値やＶ酸化物の標準生成自由エネルギーΔＧ°（Ｖ）の絶対値やＳｉ酸化物の標準生成自由エネルギーΔＧ°（Ｓｉ）の絶対値が、Ｓｎ酸化物の標準生成自由エネルギーΔＧ°（Ｓｎ）の絶対値や、Ｓｂ酸化物の標準生成自由エネルギーΔＧ°（Ｓｂ）の絶対値よりも大きいことがわかる。このことは、間接的に、ＳｎとＴｅとの結合力やＳｂとＴｅとの結合力よりも、ＭｏとＴｅとの結合力や、ＮｂとＴｅとの結合力や、ＶとＴｅとの結合力や、ＳｉとＴｅとの結合力が強いということを意味していることになる。
【０１０２】
したがって、本実施例４で導入するＸ（Ｘ＝Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｓｉ）は、上述した第１条件および第２条件を満たす元素であり、この元素Ｘが導入された（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリによれば、従来のＧＳＴ２２５に比べて充分な低電力動作を維持しつつ、リテンション特性の向上を図ることができる。なぜなら、ＳｎとＴｅとの結合力やＳｂとＴｅとの結合力よりもＴｅとの結合力が強い元素Ｘが導入されている自己組織化超格子構造の（Ｓｎ、Ｘ、Ｓｂ）層においては、元素ＸとＴｅとの結合が強いため、元素ＸとＴｅとの結合の波動関数の染み出しが生じ、（Ｓｎ、Ｘ、Ｓｂ）層内の各原子同士の化学的結合力が強まるからである。言い換えれば、元素ＸとＴｅとの結合が強いということは、電子雲が広がることを意味し、この広がった電子雲の影響によって、（Ｓｎ、Ｘ、Ｓｂ）層内の各原子同士の化学的結合力が強まるのである。この結果、Ｓｎ原子の揺らぎを改善することができ、これによって、（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリのリテンション特性の向上を図ることができる。
【０１０３】
（実施の形態２）
本実施の形態２では、前記実施の形態１における相変化メモリを使用した半導体記録再生装置について説明する。
【０１０４】
＜メモリセルの構成＞
図１５は、本実施の形態２における半導体記録再生装置のメモリセルの構成を示す断面図である。図１５において、本実施の形態２におけるメモリセルＭＣ１は、例えば、単結晶シリコンからなる半導体基板１Ｓの主面に形成され、メモリセルＭＣ１を選択する選択トランジスタＳＴである電界効果トランジスタと、選択トランジスタＳＴの上方に形成されたメモリ部ＭＵとを備えている。メモリセルＭＣ１では、メモリ部に含まれる記録再生膜ＭＲＦの原子配列または原子位置の変化により、記録再生膜ＭＲＦの電気抵抗を低抵抗状態と高抵抗状態との間で変化させて情報を記録する。
【０１０５】
以下の説明では、記録再生膜ＭＲＦの抵抗が相対的に低い状態（低抵抗状態）を「セット状態」と呼び、記録再生膜ＭＲＦの抵抗が相対的に高い状態（高抵抗状態）を「リセット状態」と呼ぶことにする。また、記録再生膜ＭＲＦを高抵抗状態から低抵抗状態へ変化させる動作を「セット動作」と呼び、記録再生膜ＭＲＦを低抵抗状態から高抵抗状態へ変化させる動作を「リセット動作」と呼ぶことにする。
【０１０６】
なお、本実施の形態２では、半導体基板１Ｓを用いる例について説明するが、半導体基板１Ｓに代えて、ガラス基板やそのほかの各種の基板上に半導体層が形成された基板を用いることもできる。
【０１０７】
以下に、本実施の形態２におけるメモリセルＭＣ１の具体的な構成について説明する。図１５に示すように、半導体基板１Ｓの主面上には、ゲート絶縁膜ＧＯＸを介して、ゲート電極ＧＥが形成され、半導体基板１Ｓ内には、ゲート電極ＧＥを挟むようにドレイン領域ＤＲとソース領域ＳＲが形成されている。ドレイン領域ＤＲ、ソース領域ＳＲ、および、ゲート電極ＧＥは、電界効果トランジスタからなる選択トランジスタＳＴを構成している。そして、ゲート電極ＧＥの両側の側壁には、サイドウォールスペーサＳＷが形成されており、このサイドウォールスペーサＳＷも選択トランジスタの一部を構成している。
【０１０８】
ゲート電極ＧＥは、図１５では図示を省略するものの、例えば、タングステン（Ｗ）等からなるワード線と電気的に接続されており、ドレイン領域ＤＲは、後述するように、配線Ｍ１ａ（Ｍ１）およびメモリ部ＭＵを介して、ビット線ＢＬと電気的に接続されている。
【０１０９】
半導体基板１Ｓの主面には、ドレイン領域ＤＲまたはソース領域ＳＲに接して素子分離領域ＳＴＩが形成されており、半導体基板１Ｓ上には、ゲート電極ＧＥおよび素子分離領域ＳＴＩを覆うように、例えば、酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜ＩＬＤ１が形成されている。
【０１１０】
層間絶縁膜ＩＬＤ１上には、例えば、金属膜からなる配線Ｍ１が形成されており、この配線Ｍ１は、層間絶縁膜ＩＬＤ１を貫通するように形成されたコンタクトプラグＣＰ１を介して、ドレイン領域ＤＲあるいはソース領域ＳＲと電気的に接続されている。コンタクトプラグＣＰ１は、例えば、タングステン膜から構成されている。
【０１１１】
層間絶縁膜ＩＬＤ１上には、配線Ｍ１を覆うように、例えば、酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜ＩＬＤ２が形成されている。層間絶縁膜ＩＬＤ２のうち、ドレイン領域ＤＲと電気的に接続された配線Ｍ１ａの上部には、層間絶縁膜ＩＬＤ２を貫通するように、下部電極ＢＥが形成されている。この下部電極ＢＥは、配線Ｍ１ａと電気的に接続されている。
【０１１２】
層間絶縁膜ＩＬＤ２上には、記録再生膜ＭＲＦが形成されている。この記録再生膜ＭＲＦには、例えば、前記実施例１〜４で説明した（ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜が用いられている。この記録再生膜ＭＲＦは、下部電極ＢＥと電気的に接続されている。すなわち、記録再生膜ＭＲＦは、下部電極ＢＥ、配線Ｍ１ａおよびコンタクトプラグＣＰ１を介して、ドレイン領域ＤＲと電気的に接続されている。また、記録再生膜ＭＲＦ上には、上部電極ＵＥが形成されており、この上部電極ＵＥは、記録再生膜ＭＲＦと電気的に接続されている。そして、上述した下部電極ＢＥ、記録再生膜ＭＲＦ、および、上部電極ＵＥによってメモリ部ＭＵが形成され、このメモリ部ＭＵは、選択トランジスタＳＴと電気的に接続されていることになる。
【０１１３】
層間絶縁膜ＩＬＤ２上には、記録再生膜ＭＲＦおよび上部電極ＵＥを覆うように、例えば、酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜ＩＬＤ３が形成されている。この層間絶縁膜ＩＬＤ３のうち、上部電極ＵＥの上部には、層間絶縁膜ＩＬＤ３を貫通するように、例えば、タングステン等からなるコンタクトプラグＣＰ２が形成されている。このコンタクトプラグＣＰ２は、上部電極ＵＥと電気的に接続されている。
【０１１４】
層間絶縁膜ＩＬＤ３上には、例えば、タングステン等からなるビット線ＢＬが形成されている。このビット線ＢＬは、コンタクトプラグＣＰ２と電気的に接続されている。すなわち、記録再生膜ＭＲＦは、上部電極ＵＥおよびコンタクトプラグＣＰ２を介して、ビット線ＢＬと電気的に接続されている。したがって、選択トランジスタＳＴのドレイン領域ＤＲは、コンタクトプラグＣＰ１、配線Ｍ１ａ、下部電極ＢＥ、記録再生膜ＭＲＦ、上部電極ＵＥおよびコンタクトプラグＣＰ２を介して、ビット線ＢＬと電気的に接続されていることになる。なお、ビット線ＢＬは、さらに他の回路と電気的に接続されている。
【０１１５】
なお、図１５では、1つのメモリセルＭＣ１について、ビット線ＢＬが延在する方向に沿った断面図の一例を示しているが、実際には、半導体基板１Ｓ上に、上述したメモリセルＭＣ１と同様の構成をした複数のメモリセルが、平面視において、アレイ状に配置されている。
【０１１６】
＜メモリセルアレイの構成＞
次に、本実施の形態２における半導体記録再生装置のメモリアレイの構成例について説明する。図１６は、本実施の形態２における半導体記録再生装置のメモリセルアレイＭＡ１の構成例を示す等価回路図である。
【０１１７】
図１６に示すように、本実施の形態２における半導体記録再生装置は、第１方向に延在する複数のワード線ＷＬ（ＷＬ１〜ＷＬ５）、第１方向と交差する第２方向に延在する複数のビット線ＢＬ（ＢＬ１〜ＢＬ４）、および、各ワード線ＷＬと各ビット線ＢＬが交差する領域に配置された複数のメモリセルＭＣ１を含むメモリセルアレイＭＡ１を備えている。複数のメモリセルＭＣ１のそれぞれは、選択トランジスタＳＴと、記録再生膜を含むメモリ部ＭＵとを備えている。選択トランジスタＳＴのドレイン領域ＤＲは、メモリ部ＭＵを介して、ビット線ＢＬと電気的に接続されている。また、選択トランジスタＳＴのソース領域ＳＲは、例えば、基準電位（ＧＮＤ電位）に接地されている。
【０１１８】
なお、図１６では、記録再生膜を含むメモリ部ＭＵを電気抵抗として表示している。また、図１６では、図示を簡単にするために、各ワード線ＷＬと各ビット線ＢＬが交差する領域に配置された複数のメモリセルＭＣ１のうち１つにのみ符号を付している。
【０１１９】
＜メモリセルアレイの動作＞
本実施の形態２におけるメモリセルアレイＭＡ１は、上記のように構成されており、以下に、その動作について説明する。具体的に、メモリセルアレイＭＡ１は以下に示すように動作する。
【０１２０】
例として、前記実施例１に記載されたＸがＧｅ原子の場合の（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子膜を記録再生膜に用いた場合について説明する。図１７（ａ）は、（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリを模した簡易素子のリード抵抗のパルス電圧依存性を示すグラフであり、図１７（ｂ）は、リード抵抗のダイナミック電流依存性を示すグラフである。このとき、セット電圧は、例えば、約０．２０Ｖであり、リセット電圧は、例えば、約０．４６Ｖであった。また、セット電流は、例えば、約４μＡであり、リセット電流は、例えば、約１０μＡであった。この簡易素子を（ＳｎＧｅＳｂ）Ｔｅ／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子相変化メモリの記録再生膜に用いた場合について説明する。
【０１２１】
まず、図１６に示す選択セルＳＭＣであるメモリセルＭＣ１のゲート電極に接続されたワード線ＷＬ１に、例えば、２Ｖを印加し、選択セルＳＭＣの選択トランジスタＳＴをオン状態にする。また、選択セルＳＭＣのドレイン領域ＤＲにメモリ部ＭＵを介して接続されたビット線ＢＬ１に、リセット動作時には、例えば、０．５Ｖを印加し、セット動作時には、例えば、０．２Ｖを印加し、読み出し動作時には、例えば、０．０５Ｖを印加する。そして、ワード線ＷＬ１以外のワード線ＷＬ２、ＷＬ３、ＷＬ４、および、ＷＬ５の電位を、例えば、０Ｖとし、ビット線ＢＬ１以外のビット線ＢＬ２、ＢＬ３、および、ＢＬ４の電位を、例えば、０Ｖとする。
【０１２２】
このとき、選択セルＳＭＣでは、選択トランジスタＳＴがオン状態であるため、メモリ部ＭＵの記録再生膜に電流が流れる。リセット動作の際には、選択セルＳＭＣの記録再生膜に流れる電流（リセット動作用のプログラミング電流）によって、記録再生膜の原子配列または原子位置を変化させる。この結果、記録再生膜の抵抗値を高抵抗状態に変化させることにより、リセット動作が完了する。
【０１２３】
一方、セット動作の際には、選択セルＳＭＣの記録再生膜に流れる電流（セット動作用のプログラミング電流）によって、記録再生膜の原子配列または原子位置を変化させる。この結果、記録再生膜の抵抗値を低抵抗状態に変化させることにより、セット動作が完了する。読み出し動作の際には、選択セルＳＭＣの記録再生膜に流れる電流値を判定することにより、情報の読み出しを行なう。
【０１２４】
これに対し、ビット線ＢＬ２、ＢＬ３、および、ＢＬ４のいずれかに接続され、かつ、ワード線ＷＬ１に接続されたメモリセルでは、ビット線ＢＬ２、ＢＬ３、および、ＢＬ４の電位が０Ｖであり、記録再生膜の両端に電位差が生じないため、記録再生膜に電流が流れず、動作しないことになる。また、ビット線ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３、および、ＢＬ４のいずれかに接続され、かつ、ワード線ＷＬ２、ＷＬ３、ＷＬ４、および、ＷＬ５のいずれかに接続されたメモリセルでは、選択トランジスタがオフ状態となり、電流が流れないため、動作しない。このように、メモリセルアレイＭＡ１では、選択セルＳＭＣ以外のメモリセルを不活性状態にしながら、対象となる選択セルＳＭＣについて活性状態にすることにより、選択セルＳＭＣについて、リセット動作、セット動作、あるいは、読み出し動作を実施することができる。
【０１２５】
なお、上述したメモリセルアレイＭＡ１の動作では、前記実施例１に記載された記録再生膜に用いた場合を例に挙げて、ワード線ＷＬやビット線ＢＬに印加する電圧を具体的に例示した。したがって、前記実施例２〜４に記載された記録再生膜に用いた場合においては、ワード線ＷＬやビット線ＢＬに印加する具体的な電圧値は相違することになるが、基本的なメモリセルアレイＭＡ１の動作は、上述した動作と同様に行なうことができる。
【０１２６】
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記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種々変更可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１２７】
本発明は、相変化メモリを含む半導体記録再生装置を製造する製造業に幅広く利用することができる。なお、現在、実用化されているＧＳＴ２２５に代表される相変化メモリに替わって、本発明の相変化メモリが半導体記録再生装置に適用される可能性が高い。
【符号の説明】
【０１２８】
１Ｓ  半導体基板
ＡＬＰ  （ＳｎＸＳｂ）Ｔｅ合金相
ＢＥ  下部電極
ＢＬ  ビット線
ＢＬ１  ビット線
ＢＬ２  ビット線
ＢＬ３  ビット線
ＢＬ４  ビット線
ＣＰ１  コンタクトプラグ
ＣＰ２  コンタクトプラグ
ＤＲ  ドレイン領域
ＦＤＦ  下地膜
ＦＲＬ  自由層
ＦＸＬ  固定層
ＧＥ  ゲート電極
ＧＯＸ  ゲート絶縁膜
ＩＤＬ１  層間絶縁膜
ＩＤＬ２  層間絶縁膜
ＩＤＬ３  層間絶縁膜
ＭＣ１  メモリセル
ＭＡ１  メモリセルアレイ
ＭＲＦ  記録再生膜
ＭＵ  メモリ部
Ｍ１  配線
Ｍ１ａ  配線
ＳＤＬ  シード層
ＳＭＣ  選択セル
ＳＲ  ソース領域
ＳＴ  選択トランジスタ
ＳＴＩ  素子分離領域
ＳＷ  サイドウォールスペーサ
ＵＥ  上部電極
ＷＬ  ワード線
ＷＬ１  ワード線
ＷＬ２  ワード線
ＷＬ３  ワード線
ＷＬ４  ワード線
ＷＬ５  ワード線
【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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