(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体メモリであって、物質の相分離に起因して電気特性が変化するものであり、データの記録及び再生材料が該相分離により該電気特性に変化が発生する人工的な超格子の積層構造により構成され、電気エネルギー手段により記録又は消去されることを特徴とする固体メモリ。
【請求項２】
請求項１に記載の固体メモリにおいて、前記積層構造は、Ｓｂ薄膜とＳｂ２Ｔｅ３薄膜とから構成されることを特徴とする固体メモリ。
【請求項３】
請求項２に記載の固体メモリにおいて、前記薄膜の膜厚は、０．３ｎｍ以上２ｎｍ以下であることを特徴とする固体メモリ。
【請求項４】
請求項２に記載の固体メモリにおいて、前記Ｓｂ薄膜と前記Ｓｂ２Ｔｅ３薄膜との界面で一次元的な異方性分離状態を形成することによりデータを記録することを特徴とする固体メモリ
【請求項５】
請求項２に記載の固体メモリにおいて、前記Ｓｂ薄膜と前記Ｓｂ２Ｔｅ３薄膜との界面で一次元的な異方性分離した状態を再結合させてデータを消去することを特徴とする固体メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、相変化の一形態であるカルコゲン化合物の相分離（スピノーダル分離）を利用して、該分離により生じる電気抵抗又は光学的特性の相違をデータとして記録・消去する相分離型固体メモリに関する。但し、相分離も相変化の一形態であるので、その意味で相変化固体メモリ（相変化ＲＡＭ、ＰＲＡＭ）と呼ぶこともできる。
【背景技術】
【０００２】
相変化ＲＡＭにおけるデータの記録および消去は、これまで、その記録材料であるＴｅを含むカルコゲン化合物の結晶状態とアモルファス状態の一次相変態と呼ばれる変化で生じる物理的特性変化によって行なわれており、この基本原理に基づいて相変化ＲＡＭが設計されてきた（例えば、下記特許文献１参照）。
【０００３】
相変化ＲＡＭの記録消去を司る記録材料は、一般に、スパッタリング等の真空成膜法を利用して電極間に形成されるが、通常は化合物組成からなるターゲットを用いて一層からなる合金薄膜を用いている。
【０００４】
このため、２０〜５０ｎｍの厚さからなる記録薄膜は、単結晶ではなく、多結晶から構成されている。
【０００５】
この各微結晶間の界面電気抵抗の差異が全体としての相変化ＲＡＭの電気抵抗値の均一性に影響を及ぼし、結晶状態の抵抗値にバラツキを生じさせる原因となっている（下記「非特許文献１」参照）。
【０００６】
また、結晶／アモルファス間の相転移の際に発生する１０％程度の体積変化がそれぞれの微結晶に異なる応力を発生させ、物質流動と膜全体の変形が記録読み出し回数を制限するものと考えられている（下記「非特許文献２」参照）。
【特許文献１】特開２００２−２０３３９２号公報
【非特許文献１】奥田昌宏監修、「次世代光記録技術と材料」、シーエムシー出版、２００４年１月３１日発行、ｐ１１４
【非特許文献２】角田義人監修、「光ディスクストレージの基礎と応用」、電子情報通信学会編、平成１３年６月１日初版第３刷発行、ｐ２０９
【非特許文献３】Ｙ．Ｙａｍａｎｄａ  ＆  Ｔ．Ｍａｔｓｕｎａｇａ，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  ８８，  （２０００）  ｐ７０２０−７０２８
【非特許文献４】Ａ．Ｋｏｌｏｂｏｖ  ｅｔ  ａｌ．  Ｎａｔｕｒｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ３  （２００４）  ｐ７０３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
Ｔｅを含むカルコゲン化合物の結晶構造およびアモルファス構造に関して、１９８０年後半頃から、その構造解析がエックス線等を用いて調べられてきたが、Ｔｅとその化合物をなすＳｂ原子の原子番号が隣接しており、電子数が一個しか異ならないため、エックス線回折や電子線回折では、その区別がほとんどつかず、詳細な結晶構造が如何なるものであるかが２００４年まで不明であった。
【０００８】
特に、すでに書き換え型の光ディスクにおいて商品化されている、ＧｅＳｂＴｅ（２２５組成）と呼ばれる化合物、および擬二元組成化合物線上にある組成（ＧｅＴｅ−Ｓｂ２Ｔｅ３のライン上にある化合物、２２５、１４７、１２５組成）は、特性が非常に良好であることが実験的にわかっていたが、その結晶構造に関しては、岩塩構造をとり、そのＮａが占めるサイト（これをａサイト）をＴｅが占めるが、残りのＣｌが占めるサイト（ｂサイト）をＧｅまたはＳｂが占めるが、その入り方はランダムであるとされてきた（上記「非特許文献３」参照）。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
放射光軌道装置等を用いてＧｅＳｂＴｅ化合物の構造解析を詳細に検討すると、以下の点で従来の構造とは異なる様相をＴｅを含むカルコゲン化合物がとることを発見した（上記「非特許文献４」参照）。
【００１０】
１．結晶相において、Ｇｅ原子とＳｂ原子がＮａＣｌ型の単純立方格子内でＣｌの位置（（ｂ）サイト）を占める配列は、これまで考えられていたような「ランダム」状態ではなく、原子の配列位置がきちんと「決定」されている。また、格子は歪んでいる（図１参照）。
【００１１】
２．アモルファス状態は、完全なランダムではなく、結晶格子内部のＧｅ原子が中心位置（わずかにずれて強誘電的であるが）から２ＡほどＴｅ原子側に移動した配置をとり、そのユニットを維持したままでねじ曲がった構造をもつ（図２参照）。
【００１２】
３．このねじ曲がったユニットが復元することで高速スイッチングが安定に繰り返される（図３参照）。
【００１３】
しかしながらＧｅを含まない書き換え型の光ディスクも商品化されている。ＤＶＤ−ＲＷやＤＶＤ＋ＲＷでは、Ｓｂを主成分としＴｅをそれに添加した材料が使われており、特にＳｂ２Ｔｅからなる組成が中心に用いられている。
【００１４】
上記したＧｅを含むＧｅＳｂＴｅ合金のモデルを、ＳｂとＴｅからなる合金に適応し、実験およびコンピューターによるシミュレーションによって詳細に解析した結果、Ｇｅを含むカルコゲン化合物では、Ｇｅ原子が図１または図２のように位置を換えることで記録または消去状態を形成するのに対して、Ｓｂ２Ｔｅ３層とＳｂ層との僅かな層間分離によって大きな光学特性変化や電気抵抗変化を発生させていることを見い出した。
【００１５】
この新たに見いだされた層間分離スイッチング原理から、以下の手法によりＧｅを含まないカルコゲン化合物を構成すれば、微結晶間の界面電気抵抗を極力低減し、かつ繰り返し書き換え回数を大幅に向上可能な新規な相分離化ＲＡＭを提供できることに気づいた。
【００１６】
すなわち、ＳｂとＴｅからなるカルコゲン化合物を、Ｓｂの薄膜とＳｂ２Ｔｅ３薄膜から構成される超格子として人工的に形成し、Ｓｂ層とＳｂ２Ｔｅ３層を弱い原子結合で結合させ、電気エネルギーを手段としてその層間方向にのみ結合を切り、高い電気抵抗状態を形成・固定させること（記録（消去）状態）、また、逆に電気エネルギーを手段として結合を戻すことで低い電気抵抗状態に復元すること（消去（記録）状態）で、これまでの相変化ＲＡＭの特性を大幅に改善できる新しい相分離化ＲＡＭを提供できことがわかった。
【００１７】
この構成の基本構造を図４に示すが、例えば、Ｓｂ２Ｔｅの場合、Ｓｂ層の厚さは約０．９ナノメートル、Ｓｂ２Ｔｅ３層の厚さは約０．８ナノメートルである。一般的には、各層の厚みは、０．３ｎｍから２ｎｍが好ましい。
【００１８】
このような人工的な超格子は、スパッタリング法を用いて構成する場合、ＳｂあるいはＳｂ２Ｔｅ３から構成された化合物ターゲットを用いて（あるいは単体のターゲットを用いて）、予め時間当りの膜形成速度をスパッタリングのための投入電力パワーに対して測定しておけば、成膜時間とを管理するだけで簡単にこれらの膜からなる超格子構造を構成することが出来る。
【００１９】
ＳｂとＴｅのある組成からなる化合物ターゲットを用いて一層の記録膜として構成した場合では、構成される微結晶内での層間分離の方向は微結晶毎にランダムであり、層間結合を切るための投入される電気エネルギーはコヒーレント性をもたないため、熱力学的に多くの熱エネルギーを系に対して放出しなければならないないのに対して、本発明の超格子構造では層間結合によるスイッチ動作は、記録膜中では図４に示すように一方向であり（つまり、コヒーレント性をもつ）、仕事としてのエネルギーに多くの入力エネルギーが利用でき、熱としてのエネルギー放出量を押さえることが可能なる。
【００２０】
つまり、層間結合によるスイッチ動作を行なうためのエネルギー効率が向上する。また、書き換えに対して発生する体積変化（結晶−アモルファス間の体積変化）を層間のみの一軸方向だけに発生させることで、組成偏析の生じない安定した繰り返し書き換え動作を提供できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明を用いれば、Ｇｅを含まないカルコゲン化合物の複数の組成からなる超格子構造を形成することで、Ｇｅを含むカルコゲン化合物からなる相変化ＲＡＭの特性を大幅に向上することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、本願発明を実施するための最良の形態について説明する。
【実施例１】
【００２３】
一般的な自己抵抗加熱型の基本構成によりで相分離化ＲＡＭを作成した。すなわち、電極にはＴｉＮを使用した。記録膜には［Ｓｂ／Ｓｂ２Ｔｅ３］の超格子を２０層積層した。セルの大きさは１００Ｘ１００ｎｍ２である。
【００２４】
図４と図５を比較すると、図５においては、Ｓｂ原子とその下にあるＴｅ原子との界面が図4に比べて僅かに広がっている。この僅かな差が大きな電気伝導度の差を発生させている。
【００２５】
このデバイスに、電圧をプログラム的に与えて、記録及び消去時の電流値を測定した。その結果、記録時の電流値は０．３５ｍＡでパルス時間５ｎｓ、消去時の電流値は０．０８ｍＡでパルス時間６０ｎｓであった。この電流値での繰り返し記録消去回数を測定したところ、その値は１０１４回であった。
【００２６】
＜参考例＞
実施例１と同様に一般的な自己抵抗加熱型の基本構成で相変化ＲＡＭを作成した。記録膜にはＳｂ２Ｔｅの一層膜を２０ナノメートル形成した。セルと呼ばれる大きさは１００Ｘ１００ｎｍ２である。このデバイスに、電圧をプログラム的に与えて、記録及び消去時の電流値を測定した。
【００２７】
その結果、記録時の電流値は１．３ｍＡ、消去時の電流値は０．６５ｍＡであった。なお、パルスの照射時間は実施例１と同じとした。この電流値での繰り返し記録消去回数を測定したところ、その値は１０１１回であった。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明を利用すれば、従来の相変化ＲＡＭのデータ記録時の電流値を十分の一以下に、さらにデータの繰り返し書き換え回数をこれまでより２〜３桁以上向上させることが可能となり、産業上の大きな貢献をなすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】ＧｅーＳｂーＴｅ合金結晶構造  なお、○はＴｅ、▲はＧｅ、●はＳｂを表す。
【図２】ＧｅーＳｂーＴｅ合金アモルファス構造（短距離構造）
【図３】相変化ＲＡＭスイッチングための基本セル
【図４】Ｓｂ／Ｓｂ２Ｔｅ３から構成される超格子構造（結合状態）
【図５】Ｓｂ／Ｓｂ２Ｔｅ３から構成される超格子構造（分離状態）
【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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