(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録する第１の記録層と、電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録する第２の記録層と
を備えるメモリであって、
前記第１の記録層の結晶化温度Ｔx1と前記第２の記録層の結晶化温度Ｔx2との関係が、Ｔx1＜Ｔx2であり、
前記第１の記録層の結晶化時間ｔx1と前記第２の記録層の結晶化時間ｔx2との関係が、ｔx1＞ｔx2であり、
前記第１の記録層が非晶質相の場合の抵抗値をＲa1、前記第１の記録層が結晶相の場合の抵抗値をＲc1、前記第２の記録層が非晶質相の場合の抵抗値をＲa2、前記第２の記録層が結晶相の場合の抵抗値をＲc2とすると、Ｒa1＋Ｒa2、Ｒa1＋Ｒc2、Ｒa2＋Ｒc1、Ｒc1＋Ｒc2が互いに異なる、メモリ。
【請求項２】
前記第１の記録層の融点Ｔm1は、関係４００≦Ｔm1（℃）≦８００を満たす、請求項１に記載のメモリ。
【請求項３】
前記第２の記録層の融点Ｔm2は、関係３００≦Ｔm2（℃）≦７００を満たす、請求項１に記載のメモリ。
【請求項４】
前記第１の記録層の結晶化温度Ｔx1は、関係１３０≦Ｔx1（℃）≦２３０を満たす、請求項１に記載のメモリ。
【請求項５】
前記第２の記録層の結晶化温度Ｔx2は、関係１６０≦Ｔx2（℃）≦２６０を満たす、請求項１に記載のメモリ。
【請求項６】
前記第１の記録層の結晶化時間ｔx1は、関係５≦ｔx1（ｎｓ）≦２００を満たす、請求項１に記載のメモリ。
【請求項７】
前記第２の記録層の結晶化時間ｔx2は、関係２≦ｔx2（ｎｓ）≦１５０を満たす、請求項１に記載のメモリ。
【請求項８】
前記第１の記録層は、Ｇｅ、Ｓｂ、およびＴｅの３つの元素を含み、前記第２の記録層が、（Ｓｂ−Ｔｅ）−Ｍ１を含み、ここでＭ１はＡｇ、Ｉｎ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｅ、Ｂｉ、Ａｕ、およびＭｎからなる群から少なくとも１つ選択される、請求項１に記載のメモリ。
【請求項９】
前記第１の記録層は基板上に堆積され、前記第２の記録層上に上部電極が堆積される、請求項１に記載のメモリ。
【請求項１０】
前記基板と前記第１の記録層との間に下部電極が堆積される、請求項９に記載のメモリ。
【請求項１１】
前記第１の記録層と前記第２の記録層との間に中間層が堆積される、請求項１に記載のメモリ。
【請求項１２】
前記第１の記録層が非晶質相の場合の比抵抗ｒa1は、１．０≦ｒa1（Ω・ｃｍ）≦１×１０7である、請求項１に記載のメモリ。
【請求項１３】
前記第２の記録層が非晶質相の場合の比抵抗ｒa2は、２．０≦ｒa2（Ω・ｃｍ）≦２×１０7である、請求項１に記載のメモリ。
【請求項１４】
前記第１の記録層が結晶相の場合の比抵抗ｒc1は、１×１０-3≦ｒc1（Ω・ｃｍ）≦１．０である、請求項１に記載のメモリ。
【請求項１５】
前記第２の記録層が結晶相の場合の比抵抗ｒc2は、１×１０-3≦ｒc2（Ω・ｃｍ）≦１．０である、請求項１に記載のメモリ。
【請求項１６】
メモリに情報を書き込む書き込み装置であって、
前記メモリは、
電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録する第１の記録層と、
電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録する第２の記録層と
を備えるメモリであって、
前記第１の記録層の結晶化温度Ｔx1と前記第２の記録層の結晶化温度Ｔx2との関係が、Ｔx1＜Ｔx2であり、
前記第１の記録層の結晶化時間ｔx1と前記第２の記録層の結晶化時間ｔx2との関係が、ｔx1＞ｔx2であり、
前記第１の記録層が非晶質相の場合の抵抗値をＲa1、前記第１の記録層が結晶相の場合の抵抗値をＲc1、前記第２の記録層が非晶質相の場合の抵抗値をＲa2、前記第２の記録層が結晶相の場合の抵抗値をＲc2とすると、Ｒa1＋Ｒa2、Ｒa1＋Ｒc2、Ｒa2＋Ｒc1、Ｒc1＋Ｒc2が互いに異なり、
前記書き込み装置は、
少なくとも第１〜第３の電流パルスを発生させるパルス発生部と、
前記少なくとも第１〜第３の電流パルスを前記第１の記録層および前記第２の記録層に印加する印加部と
を備え、前記パルス発生部は、
前記第１の記録層を非結晶相から結晶相に相変化させ、前記第２の記録層の相状態を維持する場合には、Ｔx1≦Ｔ＜Ｔx2なる温度Ｔおよびｔx1≦ｔなる時間ｔに相当する前記第１の電流パルスを発生し、
前記第１の記録層の相状態を維持し、前記第２の記録層を非晶質相から結晶相に相変化させる場合には、Ｔx2≦Ｔなる温度Ｔおよびｔx2≦ｔ＜ｔx1なる時間ｔに相当する前記第２の電流パルスを発生し、
前記第１の記録層および前記第２の記録層を結晶相から非晶質相に相変化させる場合には、前記第１および第２の記録層の融点のうち低くない方の融点以上の温度に相当する前記第３の電流パルスを発生する、書き込み装置。
【請求項１７】
前記第１の電流パルスの振幅Ｉc1およびパルス幅ｔc1は、それぞれ０．０２≦Ｉc1（ｍＡ）≦１０および５≦ｔc1（ｎｓ）≦２００である、請求項１６に記載の書き込み装置。
【請求項１８】
前記第２の電流パルスの振幅Ｉc2およびパルス幅ｔc2は、それぞれ０．０５≦Ｉc2（ｍＡ）≦２０および２≦ｔc2（ｎｓ）≦１５０である、請求項１６に記載の書き込み装置。
【請求項１９】
前記第３の電流パルスの振幅Ｉa1およびパルス幅ｔa1は、それぞれ０．１≦Ｉa1（ｍＡ）≦２００および１≦ｔa1（ｎｓ）≦１００である、請求項１６に記載の書き込み装置。
【請求項２０】
前記パルス発生部は、前記第１の記録層および前記第２の記録層を非晶質相から結晶相に相変化させる場合に、Ｔx2≦Ｔなる温度Ｔおよびｔx1≦ｔなる時間ｔに相当する第４の電流パルスを発生する、請求項１６に記載の書き込み装置。
【請求項２１】
前記第４の電流パルスの振幅Ｉc12およびパルス幅ｔc12は、それぞれ０．０５≦Ｉc12（ｍＡ）≦２０および５≦ｔc12（ｎｓ）≦２００である、請求項２０に記載の書き込み装置。
【請求項２２】
前記パルス発生部は、前記第１の記録層の融点Ｔm1と前記第２の記録層の融点Ｔm2との関係がＴm1≠Ｔm2であり、前記融点Ｔm1またはＴm2のうちの低い方の融点を有する記録層を結晶相から非晶質相に相変化させ、前記融点Ｔm1またはＴm2のうちの高い方の融点を有する記録層を結晶相に維持する場合に、前記低い方の融点以上かつ前記高い方の融点未満の温度に相当する第５の電流パルスを発生する、請求項１６に記載の書き込み装置。
【請求項２３】
前記第５の電流パルスの振幅Ｉa2およびパルス幅ｔa2が、それぞれ０．０５≦Ｉa2（ｍＡ）≦１６０および１≦ｔa2（ｎｓ）≦１００である、請求項２２に記載の書き込み装置。
【請求項２４】
メモリに書き込まれた情報を読み出す読み出し装置であって、
前記メモリは、
電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録する第１の記録層と、
電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録する第２の記録層と
を備えるメモリであって、
前記第１の記録層の結晶化温度Ｔx1と前記第２の記録層の結晶化温度Ｔx2との関係が、Ｔx1＜Ｔx2であり、
前記第１の記録層の結晶化時間ｔx1と前記第２の記録層の結晶化時間ｔx2との関係が、ｔx1＞ｔx2であり、
前記第１の記録層が非晶質相の場合の抵抗値をＲa1、前記第１の記録層が結晶相の場合の抵抗値をＲc1、前記第２の記録層が非晶質相の場合の抵抗値をＲa2、前記第２の記録層が結晶相の場合の抵抗値をＲc2とすると、Ｒa1＋Ｒa2、Ｒa1＋Ｒc2、Ｒa2＋Ｒc1、Ｒc1＋Ｒc2が互いに異なり、
前記読み出し装置は、
電流パルスを前記第１および第２の記録層に印加する印加部と、
前記第１および第２の記録層の抵抗の和を測定する抵抗測定器と、
前記抵抗の和が前記４つの異なる抵抗の和のいずれに一致するかを判定する判定部と
を備える、読み出し装置。
【請求項２５】
前記電流パルスは、前記第１および第２の記録層の相変化を生じない大きさの振幅Ｉrを有する、請求項２４に記載の読み出し装置。
【請求項２６】
前記電流パルスの振幅Ｉrは、Ｉr（ｍＡ）≦０．０２である、請求項２５に記載の読み出し装置。
【請求項２７】
電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録するＮ個の記録層（Ｎ＞２、Ｎは自然数）
を備えるメモリであって、
第ｍの記録層の結晶化温度をＴxm（１≦ｍ≦Ｎ）とすると、前記Ｎ個の記録層のそれぞれの結晶化温度は、関係Ｔx1＜Ｔx2＜…＜Ｔxm-1＜Ｔxm＜Ｔxm+1＜…＜ＴxNを満たし、
前記第ｍの記録層の結晶化時間をｔxmとすると、前記Ｎ個の記録層のそれぞれの結晶化時間は、関係ｔx1＞ｔx2＞…＞ｔxm-1＞ｔxm＞ｔxm+1＞…＞ｔxNを満たし、
前記Ｎ個の記録層の各記録層が非晶質相の場合の抵抗値、および前記Ｎ個の記録層の各記録層が結晶相の場合の抵抗値がすべて異なり、前記Ｎ個の記録層の抵抗の和は、２N個の異なる値をとる、メモリ。
【請求項２８】
メモリに情報を書き込む書き込み装置であって、
前記メモリは、
電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録するＮ個の記録層（Ｎ＞２、Ｎは自然数）
を備えるメモリであって、
第ｍの記録層の結晶化温度をＴxm（１≦ｍ≦Ｎ）とすると、前記Ｎ個の記録層のそれぞれの結晶化温度は、関係Ｔx1＜Ｔx2＜…＜Ｔxm-1＜Ｔxm＜Ｔxm+1＜…＜ＴxNを満たし、
前記第ｍの記録層の結晶化時間をｔxmとすると、前記Ｎ個の記録層のそれぞれの結晶化時間は、関係ｔx1＞ｔx2＞…＞ｔxm-1＞ｔxm＞ｔxm+1＞…＞ｔxNを満たし、
前記Ｎ個の記録層の各記録層が非晶質相の場合の抵抗値、および前記Ｎ個の記録層の各記録層が結晶相の場合の抵抗値がすべて異なり、前記Ｎ個の記録層の抵抗の和は、２N個の異なる値をとり、
前記書き込み装置は、
少なくともＮ個の結晶化電流パルスおよび非晶質化電流パルスを発生させるパルス発生部と、
前記少なくともＮ個の結晶化電流パルスおよび非晶質化電流パルスを前記Ｎ個の記録層に印加する、印加部と
を備え、前記パルス発生部は、
前記第ｍの記録層のみを非晶質相から結晶相に相変化させ、前記第ｍの記録層を除く記録層の相状態を維持する場合には、Ｔxm≦Ｔx＜Ｔx(m+1)なる温度Ｔxおよびｔxm≦ｔx＜ｔx(m-1)なる時間ｔxに相当する結晶化電流パルスを発生し、
前記Ｎ個の記録層すべてを結晶相から非晶質相に相変化させる場合には、前記Ｎ個の記録層の融点のうちもっとも高い融点以上の温度に相当する前記非晶質化電流パルスを発生する、書き込み装置。
【請求項２９】
前記パルス発生部は、前記Ｎ個の記録層すべてを非晶質相から結晶相に相変化させる場合に、ＴxN≦Ｔxなる温度Ｔxおよびｔx1≦ｔxなる時間ｔxに相当する電流パルスを発生する、請求項２８に記載の書き込み装置。
【請求項３０】
前記パルス発生部は、前記Ｎ個の記録層のうち第ｍの記録層から第（ｍ＋ｎ−１）の記録層を非晶質相から結晶相に相変化させる場合に、Ｔx(m+n-1)≦Ｔx＜Ｔx(m+n)なる温度Ｔxおよびｔxm≦ｔx＜ｔx(m-1)なる時間ｔxに相当する電流パルスを発生する、請求項２８に記載の書き込み装置。
【請求項３１】
前記パルス発生部は、前記Ｎ個の記録層のうち少なくとも１つの記録層のそれぞれが温度Ｔm以下の融点を有し、前記Ｎ個の記録層の前記少なくとも１つの記録層を除く記録層のそれぞれが温度Ｔmよりも高い融点を有し、前記少なくとも１つの記録層のそれぞれを結晶相から非晶質相に相変化させ、前記少なくとも１つの記録層のそれぞれを除く記録層を結晶相に維持する場合に、前記温度Ｔmに相当する電流パルスを発生する、請求項２８に記載の書き込み装置。
【請求項３２】
メモリに書き込まれた情報を読み出す読み出し装置であって、
前記メモリは、
電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録するＮ個の記録層（Ｎ＞２、Ｎは自然数）
を備えるメモリであって、
第ｍの記録層の結晶化温度をＴxm（１≦ｍ≦Ｎ）とすると、前記Ｎ個の記録層のそれぞれの結晶化温度は、関係Ｔx1＜Ｔx2＜…＜Ｔxm-1＜Ｔxm＜Ｔxm+1＜…＜ＴxNを満たし、
前記第ｍの記録層の結晶化時間をｔxmとすると、前記Ｎ個の記録層のそれぞれの結晶化時間は、関係ｔx1＞ｔx2＞…＞ｔxm-1＞ｔxm＞ｔxm+1＞…＞ｔxNを満たし、
前記Ｎ個の記録層の各記録層が非晶質相の場合の抵抗値、および前記Ｎ個の記録層の各記録層が結晶相の場合の抵抗値がすべて異なり、前記Ｎ個の記録層の抵抗の和は、２N個の異なる値をとり、
前記読み出し装置は、
電流パルスを前記Ｎ個の記録層に印加する印加部と、
前記Ｎ個の記録層の抵抗の和を測定する抵抗測定器と、
前記抵抗の和が前記２N個の異なる抵抗の和のいずれに一致するかを判定する、判定部と
を備える、読み出し装置。
【請求項３３】
メモリに情報を書き込む書き込み方法であって、
前記メモリは、
電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録する第１の記録層と、
電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録する第２の記録層と
を備えるメモリであって、
前記第１の記録層の結晶化温度Ｔx1と前記第２の記録層の結晶化温度Ｔx2との関係が、Ｔx1＜Ｔx2であり、
前記第１の記録層の結晶化時間ｔx1と前記第２の記録層の結晶化時間ｔx2との関係が、ｔx1＞ｔx2であり、
前記第１の記録層が非晶質相の場合の抵抗値をＲa1、前記第１の記録層が結晶相の場合の抵抗値をＲc1、前記第２の記録層が非晶質相の場合の抵抗値をＲa2、前記第２の記録層が結晶相の場合の抵抗値をＲc2とすると、Ｒa1＋Ｒa2、Ｒa1＋Ｒc2、Ｒa2＋Ｒc1、Ｒc1＋Ｒc2が互いに異なり、
前記書き込み方法は、
少なくとも第１〜第３の電流パルスを発生させる工程と、
前記少なくとも第１〜第３の電流パルスを前記第１の記録層および前記第２の記録層に印加する工程と
を包含し、前記発生させる工程は、
前記第１の記録層を非結晶相から結晶相に相変化させ、前記第２の記録層の相状態を維持する場合には、Ｔx1≦Ｔ＜Ｔx2なる温度Ｔおよびｔx1≦ｔなる時間ｔに相当する前記第１の電流パルスを発生し、
前記第１の記録層の相状態を維持し、前記第２の記録層を非晶質相から結晶相に相変化させる場合には、Ｔx2≦Ｔなる温度Ｔおよびｔx2≦ｔ＜ｔx1なる時間ｔに相当する前記第２の電流パルスを発生し、
前記第１の記録層および前記第２の記録層を結晶相から非晶質相に相変化させる場合には、前記第１および第２の記録層の融点のうち低くない方の融点以上の温度に相当する前記第３の電流パルスを発生する、工程である、書き込み方法。
【請求項３４】
メモリに書き込まれた情報を読み出す読み出し方法であって、
前記メモリは、
電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録する第１の記録層と、
電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録する第２の記録層と
を備えるメモリであって、
前記第１の記録層の結晶化温度Ｔx1と前記第２の記録層の結晶化温度Ｔx2との関係が、Ｔx1＜Ｔx2であり、
前記第１の記録層の結晶化時間ｔx1と前記第２の記録層の結晶化時間ｔx2との関係が、ｔx1＞ｔx2であり、
前記第１の記録層が非晶質相の場合の抵抗値をＲa1、前記第１の記録層が結晶相の場合の抵抗値をＲc1、前記第２の記録層が非晶質相の場合の抵抗値をＲa2、前記第２の記録層が結晶相の場合の抵抗値をＲc2とすると、Ｒa1＋Ｒa2、Ｒa1＋Ｒc2、Ｒa2＋Ｒc1、Ｒc1＋Ｒc2が互いに異なり、
前記読み出し方法は、
電流パルスを前記第１および第２の記録層に印加する工程と、
前記第１および第２の記録層の抵抗の和を測定する工程と、
前記抵抗の和が前記４つの異なる抵抗の和のいずれに一致するかを判定する工程と
を包含する、読み出し方法。
【請求項３５】
メモリに情報を書き込む書き込み方法であって、
前記メモリは、
電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録するＮ個の記録層（Ｎ＞２、Ｎは自然数）
を備えるメモリであって、
第ｍの記録層の結晶化温度をＴxm（１≦ｍ≦Ｎ）とすると、前記Ｎ個の記録層のそれぞれの結晶化温度は、関係Ｔx1＜Ｔx2＜…＜Ｔxm-1＜Ｔxm＜Ｔxm+1＜…＜ＴxNを満たし、
前記第ｍの記録層の結晶化時間をｔxmとすると、前記Ｎ個の記録層のそれぞれの結晶化時間は、関係ｔx1＞ｔx2＞…＞ｔxm-1＞ｔxm＞ｔxm+1＞…＞ｔxNを満たし、
前記Ｎ個の記録層の各記録層が非晶質相の場合の抵抗値、および前記Ｎ個の記録層の各記録層が結晶相の場合の抵抗値がすべて異なり、前記Ｎ個の記録層の抵抗の和は、２N個の異なる値をとり、
前記書き込み方法は、
少なくともＮ個の結晶化電流パルスおよび非晶質化電流パルスを発生させる工程と、
前記少なくともＮ個の結晶化電流パルスおよび非晶質化電流パルスを前記Ｎ個の記録層に印加する工程と
を包含し、前記発生させる工程は、
前記第ｍの記録層のみを非晶質相から結晶相に相変化させ、前記第ｍの記録層を除く記録層の相状態を維持する場合には、Ｔxm≦Ｔx＜Ｔx(m+1)なる温度Ｔxおよびｔxm≦ｔx＜ｔx(m-1)なる時間ｔxに相当する結晶化電流パルスを発生し、
前記Ｎ個の記録層すべてを結晶相から非晶質相に相変化させる場合には、前記Ｎ個の記録層の融点のうちもっとも高い融点以上の温度に相当する前記非晶質化電流パルスを発生する、工程である、書き込み方法。
【請求項３６】
メモリに書き込まれた情報を読み出す読み出し方法であって、
前記メモリは、
電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録するＮ個の記録層（Ｎ＞２、Ｎは自然数）
を備えるメモリであって、
第ｍの記録層の結晶化温度をＴxm（１≦ｍ≦Ｎ）とすると、前記Ｎ個の記録層のそれぞれの結晶化温度は、関係Ｔx1＜Ｔx2＜…＜Ｔxm-1＜Ｔxm＜Ｔxm+1＜…＜ＴxNを満たし、
前記第ｍの記録層の結晶化時間をｔxmとすると、前記Ｎ個の記録層のそれぞれの結晶化時間は、関係ｔx1＞ｔx2＞…＞ｔxm-1＞ｔxm＞ｔxm+1＞…＞ｔxNを満たし、
前記Ｎ個の記録層の各記録層が非晶質相の場合の抵抗値、および前記Ｎ個の記録層の各記録層が結晶相の場合の抵抗値がすべて異なり、前記Ｎ個の記録層の抵抗の和は、２N個の異なる値をとり、
前記読み出し方法は、
電流パルスを前記Ｎ個の記録層に印加する工程と、
前記Ｎ個の記録層の抵抗の和を測定する工程と、
前記抵抗の和が前記２N個の異なる抵抗の和のいずれに一致するかを判定する工程と
を包含する、読み出し方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶相と非晶質相との間で起こる可逆的な相変化を利用して情報を記憶する相変化メモリ、そのメモリに情報を書き込む書き込み装置およびそのメモリに書き込まれた情報を読み出す読み出し装置、およびその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電流等の電気エネルギーの印加によって情報を記録する、または消去することが可能な相変化メモリが知られている。相変化メモリに用いられる記録層の材料は、電気エネルギーの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆変化を生じる。通常、結晶相の電気抵抗は低抵抗であり、非晶質相の電気抵抗は高抵抗である。相変化メモリとは、このような結晶相と非晶質相との間の電気抵抗の違いを利用して、２値を記録する不揮発性メモリである。
【０００３】
近年、メモリに記録されるべき情報量の増大に伴い、さらに容量の大きいメモリが求められている。相変化メモリの容量を増大するために、▲１▼２値を記録するメモリセルの面積を縮小し、このメモリセルをマトリクス状に配置すること（面密度の向上）、または▲２▼１つのメモリセルに多値の情報を記憶することが提案されている。本明細書において、多値とは２よりも多い個数の値をいう。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
▲１▼の面密度の向上には、フォトリソグラフィー等の製造技術における微細化プロセスに限界があり、相変化メモリの記憶容量を飛躍的に大きくすることはできない。▲２▼の１つのメモリセルに多値の情報を記録する技術として、特表平１１−５１０３１７に開示される従来技術が知られている。この従来技術では、メモリセルの１つの記録層の抵抗値を段階的に制御することによって、そのメモリセルに多値の情報が記憶される。しかし、１つの記録層の相状態を段階的に制御することは、結晶相と非晶質相の２つの相状態を制御することに比べて非常に困難である。
【０００５】
本発明は、このような課題を考慮してなされたものであって、多値の情報を記憶し、書き込みおよび読み出しの容易な相変化メモリ、その相変化メモリに情報を書き込む書き込み装置、その相変化メモリに書き込まれた情報を読み出す読み出し装置およびその方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によるメモリは、電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録する第１の記録層と、電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録する第２の記録層とを備えるメモリであって、前記第１の記録層の結晶化温度Ｔx1と前記第２の記録層の結晶化温度Ｔx2との関係が、Ｔx1＜Ｔx2であり、前記第１の記録層の結晶化時間ｔx1と前記第２の記録層の結晶化時間ｔx2との関係が、ｔx1＞ｔx2であり、前記第１の記録層が非晶質相の場合の抵抗値をＲa1、前記第１の記録層が結晶相の場合の抵抗値をＲc1、前記第２の記録層が非晶質相の場合の抵抗値をＲa2、前記第２の記録層が結晶相の場合の抵抗値をＲc2とすると、Ｒa1＋Ｒa2、Ｒa1＋Ｒc2、Ｒa2＋Ｒc1、Ｒc1＋Ｒc2が互いに異なり、これにより上記目的が達成される。
【０００７】
前記第１の記録層の融点Ｔm1は、関係４００≦Ｔm1（℃）≦８００を満たしてもよい。
【０００８】
前記第２の記録層の融点Ｔm2は、関係３００≦Ｔm2（℃）≦７００を満たしてもよい。
【０００９】
前記第１の記録層の結晶化温度Ｔx1は、関係１３０≦Ｔx1（℃）≦２３０を満たしてもよい。
【００１０】
前記第２の記録層の結晶化温度Ｔx2は、関係１６０≦Ｔx2（℃）≦２６０を満たしてもよい。
【００１１】
前記第１の記録層の結晶化時間ｔx1は、関係５≦ｔx1（ｎｓ）≦２００を満たしてもよい。
【００１２】
前記第２の記録層の結晶化時間ｔx2は、関係２≦ｔx2（ｎｓ）≦１５０を満たしてもよい。
【００１３】
前記第１の記録層は、Ｇｅ、Ｓｂ、およびＴｅの３つの元素を含み、前記第２の記録層が、（Ｓｂ−Ｔｅ）−Ｍ１を含み、ここでＭ１はＡｇ、Ｉｎ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｅ、Ｂｉ、Ａｕ、およびＭｎからなる群から少なくとも１つ選択されてもよい。
【００１４】
前記第１の記録層は基板上に堆積され、前記第２の記録層上に上部電極が堆積されてもよい。
【００１５】
前記基板と前記第１の記録層との間に下部電極が堆積されてもよい。
【００１６】
前記第１の記録層と前記第２の記録層との間に中間層が堆積されてもよい。
【００１７】
前記第１の記録層が非晶質相の場合の比抵抗ｒa1は、１．０≦ｒa1（Ω・ｃｍ）≦１×１０7であってもよい。
【００１８】
前記第２の記録層が非晶質相の場合の比抵抗ｒa2は、２．０≦ｒa2（Ω・ｃｍ）≦２×１０7であってもよい。
【００１９】
前記第１の記録層が結晶相の場合の比抵抗ｒc1は、１×１０-3≦ｒc1（Ω・ｃｍ）≦１．０であってもよい。
【００２０】
前記第２の記録層が結晶相の場合の比抵抗ｒc2は、１×１０-3≦ｒc2（Ω・ｃｍ）≦１．０であってもよい。
【００２１】
本発明による書き込み装置は、メモリに情報を書き込む書き込み装置であって、前記メモリは、電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録する第１の記録層と、電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録する第２の記録層とを備えるメモリであって、前記第１の記録層の結晶化温度Ｔx1と前記第２の記録層の結晶化温度Ｔx2との関係が、Ｔx1＜Ｔx2であり、前記第１の記録層の結晶化時間ｔx1と前記第２の記録層の結晶化時間ｔx2との関係が、ｔx1＞ｔx2であり、前記第１の記録層が非晶質相の場合の抵抗値をＲa1、前記第１の記録層が結晶相の場合の抵抗値をＲc1、前記第２の記録層が非晶質相の場合の抵抗値をＲa2、前記第２の記録層が結晶相の場合の抵抗値をＲc2とすると、Ｒa1＋Ｒa2、Ｒa1＋Ｒc2、Ｒa2＋Ｒc1、Ｒc1＋Ｒc2が互いに異なり、前記書き込み装置は、少なくとも第１〜第３の電流パルスを発生させるパルス発生部と、前記少なくとも第１〜第３の電流パルスを前記第１の記録層および前記第２の記録層に印加する印加部とを備え、前記パルス発生部は、前記第１の記録層を非結晶相から結晶相に相変化させ、前記第２の記録層の相状態を維持する場合には、Ｔx1≦Ｔ＜Ｔx2なる温度Ｔおよびｔx1≦ｔなる時間ｔに相当する前記第１の電流パルスを発生し、前記第１の記録層の相状態を維持し、前記第２の記録層を非晶質相から結晶相に相変化させる場合には、Ｔx2≦Ｔなる温度Ｔおよびｔx2≦ｔ＜ｔx1なる時間ｔに相当する前記第２の電流パルスを発生し、前記第１の記録層および前記第２の記録層を結晶相から非晶質相に相変化させる場合には、前記第１および第２の記録層の融点のうち低くない方の融点以上の温度に相当する前記第３の電流パルスを発生し、これにより上記目的が達成される。
【００２２】
前記第１の電流パルスの振幅Ｉc1およびパルス幅ｔc1は、それぞれ０．０２≦Ｉc1（ｍＡ）≦１０および５≦ｔc1（ｎｓ）≦２００であってもよい。
【００２３】
前記第２の電流パルスの振幅Ｉc2およびパルス幅ｔc2は、それぞれ０．０５≦Ｉc2（ｍＡ）≦２０および２≦ｔc2（ｎｓ）≦１５０であってもよい。
【００２４】
前記第３の電流パルスの振幅Ｉa1およびパルス幅ｔa1は、それぞれ０．１≦Ｉa1（ｍＡ）≦２００および１≦ｔa1（ｎｓ）≦１００であってもよい。
【００２５】
前記パルス発生部は、前記第１の記録層および前記第２の記録層を非晶質相から結晶相に相変化させる場合に、Ｔx2≦Ｔなる温度Ｔおよびｔx1≦ｔなる時間ｔに相当する第４の電流パルスを発生してもよい。
【００２６】
前記第４の電流パルスの振幅Ｉc12およびパルス幅ｔc12は、それぞれ０．０５≦Ｉc12（ｍＡ）≦２０および５≦ｔc12（ｎｓ）≦２００であってもよい。
【００２７】
前記パルス発生部は、前記第１の記録層の融点Ｔm1と前記第２の記録層の融点Ｔm2との関係がＴm1≠Ｔm2であり、前記融点Ｔm1またはＴm2のうちの低い方の融点を有する記録層を結晶相から非晶質相に相変化させ、前記融点Ｔm1またはＴm2のうちの高い方の融点を有する記録層を結晶相に維持する場合に、前記低い方の融点以上かつ前記高い方の融点未満の温度に相当する第５の電流パルスを発生してもよい。
【００２８】
前記第５の電流パルスの振幅Ｉa2およびパルス幅ｔa2が、それぞれ０．０５≦Ｉa2（ｍＡ）≦１６０および１≦ｔa2（ｎｓ）≦１００であってもよい。
【００２９】
本発明による読み出し装置は、メモリに書き込まれた情報を読み出す読み出し装置であって、前記メモリは、電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録する第１の記録層と、電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録する第２の記録層とを備えるメモリであって、前記第１の記録層の結晶化温度Ｔx1と前記第２の記録層の結晶化温度Ｔx2との関係が、Ｔx1＜Ｔx2であり、前記第１の記録層の結晶化時間ｔx1と前記第２の記録層の結晶化時間ｔx2との関係が、ｔx1＞ｔx2であり、前記第１の記録層が非晶質相の場合の抵抗値をＲa1、前記第１の記録層が結晶相の場合の抵抗値をＲc1、前記第２の記録層が非晶質相の場合の抵抗値をＲa2、前記第２の記録層が結晶相の場合の抵抗値をＲc2とすると、Ｒa1＋Ｒa2、Ｒa1＋Ｒc2、Ｒa2＋Ｒc1、Ｒc1＋Ｒc2が互いに異なり、前記読み出し装置は、電流パルスを前記第１および第２の記録層に印加する印加部と、前記第１および第２の記録層の抵抗の和を測定する抵抗測定器と、前記抵抗の和が前記４つの異なる抵抗の和のいずれに一致するかを判定する判定部とを備え、これにより上記目的が達成される。
【００３０】
前記電流パルスは、前記第１および第２の記録層の相変化を生じない大きさの振幅Ｉrを有してもよい。
【００３１】
前記電流パルスの振幅Ｉrは、Ｉr（ｍＡ）≦０．０２であってもよい。
【００３２】
本発明によるメモリは、電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録するＮ個の記録層（Ｎ＞２、Ｎは自然数）を備えるメモリであって、第ｍの記録層の結晶化温度をＴxm（１≦ｍ≦Ｎ）とすると、前記Ｎ個の記録層のそれぞれの結晶化温度は、関係Ｔx1＜Ｔx2＜…＜Ｔxm-1＜Ｔxm＜Ｔxm+1＜…＜ＴxNを満たし、前記第ｍの記録層の結晶化時間をｔxmとすると、前記Ｎ個の記録層のそれぞれの結晶化時間は、関係ｔx1＞ｔx2＞…＞ｔxm-1＞ｔxm＞ｔxm+1＞…＞ｔxNを満たし、前記Ｎ個の記録層の各記録層が非晶質相の場合の抵抗値、および前記Ｎ個の記録層の各記録層が結晶相の場合の抵抗値がすべて異なり、前記Ｎ個の記録層の抵抗の和は、２N個の異なる値をとり、これにより上記目的が達成される。
【００３３】
本発明による書き込み装置は、メモリに情報を書き込む書き込み装置であって、前記メモリは、電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録するＮ個の記録層（Ｎ＞２、Ｎは自然数）を備えるメモリであって、第ｍの記録層の結晶化温度をＴxm（１≦ｍ≦Ｎ）とすると、前記Ｎ個の記録層のそれぞれの結晶化温度は、関係Ｔx1＜Ｔx2＜…＜Ｔxm-1＜Ｔxm＜Ｔxm+1＜…＜ＴxNを満たし、前記第ｍの記録層の結晶化時間をｔxmとすると、前記Ｎ個の記録層のそれぞれの結晶化時間は、関係ｔx1＞ｔx2＞…＞ｔxm-1＞ｔxm＞ｔxm+1＞…＞ｔxNを満たし、前記Ｎ個の記録層の各記録層が非晶質相の場合の抵抗値、および前記Ｎ個の記録層の各記録層が結晶相の場合の抵抗値がすべて異なり、前記Ｎ個の記録層の抵抗の和は、２N個の異なる値をとり、前記書き込み装置は、少なくともＮ個の結晶化電流パルスおよび非晶質化電流パルスを発生させるパルス発生部と、前記少なくともＮ個の結晶化電流パルスおよび非晶質化電流パルスを前記Ｎ個の記録層に印加する、印加部とを備え、前記パルス発生部は、前記第ｍの記録層のみを非晶質相から結晶相に相変化させ、前記第ｍの記録層を除く記録層の相状態を維持する場合には、Ｔxm≦Ｔx＜Ｔx(m+1)なる温度Ｔxおよびｔxm≦ｔx＜ｔx(m-1)なる時間ｔxに相当する結晶化電流パルスを発生し、前記Ｎ個の記録層すべてを結晶相から非晶質相に相変化させる場合には、前記Ｎ個の記録層の融点のうちもっとも高い融点以上の温度に相当する前記非晶質化電流パルスを発生し、これにより上記目的が達成される。
【００３４】
前記パルス発生部は、前記Ｎ個の記録層すべてを非晶質相から結晶相に相変化させる場合に、ＴxN≦Ｔxなる温度Ｔxおよびｔx1≦ｔxなる時間ｔxに相当する電流パルスを発生してもよい。
【００３５】
前記パルス発生部は、前記Ｎ個の記録層のうち第ｍの記録層から第（ｍ＋ｎ−１）の記録層を非晶質相から結晶相に相変化させる場合に、Ｔx(m+n-1)≦Ｔx＜Ｔx(m+n)なる温度Ｔxおよびｔxm≦ｔx＜ｔx(m-1)なる時間ｔxに相当する電流パルスを発生してもよい。
【００３６】
前記パルス発生部は、前記Ｎ個の記録層のうち少なくとも１つの記録層のそれぞれが温度Ｔm以下の融点を有し、前記Ｎ個の記録層の前記少なくとも１つの記録層を除く記録層のそれぞれが温度Ｔmよりも高い融点を有し、前記少なくとも１つの記録層のそれぞれを結晶相から非晶質相に相変化させ、前記少なくとも１つの記録層のそれぞれを除く記録層を結晶相に維持する場合に、前記温度Ｔmに相当する電流パルスを発生してもよい。
【００３７】
本発明による読み出し装置は、メモリに書き込まれた情報を読み出す読み出し装置であって、前記メモリは、電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録するＮ個の記録層（Ｎ＞２、Ｎは自然数）を備えるメモリであって、第ｍの記録層の結晶化温度をＴxm（１≦ｍ≦Ｎ）とすると、前記Ｎ個の記録層のそれぞれの結晶化温度は、関係Ｔx1＜Ｔx2＜…＜Ｔxm-1＜Ｔxm＜Ｔxm+1＜…＜ＴxNを満たし、前記第ｍの記録層の結晶化時間をｔxmとすると、前記Ｎ個の記録層のそれぞれの結晶化時間は、関係ｔx1＞ｔx2＞…＞ｔxm-1＞ｔxm＞ｔxm+1＞…＞ｔxNを満たし、前記Ｎ個の記録層の各記録層が非晶質相の場合の抵抗値、および前記Ｎ個の記録層の各記録層が結晶相の場合の抵抗値がすべて異なり、前記Ｎ個の記録層の抵抗の和は、２N個の異なる値をとり、前記読み出し装置は、電流パルスを前記Ｎ個の記録層に印加する印加部と、前記Ｎ個の記録層の抵抗の和を測定する抵抗測定器と、前記抵抗の和が前記２N個の異なる抵抗の和のいずれに一致するかを判定する、判定部とを備え、これにより上記目的が達成される。
【００３８】
本発明による書き込み方法は、メモリに情報を書き込む書き込み方法であって、前記メモリは、電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録する第１の記録層と、電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録する第２の記録層とを備えるメモリであって、前記第１の記録層の結晶化温度Ｔx1と前記第２の記録層の結晶化温度Ｔx2との関係が、Ｔx1＜Ｔx2であり、前記第１の記録層の結晶化時間ｔx1と前記第２の記録層の結晶化時間ｔx2との関係が、ｔx1＞ｔx2であり、前記第１の記録層が非晶質相の場合の抵抗値をＲa1、前記第１の記録層が結晶相の場合の抵抗値をＲc1、前記第２の記録層が非晶質相の場合の抵抗値をＲa2、前記第２の記録層が結晶相の場合の抵抗値をＲc2とすると、Ｒa1＋Ｒa2、Ｒa1＋Ｒc2、Ｒa2＋Ｒc1、Ｒc1＋Ｒc2が互いに異なり、前記書き込み方法は、少なくとも第１〜第３の電流パルスを発生させる工程と、前記少なくとも第１〜第３の電流パルスを前記第１の記録層および前記第２の記録層に印加する工程とを包含し、前記発生させる工程は、前記第１の記録層を非結晶相から結晶相に相変化させ、前記第２の記録層の相状態を維持する場合には、Ｔx1≦Ｔ＜Ｔx2なる温度Ｔおよびｔx1≦ｔなる時間ｔに相当する前記第１の電流パルスを発生し、前記第１の記録層の相状態を維持し、前記第２の記録層を非晶質相から結晶相に相変化させる場合には、Ｔx2≦Ｔなる温度Ｔおよびｔx2≦ｔ＜ｔx1なる時間ｔに相当する前記第２の電流パルスを発生し、前記第１の記録層および前記第２の記録層を結晶相から非晶質相に相変化させる場合には、前記第１および第２の記録層の融点のうち低くない方の融点以上の温度に相当する前記第３の電流パルスを発生する、工程であり、これにより上記目的が達成される。
【００３９】
本発明による読み出し方法は、メモリに書き込まれた情報を読み出す読み出し方法であって、前記メモリは、電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録する第１の記録層と、電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録する第２の記録層とを備えるメモリであって、前記第１の記録層の結晶化温度Ｔx1と前記第２の記録層の結晶化温度Ｔx2との関係が、Ｔx1＜Ｔx2であり、前記第１の記録層の結晶化時間ｔx1と前記第２の記録層の結晶化時間ｔx2との関係が、ｔx1＞ｔx2であり、前記第１の記録層が非晶質相の場合の抵抗値をＲa1、前記第１の記録層が結晶相の場合の抵抗値をＲc1、前記第２の記録層が非晶質相の場合の抵抗値をＲa2、前記第２の記録層が結晶相の場合の抵抗値をＲc2とすると、Ｒa1＋Ｒa2、Ｒa1＋Ｒc2、Ｒa2＋Ｒc1、Ｒc1＋Ｒc2が互いに異なり、前記読み出し方法は、電流パルスを前記第１および第２の記録層に印加する工程と、前記第１および第２の記録層の抵抗の和を測定する工程と、前記抵抗の和が前記４つの異なる抵抗の和のいずれに一致するかを判定する工程とを包含し、これにより上記目的が達成される。
【００４０】
本発明による書き込み方法は、メモリに情報を書き込む書き込み方法であって、前記メモリは、電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録するＮ個の記録層（Ｎ＞２、Ｎは自然数）を備えるメモリであって、第ｍの記録層の結晶化温度をＴxm（１≦ｍ≦Ｎ）とすると、前記Ｎ個の記録層のそれぞれの結晶化温度は、関係Ｔx1＜Ｔx2＜…＜Ｔxm-1＜Ｔxm＜Ｔxm+1＜…＜ＴxNを満たし、前記第ｍの記録層の結晶化時間をｔxmとすると、前記Ｎ個の記録層のそれぞれの結晶化時間は、関係ｔx1＞ｔx2＞…＞ｔxm-1＞ｔxm＞ｔxm+1＞…＞ｔxNを満たし、前記Ｎ個の記録層の各記録層が非晶質相の場合の抵抗値、および前記Ｎ個の記録層の各記録層が結晶相の場合の抵抗値がすべて異なり、前記Ｎ個の記録層の抵抗の和は、２N個の異なる値をとり、前記書き込み方法は、少なくともＮ個の結晶化電流パルスおよび非晶質化電流パルスを発生させる工程と、前記少なくともＮ個の結晶化電流パルスおよび非晶質化電流パルスを前記Ｎ個の記録層に印加する工程とを包含し、前記発生させる工程は、前記第ｍの記録層のみを非晶質相から結晶相に相変化させ、前記第ｍの記録層を除く記録層の相状態を維持する場合には、Ｔxm≦Ｔx＜Ｔx(m+1)なる温度Ｔxおよびｔxm≦ｔx＜ｔx(m-1)なる時間ｔxに相当する結晶化電流パルスを発生し、前記Ｎ個の記録層すべてを結晶相から非晶質相に相変化させる場合には、前記Ｎ個の記録層の融点のうちもっとも高い融点以上の温度に相当する前記非晶質化電流パルスを発生する、工程であり、これにより上記目的が達成される。
【００４１】
本発明による読み出し方法は、メモリに書き込まれた情報を読み出す読み出し方法であって、前記メモリは、電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録するＮ個の記録層（Ｎ＞２、Ｎは自然数）を備えるメモリであって、第ｍの記録層の結晶化温度をＴxm（１≦ｍ≦Ｎ）とすると、前記Ｎ個の記録層のそれぞれの結晶化温度は、関係Ｔx1＜Ｔx2＜…＜Ｔxm-1＜Ｔxm＜Ｔxm+1＜…＜ＴxNを満たし、前記第ｍの記録層の結晶化時間をｔxmとすると、前記Ｎ個の記録層のそれぞれの結晶化時間は、関係ｔx1＞ｔx2＞…＞ｔxm-1＞ｔxm＞ｔxm+1＞…＞ｔxNを満たし、前記Ｎ個の記録層の各記録層が非晶質相の場合の抵抗値、および前記Ｎ個の記録層の各記録層が結晶相の場合の抵抗値がすべて異なり、前記Ｎ個の記録層の抵抗の和は、２N個の異なる値をとり、前記読み出し方法は、電流パルスを前記Ｎ個の記録層に印加する工程と、前記Ｎ個の記録層の抵抗の和を測定する工程と、前記抵抗の和が前記２N個の異なる抵抗の和のいずれに一致するかを判定する工程とを包含し、これにより上記目的が達成される。
【００４２】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は、本発明によるメモリに接続された書き込み／読み出し装置の構成を示す。書き込み／読み出し装置１２は、メモリ１１に情報を書き込む、またはメモリ１１に書き込まれた情報を読み出す。
【００４３】
書き込み／読み出し装置１２は、電流パルスを発生させるパルス発生部７と、メモリ１１の抵抗を測定する抵抗測定部８と、スイッチ９、１０と、パルス発生部７によって発生された電流パルスをメモリ１１に印加する印加部１３と、抵抗測定部８によって測定されたメモリ１１の抵抗値を判定する判定部１６とを含む。
【００４４】
メモリ１１は、基板１と、基板１上に堆積された下部電極２と、下部電極２上に堆積された第１の記録層３と、第１の記録層３上に堆積された中間層４と、中間層４上に堆積された第２の記録層５と、第２の記録層５上に堆積された上部電極６とを含む。
【００４５】
基板１としては、例えば、ポリカーボネート等の樹脂板、ガラス板、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等のセラミック板、Ｓｉ板、Ｃｕ等の各種金属板等が用いられ得るがこれらに限定されない。実施の形態１では、基板１としてＳｉ基板を用いた。下部電極２および上部電極６としては、例えば、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｗ等の単体金属材料、およびこれらの組み合わせ（合金材料）が用いられ得るが、第１の記録層３および第２の記録層５に電気エネルギーを印加することができる任意の電極材料を用いることができる。中間層４は、第１の記録層３と第２の記録層５との間で各記録層を構成する原子が拡散することを防ぐために設けられる。中間層４は好ましくは導電性であり、例えば、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｗ等の単体金属材料、およびこれらの組み合わせ（合金材料）が用いられ得るが、これらに限定されない。実施の形態１では、下部電極２、中間層４および上部電極６にＰｔを用いた。
【００４６】
なお、下部電極２および／または上部電極６に代えて、第１の記録層３および第２の記録層５に電流パルスを印加することが可能な任意の構成が採用され得る。例えば、基板１が導電性である場合には、下部電極２は省略され得る。中間層４は、第１の記録層３および第２の記録層５の材質が、それらの間で互いに原子が拡散しないような材質である場合には、省略してもよい。
【００４７】
第１の記録層３および第２の記録層５の材料は、電流パルス等の電気エネルギーの印加による温度上昇に起因して、結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こす材料である。第１の記録層３および第２の記録層５の材料は、以下の条件１〜条件３を満たすように選択される。
【００４８】
条件１：第１の記録層３の結晶化温度Ｔx1および第２の記録層５の結晶化温度Ｔx2の関係が、Ｔx1＜Ｔx2を満たす。本明細書において、結晶化温度とは、記録層の材料が、非晶質相から結晶相に変化する温度をいう。
【００４９】
条件２：第１の記録層３の結晶化時間ｔx1および第２の記録層５の結晶化時間ｔx2の関係が、ｔx1＞ｔx2を満たす。本明細書において結晶化時間とは、記録層の材料が、非晶質相から結晶相に変化するまでに要する時間をいう。
【００５０】
条件３：第１の記録層３が非晶質相である場合の抵抗値をＲa1、第１の記録層３が結晶相の場合の抵抗値をＲc1、第２の記録層５が非晶質相である場合の抵抗値をＲa2、第２の記録層５が結晶相である場合の抵抗値をＲc2とすると、Ｒa1＋Ｒa2、Ｒa1＋Ｒc2、Ｒc1＋Ｒa2、Ｒc1＋Ｒc2が互いに異なる。
【００５１】
条件１と条件２とが満たされることによって、第１の記録層３の相状態と第２の記録層５の相状態とをそれぞれ所望の状態（非晶質相または結晶相）に設定することが可能になる。さらに、条件３が満たされることによって、第１の記録層３の相状態と第２の記録層５の相状態との組み合わせである４つの状態を区別して検出することができる。従って、メモリ１１の第１の記録層３および第２の記録層５は、その４つの状態に対応する４値（２ビット）の情報を担持することができる。各記録層を結晶相と非晶質相との間でのみ制御すればよいので、１つの記録層の相状態を段階的に制御することに比べて制御が容易である。
【００５２】
第１の記録層３の結晶化温度Ｔx1は、好ましくは、１３０≦Ｔx1（℃）≦２３０である。第２の記録層５の結晶化温度Ｔx2は、好ましくは、１６０≦Ｔx2（℃）≦２６０である。第１の記録層３の結晶化時間ｔx1は、好ましくは、５≦ｔx1（ｎｓ）≦２００である。第２の記録層５の結晶化時間ｔx2は、好ましくは、３≦ｔx2（ｎｓ）≦１５０である。第１の記録層３が非晶質相である場合の比抵抗ｒa1は、好ましくは、１．０≦ｒa1（Ω・ｃｍ）≦１×１０7である。第２の記録層５が非晶質相である場合の比抵抗ｒa2は、好ましくは、２．０≦ｒa2（Ω・ｃｍ）≦２×１０7である。第１の記録層３が結晶相である場合の比抵抗ｒc1は、好ましくは、１×１０-3≦ｒc1（Ω・ｃｍ）≦１．０である。第２の記録層５が結晶相である場合の比抵抗ｒc2は、好ましくは、１×１０-3≦ｒc2（Ω・ｃｍ）≦１．０である。実施の形態１において第１の記録層３および第２の記録層５の融点Ｔm1、Ｔm2の関係は、Ｔm1＞Ｔm2であるとするが、これら融点の関係は任意であり得る。本実施の形態１では、第１の記録層３および第２の記録層５の融点Ｔm1、Ｔm2は、それぞれ６３０℃および５５０℃である。第１の記録層３の融点Ｔm1は、好ましくは、４００≦Ｔm1（℃）≦８００である。第２の記録層５の融点Ｔm2は、好ましくは、３００≦Ｔm2（℃）≦７００である。
【００５３】
第１の記録層３は、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｔｅの３つの元素を含む。第２の記録層５は、（Ｓｂ−Ｔｅ）−Ｍ１で表される材料系を含み、ここでＭ１は、Ａｇ、Ｉｎ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｅ、Ｂｉ、ＡｕおよびＭｎからなる群から少なくとも１つ選択される。実施の形態１では、第１の記録層３および第２の記録層５にそれぞれＧｅ8Ｓｂ2Ｔｅ11および（Ｓｂ0.7Ｔｅ0.3）95Ｇｅ5を用いた。
【００５４】
実施の形態１で用いた第１の記録層３および第２の記録層５の結晶化温度Ｔx1、Ｔx2は、それぞれ１７０℃および２００℃であった。第１の記録層３および第２の記録層５の結晶化時間ｔx1、ｔx2は、それぞれ１３０ｎｓおよび８０ｎｓであった。
【００５５】
また、実施の形態１では、Ｐｔ下部電極２は面積１０μｍ×１０μｍ、厚さ０．１μｍであり、第１の記録層３のＧｅ8Ｓｂ2Ｔｅ11は面積５μｍ×５μｍ、厚さ０．１μｍであり、Ｐｔ中間層４は面積５μｍ×５μｍ、厚さ０．１μｍであり、第２の記録層５の（Ｓｂ0.7Ｔｅ0.3）95Ｇｅ5は面積５μｍ×５μｍ、厚さ０．１μｍであり、Ｐｔ上部電極６は面積５μｍ×５μｍ、厚さ０．１μｍであった。この構成において、第１の記録層３および第２の記録層５が非晶質相の場合の抵抗値Ｒa1、Ｒa2は、それぞれ１０００Ωおよび１５００Ωであった。第１の記録層３および第２の記録層５が結晶相の場合の抵抗値Ｒc1、Ｒc2は、それぞれ５Ωおよび１０Ωであった。
【００５６】
メモリ１１は、表１に示されるように、状態１〜状態４の４つの異なる状態を有する。状態１〜状態４は、第１の記録層３および第２の記録層５の各相状態（非晶質相と結晶相）の組み合わせである。表１は、メモリ１１のとり得る状態１〜４における第１の記録層３および第２の記録層５の相状態と抵抗の和を示す。
【００５７】
【表１】
0004025527.tif 000002
第１の記録層３と第２の記録層５の両方が非晶質相である場合（状態１）、第１の記録層３の抵抗と第２の記録層５の抵抗の和は、Ｒa1＋Ｒa2となる。第１の記録層３が結晶相であり、第２の記録層５が非晶質相である場合（状態２）、第１の記録層３の抵抗と第２の記録層５の抵抗の和は、Ｒc1＋Ｒa2となる。第１の記録層３が非晶質相であり、第２の記録層５が結晶相である場合（状態３）、第１の記録層３の抵抗と第２の記録層５の抵抗の和は、Ｒa1＋Ｒc2となる。第１の記録層３と第２の記録層５の両方が結晶相である場合（状態４）、第１の記録層３の抵抗と第２の記録層５の抵抗の和は、Ｒc1＋Ｒc2となる。上述したように、各抵抗の和は状態１〜４で異なっている。
【００５８】
次に、メモリ１１の作製手順を以下の工程Ｓ１１０１〜Ｓ１１０６に説明する。
【００５９】
Ｓ１１０１：表面を処理した基板１をスパッタリング装置内に準備する。
【００６０】
Ｓ１１０２：Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｗ等の単体金属ターゲットまたはこれらの合金金属ターゲットをＡｒガス雰囲気中でスパッタリングすることにより下部電極２が堆積される。
【００６１】
Ｓ１１０３：Ｇｅ、Ｓｂ、Ｔｅの３つの元素を含む合金ターゲットをＡｒガス雰囲気、Ｋｒガス雰囲気、Ａｒガスと酸素ガスまたは窒素ガスのうち少なくとも一方を含む反応性ガスとの混合ガス雰囲気、およびＫｒガスと反応性ガスとの混合ガス雰囲気からなる群から選択される雰囲気中でスパッタリングすることによって下部電極２上に第１の記録層３が堆積される。
【００６２】
Ｓ１１０４：Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｗ等の単体金属ターゲットまたはこれらの合金金属ターゲットをＡｒガス雰囲気中でスパッタリングすることにより中間層４が第１の記録層３上に堆積される。
【００６３】
Ｓ１１０５：（Ｓｂ−Ｔｅ）−Ｍ１で表される材料系を含む（ここでＭ１は、Ａｇ、Ｉｎ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｅ、Ｂｉ、ＡｕおよびＭｎからなる群から少なくとも１つ選択される）合金ターゲットをＡｒガス雰囲気、Ｋｒガス雰囲気、Ａｒガスと酸素ガスまたは窒素ガスのうち少なくとも一方を含む反応性ガスとの混合ガス雰囲気、およびＫｒガスと反応性ガスとの混合ガス雰囲気からなる群から選択される雰囲気中でスパッタリングすることによって中間層４上に第２の記録層５が堆積される。
【００６４】
Ｓ１１０６：Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｗ等の単体金属ターゲットまたはこれらの合金金属ターゲットをＡｒガス雰囲気中でスパッタリングすることにより上部電極６が第２の記録層５上に形成される。
【００６５】
上述した作製手順の工程Ｓ１１０１〜Ｓ１１０６において、下部電極２、第１の記録層３、中間層４、第２の記録層５および上部電極６を堆積するために、スパッタリング装置を用いたが、各層を堆積することができる任意の薄膜堆積装置を用いることができる。実施の形態１では、工程Ｓ１１０１においてＳｉ基板１の表面を窒素雰囲気中で窒化処理した。このようにして作製された下部電極２および上部電極６のそれぞれにＡｕリード線をボンディングし、印加部１３を介して読み出し／書き込み装置１２に接続した。
【００６６】
次にメモリ１１に情報を書き込む方法およびメモリ１１に書き込まれた情報を消去する方法を説明する。メモリ１１への情報の書き込みおよび消去を行う場合、スイッチ９が閉じられ、スイッチ１０が開かれる。パルス発生部７は、第１の記録層３および第２の記録層５の相状態を所望の相状態に変化させるために必要な振幅とパルス幅を有する電流パルスを発生する。パルス発生部７によって発生された電流パルスは、印加部１３を介して第１の記録層３と第２の記録層５とに印加される。
【００６７】
図２は、第１の記録層３および第２の記録層５の相状態に関する状態遷移図である。
【００６８】
本実施の形態１において、表１に示される状態１から状態２、状態１から状態３、状態１から状態４、状態２から状態３、状態２から状態４、状態３から状態２、状態３から状態４、状態４から状態２および状態４から状態３へ変化させる動作を書き込みと呼ぶ。一方、状態２から状態１、状態３から状態１および状態４から状態１へ変化させる動作を消去と呼ぶ。第１の記録層３および第２の記録層５の相状態を所望の相状態に変化させることによって、メモリ１１に情報が書き込まれる、またはメモリ１１に書き込まれた情報が消去される。
【００６９】
以下、図２を参照しながら、メモリ１１に情報を書き込むおよび／または消去する方法を各工程ごとに説明する。
【００７０】
工程Ｓ１：状態１を状態２に、または状態３を状態４に変化させる場合、すなわち、第１の記録層３を非結晶相から結晶相に相変化させ、第２の記録層５の相状態を維持する場合には、パルス発生部７（図１）は第１の電流パルスを発生し、印加部１３（図１）を介してその第１の電流パルスを第１の記録層３および第２の記録層５に印加する。第１の電流パルスは、Ｔx1≦Ｔ＜Ｔx2なる温度Ｔおよびｔx1＜ｔなる時間ｔに相当する電流パルスである。電流パルスの具体的な波形の例は、図３を参照して後述される。
【００７１】
工程Ｓ２：状態１を状態３に、または状態２を状態４に変化させる場合、すなわち、第１の記録層の相状態を維持し、第２の記録層５を非晶質相から結晶相に相変化させる場合には、パルス発生部７は第２の電流パルスを発生し、印加部１３を介してその第２の電流パルスを第１の記録層３および第２の記録層５に印加する。第２の電流パルスは、Ｔx2≦Ｔなる温度Ｔおよびｔx2≦ｔ＜ｔx1なる時間ｔに相当する電流パルスである。
【００７２】
工程Ｓ３：状態４を状態１に変化させる場合、すなわち、第１の記録層３および第２の記録層５を結晶相から非晶質相に相変化させる場合には、パルス発生部７は第３の電流パルスを発生し、印加部１３を介してその第３の電流パルスを第１の記録層３および第２の記録層５に印加する。第３の電流パルスは、第１の記録層３および第２の記録層５の融点のうち低くない方の融点以上の温度に相当する電流パルスである。
【００７３】
工程Ｓ４：状態１を状態４に変化させる場合、すなわち、第１の記録層３および第２の記録層５を非晶質相から結晶相に相変化させる場合には、パルス発生部７は第４の電流パルスを発生し、印加部１３を介してその第４の電流パルスを第１の記録層３および第２の記録層５に印加する。第４の電流パルスは、Ｔx2≦Ｔなる温度Ｔおよびｔx1≦ｔなる時間ｔに相当する電流パルスである。なお、工程Ｓ４は必須の工程ではない。なぜなら工程Ｓ４は、工程Ｓ２次いで工程Ｓ１、または工程Ｓ１次いで工程Ｓ２を行うことによって代替され得るからである。図２には、工程Ｓ４が必須の工程でないことを示すために、工程Ｓ４に対応する状態遷移を表す矢印が破線で示されている。
【００７４】
工程Ｓ５：第１の記録層３および第２の記録層５の各融点Ｔm1、Ｔm2が、Ｔm1＞Ｔm2を満たし、状態４を状態２に変化させる場合、すなわち第１の記録層３を結晶相に維持し、第２の記録層５を結晶相から非晶質相に相変化させる場合には、パルス発生部７は第５の電流パルスを発生し、印加部１３を介してその第５の電流パルスを第１の記録層３および第２の記録層５に印加する。第５の電流パルスは、Ｔm2≦Ｔ＜Ｔm1なる温度Ｔに相当する電流パルスである。工程Ｓ５は必須の工程ではない。なぜなら工程Ｓ５は、工程Ｓ３次いで工程Ｓ１を行うことによって代替され得るからである。図２には、工程Ｓ５が必須の工程でないことを示すために、工程Ｓ５に対応する状態遷移を破線で示されている。なお、第１の記録層３および第２の記録層５の各融点Ｔm1、Ｔm2が、Ｔm1＜Ｔm2を満たす場合には、Ｔm1≦Ｔ＜Ｔm2なる温度Ｔに相当する第５の電流パルスを第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、状態４から状態３に変化させることができる。
【００７５】
上述の工程Ｓ１〜Ｓ３さえあれば、第１の記録層３および第２の記録層５の相状態を状態１〜状態４の任意の状態から任意の状態に変化させることができる。例えば、状態２を状態１に変化させる場合には、工程Ｓ２および工程Ｓ３を行えばよい。状態３を状態１に変化させる場合には、工程Ｓ１および工程Ｓ３を行えばよい。状態２を状態３に変化させる場合には、工程Ｓ２、工程Ｓ３、次いで工程Ｓ２を行えばよい。状態３を状態２に変化させる場合には、工程Ｓ１、工程Ｓ３、次いで工程Ｓ１を行えばよい。状態４を状態３に変化させる場合には、工程Ｓ３、次いで工程Ｓ２を行えばよい。
【００７６】
第１の記録層３および第２の記録層５の現在の相状態が既知である場合には、上記の各工程を組み合わせることによって第１の記録層３および第２の記録層５を所望の相状態に相変化させることができる。現在の相状態（初期状態）は、図４を参照して説明される読み出し方法を用いて知ることができる。なお、工程Ｓ２次いで工程Ｓ１、または工程Ｓ１次いで工程Ｓ２を行うことによって、第１の記録層３および第２の記録層５の相状態は、任意の状態から状態４に変化する。このようにして得られた状態４を初期状態として用いて、第１の記録層３および第２の記録層５の相状態を所望の相状態に相変化させてもよい。これによって、読み出し手順が省略される。初期状態として使用することができる状態は、状態４に限定されない。
【００７７】
次に、各状態へ変化させるための電流パルスの波形について説明する。
【００７８】
図３は、２つの記録層の相状態を変化させるための種々の電流パルスの波形を示す。図１に示すパルス発生部７は、種々のパルス振幅（印加電流値）および種々のパルス幅（電流印加時間）を有する電流パルスを発生する。
【００７９】
第１の電流パルス２１：図２で説明したように、第１の電流パルス２１は、状態１を状態２に、または状態３を状態４に変化させる場合に第１の記録層３および第２の記録層５に印加される電流パルスである。第１の電流パルス２１を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第１の記録層３および第２の記録層５とは、ともに温度上昇し、ｔx1≦ｔなる時間ｔの間、Ｔx1≦Ｔ＜Ｔx2なる温度Ｔになる。実施の形態１では、第１の電流パルス２１のパルス振幅Ｉc1およびパルス幅ｔc1は、それぞれ２ｍＡおよび１５０ｎｓに設定された。パルス振幅Ｉc1およびパルス幅ｔc1は、好ましくは、それぞれ０．０２≦Ｉc1（ｍＡ）≦１０および５≦ｔc1（ｎｓ）≦２００である。第１の電流パルス２１を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第１の記録層３のみが結晶化温度Ｔx1および結晶化時間ｔx1を達成し、第１の記録層３は非晶質相から結晶相へ相変化し、第２の記録層５は現在の相状態を維持する。
【００８０】
このように、Ｔx1≦Ｔ＜Ｔx2なる温度Ｔおよびｔx1≦ｔなる時間ｔに相当する第１の電流パルス２１を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第１の記録層３を非結晶相から結晶相に相変化させ、第２の記録層５の相状態を維持することができる。
【００８１】
第２の電流パルス２２：第２の電流パルス２２は、状態１を状態３に、または状態２を状態４に変化させる場合に第１の記録層３および第２の記録層５に印加される電流パルスである。第２の電流パルス２２を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第１の記録層３および第２の記録層５は、ともに温度上昇し、ｔx2≦ｔ＜ｔx1なる時間ｔの間、Ｔx2≦Ｔなる温度Ｔになる。実施の形態１では、第２の電流パルス２２のパルス振幅Ｉc2およびパルス幅ｔc2は、それぞれ４ｍＡおよび１００ｎｓに設定された。パルス振幅Ｉc2およびパルス幅ｔc2は、好ましくは、それぞれ０．０５≦Ｉc2（ｍＡ）≦２０および２≦ｔc2（ｎｓ）≦１５０である。このような第２の電流パルス２２を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第２の記録層５のみが結晶化温度Ｔx2および結晶化時間ｔx2を達成し、第１の記録層３は現在の相状態を維持し、第２の記録層５は非晶質相から結晶相へ相変化する。
【００８２】
このように、Ｔx2≦Ｔなる温度Ｔおよびｔx2≦ｔ＜ｔx1なる時間ｔに相当する第２の電流パルス２２を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第１の記録層の相状態を維持し、第２の記録層を非晶質相から結晶相に相変化させることができる。
【００８３】
第３の電流パルス２３：第３の電流パルス２３は、状態４を状態１に変化させる場合に第１の記録層３および第２の記録層５に印加される電流パルスである。第３の電流パルス２３を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第１の記録層３および第２の記録層５は、ともに温度上昇し、両方の記録層の低くない方の融点以上の温度Ｔになる。実施の形態１では、第３の電流パルス２３のパルス振幅Ｉa1およびパルス幅ｔa1は、それぞれ５０ｍＡおよび５０ｎｓに設定された。パルス振幅Ｉa1およびパルス幅ｔa1は、好ましくは、それぞれ０．１≦Ｉa1（ｍＡ）≦２００および１≦ｔa1（ｎｓ）≦１００である。このような第３の電流パルス２３を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第１の記録層３および第２の記録層５の両方がそれらの低くない方の融点（実施の形態１ではＴm1＝６３０℃）以上を達成し、ともに溶融された後に急冷され、その結果第１の記録層３および第２の記録層５の両方が結晶相から非晶質相へ相変化する。第３の電流パルス２３のパルス振幅Ｉa1は、第１の記録層３および第２の記録層５を非晶質相から結晶相へ相変化させるために必要な電流値Ｉc1、Ｉc2と比較して大きい。これは、第１の記録層３および第２の記録層５の結晶化温度Ｔx1、Ｔx2よりも高い温度（Ｔm1＝６３０℃）を達成するためである。
【００８４】
このように、第１の記録層３および第２の記録層５の融点のうち低くない方の融点以上の温度に相当する第３の電流パルス２３を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第１の記録層３および第２の記録層５を結晶相から非晶質相に相変化させることができる。
【００８５】
第１〜第３の電流パルス２１〜２３が、書き込み／読み出し装置１２を用いて情報を書き込む際の必須の電流パルスである。これら第１〜第３の電流パルス２１〜２３を組み合わせることによって、メモリ１１を任意の状態から別の任意の状態へ変化させることができる。
【００８６】
第４の電流パルス２４：第４の電流パルス２４は、状態１を状態４に変化させる場合に第１の記録層３および第２の記録層５に印加される電流パルスである。第４の電流パルス２４を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第１の記録層３および第２の記録層５は、ともに温度上昇し、ｔx1≦ｔなる時間ｔの間、Ｔx2≦Ｔなる温度Ｔになる。第４の電流パルス２４のパルス振幅Ｉc12およびパルス幅ｔc12は、それぞれ第２の電流パルス２２のパルス振幅Ｉc2および第１の電流パルス２１のパルス幅ｔc1に等しい。実施の形態１では、第４の電流パルス２４のパルス振幅Ｉc12およびパルス幅ｔc12は、それぞれ４ｍＡ（＝Ｉc2）および１５０ｎｓ（＝ｔc1）に設定された。パルス振幅Ｉc12およびパルス幅ｔc12は、好ましくは、それぞれ０．０５≦Ｉc12（ｍＡ）≦２０および５≦ｔc12（ｎｓ）≦２００である。このような第４の電流パルス２４を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第１の記録層３および第２の記録層５の両方が高い方の結晶化温度Ｔx2および長い方の結晶化時間ｔx1を達成し、第１の記録層３および第２の記録層５の両方が非晶質相から結晶相へ相変化する。
【００８７】
このように、Ｔx2≦Ｔなる温度Ｔおよびｔx1≦ｔなる時間ｔに相当する第４の電流パルス２４を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第１の記録層３および第２の記録層５を非晶質相から結晶相に相変化させることができる。
【００８８】
上述したように、第４の電流パルス２４は必須の電流パルスではない。なぜなら、第４の電流パルス２４の代わりに、第１の電流パルス２１および第２の電流パルス２２が代替され得る。しかし、第１の電流パルス２１および第２の電流パルス２２をメモリ１１に印加することに比較して、第４の電流パルス２４をメモリ１１に印加することは、状態１を状態４へより短時間で変化させることができるという利点を有する。
【００８９】
第５の電流パルス２５：第５の電流パルス２５は、第１の記録層３の融点Ｔm1および第２の記録層５の融点Ｔm2の関係がＴm1＞Ｔm2であり、状態４を状態２に変化させる場合に第１の記録層３および第２の記録層５に印加される電流パルスである。第５の電流パルス２５を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第１の記録層３および第２の記録層５は、ともに温度上昇し、Ｔm2≦Ｔ＜Ｔm1なる温度Ｔになる。第５の電流パルス２５のパルス振幅Ｉa2およびパルス幅ｔa2は、それぞれ３０ｍＡおよび５０ｎｓに設定された。パルス振幅Ｉa2およびパルス幅ｔa2は、好ましくは、それぞれそれぞれ０．０５≦Ｉa2（ｍＡ）≦１６０および１≦ｔa2（ｎｓ）≦１００である。このような第５の電流パルス２５を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第１の記録層３および第２の記録層５は、第１の記録層３の融点には達しないが第２の記録層５の融点（実施の形態１ではＴm2＝５５０℃）以上に達する。従って第１の記録層３は結晶相を維持し、第２の記録層５のみが溶融され、急冷されて結晶相から非晶質相に相変化する。なお、第５の電流パルス２５は、第１の記録層３の融点Ｔm1および第２の記録層５の融点Ｔm2の関係がＴm1＜Ｔm2の場合には、状態４を状態３に変化させるために用いられ得る。
【００９０】
このように、第１の記録層３の融点Ｔm1と第２の記録層５の融点Ｔm2との関係がＴm1≠Ｔm2である場合に、低い方の融点以上かつ高い方の融点未満の温度に相当する第５の電流パルス２５を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、低い方の融点を有する記録層を結晶相から非晶質相に相変化させ、高い方の融点を有する記録層を結晶相に維持することができる。
【００９１】
上述したように、第５の電流パルス２５は、第１の記録層３と第２の記録層５の融点が異なる場合に有用であるが、必須の電流パルスではない。なぜなら第５の電流パルスの代わりに、第３の電流パルス２３（または第２の電流パルス２２）および第１の電流パルス２１が代替され得る。しかし、第３の電流パルス２３（または第２の電流パルス２２）および第１の電流パルス２１をメモリ１１に印加することに比較して、第５の電流パルス２５をメモリ１１に印加することは、状態４を状態２（または状態３）へより短時間で変化させることができるという利点を有する。
【００９２】
次に第１〜第５の電流パルス２１〜２５のうち少なくとも２つ以上を組み合わせた電流パルス２６〜３３について説明する。
【００９３】
電流パルス２６：電流パルス２６は、第３の電流パルス２３と第１の電流パルス２１とを組み合わせた電流パルスである。状態４を状態２へ変化させる場合、電流パルス２６は、第５の電流パルス２５の代わりに用いられ得る。電流パルス２６を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第１の記録層３および第２の記録層５は、ともに温度上昇し、ｔx1≦ｔなる時間ｔの間に、両方の記録層の低くない方の融点以上の温度Ｔになり溶融され、その後、急冷されて、Ｔx1≦Ｔ＜Ｔx2なる温度Ｔになる。電流パルス２６は、振幅Ｉa1（実施の形態１ではＩa1＝５０ｍＡ）に次いで振幅Ｉc1（実施の形態１ではＩc1＝２ｍＡ）全体でｔc1（実施の形態１ではｔc1＝１５０ｎｓ）となるように設定された。
【００９４】
上述したように、電流パルス２６は必須の電流パルスではない。なぜなら電流パルス２６の代わりに、第５の電流パルス２５が代替され得る。しかし、第５の電流パルス２５をメモリ１１に印加することに比較して、電流パルス２６をメモリ１１に印加することは、第１の記録層３および第２の記録層５の融点が等しい場合であっても状態４を状態２へ変化させることができるという利点を有する。
【００９５】
このように、両方の記録層の低くない方の融点以上、次いでＴx1≦Ｔ＜Ｔx2なる温度Ｔを全体でｔx1＜ｔなる時間ｔに相当する電流パルス２６を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第１の記録層３および第２の記録層５は、結晶相から非晶質相に相変化した後、第１の記録層３を非晶質相から結晶相に相変化させ、第２の記録層５を非晶質相に維持することができる。すなわち、メモリ１１は、状態４から状態１を介して状態２へと変化する。
【００９６】
電流パルス２７：電流パルス２７は、第３の電流パルス２３と第２の電流パルス２２を組み合わせた電流パルスである。状態４を状態３に変化させる場合に、電流パルス２７が用いられる。電流パルス２７を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第１の記録層３および第２の記録層５は、ともに温度上昇し、ｔx2≦ｔ＜ｔx1なる時間ｔの間、両方の記録層の低くない方の融点以上の温度Ｔになり溶融される。その後急冷されて、Ｔx2≦Ｔなる温度Ｔになる。電流パルス２７は、振幅Ｉa1に次いで振幅Ｉc2（実施の形態１ではＩc2＝４ｍＡ）全体でｔc2（実施の形態１ではｔc2＝１００ｎｓ）となるように設定された。
【００９７】
このように、両方の記録層の低くない方の融点以上、次いでＴx2≦Ｔなる温度Ｔを全体でｔx2≦ｔ＜ｔx1なる時間ｔに相当する電流パルス２７を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第１の記録層３および第２の記録層は、結晶相から非晶質相に相変化した後、第１の記録層３を非晶質相に維持し、第２の記録層５を非晶質相から結晶相に相変化させることができる。すなわち、メモリ１１は、状態４から状態１を介して状態３へと変化する。
【００９８】
電流パルス２８：電流パルス２８は、第１の電流パルス２１と第３の電流パルス２３とを組み合わせた電流パルスである。状態３を状態１に変化させる場合に、電流パルス２８が用いられる。電流パルス２８を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第１の記録層３および第２の記録層５は、ともに温度上昇し、ｔx1≦ｔなる時間ｔの間、Ｔx1≦Ｔ＜Ｔx2なる温度Ｔになり、次いで両方の記録層の低くない方の融点以上の温度Ｔになる。電流パルス２８は、振幅Ｉc1、パルス幅ｔc1に次いで振幅Ｉa1、パルス幅ｔa1（実施の形態１ではｔa1＝５０ｎｓ）となるように設定された。
【００９９】
このように、Ｔx1≦Ｔ＜Ｔx2なる温度Ｔおよびｔx1≦ｔなる時間ｔ、次いで第１の記録層３および第２の記録層５の融点のうち低くない方の融点以上の温度に相当する電流パルス２８を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第１の記録層３を非晶質相から結晶相に相変化させ、第２の記録層５を結晶相に維持し、次いで両方の記録層の結晶相を非晶質相に相変化させることができる。すなわち、メモリ１１の状態は、状態３から状態４を介して状態１へと変化する。
【０１００】
電流パルス２９：電流パルス２９は、第２の電流パルス２２と第３の電流パルス２３とを組み合わせた電流パルスである。状態２を状態１に変化させる場合に、電流パルス２９が用いられる。電流パルス２９を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第１の記録層３および第２の記録層５は、ともに温度上昇し、ｔx2≦ｔ＜ｔx1なる時間ｔの間、Ｔx2≦Ｔなる温度Ｔになり、次いで両方の記録層の低くない方の融点以上の温度Ｔになる。電流パルス２９は、振幅Ｉc2、パルス幅ｔc2に次いで振幅Ｉa1、パルス幅ｔa1となるように設定された。
【０１０１】
このように、Ｔx2≦Ｔなる温度Ｔおよびｔx2≦ｔ＜ｔx1なる時間ｔ、次いで第１の記録層３および第２の記録層５の融点のうち低くない方の融点以上の温度に相当する電流パルス２９を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第１の記録層３を結晶相に維持し、第２の記録層５を非晶質相から結晶相に相変化させ、次いで両方の記録層の結晶相を非晶質相に相変化させることができる。すなわち、メモリ１１の状態は、状態２から状態４を介して状態１へと変化する。
【０１０２】
電流パルス３０：電流パルス３０は、第４の電流パルスと第３の電流パルスとを組み合わせた電流パルスである。状態２または状態３を状態１に変化させる場合に、電流パルス３０が用いられる。電流パルス３０は、電流パルス２８および電流パルス２９の代わりに用いることができる。電流パルス３０を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第１の記録層３および第２の記録層５は、ともに温度上昇し、ｔx1≦ｔなる時間ｔの間、Ｔx2≦Ｔなる温度Ｔになり、次いで両方の記録層の低くない方の融点以上の温度Ｔになる。電流パルス３０は、振幅Ｉc2、パルス幅ｔc1に次いで、振幅Ｉa1、パルス幅ｔa1となるように設定された。
【０１０３】
このように、Ｔx2≦Ｔなる温度Ｔおよびｔx1≦ｔなる時間ｔ、次いで第１の記録層３および第２の記録層５の融点のうち低くない方の融点以上の温度に相当する電流パルス３０を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第１の記録層３および第２の記録層５の各々が結晶相または非晶質相のいずれの相状態であっても、第１の記録層３および第２の記録層５をともに結晶相に相変化させ、次いで両方の記録層の結晶相を非晶質相に相変化させることができる。すなわち、メモリ１１の状態は、状態２または状態３を状態４を介して状態１へと変化する。
【０１０４】
電流パルス３１：電流パルス３１は、第２の電流パルス２２と電流パルス２７（第３の電流パルス２３と第２の電流パルス２２との組み合わせ）とを組み合わせた電流パルスである。状態２を状態３に変化させる場合に、電流パルス３１が用いられる。電流パルス３１を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第１の記録層３および第２の記録層５は、ともに温度上昇し、ｔx2≦ｔ＜ｔx1なる時間ｔの間、Ｔx2≦Ｔなる温度Ｔになり、次いでｔx2≦ｔ＜ｔx1なる時間ｔの間、両方の記録層の低くない方の融点以上の温度Ｔになり、その後急冷されて、Ｔx2≦Ｔなる温度Ｔになる。電流パルス３１は振幅Ｉc2、パルス幅ｔc2、次いで振幅Ｉa1、振幅Ｉc2全体でｔc2となるように設定された。
【０１０５】
このように、Ｔx2≦Ｔなる温度Ｔおよびｔx2≦ｔ＜ｔx1なる時間ｔ、次いでｔx2≦ｔ＜ｔx1なる時間ｔの間、両方の記録層の低くない方の融点以上の温度Ｔその後Ｔx2≦Ｔなる温度Ｔに相当する電流パルス３１を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第１の記録層３を結晶相に維持し、第２の記録層５を非晶質相から結晶相に相変化させ、次いで第１の記録層３および第２の記録層５を結晶相から非晶質相に相変化させる。その後第１の記録層３を非晶質相に維持し、第２の記録層５を非晶質相から結晶相に相変化させることができる。すなわち、メモリ１１の状態は、状態２から状態４次いで状態１を介して状態３へと変化する。
【０１０６】
電流パルス３２：電流パルス３２は、第１の電流パルス２１と第５の電流パルス２５とを組み合わせた電流パルスである。状態３を状態２に変化させる場合に、電流パルス３２が用いられる。電流パルス３２を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第１の記録層３および第２の記録層５は、ともに温度上昇し、ｔx1≦ｔなる時間ｔの間、Ｔx1≦Ｔ＜Ｔx2なる温度Ｔになり、次いでＴm2なる温度Ｔになる。電流パルス３２は、振幅Ｉc1、パルス幅ｔc1、次いで振幅Ｉa2（実施の形態１ではＩa2＝３０ｍＡ）、パルス幅ｔa2（実施の形態１ではｔa2＝５０ｎｓ）となるように設定された。
【０１０７】
このように、Ｔx1≦Ｔ＜Ｔx2なる温度Ｔおよびｔx1≦ｔなる時間ｔ、次いでＴm2なる温度Ｔに相当する電流パルス３２を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第１の記録層３を非晶質相から結晶相に相変化させ、第２の記録層５を結晶相に維持し、次いで第１の記録層３を結晶相に維持し、第２の記録層５を結晶相から非晶質相に相変化させることができる。すなわち、メモリ１１の状態は、状態３から状態４を介して状態２へと変化する。
【０１０８】
電流パルス３３：電流パルス３３は、第１の電流パルス２１と電流パルス２６（第３の電流パルス２３と第１の電流パルス２１との組み合わせ）とを組み合わせた電流パルスである。状態３を状態２に変化させる場合、電流パルス３３が、電流パルス３２の代わりに用いられ得る。電流パルス３３を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第１の記録層３および第２の記録層５は、ともに温度上昇し、ｔx1≦ｔなる時間ｔの間、Ｔx1≦Ｔ＜Ｔx2なる温度Ｔになり、次いでｔx1≦ｔなる時間ｔの間に、両方の記録層の低くない方の融点以上の温度Ｔになり溶融され、その後急冷されて、Ｔx1≦Ｔ＜Ｔx2なる温度Ｔになる。電流パルス３３は、振幅Ｉc1、パルス幅ｔc1、次いで振幅Ｉa1、振幅Ｉc1全体でｔc1となるように設定された。
【０１０９】
このように、Ｔx1≦Ｔ＜Ｔx2なる温度Ｔおよびｔx1≦ｔなる時間ｔ、その後両方の記録層の低くない方の融点以上、次いでＴx1≦Ｔ＜Ｔx2なる温度Ｔを全体でｔx1≦ｔなる時間ｔに相当する電流パルス３３を第１の記録層３および第２の記録層５に印加することによって、第１の記録層３を非晶質相から結晶相に相変化させ、第２の記録層５を結晶相に維持し、次いで第１の記録層３および第２の記録層５を結晶相から非晶質相に相変化させる。その後第１の記録層３を非晶質相から結晶相に相変化させ、第２の記録層５を非晶質相に維持することができる。すなわち、メモリ１１の状態は、状態３から状態４次いで状態１を介して状態２へと変化する。
【０１１０】
電流パルス２８〜３３では、メモリ１１は、一旦状態４を介して所望の状態へ変化している。これは、第１の記録層３または第２の記録層５のいずれか一方が非晶質相（高抵抗状態）である場合、印加された電流パルスの電気エネルギーの大部分が、非晶質相である記録層で消費されるので、他方の結晶相（低抵抗状態）のみを非晶質相に相変化させるために必要な電気エネルギーを結晶相である記録層に印加できないためである。従って、一旦両方の記録層を結晶相に相変化させ、次いでその両方の記録層を非晶質相に相変化させるように、電流パルス２８〜３３は設定されている。
【０１１１】
本発明による書き込み／読み出し装置１２によれば、３つの電流パルスおよび３つの電流パルスの組み合わせを用いることで、第１の記録層３および第２の記録層５の相状態を結晶相と非晶質相との間で制御し、第１の記録層３および第２の記録層５の任意の相状態から所望の相状態へ相変化させることができる。
【０１１２】
次にメモリ１１に書き込まれた情報を読み出す方法を説明する。メモリ１１に書き込まれた情報を読み出す際には、図１に示すスイッチ１０が閉じられ、書き込み／読み出し装置１２が印加部１３を介してメモリ１１に接続される。抵抗測定部８は、第１の記録層３および第２の記録層５に電流パルスＩrを印加し、その際に下部電極２（図１）と上部電極６（図１）との間に発生する電位差に基づいて、第１の記録層３および第２の記録層５の抵抗値（第１の記録層３の抵抗値と第２の記録層５の抵抗値との和）を検出する。電流パルスＩrは、抵抗測定部８が発生する代わりに、パルス発生部７が発生してもよい。この場合には、スイッチ９が閉じられる。電流パルスＩrは、第１の記録層３および第２の記録層５の相変化が生じない大きさの振幅およびパルス幅を有する。電流パルスＩrは、好ましくは、Ｉr（ｍＡ）≦０．０２である。
【０１１３】
図４は、本発明による、書き込み／読み出し装置を用いたメモリ１１に書き込まれた情報を読み出す方法を示すフローチャートである。以下、図４を参照しながら、メモリ１１に書き込まれた情報を読み出す方法を各工程ごとに説明する。
【０１１４】
工程４０１：第１の記録層３および第２の記録層５に電流パルスＩrを印加部１３を介して印加する。
【０１１５】
工程４０２：抵抗測定部８が第１の記録層３および第２の記録層５の抵抗の和を測定する。
【０１１６】
工程４０３：判定部１６が、測定された抵抗の和が、状態１〜４のいずれの状態の第１の記録層３および第２の記録層５の抵抗の和に一致するかを判定する。これにより、メモリ１１に書き込まれた情報が読み出される。
【０１１７】
図２と図４を参照して説明した例では、書き込み／読み出し装置１２が、書き込みと読み出しの機能を兼ね備えるものとして説明した。しかしながら、書き込み／読み出し装置１２は、書き込み（および消去）と読み出しとのいずれかのみを行うように構成されていてもよい。書き込み／読み出し装置１２が、書き込み（および消去）のみを行う場合には、抵抗測定器８および判定部１６は省略され得る。この場合には、書き込み／読み出し装置１２は、メモリ１１への情報の書き込み（および消去）装置として機能する。書き込み／読み出し装置１２が、読み出しのみを行う場合には、パルス発生部７は省略してもよい。また、書き込み／読み出し装置１２が、書き込み（および消去）と読み出しの機能を切り換えるためのスイッチ９、１０は、手動で切り換えられてもよいし、書き込み／読み出し装置１２の外部から与えられるコマンドに基づいて、スイッチ９、１０を制御する制御部が設けられていてもよい。
【０１１８】
図１に示される例では、１つのメモリ１１のみが用いられていた。しかし、複数のメモリ１１をマトリクス状に配置した構成を採用してもよい。
【０１１９】
図５は、本発明のメモリをマトリクス状に配置した記憶装置と記憶装置に接続された外部回路の構成を示す。図１に示す構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、これらについての詳細な説明は省略する。
【０１２０】
外部回路５４は、パルス発生部７と、抵抗測定部８、スイッチ９および１０と、判定部１６と、制御部５１とを含む。記憶装置５８は、ロウデコーダおよびカラムデコーダを含む印加部１３と、ビット線５２と、ワード線５３と、複数のメモリ１１から構成されるメモリアレイ５５とを含む。
【０１２１】
制御部５１は、書き込み動作または読み出し動作のいずれの動作を行うかを示すコマンド等の制御情報をライン５６を介してそれぞれパルス発生部７および抵抗測定部８に送る。パルス発生部７および抵抗測定部８のそれぞれは、受け取った制御情報に応じて、スイッチ９およびスイッチ１０の開閉を行い、書き込み動作または読み出し動作を行う。制御部５１はまた、メモリアレイ５５のうちどのメモリ１１に電流パルスを印加するかを示すアドレス情報をライン５７を介して印加部１３に送る。
【０１２２】
印加部１３のロウデコーダおよびカラムデコーダはそれぞれ、受け取ったアドレス情報によって指定されるメモリ１１のワード線５３およびビット線５２を指定する。次いで、指定されたメモリ１１に電流パルスが印加されて、書き込み動作または読み出し動作が行われる。
【０１２３】
図５に示すように図１のメモリ１１をマトリクス状に配置することによって、記憶装置の記憶容量を増大させることができる。
【０１２４】
（実施の形態２）
実施の形態１では、メモリ１１を構成する記録層が２層の場合を説明した。しかし、メモリ１１を構成する記録層の数は、２に限定されない。実施の形態２では、メモリを構成する記録層がＮ層（Ｎ＞２、Ｎは自然数）の場合を説明する。
【０１２５】
図６は、Ｎ個の記録層６２から構成されるメモリ６０を示す。図１に示す構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、これらについての詳細な説明は省略する。メモリ６０は、基板１と、下部電極２と、第１〜第Ｎ−１の中間層６１と、Ｎ個の記録層６２と、上部電極６とを含む。
【０１２６】
第１〜第Ｎ−１の中間層６１は、図１の中間層４と同様に、Ｎ個の記録層６２間で各記録層を構成する原子が拡散することを防ぐために設けられる。第１〜第Ｎ−１の中間層６１は好ましくは導電性であり、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｗ等の単体金属材料、およびこれらの組み合わせ（合金材料）が挙げられるが、これらに限定されない。
【０１２７】
なお、下部電極２および／または上部電極６に代えて、Ｎ個の記録層６２に電流パルスを印加することが可能な任意の構成が採用され得る。例えば、基板１が導電性である場合には、下部電極２は省略され得る。第１〜第Ｎ−１の中間層６１は、Ｎ個の記録層６２の材質が、それらの間で互いに原子が拡散しないような材質である場合には、省略してもよい。
【０１２８】
Ｎ個の記録層６２は、それぞれ電流パルスなどの電気エネルギーの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こす材料から構成される。Ｎ個の記録層６２の材料は、以下の条件１〜条件３を満たすように選択される。
【０１２９】
条件１：Ｎ個の記録層６２のうち第ｍ（１≦ｍ≦Ｎ）の記録層の結晶化温度Ｔxmは、関係Ｔx1＜Ｔx2＜…＜Ｔxm-1＜Ｔxm＜Ｔxm+1＜…＜ＴxNを満たす。
【０１３０】
条件２：Ｎ個の記録層６２のうち第ｍの記録層の結晶化時間ｔxmは、関係ｔx1＞ｔx2＞…＞ｔxm-1＞ｔxm＞ｔxm+1＞…＞ｔxNを満たす。
【０１３１】
条件３：Ｎ個の記録層の各記録層が非晶質相の場合の抵抗値、およびＮ個の記録層の各記録層が結晶相の場合の抵抗値がすべて異なり、Ｎ個の記録層の抵抗の和は、２N個の異なる値をとる。
【０１３２】
条件１と条件２とが満たされることによって、Ｎ個の記録層６２のそれぞれの相状態を所望の状態（非晶質相または結晶相）に設定することが可能になる。さらに、条件３が満たされることによって、Ｎ個の記録層６２のそれぞれの相状態の組み合わせである２N個の状態を区別して検出することができる。２N個の状態に対応する２N値（すなわちＮビット）の情報を担持することができる。各記録層を結晶相と非晶質相との間でのみ制御すればよいので、１つの記録層の相状態を段階的に制御することに比べて制御が容易である。
【０１３３】
このように構成されたメモリ６０は、図１に示すメモリ１１の代わりに用いられる。図１に示す書き込み／読み出し装置１２をメモリ６０への情報の書き込みおよびメモリ６０に書き込まれた情報の読み出しに用いる。
【０１３４】
Ｎ個の記録層６２のそれぞれが、非晶質相または結晶相のいずれかの状態をとることによって、メモリ６０は２N個の状態のいずれかをとる。状態１は、Ｎ個の記録層６２すべてが非晶質相である状態とする。状態２Nは、Ｎ個の記録層６２すべてが結晶相である状態とする。状態１から任意の状態へ変化させる動作を書き込みと呼ぶ。一方、状態１を除く任意の状態から状態１へ変化させる動作を消去と呼ぶ。Ｎ個の記録層６２の相状態を所望の相状態に変化させることによって、メモリ６０に情報が書き込まれるおよび／またはメモリ６０に書き込まれた情報が消去される。
【０１３５】
次に、メモリ６０に情報を書き込むまたはメモリ６０に書き込まれた情報を消去する方法を説明する。
【０１３６】
メモリ６０への情報の書き込みおよび消去を行う場合、スイッチ９が閉じられ、スイッチ１０が開かれる。パルス発生部７は、Ｎ個の記録層６２の相状態を所望の相状態に変化させるために必要な振幅とパルス幅とを有する電流パルスを発生する。電流パルスは、印加部１３を介してＮ個の記録層６２に印加される。
【０１３７】
図７は、Ｎ個の記録層６２の相状態を変化させるための種々の電流パルスの波形を示す。
【０１３８】
電流パルス（結晶化電流パルス）７０：結晶化電流パルス７０は、第ｍの記録層のみを非晶質相から結晶相に相変化させる場合に、Ｎ個の記録層６２に印加される電流パルスである。１≦ｍ≦Ｎなるｍのそれぞれについて、結晶化電流パルスが存在する。結晶化電流パルス７０をＮ個の記録層６２に印加することによって、Ｎ個の記録層６２すべてが温度上昇し、ｔxm≦ｔx＜ｔx(m-1)なる時間ｔxの間、Ｔxm≦Ｔx＜Ｔx(m+1)なる温度Ｔxになる。振幅Ｉcmおよびパルス幅ｔcmを有する結晶化電流パルス７０をＮ個の記録層６２に印加することによって、第ｍの記録層のみが、第ｍの記録層の結晶化温度Ｔxmおよび結晶化時間ｔxmを達成し、非晶質相から結晶相に相変化する。
【０１３９】
このように、Ｔxm≦Ｔx＜Ｔx(m+1)なる温度Ｔxおよびｔxm≦ｔx＜ｔx(m-1)なる時間ｔxに相当する結晶化電流パルス７０を印加部１３を介してＮ個の記録層６２に印加することによって、第ｍの記録層のみを非晶質相から結晶相に相変化させ、第ｍの記録層を除く記録層の相状態を維持することができる。なお、上述した関係ｔxm≦ｔx＜ｔx(m-1)は、ｍ＝１の場合には、関係ｔx1≦ｔxと読みかえられる。また、ｍ＝Ｎの場合には、関係Ｔxm≦Ｔx＜Ｔx(m+1)は、ＴxN≦Ｔxと読みかえられる。
【０１４０】
電流パルス（非晶質化電流パルス）７１：非晶質化電流パルス７１は、メモリ６０の状態を状態２Nから状態１に変化させる場合、Ｎ個の記録層６２に印加される電流パルスである。非晶質化電流パルス７１をＮ個の記録層６２に印加することによって、Ｎ個の記録層６２のすべてが、温度上昇し、Ｎ個の記録層６２の融点のうちもっとも高い融点以上の温度になる。振幅ＩaN+1およびパルス幅ｔaN+1を有する非晶質化電流パルス７１をＮ個の記録層６２に印加することによって、Ｎ個の記録層６２のすべてが融点Ｔm1を達成し溶融される。その後急冷されて、結晶相から非晶質相に相変化する。
【０１４１】
このように、Ｎ個の記録層の融点のうちもっとも高い融点以上の温度に相当する非晶質化電流パルス７１を印加部１３を介してＮ個の記録層６２に印加することによって、Ｎ個の記録層６２のすべてを結晶相から非晶質相に相変化させることができる。
【０１４２】
Ｎ個の記録層６２のうち非晶質相である記録層のそれぞれについての結晶化電流パルス７０をメモリ６０に順次印加することにより、任意の状態にあるメモリ６０を状態２Nに変化させることができる。また、状態２Nにあるメモリ６０に非晶質化電流パルス７１を印加することにより、メモリ６０を状態１に変化させることができる。さらに、状態１にあるメモリ６０に、結晶相に相変化させることが所望されるＮ個の記録層６２のうちの１つ以上の記録層についての結晶化電流パルス７０を順次印加することにより、メモリ６０を状態１から任意の状態に変化させることができる。このように、結晶化電流パルス７０および／または非晶質化電流パルス７１を単独または組み合わせて用いることにより、２N個の状態のうち任意の状態にあるメモリ６０を任意の別の状態へ変化させることができる。
【０１４３】
電流パルス７２：電流パルス７２は、Ｎ個の記録層６２のうち第ｍの記録層から第（ｍ＋ｎ−１）の記録層を非晶質相から結晶相に相変化させる場合に、Ｎ個の記録層６２に印加部１３を介して印加される電流パルスである。電流パルス７２をＮ個の記録層６２に印加することによって、Ｎ個の記録層６２のすべてが、温度上昇し、ｔxm≦ｔx＜ｔx(m-1)なる時間ｔx間、Ｔx(m+n-1)≦Ｔx＜Ｔx(m+n)なる温度Ｔxになる。振幅Ｉc(m+n-1)およびパルス幅ｔcmを有する電流パルス７２をＮ個の記録層６２に印加することによって、第ｍ〜第（ｍ＋ｎ−１）の記録層が結晶化温度Ｔx(m+n-1)および結晶化時間ｔxmを達成し、非晶質相から結晶相に相変化する。
【０１４４】
このように、Ｔx(m+n-1)≦Ｔx＜Ｔx(m+n)なる温度Ｔxおよびｔxm≦ｔx＜ｔx(m-1)なる時間ｔxに相当する電流パルス７２を印加部１３を介してＮ個の記録層６２に印加することによって、Ｎ個の記録層６２のうち第ｍ〜第（ｍ＋ｎ−１）の記録層を非晶質相から結晶相に相変化させることができる。
【０１４５】
電流パルス７２は必須の電流パルスではない。なぜなら、結晶化電流パルス７０をメモリ６０に順次印加することによっても、第ｍ〜第（ｍ＋ｎ−１）の記録層を非晶質相から結晶相に相変化させることができるからである。しかし、結晶化電流パルス７０をメモリ６０に順次印加することに比較して、電流パルス７２をメモリ６０に印加することは、第ｍ〜第（ｍ＋ｎ−１）の記録層をより短時間で非晶質相から結晶相に相変化させることができるという利点を有する。
【０１４６】
電流パルス７３：電流パルス７３は、状態１を状態２Nに変化させる場合、印加部１３を介してＮ個の記録層６２に印加される電流パルスである。電流パルス７３をＮ個の記録層６２に印加することによって、Ｎ個の記録層６２のすべてが、温度上昇し、ｔx1≦ｔxなる時間ｔxの間、ＴxN≦Ｔxなる温度Ｔxになる。振幅ＩcNおよびパルス幅ｔc1を有する電流パルス７３をＮ個の記録層６２に印加することによって、Ｎ個の記録層６２のすべてが結晶化温度ＴxNおよび結晶化時間ｔx1を達成し、非晶質相から結晶相に相変化する。
【０１４７】
このように、ＴxN≦Ｔxなる温度Ｔxおよびｔx1≦ｔxなる時間ｔxに相当する電流パルス７３をＮ個の記録層６２に印加することによって、Ｎ個の記録層６２すべてを非晶質相から結晶相に相変化させることができる。
【０１４８】
電流パルス７３は必須の電流パルスではない。なぜなら、結晶化電流パルス７０をメモリ６０に順次印加することによっても、Ｎ個の記録層６２のすべてを非晶質相から結晶相に相変化させることができるからである。しかし、結晶化電流パルス７０をメモリ６０に順次印加することに比較して、電流パルス７３をメモリ６０に印加することは、状態１を状態２Nにより短時間で変化させることができるという利点を有する。
【０１４９】
電流パルス７４：電流パルス７４は、電流パルス７３と非晶質化電流パルス７１とを組み合わせた電流パルスである。このような電流パルス７４は、Ｎ個の記録層６２のうち少なくとも１つの記録層が非晶質相であり、メモリ６０を状態１に変化させる場合に、印加部１３を介してＮ個の記録層６２に印加される電流パルスである。電流パルス７４をＮ個の記録層６２に印加することによって、Ｎ個の記録層６２のすべてが、温度上昇し、ｔx1≦ｔxなる時間ｔxの間、Ｔx≧ＴxNなる温度Ｔxになり、次いでＮ個の記録層６２のうち最も融点の高い温度になる。振幅ＩcNおよびパルス幅ｔc1、次いで振幅ＩaN+1およびパルス幅ｔaN+1を有する電流パルス７４をＮ個の記録層６２に印加することによって、Ｎ個の記録層６２のすべてが結晶化温度ＴxNおよび結晶化時間ｔx1を達成し、非晶質相から結晶相に相変化する。次いで、Ｎ個の記録層６２のすべてが、Ｎ個の記録層６２の各融点のうち最も高い融点以上に達し溶融し、急冷されて結晶相から非晶質相に相変化する。
【０１５０】
電流パルス７４は必須の電流パルスではない。なぜなら、結晶化電流パルス７０をメモリ６０に順次印加して、Ｎ個の記録層６２を状態２Nに変化させ、次いで非晶質化電流パルス７１をメモリ６０に印加することによっても、状態２Nから状態１に変化することができるからである。しかし、結晶化電流パルス７０をメモリ６０に順次印加し、非晶質化電流パルス７１を印加することに比較して、電流パルス７４をメモリ６０に印加することは、状態２Nを除く任意の状態から状態１により短時間で変化させることができるという利点を有する。
【０１５１】
電流パルス７５：電流パルス７５は、Ｎ個の記録層６２のうち少なくとも１つの記録層のそれぞれが温度Ｔm以下の融点を有し、Ｎ個の記録層のうちの少なくとも１つの記録層を除く記録層のそれぞれが温度Ｔmよりも高い融点を有し、少なくとも１つの記録層のそれぞれを結晶相から非晶質相に相変化させ、少なくとも１つの記録層のそれぞれを除く記録層を結晶相に維持する場合に、Ｎ個の記録層６２に印加される電流パルスである。電流パルス７５をＮ個の記録層６２に印加することによって、Ｎ個の記録層６２すべてが、温度上昇し、少なくとも１つの記録層のそれぞれが温度Ｔmとなる。振幅Ｉcmおよびパルス幅ｔamを有する電流パルス７５をＮ個の記録層６２に印加することによって、温度Ｔm以下の融点を有する少なくとも１つの記録層のそれぞれのみが温度Ｔmを達成し、結晶相から非晶質相に相変化する。
【０１５２】
温度Ｔmは、Ｎ個の記録層６２の融点のうち最も低い融点以上かつＮ個の記録層６２のうち最も高い融点未満となるように任意に選択され得る。このように温度Ｔmを選択することにより、Ｎ個の記録層６２を温度Ｔm以下の融点を有する少なくとも１つの記録層からなる低融点側のグループと、温度Ｔmより高い融点を有する少なくとも１つの記録層からなる高融点側のグループとに分けることができる。温度Ｔmに相当する電流パルス７５をＮ個の記録層６２に印加することによって、低融点側のグループに含まれる記録層のそれぞれを結晶相から非晶質相に相変化させることができる。
【０１５３】
電流パルス７５は、Ｎ個の記録層６２の融点が異なる場合に有用であるが、必須の電流パルスではない。なぜなら電流パルス７５の代わりに、非晶質化電流パルス７１および結晶化電流パルス７０をメモリ６０に順次印加することによっても、Ｎ個の記録層６２のうち所望の記録層のみを結晶相に相変化させることができるからである。しかし、非晶質化電流パルス７１および結晶化電流パルス７０をメモリ６０に印加することに比較して、電流パルス７５をメモリ６０に印加することは、メモリ６０をより短時間でＮ個の記録層６２のうち所望の記録層のみを結晶相に相変化させることができるという利点を有する。
【０１５４】
Ｎ個の記録層６２の現在の相状態が既知である場合には、上記の結晶化電流パルス７０と非晶質化電流パルス７１とを組み合わせることによって、Ｎ個の記録層６２を所望の相状態に相変化させることができる。現在の相状態（初期状態）は、図８を参照して説明される読み出し方法を用いて知ることができる。なお、ｍ＝１〜Ｎのそれぞれについての結晶化電流パルス７０をメモリ６０に順次印加することによって（あるいは、電流パルス７３をメモリ６０に印加することによって）、メモリ６０の状態は、任意の状態から状態２Nに変化する。このようにして得られた状態２Nを初期状態として用いて、Ｎ個の記録層６２の相状態を所望の相状態に相変化させてもよい。これによって、読み出し手順が省略される。初期状態として使用することができる状態は、状態２Nに限定されない。
【０１５５】
次にメモリ６０に書き込まれた情報を読み出す方法を説明する。読み出し方法は、実施の形態１において図４を参照して説明された読み出し方法と同様である。メモリ６０に書き込まれた情報を読み出す際には、図１に示すスイッチ１０が閉じられ、書き込み／読み出し装置１２が印加部１３を介してメモリ６０に接続される。抵抗測定部８は、Ｎ個の記録層６２に電流パルスＩrを印加し、その際に下部電極２（図１）と上部電極６（図１）との間に発生する電位差に基づいて、Ｎ個の記録層６２の抵抗値（Ｎ個の記録層６２のそれぞれの抵抗値の和）を検出する。電流パルスＩrは、Ｎ個の記録層６２が相変化しない大きさの振幅およびパルス幅を有する。
【０１５６】
図８は、本発明による、書き込み／読み出し装置１２を用いたメモリ６０に書き込まれた情報を読み出す方法を示すフローチャートである。以下、図８を参照しながら、メモリ６０に書き込まれた情報を読み出す方法を各工程について説明する。
【０１５７】
工程８０１：Ｎ個の記録層６２に電流パルスＩrを印加部１３を介して印加する。
【０１５８】
工程８０２：抵抗測定部８がＮ個の記録層６２の抵抗の和を測定する。
【０１５９】
工程８０３：判定部１６が、測定された抵抗の和が、状態１〜２Nのいずれの状態のＮ個の記録層６２の抵抗の和に一致するかを判定する。これにより、メモリ６０に書き込まれた情報が読み出される。
【０１６０】
なお、図６のメモリ６０を図５に示されるようにマトリクス状に配置し、記憶装置の記憶容量を増大させることもまた可能である。
【０１６１】
図６のメモリ６０は、Ｎ個の記録層６２が、第１〜第Ｎの記録層の順で堆積されていた。しかしながら、第１〜第Ｎの記録層は、任意の順番（例えば、ランダムな順番）で堆積されてもよい。
【０１６２】
【発明の効果】
本発明のメモリは、電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録する第１の記録層と、電流パルスの印加による温度上昇に起因して結晶相と非晶質相との間で可逆的な相変化を起こすことにより情報を記録する第２の記録層とを備える。第１の記録層の結晶化温度Ｔx1と第２の記録層の結晶化温度Ｔx2との関係が、Ｔx1＜Ｔx2であり、第１の記録層の結晶化時間ｔx1と第２の記録層の結晶化時間ｔx2との関係が、ｔx1＞ｔx2を満たすので、第１の記録層の相状態と第２の記録層の相状態とをそれぞれ所望の状態（非晶質相または結晶相）に設定することが可能になる。さらに、第１の記録層が非晶質相の場合の抵抗値をＲa1、第１の記録層が結晶相の場合の抵抗値をＲc1、第２の記録層が非晶質相の場合の抵抗値をＲa2、第２の記録層が結晶相の場合の抵抗値をＲc2とすると、Ｒa1＋Ｒa2、Ｒa1＋Ｒc2、Ｒa2＋Ｒc1、Ｒc1＋Ｒc2が互いに異なるので、第１の記録層の相状態と第２の記録層の相状態との組み合わせである４つの状態を区別して検出することができる。第１の記録層および第２の記録層の相状態を結晶相と非晶質相との間で制御するだけなので、制御が容易である。なお、このようなメモリは、２つの記録層の限定されず、２つより多くの記録層を用いた場合にも同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるメモリに接続された書き込み／読み出し装置の構成を示す図
【図２】第１の記録層および第２の記録層の相状態に関する状態遷移図
【図３】２つの記録層の相状態を変化させるための種々の電流パルスの波形を示す図
【図４】本発明による、書き込み／読み出し装置を用いたメモリに書き込まれた情報を読み出す方法を示すフローチャート
【図５】本発明のメモリをマトリクス状に配置した記憶装置と記憶装置に接続された外部回路の構成を示す図
【図６】Ｎ個の記録層から構成されるメモリを示す図
【図７】Ｎ個の記録層の相状態を変化させるための種々の電流パルスの波形を示す図
【図８】本発明による、書き込み／読み出し装置を用いたメモリに書き込まれた情報を読み出す方法を示すフローチャート
【符号の説明】
１  基板
２  下部電極
３  第１の記録層
４  中間層
５  第２の記録層
６  上部電極
７  パルス発生部
８  抵抗測定部
９、１０  スイッチ
１１  メモリ
１２  書き込み／読み出し装置
１３  印加部
１６  判定部
【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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