例如在非专利文献1记载的那样，在相变记录方式中，利用记录膜材料 引起结晶相-无定形相的相变进行写入、通过判定是结晶相还是无定形相来进 行读取。在使用在这种方式中最经常使用的硫族化合物(例如GeSbxTey系材 料)的记录膜材料的场合，有时无定形相的稳定性低，随时间的流逝结晶化。 这种不合适在温度高的环境下变得更加深刻。另外，还如上述文献中记载的 那样，在无定形相-结晶相的体积变动率大的场合，存在由于反复改写引起的 特性恶化的问题。在该文献中，记载了晶格缺损浓度越高，改写时的体积变 动越小，耐反复性越高。再有，还如非专利文献1中所述，通过提高相变速 度来提高改写速度正成为非常重要的课题。

本发明的第一目的是提供可靠性高的相变存储器。本发明的第二目的是 提供无定形状态稳定的相变存储器。本发明的第三目的是提供耐反复改写性 高的相变存储器。本发明的第四目的是提供改写速度快的相变存储器。
发明者们为获得提高相变记录膜的无定形相的稳定性的方法而进行悉 心研究的结果，发现使具有与相变记录膜的无定形相的原子排列相同的原子 排列的无定形材料接触相变记录膜是有效的方法。
另外，发明者们了解到，在利用上述非专利文献1的知识，通过使用晶 格缺损浓度更高的成分提高耐反复性的场合，作为晶格缺损多引起的副作用， 在结晶状态(消除状态)中的原子排列规则性恶化，与无定形相的区分变难。 因此，发明者们，为了获得不使用晶格缺损浓度高的组成而获得提供耐反复 性的方法进行悉心研究的结果，发现使在记录膜上具有拉伸变形是有效的。 进而，发现通过具有拉伸变形可以得到提高改写速度的效果。
本发明的课题例如通过具有下述结构的相变存储器解决。
本发明具有这样的结构，具有通过在结晶相和无定形相之间变化来记录 信息的相变记录膜、和对所述相变记录膜施以拉伸变形的部件。
根据本发明，可以提供可靠性高的相变存储器，可以提供无定形相稳定 的相变存储器，可以提供耐反复改写性高的相变存储器，可以提供改写速度 快的相变存储器。
附图说明
图1是作为本发明的第一实施例的相变存储器的主要部分的截面图。
图2是关于把GeSb2Te4作为记录膜104使用的场合，表示用于使从无定 形相向结晶相变化的活性化能量对于下部电极材料有什么样的依存性的图。
图3是关于把Ge2Sb2Te5作为记录膜104使用的场合，表示用于使从无定 形相向结晶相变化的活性化能量对于下部电极材料有什么样的依存性的图。
图4是关于把ZnGeTe作为记录膜104使用的场合，表示用于使从无定 形相向结晶相变化的活性化能量对于下部电极材料有什么样的依存性的图。
图5是关于把Ge2Sb2Te5作为记录膜104使用、把TiN作为下部电极102 使用的场合，表示用于使从无定形相向结晶相变化的活性化能量关于低浓度 区域对于TiN中的Si浓度有什么样的依存性的图。
图6是关于把Ge2Sb2Te5作为记录膜104使用、把TiN作为下部电极102 使用的场合，表示用于使从无定形相向结晶相变化的活性化能量关于高浓度 区域对于TiN中的Si浓度有什么样的依存性的图。
图7是关于把Ge2Sb2Te5作为记录膜104使用、把TaN作为下部电极102 使用的场合，表示用于使从无定形相向结晶相变化的活性化能量关于低浓度 区域对于TaN中的Si浓度有什么样的依存性的图。
图8是关于把Ge2Sb2Te5作为记录膜104使用、把TaN作为下部电极102 使用的场合，表示用于使从无定形相向结晶相变化的活性化能量关于高浓度 区域对于TaN中的Si浓度有什么样的依存性的图。
图9表示在本发明中对于拉伸变形的相变时间的效果的图。
图10是作为本发明的第二实施例的相变存储器的主要部分的截面图。
图11是作为本发明的第三实施例的相变存储器的主要部分的截面图。
图12是表示使用用于选择存储器单元的晶体管的相变存储器的主要部 分的截面结构的图。
图13是表示使用用于选择存储器单元的晶体管的相变存储器的电路结 构的图。
图14是表示使用用于选择存储器单元的二极管的相变存储器的电路结 构的图。
图15是表示使用用于选择存储器单元的二极管的相变存储器的主要部 分的截面结构的图。
图16是装备缺陷补救电路的SRAM存储器的芯片的框图。
符号说明
101基板，102a配线膜，102下部电极膜，103绝缘膜，104相变记录 膜，104p强电介质，104q强电介质，105上部电极膜，106绝缘膜，107绝 缘膜，108配线膜，109绝缘膜，201基板，202栅极绝缘膜，203、204扩 散层，205元件分离膜，206栅极电极，207、209、211、214、216、218绝 缘膜，208a、208b、215纵配线，210、213、221、223、225、227电极，212、 222、226相变记录膜，212p强电介质，212q强电介质，217、219配线，220 晶体管，224二极管，301基板，302配线，303、305半导体膜，304n+区 域，306p+区域，307、309、312绝缘膜，310相变记录膜，311电极，401 程序元件，402补救解码器，403芯片，404I/O部，405核心部，406SRAM 单元阵列，407CPU。

以下，通过在附图中表示的实施例详细说明本发明的实施形态。
(第一实施例)
首先在下面在图1中表示作为本发明的第一实施例的相变存储器中的主 要部分的截面构造。通过在硅基板101上把配线膜102a、下部电极膜102、 绝缘膜103、相变记录膜104、强电介质104p、强电介质104q、上部电极膜 105、配线膜106、绝缘膜107、配线膜108、绝缘膜109以该顺序形成而构 成。这些，例如使用溅射法或者化学气相蒸镀法(Chemical Vapor Deposition， CVD)或者电镀法形成。相变记录膜104，作为构成元素包含从Ge、Sb、Te中选择的至少两种，例如，把GeSb2Te4、GeSb2Te5、Ge6Sb2Te9或者ZnSbxTey、 ZnGexTey、ZnGexSbyTez、GeSbxTey作为主构成材料。在这一场合，GeSb2Te4、 GeSb2Te5、Ge6Sb2Te9有相变速度快这样的优点。另一方面，ZnSbxTey、 ZnGexTey、ZnGexSbyTez、GeSbxTey有机械强度强这样的优点。作为下部电极 膜102的材料，使用具有和相变记录膜104的无定形相的原子排列相同的原 子排列的无定形材料，在稳定记录膜104的无定形相方面较好。具有和记录 膜104的无定形相的原子排列相同的原子排列的无定形材料，例如是TiSixNy 或TaSixNy。TiSixNy或TaSixNy是接触界面内的平均最接近原子间距离约为 0.3nm的无定形材料，因为相变记录膜104的主构成材料(例如GeSb2Te4、 Ge2Sb2Te5、Ge6Sb2Te9、ZnSbxTey、ZnGexTey、ZnGexSbyTez、GeSbxTey)的无 定形相也是接触界面内的平均最接近原子间距离约为0.3nm，所以使TiSixNy 或TaSixNy接触相变记录膜104的话，会使记录膜104的无定形相稳定。为表 示这一效果，通过分子动力学模拟来分析相变记录膜104的无定形相结晶所 需要的活性化能量。所谓分子动力学模拟，如在Journal of Applied Physics第 54卷(1983年发行)第4877页记载的那样，是通过原子间的电势计算作用 于各原子的力，通过基于该力解牛顿的运动方程式，计算处于各时刻的各原 子的位置的方法。此外，在本实施例中，通过在上述的分子动力学法中取入 电荷移动计算异种元素间的相互作用，可以求出后述的关系。
通过分子动力学来分析记录膜104的无定形相结晶所需要的活性化能量 的步骤如下。把记录膜104的初始状态作为无定形相，例如关于在600℃和 700℃的场合求直到变化成结晶相的时间(结晶时间)。其后如通常实施那样， 把这些结果作为阿累尼乌斯曲线(Arrhenius plot)表示，用直线连接表示在 两个温度下的结果的两点。从直线的斜率可以计算活性化能量。
图2表示在作为相变记录膜104的主构成材料使用GeSb2Te4的场合的活 性化能量对于下部电极102的主构成材料有什么样的依存性。在作为接触界 面内的平均最接近原子间距离约为0.3nm的无定形材料的TiSixNy或TaSixNy 是下部电极材料的场合，可以了解活性化能量显著变大，可以使相变记录膜 104的无定形相稳定。此外，在该例中，TiSixNy是在TiN中把Si添加1at.％ 的材料。另外，TaSixNy是在TaN中把Si添加1at.％的材料。
图3表示在作为相变记录膜104的主构成材料使用GeSb2Te5的场合的活 性化能量对于下部电极102的主构成材料有什么样的依存性。和图2的场合 相同，在作为接触界面内的平均最接近原子间距离约为0.3nm的无定形材料 的TiSixNy或TaSixNy是下部电极材料的场合，可以了解活性化能量显著变大， 可以使相变记录膜104的无定形相稳定。虽然未表示结果，但是在包含从Ge、 Sb、Te中选择的至少两种元素，从Ge、Sb、Te中选择的一种元素是主构成 元素的场合，通过分析确认可以得到和图2或图3所示效果同样的效果。
图4表示在作为相变记录膜104的主构成材料使用ZnGeTe的场合的活 性化能量对于下部电极102的主构成材料有什么样的依存性。和图2或图3 的场合相同，在作为接触界面内的平均最接近原子间距离约为0.3nm的无定 形材料的TiSixNy或TaSixNy是下部电极材料的场合，可以了解活性化能量显 著变大，可以使相变记录膜104的无定形相稳定。然后，可以了解比图2或 图3的场合稳定化的效果更高。虽然未表示结果，但是在包含从Ge、Sb、Te中选择的至少两种元素，从Ge、Sb、Te中选择的一种元素是主构成元素，进 而包含把Zn作为构成元素的场合，通过分析确认稳定无定形相的效果高。
在到这里的例子中，表示作为TiSixNy使用在TiN中添加1at.％的Si的材 料、作为TaSixNy使用在TaN中添加1at.％的Si的材料来稳定无定形相的效果。 下面，图5、图6、图7、图8表示该效果对于Si的浓度怎样依从。Si的浓度 在大于等于0.07at.％小于等于33at.％时活性化能量变大，稳定相变记录膜104 的无定形相的效果高。因此，希望Si的浓度在该范围内。其理由如下。因为 Si添加0.07at.％或以上具有容易使TiN或TaN成为无定形状态，所以具有稳 定相变记录膜104的无定形相的效果。但是，在以比33at.％更高的浓度添加 Si的话，因为接触界面内的平均最接近原子间距离变成比约0.3nm显著小， 所以稳定相变记录膜104的无定形相的效果变弱。
如图1所示，在下部电极102的宽度比相变记录膜104的宽度小的场合， 因为需要形成宽度窄的下部电极102，而通过化学气相蒸镀法或者电镀法形 成下部电极102能制造精密的电极，所以适宜。另外，在下部电极102的宽 度比相变记录膜104的宽度小的场合，因为绝缘膜103接触下部电极102， 所以绝缘膜103是在接触界面内的平均最接近原子间距离约为0.3nm的无定 形材料，这在稳定电极102和相变记录膜104的无定形相方面有效。理由和 在把接触界面内的平均最接近原子间距离约为0.3nm的无定形材料作为下部 电极102来使用的场合稳定相变记录膜104的无定形相的理由相同，同已经 使用图2～图4说明的一样。在接触界面内的平均最接近原子间距离约是 0.3nm的无定形材料中，可以在绝缘膜103中使用的材料例如是TiOxNy、 TaOxNy、TiSixOyNz、TaSixOyNz。
在本实施例中，为提高相变记录膜104的改写功能，在发生相变时形成 用于在相变记录膜104中具有拉伸变形的压电元件。这是因为通过拉伸变形 缓和发生相变时的应力，可以提高耐改写性。另外，因为拉伸变形使发生相 变记录膜104的相变时的原子移动迅速，所以具有使改写速度变快的效果。 在图1中，压电元件具有使用下部电极102和上部电极膜105夹着强电介质 104p、104q的结构。
通过该压电元件，在发生相变时，亦即在下部电极102和上部电极膜105 之间施加电压时，对相变记录膜104施加拉伸变形。图9表示施加该拉伸变 形产生的效果。图9的(a)以及(b)，分别表示作为记录膜104的主构成材 料使用Ge2Sb2Te5以及ZnGeTe的场合的相变时间。在图9中，以变形为零的 值作为1标准化结晶化时间以及无定形化时间进行表示。浅灰度棒状图表示 结晶化时间，浓灰度棒状图表示无定形化时间。通过这些图可以明白，拉伸 变形变大的话，则结晶化时间和无定形化时间缩短，改写速度变快。虽然图 中未表示，不过即使在其他的组成比中也可以得到同样的效果。
此外在本实施例中，为在相变记录膜104上预先具有拉伸变形，优选上 部电极膜105是接受氧化处理、氮化处理、氧氮化处理中至少一个形成的膜。 其理由是，因为通过对上部电极膜105施行氧化处理、氮化处理、氧氮化处 理，嵌入氧和氮，所以通过对于上部电极膜105施行压缩变形，其结果，对 于在下面的相变记录膜104有拉伸变形作用。特别，在氧化处理的场合，优 选把既是氧化膜又是导电体的RuO2膜或者IrO2膜作为上部电极膜105使用。 因为上部电极膜105无导电性的话则不起作用。另外，在氮化处理的场合， 优选把既是氮化膜又是导电体的TiN膜或者WN膜作为上部电极膜105使用。 因为上部电极膜105无导电性的话则不起作用。以上说明的本实施例的效果， 即使改变计算条件也可以同样表示。
(第二实施例)
下面，在图10中表示作为本发明的第二实施例的相变存储器中的主要部 分的截面构造。第二实施例和第一实施例的不同，是在第二实施例中，下部 电极102成为102b和102c的二层结构这一点。在这一场合，第一下部电极 102b最好选择和配线膜102a密切接触性好的材料，作为第二下部电极102c 的材料，通过使用具有和相变记录膜104的无定形相的原子排列相同的原子 排列的无定形材料，在稳定记录膜104的无定形相方面适宜。在具有和记录 膜104的无定形相的原子排列相同的原子排列的无定形材料中作为第二下部 电极102c的材料优选的材料，如上所述，是例如TiSixNy或TaSixNy。
(第三实施例)
下面，在图11中表示作为本发明的第三实施例的相变存储器中的主要部 分的截面构造。第三实施例和第一实施例的不同，是在第三实施例中，绝缘 膜103成为103a和103b的二层结构这一点。在这一场合，第一绝缘膜103a 最好选择和配线膜102a密切接触性好的材料，作为第二绝缘膜103b的材料， 通过使用具有和相变记录膜104的无定形相的原子排列相同的原子排列的无 定形材料，在稳定下部电极102和记录膜104的无定形相方面适宜。在具有 和记录膜104的无定形相的原子排列相同的原子排列的无定形材料中作为第 二绝缘膜103b的材料优选的材料，如上所述，是例如TiOxNy、TaOxNy、 TiSixOyNz、TaSixOyNz。
下面，在图12中表示在适用于上述实施例的层结构的相变存储器中的主 要部分的截面构造。在本实施例的相变存储器中，例如在硅基板201上形成 构成晶体管的栅极绝缘膜202和栅极电极206，进而，在扩散层203、204上 形成配线。配线208a、208b、215、217、219和下部电极210、相变记录膜 212、强电介质212p、强电介质212q、上部电极213通过绝缘膜207、209、 211、214、216、218被分开。由下部电极210、强电介质212p、强电介质212q、 上部电极213组成的压电元件，和第一实施例同样，是用于获得提高耐改写 性和改写速度的效果的元件。在图12中，由栅极电极206、栅极绝缘膜202、 基板201组成的晶体管例如相当于图13所示的存储器电路的一个晶体管。例 如，夹着图13的相变记录膜223的电极221、223，可以通过晶体管220接 通、断开，可以访问指定地址的存储器单元。另外，在下部电极210的宽度 比相变记录膜212的宽度小的场合，因为绝缘膜209接触下部电极210，所 以绝缘膜209是在接触界面内的平均最接近原子间距离约为0.3nm的无定形 材料，这在稳定下部电极210以及相变记录膜212的无定形相方面有效。
另外，代替图13所示使用晶体管的电路结构，也可以是使用如图14所 示用于选择存储器单元的二极管的结构。图14的225和227表示电极，226 表示相变记录膜。
图15表示截面构造的一例。在图15的结构中，在基板301上形成配线 302，其上例如形成由多晶硅组成的半导体膜303、305，进而形成绝缘膜307、 下部电极308、绝缘膜309、相变记录膜310、强电介质310p、强电介质310q、 上部电极311、绝缘膜312、配线313。用于选择存储器单元的二极管例如通 过在半导体膜303中离子注入n型杂质，形成n+区域304；在半导体膜305 中离子注入p型杂质，形成p+区域306来制成。在这里，作为下部电极308 的材料，也使用具有和相变记录膜310的无定形相的原子排列相同的原子排 列的无定形材料，在稳定记录膜310的无定形相方面有效。由下部电极308、 强电介质310p、强电介质310q、上部电极311构成的压电元件，和第一实施 例相同，用于获得提高耐改写性和改写速度的效果。
在装备在闪速存储器等非易失存储器中存储补救地址信息或者修整信息 的结构的半导体膜装置中使用用以上的实施例说明的相变存储器构成半导体 膜装置的话，可以得到具有上述效果的可靠性高的装置。图16表示这样的半 导体膜装置的电路图。该例表示装备缺陷补救电路的SRAM存储器的例子。 图16的403是芯片，401是作为程序元件的相变存储器，402是补救解码器、 404是输入输出电路部(I/O部)、405是核心部。核心部405中包含CPU407 和SRAM单元阵列部406。优选把相变存储器程序元件401置于404中以减 小面积。
此外，在说明书中，所谓主构成材料，意味着以最大浓度存在的材料。 另外，例如，GeSb2Te4的正确的组成比是Ge∶Sb∶Te＝1∶2∶4，但是如1∶ 2.2∶4那样，在10％以内偏离的也认为实质上是相同的。
本发明可以作为相变存储器用于信息记录装置。
[非专利文献1]应用物理Vol.71，No.5(2002年)，562页到565页