JP2008066438A - Variable resistance element, nonvolatile memory element, variable resistance memory device, and method of writing data therein - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、抵抗変化型素子、不揮発性記憶素子、抵抗変化型記憶装置、およびこれらに対するデータ書き込み方法に関する。より詳しくは、ライトワンス型およびリライタブル型の書き込みが可能な抵抗変化型素子、不揮発性記憶素子、抵抗変化型記憶装置、およびこれらに対するデータ書き込み方法に関する。 The present invention relates to a resistance change element, a nonvolatile memory element, a resistance change memory device, and a data writing method for these. More specifically, the present invention relates to a resistance change element capable of write-once and rewritable writing, a nonvolatile memory element, a resistance change memory device, and a data writing method for these.
近年、電子機器におけるデジタル技術の進歩に伴い、画像や動画などの大量のデータを電源を切った状態で保存できる、不揮発性記憶装置のニーズが高まっている。 In recent years, with the advancement of digital technology in electronic devices, there is an increasing need for nonvolatile storage devices that can store a large amount of data such as images and moving images with the power turned off.
従来の不揮発性記憶装置として、特許文献1に開示された抵抗変化型素子が知られている。特許文献1の抵抗変化型素子は、抵抗変化材料としてペロブスカイト材料(例えば、Pr1−XCaXMnO3(PCMO)、LaSrMnO3(LSMO)、GdBaCoXOY(GBCO)など)が用いられる。抵抗変化材料は、所定の電気パルスを与えると抵抗値が上昇もしくは低下する。変化した抵抗値は、電源を切っても安定的に保存される。抵抗値とデータとを関連付けることで、該抵抗変化型素子を複数回書き込み可能な(リライタブル型の)不揮発性記憶素子として用いることが可能となる。 As a conventional nonvolatile memory device, a resistance variable element disclosed in Patent Document 1 is known. In the variable resistance element of Patent Document 1, a perovskite material (for example, Pr 1-X Ca X MnO 3 (PCMO), LaSrMnO 3 (LSMO), GdBaCo X O Y (GBCO), etc.) is used as the variable resistance material. The resistance value of the variable resistance material increases or decreases when a predetermined electric pulse is applied. The changed resistance value is stably stored even when the power is turned off. By associating the resistance value with the data, the variable resistance element can be used as a (rewritable) nonvolatile memory element that can be written a plurality of times.
他の不揮発性記憶装置として、特許文献2に開示されたアンチヒューズ型の記憶素子がある。特許文献2の記憶素子は、記憶素子の一部にアンチヒューズとしてSiO2薄膜を用いる。該記憶素子に所定の電気パルスを与えると電気抵抗が不可逆的に低下する。かかる変化は電源を切っても保存される。また、初期状態における高い抵抗値も、電源を切った状態で長期間保存される。よって、該記憶素子を、一回のみ記録可能な(ライトワンス型の)不揮発性記憶素子として用いることが可能となる。ライトワンス型の不揮発性記憶装置は、暗号技術や不正コピー防止技術などに役立つことが期待されている。
前記従来の構成において、ライトワンス型の不揮発性記憶装置は記録速度が遅いという問題があった。また、ライトワンス型の不揮発性記憶装置として用いうる構成の選択肢も限られていた。 In the conventional configuration, the write-once nonvolatile memory device has a problem that the recording speed is low. In addition, there are limited choices of configurations that can be used as a write-once nonvolatile memory device.
また、ライトワンス型の記憶とリライタブル型の記憶の両方を実行する必要のある装置がある。かかる装置を製造する場合に、前記従来の構成ではライトワンス型の不揮発性記憶装置とリライタブル型の不揮発性記憶装置とを別々のプロセスで製造する必要があった。このため、かかる装置を従来技術に基づいて製造すると、製造工程が複雑化して製造時間が長くなり、製造コストも高くなるという問題があった。 There are also devices that need to perform both write-once and rewritable storage. In the case of manufacturing such a device, in the conventional configuration, it is necessary to manufacture a write-once nonvolatile memory device and a rewritable nonvolatile memory device by separate processes. For this reason, when such an apparatus is manufactured based on the prior art, there is a problem that the manufacturing process is complicated, the manufacturing time is increased, and the manufacturing cost is increased.
本発明の目的は、高速記録が可能なライトワンス型の不揮発性記憶装置を提供することにある。また、本発明の別の目的は、新規な構成を有するライトワンス型の不揮発性記憶装置を提供することにある。本発明のさらに別の目的は、ライトワンス型の不揮発性記憶とリライタブル型の不揮発性記憶の両方を実行可能な装置を、簡単なプロセスで、短期間に低コストで製造可能とすることにある。 An object of the present invention is to provide a write-once nonvolatile memory device capable of high-speed recording. Another object of the present invention is to provide a write-once nonvolatile memory device having a novel configuration. Still another object of the present invention is to make it possible to manufacture a device capable of executing both a write-once type nonvolatile memory and a rewritable type nonvolatile memory with a simple process and at a low cost in a short time. .
本発明者は、酸化物を含む抵抗変化膜を用いた抵抗変化型素子に大きな電圧を印加するとブレイクダウンを起こし、不可逆的に抵抗値が低下することを発見した(実施例参照)。かかる性質を利用すれば、これまでリライタブル型としてのみ用いられてきた抵抗変化型記憶装置を、ライトワンス型の不揮発性記憶装置として用いることが可能となる。よって、新規な構成を有するライトワンス型の不揮発性記憶装置を提供することが可能となる。 The present inventor has discovered that when a large voltage is applied to a resistance variable element using a resistance variable film containing an oxide, breakdown occurs, and the resistance value irreversibly decreases (see Examples). By utilizing such a property, it becomes possible to use a resistance change type storage device that has been used only as a rewritable type as a write-once type non-volatile storage device. Therefore, a write-once nonvolatile memory device having a novel configuration can be provided.
従来のライトワンス型の不揮発性記憶装置であるアンチヒューズ型の記憶素子は、1セルあたりの書き込み速度が1μs程度であった(IEEE Electron Device Letters, Vol.25, No.5(2005)p.271-p.273)。これ対し、本発明の酸化物を含む抵抗変化膜を用いた抵抗変化型素子をライトワンス型の不揮発性記憶に用いた場合、1セルあたりの書き込み速度は100ns程度であった(実施例参照)。本発明の抵抗変化型素子によれば、書き込み速度が飛躍的に向上されたライトワンス型の不揮発性記憶装置が実現可能になる。 A conventional write-once nonvolatile memory device, which is an antifuse memory device, has a writing speed per cell of about 1 μs (IEEE Electron Device Letters, Vol. 25, No. 5 (2005) p. 5). 271-p.273). On the other hand, when the variable resistance element using the variable resistance film containing the oxide of the present invention is used for a write-once nonvolatile memory, the writing speed per cell is about 100 ns (see the examples). . According to the resistance variable element of the present invention, it is possible to realize a write-once nonvolatile memory device in which the writing speed is dramatically improved.
本発明者はまた、同一の方法で製造された抵抗変化型素子であっても、印加される電気パルスを変えることで、可逆的記憶にも不可逆的記憶にも利用することができることを発見した(実施例参照)。かかる性質を利用すれば、同一のプロセスで製造した装置により両方の機能が実現でき、製造時間や製造コストを削減することが可能となる。 The present inventor has also found that even a resistance variable element manufactured by the same method can be used for reversible memory or irreversible memory by changing an applied electric pulse. (See Examples). By utilizing this property, both functions can be realized by an apparatus manufactured by the same process, and manufacturing time and manufacturing cost can be reduced.
そこで、本発明に係る抵抗変化型素子は、第1の電極と、第2の電極と、前記第1の電極と前記第2の電極との間に形成された抵抗変化膜とを備え、前記抵抗変化膜は遷移金属を含む酸化物を含有し、第1のレベル以上の電気パルスである第1の電気パルスが前記第1の電極および前記第2の電極を介して前記抵抗変化膜に加えられると前記抵抗変化膜の電気抵抗が不可逆的に変化することにより前記第1の電気パルスに対応するデータの不可逆的な記憶を行う、不可逆的記憶用の抵抗変化型素子である。 Therefore, a variable resistance element according to the present invention includes a first electrode, a second electrode, and a variable resistance film formed between the first electrode and the second electrode, The resistance change film contains an oxide containing a transition metal, and a first electric pulse, which is an electric pulse of a first level or higher, is applied to the resistance change film via the first electrode and the second electrode. In this case, the variable resistance element for irreversible storage performs irreversible storage of data corresponding to the first electrical pulse by irreversibly changing the electrical resistance of the resistance change film.
かかる構成では、従来可逆的記憶にのみ使用されてきた遷移金属の酸化物を抵抗変化膜に用いる抵抗変化型素子を、不可逆的記憶用に用いることが可能となる。よって、新規な構成を有するライトワンス型の不揮発性記憶装置を提供することが可能となる。また、書き込み速度が飛躍的に向上されたライトワンス型の不揮発性記憶装置が実現可能になる。 In such a configuration, it is possible to use, for irreversible memory, a resistance variable element that uses a transition metal oxide, which has been used only for reversible memory, as a resistance variable film. Therefore, a write-once nonvolatile memory device having a novel configuration can be provided. In addition, a write-once nonvolatile memory device with dramatically improved write speed can be realized.
また、上記抵抗変化型素子において、前記酸化物は、鉄、銅、ニッケル、チタン、バナジウム、クロム、マンガンからなる群より選ばれる少なくとも1種類以上の遷移金属を含む酸化物であってもよい。 In the resistance variable element, the oxide may be an oxide containing at least one transition metal selected from the group consisting of iron, copper, nickel, titanium, vanadium, chromium, and manganese.
かかる構成では、特定の酸化物を抵抗変化膜の材料とすることができる。 In such a configuration, a specific oxide can be used as the material of the resistance change film.
また、上記抵抗変化型素子において、前記第1の電極および前記第2の電極は、白金、ルテニウム、イリジウム、銀、金、酸化ルテニウム、酸化イリジウムからなる群より選ばれる少なくとも1種類以上の材料を含んでいてもよい。 In the resistance variable element, the first electrode and the second electrode are made of at least one material selected from the group consisting of platinum, ruthenium, iridium, silver, gold, ruthenium oxide, and iridium oxide. May be included.
かかる構成では、特定の金属または金属酸化物を電極の材料とすることができる。 In such a configuration, a specific metal or metal oxide can be used as the electrode material.
また、本発明の抵抗変化型記憶装置は、上記抵抗変化型素子を複数備え、さらに、前記第1の電気パルスを前記第1の電極および前記第2の電極を介して前記抵抗変化膜に加えることにより前記抵抗変化型素子に前記第1の電気パルスに対応するデータの不可逆的な記憶を行わせる書き込み装置を備える、ライトワンス型の抵抗変化型記憶装置である。 The resistance change memory device according to the present invention further includes a plurality of the resistance change elements, and further applies the first electric pulse to the resistance change film via the first electrode and the second electrode. This is a write-once variable resistance storage device including a writing device that causes the variable resistance element to perform irreversible storage of data corresponding to the first electric pulse.
かかる構成では、従来可逆的記憶にのみ使用されてきた抵抗変化型素子を用いて、ライトワンス型の抵抗変化型記憶装置を構成することができる。 In such a configuration, a write-once resistance change type storage device can be configured using a resistance change type element that has been used only for reversible storage.
また、上記抵抗変化型素子において、さらに、第1のレベルの電気パルスよりも小さい電気パルスであって互いに異なる第2の電気パルスまたは第3の電気パルスが前記第1の電極および前記第2の電極を介して前記抵抗変化膜に加えられると前記抵抗変化膜の電気抵抗が可逆的に変化することにより前記第2の電気パルスまたは前記第3の電気パルスに対応するデータの可逆的な記憶を行ってもよい。 In the resistance variable element, the second electric pulse or the third electric pulse which is smaller than the first level electric pulse and is different from each other may be applied to the first electrode and the second electric pulse. When applied to the variable resistance film via an electrode, the electrical resistance of the variable resistance film changes reversibly, thereby reversibly storing data corresponding to the second electric pulse or the third electric pulse. You may go.
かかる構成では、同一の抵抗変化型素子を、不可逆的記憶にも可逆的記憶にも用いることができる。このため、ライトワンス型の記憶装置とリライタブル型の記憶装置とを、実質的に一つのプロセスで製造することが可能となる。よって、不可逆的記憶と可逆的記憶という機能の両方を持つ不揮発性記憶装置を短時間で安価に製造することが可能となる。 In such a configuration, the same resistance variable element can be used for both irreversible storage and reversible storage. For this reason, the write-once storage device and the rewritable storage device can be manufactured in substantially one process. Therefore, a nonvolatile memory device having both irreversible memory and reversible memory functions can be manufactured in a short time and at low cost.
また、上記抵抗変化型素子において、前記第1の電極および前記第2の電極の間の電気抵抗が変化しなくなるまで第1のレベルよりも小さい電気パルスである第4の電気パルスを前記第1の電極および前記第2の電極を介して前記抵抗変化膜に加えるフォーミング処理がされていてもよい。 In the resistance variable element, the fourth electric pulse, which is an electric pulse smaller than the first level, is applied until the electric resistance between the first electrode and the second electrode does not change. Forming treatment applied to the variable resistance film via the second electrode and the second electrode may be performed.
かかる構成では、フォーミング処理により、使用前に抵抗変化膜の電気抵抗を適切なレベルに調整することが可能となる。 In such a configuration, the electrical resistance of the variable resistance film can be adjusted to an appropriate level before use by forming processing.
また、本発明の抵抗変化型記憶装置は、上記抵抗変化型素子を同一基板上に複数備える抵抗変化型記憶装置であって、第1の群に属する抵抗変化型素子は前記不可逆的な記憶を行い、第2の群に属する抵抗変化型素子は前記可逆的な記憶を行うものであってもよい。あるいは、上記抵抗変化型記憶装置は、書き込み装置を備え、前記書き込み装置が、前記第1の群に属する抵抗変化型素子に前記不可逆的な記憶を行わせ、前記第2の群に属する抵抗変化型素子に前記可逆的な記憶を行わせてもよい。あるいは、上記抵抗変化型記憶装置は、前記第1の群に属する抵抗変化型素子に前記不可逆的な記憶を行わせる第1の書き込み装置と、前記第2の群に属する抵抗変化型素子に前記可逆的な記憶を行わせる第2の書き込み装置とを備えてもよい。 The resistance change type storage device of the present invention is a resistance change type storage device comprising a plurality of the resistance change type elements on the same substrate, wherein the resistance change type elements belonging to the first group store the irreversible memory. The resistance variable element belonging to the second group may perform the reversible storage. Alternatively, the resistance change type storage device includes a writing device, and the writing device causes the resistance change type element belonging to the first group to perform the irreversible storage, and the resistance change belonging to the second group. The mold element may perform the reversible storage. Alternatively, the resistance change storage device includes: a first writing device that causes the resistance change element belonging to the first group to perform the irreversible storage; and a resistance change element that belongs to the second group. A second writing device that performs reversible storage may be provided.
かかる構成では、ライトワンス型の記憶装置とリライタブル型の記憶装置とを、実質的に一つのプロセスで製造することが可能となる。よって、不可逆的記憶と可逆的記憶の両方の機能を併せ持つ不揮発性記憶装置を短時間で安価に製造することが可能となる。 With this configuration, the write-once storage device and the rewritable storage device can be manufactured in substantially one process. Therefore, it is possible to manufacture a nonvolatile storage device having both irreversible storage and reversible storage functions in a short time and at low cost.
また、本発明の抵抗変化型素子へのデータ書き込み方法は、第1の電極と、第2の電極と、前記第1の電極と前記第2の電極との間に形成された抵抗変化膜とを備え、前記抵抗変化膜は遷移金属を含む酸化物を含有する、抵抗変化型素子へのデータ書き込み方法であって、第1のレベル以上の電気パルスである第1の電気パルスを前記第1の電極および前記第2の電極を介して前記抵抗変化膜に加えることによって前記抵抗変化膜の電気抵抗を不可逆的に変化させ、それにより前記第1の電気パルスに対応するデータの不可逆的な記憶を行わせるものである。 The data writing method to the resistance variable element according to the present invention includes a first electrode, a second electrode, a resistance change film formed between the first electrode and the second electrode, And the resistance change film includes an oxide containing a transition metal, wherein the resistance change film is a data writing method to the resistance change element, wherein the first electric pulse that is an electric pulse of a first level or higher is applied to the first electric pulse. The electrical resistance of the variable resistance film is irreversibly changed by applying to the variable resistance film via the second electrode and the second electrode, thereby irreversibly storing data corresponding to the first electrical pulse. It is what makes you do.
かかる構成では、従来可逆的記憶にのみ使用されてきた遷移金属の酸化物を抵抗変化膜に用いる抵抗変化型素子を、不可逆的記憶用に用いることが可能となる。よって、新規な構成を有するライトワンス型の不揮発性記憶装置を提供することが可能となる。また、書き込み速度が飛躍的に向上されたライトワンス型の不揮発性記憶装置が実現可能になる。 In such a configuration, it is possible to use, for irreversible memory, a resistance variable element that uses a transition metal oxide, which has been used only for reversible memory, as a resistance variable film. Therefore, a write-once nonvolatile memory device having a novel configuration can be provided. In addition, a write-once nonvolatile memory device with dramatically improved write speed can be realized.
また、本発明の不揮発性記憶素子へのデータ書き込み方法は、第1の電極と、第2の電極と、前記第1の電極と前記第2の電極との間に形成された抵抗変化膜とを備え、前記抵抗変化膜は遷移金属を含む酸化物を含有する、抵抗変化型素子へのデータ書き込み方法であって、第1のレベル以上の電気パルスである第1の電気パルスを前記第1の電極および前記第2の電極を介して前記抵抗変化膜に加えることによって前記抵抗変化膜の電気抵抗を不可逆的に変化させ、それにより前記第1の電気パルスに対応するデータの不可逆的な記憶を行わせ、第1のレベルよりも小さい電気パルスであって互いに異なる第2の電気パルスまたは第3の電気パルスを前記第1の電極および前記第2の電極を介して前記抵抗変化膜に加えて前記抵抗変化膜の電気抵抗を可逆的に変化させ、それにより前記第2の電気パルスまたは前記第3の電気パルスに対応するデータの可逆的な記憶を行わせるものである。 The data writing method to the nonvolatile memory element of the present invention includes a first electrode, a second electrode, a resistance change film formed between the first electrode and the second electrode, And the resistance change film includes an oxide containing a transition metal, wherein the resistance change film is a data writing method to the resistance change element, wherein the first electric pulse that is an electric pulse of a first level or higher is applied to the first electric pulse. The electrical resistance of the variable resistance film is irreversibly changed by applying to the variable resistance film via the second electrode and the second electrode, thereby irreversibly storing data corresponding to the first electrical pulse. And applying a second electric pulse or a third electric pulse that is smaller than the first level and different from each other to the resistance change film via the first electrode and the second electrode. Of the variable resistance film Reversibly changing the air resistance is thereby intended to perform a reversible storage of data corresponding to the second electrical pulse or the third electrical pulses.
かかる構成では、実質的に一つのプロセスで製造された抵抗変化型素子を、可逆的記憶にも不可逆的記憶にも用いることができる。よって、短時間で安価に製造された不揮発性記憶装置により、不可逆的記憶と可逆的記憶という機能の両方を実現できる。 In such a configuration, the resistance variable element manufactured by substantially one process can be used for both reversible memory and irreversible memory. Therefore, both the functions of irreversible storage and reversible storage can be realized by a nonvolatile storage device manufactured inexpensively in a short time.
また、本発明の抵抗変化型素子へのデータ書き込み方法は、第1の電極と、第2の電極と、前記第1の電極および前記第2の電極の間に形成された抵抗変化膜とを備え、前記抵抗変化膜は遷移金属を含む酸化物を含有する、同一基板上に形成された複数の抵抗変化型素子へのデータ書き込み方法であって、第1の群に属する抵抗変化型素子には、第1のレベル以上の電気パルスである第1の電気パルスを前記第1の電極および前記第2の電極を介して前記抵抗変化膜に加えることによって前記抵抗変化膜の電気抵抗を不可逆的に変化させ、それにより前記第1の電気パルスに対応するデータの不可逆的な記憶を行わせ、第2の群に属する抵抗変化型素子には、第1のレベルよりも小さい電気パルスであって互いに異なる第2の電気パルスまたは第3の電気パルスを前記第1の電極および前記第2の電極を介して前記抵抗変化膜に加えることによって前記抵抗変化膜の電気抵抗を可逆的に変化させ、それにより前記第2の電気パルスまたは前記第3の電気パルスに対応するデータの不可逆的な記憶を行わせるものである。 The data writing method to the resistance variable element according to the present invention includes a first electrode, a second electrode, and a resistance change film formed between the first electrode and the second electrode. The variable resistance film includes an oxide containing a transition metal, and is a data writing method to a plurality of variable resistance elements formed on the same substrate, the variable resistance element belonging to the first group Applies irreversible electrical resistance of the resistance change film by applying a first electrical pulse, which is an electrical pulse of a first level or higher, to the resistance change film via the first electrode and the second electrode. Thus, irreversible storage of data corresponding to the first electric pulse is performed, and the resistance variable element belonging to the second group has an electric pulse smaller than the first level. Different second electrical pulses or A third electric pulse is applied to the variable resistance film through the first electrode and the second electrode, thereby reversibly changing the electric resistance of the variable resistance film, and thereby the second electric pulse. Alternatively, irreversible storage of data corresponding to the third electric pulse is performed.
かかる構成では、実質的に一つのプロセスで製造された抵抗変化型素子を、可逆的記憶にも不可逆的記憶にも用いることができる。よって、短時間で安価に製造された不揮発性記憶装置により、不可逆的記憶と可逆的記憶という機能の両方を実現できる。 In such a configuration, the resistance variable element manufactured by substantially one process can be used for both reversible memory and irreversible memory. Therefore, both the functions of irreversible storage and reversible storage can be realized by a nonvolatile storage device manufactured inexpensively in a short time.
また、上記した抵抗変化型素子へのデータ書き込み方法において、前記酸化物は、鉄、銅、ニッケル、チタン、バナジウム、クロム、マンガンからなる群より選ばれる少なくとも1種類以上の遷移金属を含む酸化物であってもよい。 In the above-described data writing method to the resistance variable element, the oxide includes an oxide containing at least one transition metal selected from the group consisting of iron, copper, nickel, titanium, vanadium, chromium, and manganese. It may be.
かかる構成では、特定の酸化物を抵抗変化膜の材料とすることができる。 In such a configuration, a specific oxide can be used as the material of the resistance change film.
また、上記した抵抗変化型素子へのデータ書き込み方法において、前記第1の電極および前記第2の電極は、白金、ルテニウム、イリジウム、銀、金、酸化ルテニウム、酸化イリジウムからなる群より選ばれる少なくとも1種類以上の材料を含んでもよい。 In the data writing method to the resistance variable element, the first electrode and the second electrode are at least selected from the group consisting of platinum, ruthenium, iridium, silver, gold, ruthenium oxide, and iridium oxide. One or more materials may be included.
かかる構成では、特定の金属または金属酸化物を電極の材料とすることができる。 In such a configuration, a specific metal or metal oxide can be used as the electrode material.
本発明は、上記のような構成を有し、以下のような効果を奏する。すなわち、高速記録が可能なライトワンス型の不揮発性記憶装置を提供することができる。また、新規な構成を有するライトワンス型の不揮発性記憶装置を提供することができる。さらに、ライトワンス型の記憶とリライタブル型の記憶の両方を実行可能な装置を、簡単なプロセスで、短期間に低コストで製造することが可能になる。 The present invention has the above-described configuration and has the following effects. That is, a write-once nonvolatile memory device capable of high-speed recording can be provided. In addition, a write-once nonvolatile memory device having a novel structure can be provided. Furthermore, a device capable of performing both a write-once type memory and a rewritable type memory can be manufactured at a low cost in a short time by a simple process.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
(第1実施形態)
[抵抗変化型素子の構成]
図1は、本発明の第1実施形態の抵抗変化型素子の構成の一例を示す概念図である。以下、図1を参照しながら、本実施形態の抵抗変化型素子について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
[Configuration of resistance variable element]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing an example of the configuration of the resistance variable element according to Embodiment 1 of the present invention. Hereinafter, the resistance variable element of this embodiment will be described with reference to FIG.
図1に示す通り、本実施形態に係る抵抗変化型素子10は、基板11の上に、下部電極12と、抵抗変化膜13(抵抗変化層)と、上部電極14とが順に積層された構造を備えている。基板11には例えばシリコン基板が用いられる。下部電極12および上部電極14には、例えば、Pt(白金)、Ru(ルテニウム)、Ir(イリジウム)、Ag(銀)、Au(金)、RuO2(酸化ルテニウム)、IrO2(酸化イリジウム)などが好適に用いられる。なお、抵抗変化膜13を形成する際に基板11を加熱する場合には、下部電極12の材料を加熱時の温度において安定なものとすることが好ましい。抵抗変化膜13には、例えば、少なくとも遷移金属を含む酸化物が好適に用いられる。遷移金属を含む酸化物としては、例えば、Fe(鉄)、Cu(銅)、Ni(ニッケル)、Ti(チタン)、V(バナジウム)、Cr(クロム)、Mn(マンガン)などの酸化物や、複数種類の金属を含む酸化物(PrCaMnO)などが挙げられる。下部電極12と、抵抗変化膜13と、上部電極14とは、スパッタリングなどの公知の成膜技術により形成することが可能である。電極および抵抗変化膜の大きさは、素子の集積度などに応じて適宜設定されうる。
[抵抗変化型素子の書き込みおよび読み出し]
抵抗変化型素子10の使用時には、上部電極14と下部電極12に電源15が電気的に接続される。上部電極14および下部電極12の電気抵抗はほぼゼロであるから、上部電極14と下部電極12との間の電気抵抗は、抵抗変化膜13の電気抵抗に略等しくなる。以下、上部電極14と下部電極12との間の電気抵抗(抵抗変化膜13の電気抵抗)を、抵抗変化型素子10の抵抗値Rとする。電源15により、上部電極14と下部電極12との間に電気パルスが印加されると、Rが変化する。以下、印加する電気パルスの電圧をVとする。電気パルスの幅は適宜設定されうるが、例えば、100nsから1msまでの間の値としてもよい。
As shown in FIG. 1, the
[Writing and reading of variable resistance element]
When the resistance
製造後、まだRが変化するほどの電気パルスが印加されていない状態(初期状態)におけるRの値をRiniとする。初期状態の抵抗変化型素子10に対し、絶対値が所定値Vth1(第1のレベル)を超える電圧Vw0の電気パルス(第1の電気パルス)が印加されると、RがRlow0以下となる。そして、一度RがRlow0以下となると、その後に電圧の絶対値がVth1を超える電気パルスが印加されても、Rの値は実質的に変化しない。すなわち、電圧Vw0の電気パルスが印加されると、抵抗変化型素子10の抵抗値Rは、RiniからRlow0へと不可逆的な変化を起こす。Riniを高抵抗状態(以下、この状態の抵抗値RをRhigh0とする)、Rlow0を低抵抗状態とし、それぞれの状態に1と0とを割り当てることで、抵抗変化型素子10に1ビットのデータ(ここでは2値データ)を不可逆的に記憶させることができる。Rhigh0を0に、Rlow0を1に対応させてもよい。なお、本発明において不可逆的な記憶とはいわゆるライトワンス型の記憶をいい、一度書き込まれたデータは以後書き換えが不可能となる。電圧Vrを上部電極14と下部電極12との間に印加し、流れる電流を検出することで、書き込まれたデータが読み取られる。Vrの絶対値をVth1よりも十分低くすることで、読み出し動作により抵抗値Rが変化することを防止できる。かかる構成によれば、酸化物を抵抗変化膜に用いた抵抗変化型素子を、不可逆的記憶用の抵抗変化型素子として用いることができる。
Let Rini be the value of R in a state (initial state) in which an electrical pulse enough to change R has not been applied after manufacture. When an electric pulse (first electric pulse) having a voltage Vw0 whose absolute value exceeds a predetermined value Vth1 (first level) is applied to the resistance
電圧Vfの電気パルス(第4の電気パルス)を複数回印加していくと、Rが徐々に変化して、一定の値に収束する場合がある。以下、かかる処理をフォーミングと呼ぶ。フォーミング後に、電圧の絶対値がVth2(第2のレベル:Vth2<Vth1)を超えないような電圧Vw1の電気パルス(第2の電気パルス)を印加することで、RがRlow1となる。また、絶対値がVth2を超えないような電圧Vw2の電気パルス(第3の電気パルス)を印加することで、RがRhigh1(>Rlow1)となる。第2の電気パルスと第3の電気パルスは、互いに異なる。ただし、電圧またはパルス幅の一方が等しくてもよい。また、Vw1とVw2とは極性が等しくても異なっていてもよい。意図しない不可逆的変化を起こさないために、Vth2とVth1の差は1V以上であることが好ましい。Rhigh1を高抵抗状態、Rlow1を低抵抗状態とし、それぞれの状態に1と0とを割り当てることで、抵抗変化型素子10に1ビットのデータを可逆的に記憶させることができる。Rhigh1を0に、Rlow1を1に対応させてもよい。なお、本発明において可逆的な記憶とはいわゆるリライタブル型の記憶をいい、一度データが書き込まれた素子に再度データを書き込むことが可能である。電圧Vrを上部電極14と下部電極12との間に印加し、流れる電流を検出することで、書き込まれたデータが読み取られる。Vrの絶対値をVth2よりも十分低くすることで、読み出し動作により抵抗値Rが変化することを防止できる。かかる構成によれば、不可逆的記憶用の抵抗変化型素子を、可逆的記憶用の抵抗変化型素子としても用いることができる。
When an electric pulse (fourth electric pulse) of voltage Vf is applied a plurality of times, R may gradually change and converge to a constant value. Hereinafter, such processing is referred to as forming. After forming, by applying an electric pulse (second electric pulse) of the voltage Vw1 such that the absolute value of the voltage does not exceed Vth2 (second level: Vth2 <Vth1), R becomes Rlow1. Further, by applying an electric pulse (third electric pulse) having a voltage Vw2 whose absolute value does not exceed Vth2, R becomes Rhigh1 (> Rlow1). The second electric pulse and the third electric pulse are different from each other. However, either the voltage or the pulse width may be equal. Further, Vw1 and Vw2 may have the same polarity or different polarities. In order not to cause an unintended irreversible change, the difference between Vth2 and Vth1 is preferably 1 V or more. By setting Rhigh1 to a high resistance state and Rlow1 to a low resistance state and assigning 1 and 0 to each state, 1-bit data can be stored reversibly in the resistance
上述の説明では、フォーミング前の抵抗変化型素子に対して不可逆的な記憶をさせた。材料の選択等によっては、フォーミング後の抵抗変化型素子に対して電圧Vw0の電気パルスが印加されても不可逆的な変化を起こす場合がある。かかる場合には、複数形成した抵抗変化型素子の全てをフォーミングしておき、一部を不可逆的記憶用に、一部を可逆的記憶用に使用してもよい。また、フォーミング前の抵抗変化型素子の抵抗値が低い場合には、フォーミングにより抵抗値を上昇させることにより、ライトワンス型あるいはリライタブル型の抵抗変化型記憶装置を構成してもよい。 In the above description, irreversible memory is stored in the resistance variable element before forming. Depending on the selection of the material and the like, an irreversible change may occur even when an electric pulse of voltage Vw0 is applied to the resistance variable element after forming. In such a case, all of the plurality of variable resistance elements formed may be formed and a part may be used for irreversible storage and a part for reversible storage. Further, when the resistance value of the resistance variable element before forming is low, the resistance value may be increased by forming to form a write-once or rewritable resistance variable memory device.
なお、抵抗変化膜に用いる材料や成膜方法などによっては、フォーミングが不要となる場合もある。かかる場合には、フォーミングしていない抵抗変化型素子を、そのまま不可逆的記憶用にも、可逆的記憶用にも用いることができる。
[抵抗変化型記憶装置の構成]
図2は、本発明の第1実施形態の抵抗変化型記憶装置の構成の一例を示す平面図である。以下、図2を参照しながら、本実施形態の抵抗変化型記憶装置について説明する。
Depending on the material used for the resistance change film, the film forming method, etc., forming may not be necessary. In such a case, the variable resistance element that has not been formed can be used for irreversible storage as well as for reversible storage.
[Configuration of Resistance Change Memory Device]
FIG. 2 is a plan view showing an example of the configuration of the resistance variable memory apparatus according to the first embodiment of the present invention. Hereinafter, the resistance change type storage device of this embodiment will be described with reference to FIG.
図2に示す通り、本実施形態に係る抵抗変化型記憶装置100は、基板111の上に、制御装置120と、第1カラムデコーダ121と、第1ロウデコーダ123と、ライトワンスメモリセルアレイ125と、第2カラムデコーダ131と、第2ロウデコーダ133と、リライタブルメモリセルアレイ135とが形成されている。なお、図2では示していないが、制御装置120は電源15を備えており、複数の異なる電圧や幅を持つ電気パルスを印加できるように構成されている。
As shown in FIG. 2, the resistance
ライトワンスメモリセルアレイ125は、行列状に配列された複数のメモリセルを備えている。それぞれのメモリセルは抵抗変化型素子10を備えている。抵抗変化型素子10の構成は、図1に示したものと同様であるので説明を省略する。ライトワンスメモリセルアレイ125としては、例えば、公知の1T1R型(1個のメモリセルに、トランジスタ1個と抵抗変化型素子1個を備える構成)のメモリセルアレイを用いることができる。メモリセルの各列は、それぞれ第1ビット線122に対応している。メモリセルの各行はそれぞれ第1ワード線124に対応している。
The write-once memory cell array 125 includes a plurality of memory cells arranged in a matrix. Each memory cell includes a resistance
リライタブルメモリセルアレイ135は、行列状に配列された複数のメモリセルを備えている。それぞれのメモリセルは抵抗変化型素子10を備えている。抵抗変化型素子10の構成は、図1に示したものと同様であるので説明を省略する。リライタブルメモリセルアレイ135としては、例えば、公知の1T1R型(1個のメモリセルに、トランジスタ1個と抵抗変化型素子1個を備える構成)のメモリセルアレイを用いることができる。メモリセルの各列は、それぞれ第1ビット線122に対応している。メモリセルの各行はそれぞれ第1ワード線124に対応している。リライタブルメモリセルアレイ135の抵抗変化型素子10には、上述したフォーミング処理が製造時に施されている。
[抵抗変化型記憶装置の書き込みおよび読み出し]
以下、抵抗変化型記憶装置100の書き込みおよび読み出し動作について説明する。以下の説明では、Rhigh0およびRhigh1に1を、Rlow0およびRlow0に0を割り当てるものとして説明する。ただし、抵抗状態と書き込まれたデータとの対応関係は、かかる態様に限定されない。
The rewritable memory cell array 135 includes a plurality of memory cells arranged in a matrix. Each memory cell includes a resistance
[Writing and reading of resistance change type memory device]
Hereinafter, writing and reading operations of the resistance
まず、書き込み動作について説明する。制御装置120は、システム(図示せず)から受け取ったデータが不可逆的に記憶すべきものである場合には、受け取ったデータをライトワンスメモリセルアレイ125に書き込む。制御装置120は、書き込むべきメモリセルのアドレスに基づいて第1カラムデコーダ121を制御し、特定の第1ビット線122を選択する。また、制御装置120は、書き込むべきメモリセルのアドレスに基づいて第1ロウデコーダ123を制御し、特定の第1ワード線124を選択する。制御装置120は、選択された第1ビット線122と第1ワード線124とを介して、該アドレスの抵抗変化型素子10に電気パルスを印加する。書き込むべき値が0の場合には電気パルスの電圧をVw0とし、書き込むべき値が1の場合には電気パルスの電圧を0とする(電気パルスを印加しない)。電圧Vw0の電気パルスが印加された抵抗変化型素子10の抵抗値RはRlow0となる。電気パルスが印加されなかった抵抗変化型素子10の抵抗値RはRhigh0のままで変化しない。かかる動作により、ライトワンスメモリセルアレイ125に対し、不可逆的な書き込みが行われる。
First, the write operation will be described. When the data received from the system (not shown) is to be stored irreversibly, the
電気パルスが印加されなかった抵抗変化型素子10は、依然として、電気パルスを印加すれば抵抗値が変化する状態にある。一方、他の抵抗変化型素子10の抵抗値はRlow0に変化している。上述した通り、いったんRlow0に変化した抵抗値は再度電気パルスを印加しても変化しない。再度の書き込みを試みても、すでに値が0になっているメモリセルはそのまま残り、値が1のメモリセルの一部が0に書き換えられる。このように、メモリセルの値は1から0への一方向的にしか書き換えられない。結果として、再度の書き込みを行っても、メモリセルが保持するデータは実質的に意味をなすものにならない。かかる構成により、抵抗変化型記憶装置100はライトワンス型の記憶装置として機能する。
The resistance
制御装置120は、システム(図示せず)から受け取ったデータが可逆的に記憶すべきものである場合には、受け取ったデータをリライタブルメモリセルアレイ135に書き込む。制御装置120は、書き込むべきメモリセルのアドレスに基づいて第2カラムデコーダ131を制御し、特定の第2ビット線132を選択する。また、制御装置120は、書き込むべきメモリセルのアドレスに基づいて第2ロウデコーダ133を制御し、特定の第2ワード線134を選択する。制御装置120は、選択された第2ビット線132と第2ワード線134とを介して、該アドレスの抵抗変化型素子10に電気パルスを印加する。書き込むべき値が0の場合には電気パルスの電圧をVw1とし、書き込むべき値が1の場合には電気パルスの電圧をVw2とする。電圧Vw1の電気パルスが印加された場合には、該アドレスに対応する抵抗変化型素子10の抵抗値RはRlow1となる。電圧Vw2の電気パルスが印加された場合には、該アドレスに対応する抵抗変化型素子10の抵抗値RはRhigh1となる。電圧Vw1および電圧Vw2の電気パルスが印加されることで、可逆的な書き込みが行われる。かかる構成により、抵抗変化型記憶装置100はリライタブル型の記憶装置として機能する。
When the data received from the system (not shown) is to be stored reversibly, the
次に、読み出し動作について説明する。制御装置120は、読み出すべきメモリセルのアドレスをシステム(図示せず)から受け取る。制御装置120は、受け取ったアドレスに基づいて、該アドレスがライトワンスメモリセルアレイ125のメモリセルに対応するか、リライタブルメモリセルアレイ135のメモリセルに対応するかを判定する。判定結果に基づき、書き込み時と同様の方法で、所定のビット線およびワード線が選択される。制御装置120は、選択された第1ビット線122と第1ワード線124とを介して、または、第2ビット線132と第2ワード線134とを介して、該アドレスの抵抗変化型素子10に電圧Vrを印加する。該アドレスの抵抗変化型素子10に流れる電流の大きさに基づいて、メモリセルに書き込まれている値が読み出される。電圧VrはVw0、Vw1、Vw2のいずれよりも低く、読み出し動作により抵抗値Rは変化しない。
[主な特徴と効果]
本実施形態の抵抗変化型素子およびデータ書き込み方法は、絶対値がVth1(第1のレベル)を超える電圧Vw0の電気パルスが印加されると、抵抗値RがRlow0への不可逆的に変化するという抵抗変化型素子の特性(第1の特性)を利用する。第1の特性を利用することにより、従来リライタブル型の記憶装置にのみ用いられてきた抵抗変化型素子を、ライトワンス用の記憶素子として用いることができる。
Next, the reading operation will be described. The
[Main features and effects]
According to the resistance variable element and the data writing method of this embodiment, when an electric pulse having a voltage Vw0 whose absolute value exceeds Vth1 (first level) is applied, the resistance value R changes irreversibly to Rlow0. The characteristic (first characteristic) of the resistance variable element is used. By utilizing the first characteristic, a resistance variable element that has been used only in a conventional rewritable memory device can be used as a write-once memory element.
また、本実施形態の抵抗変化型素子およびデータ書き込み方法は、絶対値がVth1(第1のレベル)よりも小さい電圧Vw1および電圧Vw2の電気パルスが印加されると、抵抗値RがRlow1とRhigh1との間で可逆的に変化するという抵抗変化型素子の特性(第2の特性)を利用する。第1の特性と第2の特性とを組み合わせることにより、従来リライタブル型の記憶装置として用いられてきた抵抗変化型記憶装置を、リライタブル型としても、ライトワンス型としても用いることができる。 Further, in the resistance variable element and the data writing method of the present embodiment, when an electric pulse having a voltage Vw1 and a voltage Vw2 whose absolute values are smaller than Vth1 (first level) is applied, the resistance value R becomes Rlow1 and Rhigh1. The characteristic (second characteristic) of the variable resistance element that reversibly changes between the two is utilized. By combining the first characteristic and the second characteristic, the resistance change type storage device that has been conventionally used as a rewritable type storage device can be used as a rewritable type or a write-once type.
本実施形態の抵抗変化型記憶装置は、同一基板上に複数の抵抗変化型素子を形成した上で、抵抗変化型素子を2つの群に分割する。一方の群(ライトワンスメモリセルアレイ)に対しては、不可逆的な記憶が行われ、他方の群(リライタブルメモリセルアレイ)に対しては可逆的な記憶が行われる。従来のアンチヒューズメモリを用いた不可逆的な記憶装置と、従来の可逆的な記憶を行う抵抗変化型記憶装置とを組合せて1つの装置を製造しようとした場合、両者を別々のプロセスで製造する必要があり、製造時間が長くなり、コストも高くなる。本実施形態の抵抗変化型記憶装置では、同一のプロセスで製造した抵抗変化型素子を、ライトワンス型の記憶装置にもリライタブル型の記憶装置にも使用することができる。両方の機能を併せ持つ装置は、例えばライトワンス型の部分に不正コピー防止のための情報を持たせた書き換え可能な記憶装置として有用である。かかる構成によれば、ライトワンス型の記憶装置とリライタブル型の記憶装置とを、実質的に一つのプロセスで製造することが可能となる。よって、不可逆的記憶と可逆的記憶という機能の両方を持つ不揮発性記憶装置を短時間で安価に製造することが可能となる。 In the resistance change storage device of this embodiment, a plurality of resistance change elements are formed on the same substrate, and then the resistance change elements are divided into two groups. Irreversible storage is performed for one group (write-once memory cell array), and reversible storage is performed for the other group (rewritable memory cell array). When one device is manufactured by combining a conventional irreversible storage device using an antifuse memory and a conventional resistance change storage device that performs reversible storage, both devices are manufactured in separate processes. This requires a long manufacturing time and high cost. In the resistance change memory device of this embodiment, the resistance change element manufactured by the same process can be used for both a write-once memory device and a rewritable memory device. An apparatus having both functions is useful as a rewritable storage device in which information for preventing unauthorized copying is provided in a write-once portion, for example. According to this configuration, the write-once storage device and the rewritable storage device can be manufactured in substantially one process. Therefore, a nonvolatile memory device having both irreversible memory and reversible memory functions can be manufactured in a short time and at low cost.
本実施形態の抵抗変化型記憶装置は、2種類の書き込み装置を備えている。第1の書き込み装置は、ライトワンスメモリセルアレイ(第1の群)に対して不可逆的な書き込みを行い、第2の書き込み装置は、リライタブルメモリセルアレイ(第2の群)に対しては可逆的な書き込みを行う。なお、図2の説明においては、第1の書き込み装置と第2の書き込み装置は、単一の制御装置と2種類のカラムデコーダと2種類のロウデコーダとで構成したが、制御装置も分離して、2つの書き込み装置を完全に独立した装置として構成してもよい。2種類の書き込み装置を備えることで、単一の抵抗変化型記憶装置の内部で、不可逆的記憶と可逆的記憶という機能の両方を実現することができる。
[変形例]
上述の説明では、電気パルスの電圧(絶対値)を変化させることにより不可逆的記憶と可逆的記憶とが選択的に実行されたが、電気パルスの幅を変えてもよい。さらに、電気パルスの電圧と幅の両方を変化させてもよい。電気パルスにより投入されるエネルギーのレベルを変えることで、不可逆的記憶と可逆的記憶とを選択的に実行することができる。つまり、電気パルスの「レベル」とは、電圧の絶対値のレベルでもよいし、パルス幅のレベルでもよいし、電圧の絶対値およびパルス幅の両方を組合せたもの(例えば電圧とパルス幅の積)でもよい。
The resistance change type storage device of the present embodiment includes two types of writing devices. The first writing device performs irreversible writing to the write-once memory cell array (first group), and the second writing device is reversible to the rewritable memory cell array (second group). Write. In the description of FIG. 2, the first writing device and the second writing device are composed of a single control device, two types of column decoders, and two types of row decoders, but the control devices are also separated. Thus, the two writing devices may be configured as completely independent devices. By providing two types of writing devices, both irreversible memory and reversible memory functions can be realized within a single resistance change memory device.
[Modification]
In the above description, the irreversible storage and the reversible storage are selectively executed by changing the voltage (absolute value) of the electric pulse. However, the width of the electric pulse may be changed. Furthermore, both the voltage and the width of the electric pulse may be changed. By changing the level of energy input by the electric pulse, irreversible storage and reversible storage can be selectively performed. That is, the “level” of the electric pulse may be the level of the absolute value of the voltage, the level of the pulse width, or a combination of both the absolute value of the voltage and the pulse width (for example, the product of the voltage and the pulse width). )
以上の説明では、ライトワンスメモリセルアレイとリライタブルメモリセルアレイとは同一の基板(チップ)上に形成されるものとして記載したが、両者を同一ウエハ上に形成し、その後に分離させてもよい。かかる構成であっても、分離後のメモリセルアレイを同一の装置に組み込めば、不可逆的記憶と可逆的記憶という機能の両方を持つ不揮発性記憶装置を短時間で安価に製造することができる。 In the above description, the write-once memory cell array and the rewritable memory cell array are described as being formed on the same substrate (chip), but both may be formed on the same wafer and then separated. Even in such a configuration, if the separated memory cell array is incorporated in the same device, a nonvolatile memory device having both irreversible memory and reversible memory functions can be manufactured in a short time and at low cost.
必ずしも、不可逆的記憶と可逆的記憶の両方を行う必要はなく、不可逆的記憶のみを行う抵抗変化型素子または抵抗変化型記憶装置として構成してもよい。酸化物を抵抗変化膜に用いた抵抗変化型素子を複数備えることで、新規なライトワンス型の不揮発性記憶装置が実現できる。 It is not always necessary to perform both irreversible storage and reversible storage, and it may be configured as a resistance change element or resistance change storage device that performs only irreversible storage. By providing a plurality of variable resistance elements using oxides as variable resistance films, a novel write-once nonvolatile memory device can be realized.
抵抗変化膜の材料は必ずしも金属酸化物に限られず、他の材料であってもよい。抵抗変化膜が相変化膜であってもよい。抵抗変化膜を備えた不揮発性記憶素子は、抵抗変化膜に熱や電気など何らかの刺激を加えられると、抵抗値が変化する。抵抗値の変化と対応付けてデータが記憶される。従来の不揮発性記憶素子は、抵抗値が可逆的に変化するように刺激(第2の刺激)のレベルが設定されていた。従来よりも高いレベルの刺激(第1の刺激)を加えると抵抗値が不可逆的に変化することが容易に類推される。したがって、相変化型記憶素子(PRAM)のような他の不揮発性記憶素子でも、与える刺激のレベルを異ならせることにより、不可逆的変化と可逆的変化とを選択的に生じさせ得ると期待される。例えば、相変化型記憶素子の場合には、加熱レベルを高くする(第1の加熱)ことにより抵抗変化膜の電気抵抗が不可逆的変化を起こし、加熱レベルを低く(第2の加熱、第3の加熱)することにより抵抗変化膜の電気抵抗が可逆的変化を起こすことが可能になると期待される。すなわち本発明は、相変化型記憶素子を含めた他の不揮発性記憶素子であって、抵抗変化膜を有するものに対しても適用可能である。かかる構成によれば、ライトワンス型の記憶装置とリライタブル型の記憶装置とを、実質的に一つのプロセスで製造することが可能となる。よって、不可逆的記憶と可逆的記憶という機能の両方を持つ不揮発性記憶装置を短時間で安価に製造することが可能となる。 The material of the resistance change film is not necessarily limited to the metal oxide, but may be other materials. The resistance change film may be a phase change film. A nonvolatile memory element having a resistance change film changes its resistance value when a stimulus such as heat or electricity is applied to the resistance change film. Data is stored in association with the change in resistance value. In the conventional nonvolatile memory element, the level of the stimulus (second stimulus) is set so that the resistance value reversibly changes. It can be easily analogized that the resistance value changes irreversibly when a stimulus of higher level (first stimulus) than before is applied. Therefore, it is expected that other nonvolatile memory elements such as phase change memory elements (PRAM) can selectively generate irreversible and reversible changes by varying the level of stimulation applied. . For example, in the case of a phase change memory element, increasing the heating level (first heating) causes an irreversible change in the electrical resistance of the resistance change film, and lowering the heating level (second heating, third heating). It is expected that the electrical resistance of the resistance change film can be reversibly changed by heating (a). That is, the present invention can be applied to other nonvolatile memory elements including a phase change type memory element and having a resistance change film. According to this configuration, the write-once storage device and the rewritable storage device can be manufactured in substantially one process. Therefore, a nonvolatile memory device having both irreversible memory and reversible memory functions can be manufactured in a short time and at low cost.
なお、本発明では、一個のメモリセルアレイの一部を不可逆的記憶に、メモリアレイの残りを可逆的記憶に用いてもよい。図3は、本発明の変形例の抵抗変化型記憶装置の構成を示す平面図である。図3に示すように、本変形例の抵抗変化型記憶装置200は、制御装置120と、カラムデコーダ141と、ビット線142と、ロウデコーダ143と、ワード線144と、メモリセルアレイ145とを備えている。メモリセルアレイ145は、一部がライトワンス領域146、残りがリライタブル領域147を構成している。制御装置120は、ライトワンス領域146に対しては不可逆的書き込みを行い、リライタブル領域147に対しては可逆的書き込みを行う。かかる構成でも、抵抗変化型記憶装置100と同様の効果が得られる。
In the present invention, a part of one memory cell array may be used for irreversible storage and the rest of the memory array may be used for reversible storage. FIG. 3 is a plan view showing a configuration of a resistance variable memory apparatus according to a modification of the present invention. As shown in FIG. 3, the resistance change type storage device 200 of this modification includes a
上述の説明では二値メモリとして構成したが、例えば抵抗変化型素子10に高抵抗状態と低抵抗状態の中間の抵抗値を取らせることにより、素子1個当たり1ビット以上の情報を記憶させてもよい。すなわち、3以上の値を記憶可能な多値メモリとして構成してもよい。
(実施例1)
本実施例では、まず、シリコン基板の上に、Pt(白金)ターゲットを用いたスパッタリングにより、Pt(白金)からなる下部電極(厚さ200nm)を形成した。下部電極の上に、Fe−O(酸化鉄)のターゲットを用いたスパッタリングにより、遷移金属であるFe(鉄)を含む酸化物からなる抵抗変化膜(厚さ約100nm)を形成した。スパッタリング時の基板の温度は300℃とした。さらに、抵抗変化膜の上に、Pt(白金)ターゲットを用いたスパッタリングにより、Pt(白金)からなる上部電極(厚さ100nm)を形成した。なお、上部電極と抵抗変化膜が接する部分の面積、すなわち、電極のサイズは、おおよそ1μm×1μm〜5μm×5μmであった。
かかる方法により、シリコン基板の上に、下部電極、抵抗変化膜、上部電極が順に積層された抵抗変化型素子が得られた。
In the above description, it is configured as a binary memory. For example, by causing the resistance
(Example 1)
In this example, first, a lower electrode (thickness: 200 nm) made of Pt (platinum) was formed on a silicon substrate by sputtering using a Pt (platinum) target. On the lower electrode, a variable resistance film (thickness: about 100 nm) made of an oxide containing Fe (iron) as a transition metal was formed by sputtering using a Fe—O (iron oxide) target. The temperature of the substrate during sputtering was 300 ° C. Further, an upper electrode (thickness: 100 nm) made of Pt (platinum) was formed on the variable resistance film by sputtering using a Pt (platinum) target. The area of the portion where the upper electrode and the resistance change film are in contact, that is, the size of the electrode was approximately 1 μm × 1 μm to 5 μm × 5 μm.
By this method, a resistance variable element in which a lower electrode, a resistance change film, and an upper electrode were sequentially laminated on a silicon substrate was obtained.
該抵抗変化型素子の上部電極と下部電極との間に、下部電極を基準(0V)として(以下同様)、読み出し電圧を印加し、形成直後(初期状態)における上部電極と下部電極との間の抵抗値(初期抵抗値)を測定した。なお、抵抗値の読み出し電圧は+50mVとした。(以下全ての実施例につき、抵抗値の測定方法は同じとする)。得られた初期抵抗値は2.5MΩであった。 A read voltage is applied between the upper electrode and the lower electrode of the resistance variable element with the lower electrode as a reference (0 V) (the same applies hereinafter), and immediately after formation (initial state), between the upper electrode and the lower electrode. The resistance value (initial resistance value) of was measured. Note that the read voltage of the resistance value was +50 mV. (Hereinafter, the resistance value measurement method is the same for all examples). The obtained initial resistance value was 2.5 MΩ.
次に、該抵抗変化型素子に+5V、100μsの電気パルス(第1の電気パルス)を印加すると、抵抗値は50Ωに変化していた。この状態で、絶対値5V以上の電圧(±6V、±7Vなど)でパルス幅100μsの電気パルスを印加しても、抵抗値は測定誤差の範囲(±10Ω)でしか変動せず、約50Ωのままであった。したがって、+5V、100μsの電気パルスを印加することで、抵抗変化膜に不可逆的な変化(抵抗値の変化)が起きることが分かった。すなわち本実施例では、パルス幅が100μsのとき、Vth1(第1のレベル)を5Vとすることができる。 Next, when an electric pulse (first electric pulse) of +5 V and 100 μs was applied to the resistance variable element, the resistance value changed to 50Ω. In this state, even if an electric pulse with an absolute value of 5 V or more (± 6 V, ± 7 V, etc.) and a pulse width of 100 μs is applied, the resistance value varies only within the measurement error range (± 10 Ω) and is approximately 50 Ω. It remained. Therefore, it was found that an irreversible change (change in resistance value) occurs in the resistance change film by applying an electrical pulse of +5 V and 100 μs. That is, in this embodiment, when the pulse width is 100 μs, Vth1 (first level) can be set to 5V.
なお、上述の方法で得られた初期状態の抵抗変化型素子に対し、+3Vや+4Vの電気パルス(パルス幅100μs)を印加した場合には、必ずしも抵抗値が50Ωまで低下せず、初期抵抗値(2.5MΩ)のままである場合もあった。一方、+5Vの電気パルス(パルス幅100μs)を印加した場合には、100%の確率で抵抗値が50Ω程度まで低下した。当然ではあるが、読み出し電圧(+50mV、100ns)を印加しても抵抗値の変化は見られなかった。以上の結果から、上述の方法で得られた抵抗変化型素子は、ライトワンス型の抵抗変化型記憶装置に利用可能であることが分かった。
When a + 3V or + 4V electric pulse (
一方、上述の方法で得られた初期状態の抵抗変化型素子の上部電極と下部電極との間に+2V、100μsの電気パルス(第4の電気パルス)を複数回印加した。その結果、抵抗値が徐々に低下し、100回程度電気パルスを印加すると抵抗値がほぼ一定値(100kΩ)で安定した(フォーミング)。この状態で、−2V、100nsの電気パルス(第2の電気パルス)を印加すると、抵抗値は10kΩとなった。さらに+2V、100nsの電気パルス(第3の電気パルス)を印加すると、抵抗値は100kΩに戻った。その後は同様の変化を繰り返した。すなわち、±2V、100nsの電気パルスを印加することで、抵抗値が高抵抗状態(100kΩ)と低抵抗状態(10kΩ)との間で可逆的な変化を繰り返すことが分かった。また、不可逆的な変化を起こさないようにするためには、パルス幅が100nsの場合には、電圧の絶対値を3V以下とすることが好ましいことが分かった。すなわち、パルス幅が100nsのとき、Vth2(第2のレベル)は3Vとすることができる。以上の結果から、上述の方法で作成され、フォーミングがされた抵抗変化型素子は、リライタブル型の抵抗変化型記憶装置に利用可能であることが分かった。
(実施例2)
本実施例では、まず、シリコン基板の上に、Pt(白金)ターゲットを用いたスパッタリングにより、Pt(白金)からなる下部電極(厚さ200nm)を形成した。Arガス中に酸素ガスを導入した雰囲気中で、下部電極の上に、Cu(銅)のターゲットを用いたスパッタリングにより、遷移金属であるCu(銅)を含む酸化物からなる抵抗変化膜(厚さ約50nm)を形成した。スパッタリング時の基板の温度は200℃とした。さらに、抵抗変化膜の上に、Pt(白金)ターゲットを用いたスパッタリングにより、Pt(白金)からなる上部電極(厚さ100nm)を形成した。なお、上部電極と抵抗変化膜が接する部分の面積、すなわち、電極のサイズは、おおよそ1μm×1μm〜5μm×5μmであった。かかる方法により、シリコン基板の上に、下部電極、抵抗変化膜、上部電極が順に積層された抵抗変化型素子が得られた。
On the other hand, an electric pulse (fourth electric pulse) of +2 V, 100 μs was applied a plurality of times between the upper electrode and the lower electrode of the resistance variable element in the initial state obtained by the above method. As a result, the resistance value gradually decreased, and when the electric pulse was applied about 100 times, the resistance value was stabilized at a substantially constant value (100 kΩ) (forming). When an electric pulse (second electric pulse) of −2 V and 100 ns was applied in this state, the resistance value was 10 kΩ. Further, when an electric pulse (third electric pulse) of +2 V and 100 ns was applied, the resistance value returned to 100 kΩ. Thereafter, the same change was repeated. That is, it was found that by applying an electric pulse of ± 2 V and 100 ns, the resistance value repeatedly reversibly changes between a high resistance state (100 kΩ) and a low resistance state (10 kΩ). In order to prevent an irreversible change, it was found that the absolute value of the voltage is preferably 3 V or less when the pulse width is 100 ns. That is, when the pulse width is 100 ns, Vth2 (second level) can be 3V. From the above results, it was found that the resistance variable element formed by the above-described method and formed can be used for a rewritable resistance variable memory device.
(Example 2)
In this example, first, a lower electrode (thickness: 200 nm) made of Pt (platinum) was formed on a silicon substrate by sputtering using a Pt (platinum) target. A resistance change film (thickness) made of an oxide containing Cu (copper) as a transition metal by sputtering using a Cu (copper) target on the lower electrode in an atmosphere in which oxygen gas is introduced into Ar gas. About 50 nm). The temperature of the substrate during sputtering was 200 ° C. Further, an upper electrode (thickness: 100 nm) made of Pt (platinum) was formed on the variable resistance film by sputtering using a Pt (platinum) target. The area of the portion where the upper electrode and the resistance change film are in contact, that is, the size of the electrode was approximately 1 μm × 1 μm to 5 μm × 5 μm. By this method, a resistance variable element in which a lower electrode, a resistance change film, and an upper electrode were sequentially laminated on a silicon substrate was obtained.
形成直後(初期状態)における上部電極と下部電極との間の抵抗値(初期抵抗値)を測定した。得られた初期抵抗値は5MΩであった。 The resistance value (initial resistance value) between the upper electrode and the lower electrode immediately after formation (initial state) was measured. The obtained initial resistance value was 5 MΩ.
次に、該抵抗変化型素子に+4V、1msの電気パルス(第1の電気パルス)を印加すると、抵抗値は30Ωに変化していた。この状態で、絶対値5V以上の電圧(±6V、±7Vなど)でパルス幅1msの電気パルスを印加しても、抵抗値は測定誤差の範囲(±10Ω)でしか変動せず、約30Ωのままであった。したがって、+4V、100μsの電気パルスを印加することで、抵抗変化膜に不可逆的な変化(抵抗値の変化)が起きることが分かった。すなわち本実施例では、パルス幅が100μsのとき、Vth1(第1のレベル)を4Vとすることができる。 Next, when an electric pulse (first electric pulse) of +4 V and 1 ms was applied to the resistance variable element, the resistance value changed to 30Ω. In this state, even if an electrical pulse with a pulse width of 1 ms is applied with a voltage of 5 V or more (± 6 V, ± 7 V, etc.), the resistance value will only fluctuate within the measurement error range (± 10 Ω), approximately 30 Ω. It remained. Therefore, it was found that an irreversible change (change in resistance value) occurs in the resistance change film by applying an electric pulse of +4 V and 100 μs. That is, in this embodiment, when the pulse width is 100 μs, Vth1 (first level) can be set to 4V.
なお、上述の方法で得られた初期状態の抵抗変化型素子に対し、+2Vや+3Vの電気パルス(パルス幅100μs)を印加した場合には、必ずしも抵抗値が30Ωまで低下せず、初期抵抗値(2.5MΩ)のままである場合もあった。一方、+4Vの電気パルス(パルス幅100μs)を印加した場合には、100%の確率で抵抗値が30Ω程度まで低下した。当然ではあるが、読み出し電圧(+50mV、100ns)を印加しても抵抗値の変化は見られなかった。以上の結果から、上述の方法で得られた抵抗変化型素子は、ライトワンス型の抵抗変化型記憶装置に利用可能であることが分かった。
When a + 2V or + 3V electric pulse (
一方、上述の方法で得られた初期状態の抵抗変化型素子の上部電極と下部電極との間に+2V、100μsの電気パルス(第4の電気パルス)を複数回印加した。その結果、抵抗値が徐々に低下し、50回程度電気パルスを印加すると抵抗値がほぼ一定値(10kΩ)で安定した(フォーミング)。この状態で、+2.5V、100nsの電気パルス(第2の電気パルス)を印加すると、抵抗値は100kΩとなった。さらに+1.5V、1μsの電気パルス(第3の電気パルス)を印加すると、抵抗値は10kΩとなった。その後は同様の変化を繰り返した。すなわち、+2.5V、100nsの電気パルスおよび+1.5V、1μsの電気パルスを印加することで、抵抗値が高抵抗状態(100kΩ)と低抵抗状態(10kΩ)との間で可逆的な変化を繰り返すことが分かった。また、不可逆的な変化を起こさないようにするためには、パルス幅が100nsの場合には、電圧の絶対値を3V以下とし、パルス幅が1μsの場合には電圧の絶対値を2V以下とすることが好ましいことが分かった。すなわち、パルス幅が100nsのとき、Vth2(第2のレベル)は3Vとすることができる。また、パルス幅が1μsのとき、Vth2(第2のレベル)は2Vとすることができる。以上の結果から、上述の方法で作成され、フォーミングがされた抵抗変化型素子は、リライタブル型の抵抗変化型記憶装置に利用可能であることが分かった。
(実施例3)
本実施例では、まず、シリコン基板の上に、Pt(白金)ターゲットを用いたスパッタリングにより、Pt(白金)からなる下部電極(厚さ200nm)を形成した。Arガス中に酸素ガスを導入した雰囲気中で、下部電極の上に、Ni(ニッケル)のターゲットを用いたスパッタリングにより、遷移金属であるNi(ニッケル)を含む酸化物からなる抵抗変化膜(厚さ約30nm)を形成した。スパッタリング時の基板の温度は300℃とした。さらに、抵抗変化膜の上に、Pt(白金)ターゲットを用いたスパッタリングにより、Pt(白金)からなる上部電極(厚さ100nm)を形成した。なお、上部電極と抵抗変化膜が接する部分の面積、すなわち、電極のサイズは、おおよそ1μm×1μm〜5μm×5μmであった。かかる方法により、シリコン基板の上に、下部電極、抵抗変化膜、上部電極が順に積層された抵抗変化型素子が得られた。
On the other hand, an electric pulse (fourth electric pulse) of +2 V, 100 μs was applied a plurality of times between the upper electrode and the lower electrode of the resistance variable element in the initial state obtained by the above method. As a result, the resistance value gradually decreased, and when the electric pulse was applied about 50 times, the resistance value was stabilized at a substantially constant value (10 kΩ) (forming). In this state, when an electric pulse (second electric pulse) of +2.5 V and 100 ns was applied, the resistance value was 100 kΩ. Further, when an electric pulse (third electric pulse) of +1.5 V and 1 μs was applied, the resistance value was 10 kΩ. Thereafter, the same change was repeated. That is, by applying an electrical pulse of +2.5 V, 100 ns and an electrical pulse of +1.5 V, 1 μs, the resistance value reversibly changes between a high resistance state (100 kΩ) and a low resistance state (10 kΩ). It turns out that it repeats. In order to prevent an irreversible change, the absolute value of the voltage is 3 V or less when the pulse width is 100 ns, and the absolute value of the voltage is 2 V or less when the pulse width is 1 μs. It turned out to be preferable. That is, when the pulse width is 100 ns, Vth2 (second level) can be 3V. When the pulse width is 1 μs, Vth2 (second level) can be 2V. From the above results, it was found that the resistance variable element formed by the above-described method and formed can be used for a rewritable resistance variable memory device.
(Example 3)
In this example, first, a lower electrode (thickness: 200 nm) made of Pt (platinum) was formed on a silicon substrate by sputtering using a Pt (platinum) target. In an atmosphere in which oxygen gas is introduced into Ar gas, a resistance change film (thickness) made of an oxide containing Ni (nickel) as a transition metal is formed on the lower electrode by sputtering using a Ni (nickel) target. About 30 nm). The temperature of the substrate during sputtering was 300 ° C. Further, an upper electrode (thickness: 100 nm) made of Pt (platinum) was formed on the variable resistance film by sputtering using a Pt (platinum) target. The area of the portion where the upper electrode and the resistance change film are in contact, that is, the size of the electrode was approximately 1 μm × 1 μm to 5 μm × 5 μm. By this method, a resistance variable element in which a lower electrode, a resistance change film, and an upper electrode were sequentially laminated on a silicon substrate was obtained.
形成直後(初期状態)における上部電極と下部電極との間の抵抗値(初期抵抗値)を測定した。得られた初期抵抗値は5MΩであった。 The resistance value (initial resistance value) between the upper electrode and the lower electrode immediately after formation (initial state) was measured. The obtained initial resistance value was 5 MΩ.
次に、該抵抗変化型素子に+5V、100μsの電気パルス(第1の電気パルス)を印加すると、抵抗値は50Ωに変化していた。この状態で、絶対値5V以上の電圧(±6V、±7Vなど)でパルス幅100μsの電気パルスを印加しても、抵抗値は測定誤差の範囲(±10Ω)でしか変動せず、約50Ωのままであった。したがって、+5V、100μsの電気パルスを印加することで、抵抗変化膜に不可逆的な変化(抵抗値の変化)が起きることが分かった。すなわち本実施例では、パルス幅が100μsのとき、Vth1(第1のレベル)を5Vとすることができる。 Next, when an electric pulse (first electric pulse) of +5 V and 100 μs was applied to the resistance variable element, the resistance value changed to 50Ω. In this state, even if an electric pulse with an absolute value of 5 V or more (± 6 V, ± 7 V, etc.) and a pulse width of 100 μs is applied, the resistance value varies only within the measurement error range (± 10 Ω) and is approximately 50 Ω. It remained. Therefore, it was found that an irreversible change (change in resistance value) occurs in the resistance change film by applying an electrical pulse of +5 V and 100 μs. That is, in this embodiment, when the pulse width is 100 μs, Vth1 (first level) can be set to 5V.
なお、上述の方法で得られた初期状態の抵抗変化型素子に対し、+3Vや+4Vの電気パルス(パルス幅100μs)を印加した場合には、必ずしも抵抗値が50Ωまで低下せず、初期抵抗値(2.5MΩ)のままである場合もあった。一方、+5Vの電気パルス(パルス幅100μs)を印加した場合には、100%の確率で抵抗値が100Ω程度まで低下した。当然ではあるが、読み出し電圧(50mV、パルス幅100ns)を印加しても抵抗値の変化は見られなかった。以上の結果から、上述の方法で得られた抵抗変化型素子は、ライトワンス型の抵抗変化型記憶装置に利用可能であることが分かった。
When a + 3V or + 4V electric pulse (
一方、上述の方法で得られた初期状態の抵抗変化型素子の上部電極と下部電極との間に+2V、100msの電気パルス(第4の電気パルス)を複数回印加した。その結果、抵抗値が徐々に低下し、50回程度電気パルスを印加すると抵抗値がほぼ一定値(10kΩ)で安定した(フォーミング)。この状態で、+3V、100nsの電気パルス(第2の電気パルス)を印加すると、抵抗値は100kΩとなった。さらに+2V、1μsの電気パルス(第3の電気パルス)を印加すると、抵抗値は10kΩに戻った。その後は同様の変化を繰り返した。すなわち、+3V、100nsの電気パルスおよび+2V、1μsの電気パルスを印加することで、抵抗値は同様の変化(可逆的な抵抗値の変化を繰り返すことが分かった。また、不可逆的な変化を起こさないようにするためには、パルス幅が100nsの場合には電圧の絶対値を4V以下とし、パルス幅が1μsの場合には電圧の絶対値を3V以下とすることが好ましいことが分かった。すなわち、パルス幅が100nsのとき、Vth2(第2のレベル)は4Vとすることができる。また、パルス幅が1μsのとき、Vth2(第2のレベル)は3Vとすることができる。以上の結果から、上述の方法で作成され、フォーミングがされた抵抗変化型素子は、リライタブル型の抵抗変化型記憶装置に利用可能であることが分かった。
(実施例4)
本実施例では、まず、シリコン基板の上に、Pt(白金)ターゲットを用いたスパッタリングにより、Pt(白金)からなる下部電極(厚さ200nm)を形成した。下部電極の上に、Fe−O(酸化鉄)のターゲットを用いたスパッタリングにより、遷移金属であるFe(鉄)を含む酸化物からなる抵抗変化膜(厚さ約100nm)を形成した。スパッタリング時の基板の温度は300℃とした。さらに、抵抗変化膜の上に、Ag(銀)ターゲットを用いたスパッタリングにより、Ag(銀)からなる上部電極(厚さ200nm)を形成した。なお、上部電極と抵抗変化膜が接する部分の面積、すなわち、電極のサイズは、おおよそ1μm×1μm〜5μm×5μmであった。かかる方法により、シリコン基板の上に、下部電極、抵抗変化膜、上部電極が順に積層された抵抗変化型素子が得られた。
On the other hand, a +2 V, 100 ms electric pulse (fourth electric pulse) was applied a plurality of times between the upper electrode and the lower electrode of the resistance variable element in the initial state obtained by the above method. As a result, the resistance value gradually decreased, and when the electric pulse was applied about 50 times, the resistance value was stabilized at a substantially constant value (10 kΩ) (forming). In this state, when an electric pulse (second electric pulse) of +3 V and 100 ns was applied, the resistance value was 100 kΩ. Further, when an electric pulse (third electric pulse) of +2 V and 1 μs was applied, the resistance value returned to 10 kΩ. Thereafter, the same change was repeated. That is, it was found that by applying +3 V, 100 ns electric pulse and +2 V, 1 μs electric pulse, the resistance value changed in a similar manner (reversible change in resistance value. In addition, an irreversible change was caused. In order to avoid this, it has been found that the absolute value of the voltage is preferably 4 V or less when the pulse width is 100 ns, and the absolute value of the voltage is preferably 3 V or less when the pulse width is 1 μs. That is, when the pulse width is 100 ns, Vth2 (second level) can be 4 V. When the pulse width is 1 μs, Vth2 (second level) can be 3 V. From the results, it was found that the variable resistance element formed by the above-described method and formed can be used for a rewritable variable resistance memory device.
Example 4
In this example, first, a lower electrode (thickness: 200 nm) made of Pt (platinum) was formed on a silicon substrate by sputtering using a Pt (platinum) target. On the lower electrode, a variable resistance film (thickness: about 100 nm) made of an oxide containing Fe (iron) as a transition metal was formed by sputtering using a Fe—O (iron oxide) target. The temperature of the substrate during sputtering was 300 ° C. Further, an upper electrode (thickness: 200 nm) made of Ag (silver) was formed on the resistance change film by sputtering using an Ag (silver) target. The area of the portion where the upper electrode and the resistance change film are in contact, that is, the size of the electrode was approximately 1 μm × 1 μm to 5 μm × 5 μm. By this method, a resistance variable element in which a lower electrode, a resistance change film, and an upper electrode were sequentially laminated on a silicon substrate was obtained.
該抵抗変化型素子の上部電極と下部電極との間に、下部電極を基準(0V)として(以下同様)、読み出し電圧を印加し、形成直後(初期状態)における上部電極と下部電極との間の抵抗値(初期抵抗値)を測定した。なお、抵抗値の読み出し電圧は+50mVとした。(以下全ての実施例につき、抵抗値の測定方法は同じとする)。得られた初期抵抗値は3MΩであった。 A read voltage is applied between the upper electrode and the lower electrode of the resistance variable element with the lower electrode as a reference (0 V) (the same applies hereinafter), and immediately after formation (initial state), between the upper electrode and the lower electrode. The resistance value (initial resistance value) of was measured. Note that the read voltage of the resistance value was +50 mV. (Hereinafter, the resistance value measurement method is the same for all examples). The obtained initial resistance value was 3 MΩ.
次に、該抵抗変化型素子に+7V、100nsの電気パルス(第1の電気パルス)を印加すると、抵抗値は50Ωに変化していた。この状態で、絶対値5V以上の電圧(±8V、±9Vなど)でパルス幅100nsの電気パルスを印加しても、抵抗値は測定誤差の範囲(±10Ω)でしか変動せず、約50Ωのままであった。したがって、+7V、100nsの電気パルスを印加することで、抵抗変化膜に不可逆的な変化(抵抗値の変化)が起きることが分かった。すなわち本実施例では、パルス幅が100nsのとき、Vth1(第1のレベル)を7Vとすることができる。 Next, when an electric pulse (first electric pulse) of +7 V and 100 ns was applied to the resistance variable element, the resistance value changed to 50Ω. In this state, even if an electrical pulse with a pulse width of 100 ns is applied at a voltage of 5 V or more (± 8 V, ± 9 V, etc.), the resistance value varies only within the measurement error range (± 10 Ω), and is approximately 50 Ω. It remained. Therefore, it was found that an irreversible change (change in resistance value) occurs in the resistance change film by applying an electric pulse of +7 V and 100 ns. That is, in this embodiment, when the pulse width is 100 ns, Vth1 (first level) can be set to 7V.
なお、上述の方法で得られた初期状態の抵抗変化型素子に対し、+5Vや+6Vの電気パルス(パルス幅100ns)を印加した場合には、必ずしも抵抗値が50Ωまで低下せず、初期抵抗値(3MΩ)から変化が小さい場合もあった。一方、+7Vの電気パルス(パルス幅100ns)を印加した場合には、100%の確率で抵抗値が50Ω程度まで低下した。当然ではあるが、読み出し電圧(+50mV、100ns)を印加しても抵抗値の変化は見られなかった。以上の結果から、上述の方法で得られた抵抗変化型素子は、ライトワンス型の抵抗変化型記憶装置に利用可能であることが分かった。
When an electric pulse (
一方、上述の方法で得られた初期状態の抵抗変化型素子の上部電極と下部電極との間に+1.5V、100μsの電気パルス(第4の電気パルス)を複数回印加した。その結果、抵抗値が徐々に低下し、100回程度電気パルスを印加すると抵抗値がほぼ一定値(1kΩ)となり、さらに−1.5V、100μsの電気パルスを100回程度加えるとほぼ一定値(10kΩ)に安定した(フォーミング)。この状態で、±2V、100nsの電気パルス(第2の電気パルス)を交互に100回程度印加すると、その後は、+2V、100nsの電気パルスを印加すると抵抗値は1kΩとなり、さらに−2V、100nsの電気パルス(第3の電気パルス)を印加すると、抵抗値は10kΩに戻った。その後は同様の変化を繰り返した。すなわち、±2V、100nsの電気パルスを印加することで、抵抗値が高抵抗状態(10kΩ)と低抵抗状態(1kΩ)との間で可逆的な変化を繰り返すことが分かった。また、不可逆的な変化を起こさないようにするためには、パルス幅が100nsの場合には、電圧の絶対値を3V以下とすることが好ましいことが分かった。すなわち、パルス幅が100nsのとき、Vth2(第2のレベル)は3Vとすることができる。以上の結果から、上述の方法で作成され、フォーミングがされた抵抗変化型素子は、リライタブル型の抵抗変化型記憶装置に利用可能であることが分かった。
(実施例5)
なお、詳細なデータは省略するが、抵抗変化膜の材料としてPrCaMnOを用いても実施例1乃至実施例4と同様の結果が得られた。
On the other hand, an electric pulse (fourth electric pulse) of +1.5 V and 100 μs was applied a plurality of times between the upper electrode and the lower electrode of the resistance variable element in the initial state obtained by the above method. As a result, the resistance value gradually decreases. When an electric pulse is applied about 100 times, the resistance value becomes a substantially constant value (1 kΩ), and when an electric pulse of −1.5 V and 100 μs is further applied about 100 times, the resistance value becomes substantially constant ( 10 kΩ) (forming). In this state, when ± 2V, 100 ns electrical pulses (second electrical pulse) are alternately applied about 100 times, when a + 2V, 100 ns electrical pulse is applied, the resistance value becomes 1 kΩ, and further −2V, 100 ns. When the electric pulse (third electric pulse) was applied, the resistance value returned to 10 kΩ. Thereafter, the same change was repeated. That is, it was found that by applying an electric pulse of ± 2 V and 100 ns, the resistance value repeatedly reversibly changes between a high resistance state (10 kΩ) and a low resistance state (1 kΩ). In order to prevent an irreversible change, it was found that the absolute value of the voltage is preferably 3 V or less when the pulse width is 100 ns. That is, when the pulse width is 100 ns, Vth2 (second level) can be 3V. From the above results, it was found that the resistance variable element formed by the above-described method and formed can be used for a rewritable resistance variable memory device.
(Example 5)
Although detailed data is omitted, the same results as in Examples 1 to 4 were obtained even when PrCaMnO was used as the material of the resistance change film.
本発明に係る不揮発性記憶装置は、新規な構成を有するライトワンス型の不揮発性記憶装置として有用である。 The nonvolatile memory device according to the present invention is useful as a write-once nonvolatile memory device having a novel configuration.
10 抵抗変化型素子
11 基板
12 下部電極
13 抵抗変化膜
14 上部電極
15 電源
100 抵抗変化型記憶装置
111 基板
120 制御装置
121 第1カラムデコーダ
122 第1ビット線
123 第1ロウデコーダ
124 第1ワード線
125 ライトワンスメモリセルアレイ
131 第2カラムデコーダ
132 第2ビット線
133 第2ロウデコーダ
134 第2ワード線
135 リライタブルメモリセルアレイ
141 カラムデコーダ
142 ビット線
143 ロウデコーダ
144 ワード線
145 メモリセルアレイ
146 ライトワンス領域
147 リライタブル領域
200 抵抗変化型記憶装置
DESCRIPTION OF
Claims (14)
第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に形成された抵抗変化膜とを備え、
前記抵抗変化膜は遷移金属を含む酸化物を含有し、
第1のレベル以上の電気パルスである第1の電気パルスが前記第1の電極および前記第2の電極を介して前記抵抗変化膜に加えられると前記抵抗変化膜の電気抵抗が不可逆的に変化することにより前記第1の電気パルスに対応するデータの不可逆的な記憶を行う、
不可逆的記憶用の抵抗変化型素子。 A first electrode;
A second electrode;
A variable resistance film formed between the first electrode and the second electrode;
The resistance change film contains an oxide containing a transition metal,
When a first electric pulse, which is an electric pulse of a first level or higher, is applied to the variable resistance film through the first electrode and the second electrode, the electric resistance of the variable resistance film changes irreversibly. To perform irreversible storage of data corresponding to the first electrical pulse,
A variable resistance element for irreversible memory.
さらに、前記第1の電気パルスを前記第1の電極および前記第2の電極を介して前記抵抗変化膜に加えることにより前記抵抗変化型素子に前記第1の電気パルスに対応するデータの不可逆的な記憶を行わせる書き込み装置を備える、
ライトワンス型の抵抗変化型記憶装置。 A plurality of variable resistance elements according to claim 1,
Further, by applying the first electric pulse to the variable resistance film via the first electrode and the second electrode, the data corresponding to the first electric pulse is irreversibly applied to the variable resistance element. Equipped with a writing device for performing
A write-once variable resistance memory device.
請求項1に記載の抵抗変化型素子。 Further, a second electric pulse or a third electric pulse that is smaller than the first level electric pulse and is different from each other is applied to the resistance change film via the first electrode and the second electrode. When added, reversible storage of data corresponding to the second electric pulse or the third electric pulse is performed by reversibly changing the electric resistance of the variable resistance film.
The resistance variable element according to claim 1.
請求項1に記載の抵抗変化型素子。 A fourth electric pulse, which is an electric pulse smaller than the first level, is applied to the first electrode and the second electrode until the electric resistance between the first electrode and the second electrode does not change. Forming treatment applied to the resistance change film through
The resistance variable element according to claim 1.
第1の群に属する抵抗変化型素子は前記不可逆的な記憶を行い、
第2の群に属する抵抗変化型素子は前記可逆的な記憶を行う、
抵抗変化型記憶装置。 A variable resistance storage device comprising a plurality of variable resistance elements according to claim 5 on the same substrate,
The variable resistance element belonging to the first group performs the irreversible memory,
The variable resistance element belonging to the second group performs the reversible memory.
Resistance change type memory device.
前記書き込み装置が、前記第1の群に属する抵抗変化型素子に前記不可逆的な記憶を行わせ、前記第2の群に属する抵抗変化型素子に前記可逆的な記憶を行わせる、
請求項7に記載の抵抗変化型記憶装置。 With a writing device,
The writing device causes the variable resistance element belonging to the first group to perform the irreversible storage, and causes the variable resistance element belonging to the second group to perform the reversible storage;
The resistance change storage device according to claim 7.
前記第2の群に属する抵抗変化型素子に前記可逆的な記憶を行わせる第2の書き込み装置とを備える、
請求項7に記載の抵抗変化型記憶装置。 A first writing device for causing the resistance variable element belonging to the first group to perform the irreversible storage;
A second writing device that causes the resistance variable element belonging to the second group to perform the reversible storage;
The resistance change storage device according to claim 7.
第1のレベル以上の電気パルスである第1の電気パルスを前記第1の電極および前記第2の電極を介して前記抵抗変化膜に加えることによって前記抵抗変化膜の電気抵抗を不可逆的に変化させ、それにより前記第1の電気パルスに対応するデータの不可逆的な記憶を行わせる、抵抗変化型素子へのデータ書き込み方法。 A first electrode; a second electrode; and a resistance change film formed between the first electrode and the second electrode, the resistance change film including an oxide containing a transition metal A method of writing data to the resistance variable element,
An electrical resistance of the resistance change film is irreversibly changed by applying a first electrical pulse, which is an electrical pulse of a first level or higher, to the resistance change film via the first electrode and the second electrode. A method for writing data to the resistance variable element, wherein the data corresponding to the first electric pulse is irreversibly stored.
第1のレベル以上の電気パルスである第1の電気パルスを前記第1の電極および前記第2の電極を介して前記抵抗変化膜に加えることによって前記抵抗変化膜の電気抵抗を不可逆的に変化させ、それにより前記第1の電気パルスに対応するデータの不可逆的な記憶を行わせ、
第1のレベルよりも小さい電気パルスであって互いに異なる第2の電気パルスまたは第3の電気パルスを前記第1の電極および前記第2の電極を介して前記抵抗変化膜に加えて前記抵抗変化膜の電気抵抗を可逆的に変化させ、それにより前記第2の電気パルスまたは前記第3の電気パルスに対応するデータの可逆的な記憶を行わせる、
抵抗変化型素子へのデータ書き込み方法。 A first electrode; a second electrode; and a resistance change film formed between the first electrode and the second electrode, the resistance change film including an oxide containing a transition metal A method of writing data to the resistance variable element,
An electrical resistance of the resistance change film is irreversibly changed by applying a first electrical pulse, which is an electrical pulse of a first level or higher, to the resistance change film via the first electrode and the second electrode. Thereby causing irreversible storage of data corresponding to the first electrical pulse,
A second electric pulse or a third electric pulse, which is smaller than the first level and different from each other, is applied to the variable resistance film through the first electrode and the second electrode, and the resistance change is performed. Reversibly changing the electrical resistance of the membrane, thereby causing reversible storage of data corresponding to the second or third electrical pulse,
A method for writing data to a resistance variable element.
第1の群に属する抵抗変化型素子には、第1のレベル以上の電気パルスである第1の電気パルスを前記第1の電極および前記第2の電極を介して前記抵抗変化膜に加えることによって前記抵抗変化膜の電気抵抗を不可逆的に変化させ、それにより前記第1の電気パルスに対応するデータの不可逆的な記憶を行わせ、
第2の群に属する抵抗変化型素子には、第1のレベルよりも小さい電気パルスであって互いに異なる第2の電気パルスまたは第3の電気パルスを前記第1の電極および前記第2の電極を介して前記抵抗変化膜に加えることによって前記抵抗変化膜の電気抵抗を可逆的に変化させ、それにより前記第2の電気パルスまたは前記第3の電気パルスに対応するデータの不可逆的な記憶を行わせる、
抵抗変化型素子へのデータ書き込み方法。 A first electrode; a second electrode; and a resistance change film formed between the first electrode and the second electrode, wherein the resistance change film contains an oxide containing a transition metal. A method of writing data to a plurality of resistance variable elements formed on the same substrate,
For a resistance variable element belonging to the first group, a first electric pulse, which is an electric pulse of a first level or higher, is applied to the variable resistance film via the first electrode and the second electrode. Irreversibly changes the electrical resistance of the resistance change film, thereby causing irreversible storage of data corresponding to the first electrical pulse,
For the resistance variable element belonging to the second group, an electric pulse smaller than the first level and different from the second electric pulse or the third electric pulse is applied to the first electrode and the second electrode. The resistance change film is reversibly changed by applying to the resistance change film through the first and second electric pulses, thereby irreversibly storing data corresponding to the second electric pulse or the third electric pulse. To do,
A method for writing data to a resistance variable element.
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