JP2011233211A - Variable resistance element driving method and nonvolatile memory device - Google Patents

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JP2011233211A JP2010104612A JP2010104612A JP2011233211A JP 2011233211 A JP2011233211 A JP 2011233211A JP 2010104612 A JP2010104612 A JP 2010104612A JP 2010104612 A JP2010104612 A JP 2010104612A JP 2011233211 A JP2011233211 A JP 2011233211A
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俊作 村岡
Takeshi Takagi
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a variable resistance element driving method permitting realization of stable multi-value memory actions.SOLUTION: A writing process of applying one writing voltage pulse out of writing voltage pulses, having a plurality of voltages in a first polarity, to a variable resistance element 10 (S101, S102) and a reading process of sequentially providing the variable resistance element 10 in the ascending order of voltage value with reading voltage pulses having a plurality of voltages in a second polarity different from the first polarity (S205 to S209) are executed. In this reading process, it is determined which voltage of the write voltage pulse has been used according to a variation in the resistance status of the variable resistance element when the read voltage pulses were sequentially provided (S210).

Description

本発明は、極性の異なる電圧パルスに応じて抵抗値が変化する抵抗変化素子の駆動方法、及びその方法を実施する不揮発性記憶装置に関する。   The present invention relates to a resistance change element driving method in which a resistance value changes according to voltage pulses having different polarities, and a nonvolatile memory device that implements the method.

近年、デジタル技術の進展に伴って、携帯情報機器や情報家電等の電子機器がより一層高機能化している。これらの電子機器の高機能化に伴い、使用される半導体素子の微細化及び高速化が急速に進んでいる。その中でも、フラッシュメモリに代表されるような大容量の不揮発性記憶装置の用途が急速に拡大している。さらに、このフラッシュメモリに置き換わる次世代の不揮発性記憶装置として、電気的信号によって抵抗値が可逆的に変化する性質を有する抵抗変化素子を備えた不揮発性記憶装置の研究開発が進んでいる。   In recent years, with the advancement of digital technology, electronic devices such as portable information devices and information home appliances have become more sophisticated. As these electronic devices have higher functions, the semiconductor elements used have been rapidly miniaturized and increased in speed. Among them, the use of a large-capacity nonvolatile storage device represented by a flash memory is rapidly expanding. Further, as a next-generation nonvolatile memory device that replaces the flash memory, research and development of a nonvolatile memory device including a resistance change element having a property that a resistance value is reversibly changed by an electrical signal is progressing.

上記のような抵抗変化素子を備えた不揮発性記憶装置において、単位面積当たりの記憶容量を増加させるために、多値化が試みられている。例えば、特許文献1及び特許文献2には、抵抗変化素子に流れる電流値を変化させることによってその抵抗変化素子を異なる複数の抵抗状態のいずれかとし、それぞれの抵抗状態における抵抗値の違いにより多値化を実現する不揮発性記憶装置が開示されている。   In the nonvolatile memory device including the variable resistance element as described above, an attempt has been made to increase the number of values in order to increase the storage capacity per unit area. For example, in Patent Document 1 and Patent Document 2, the resistance change element is set to one of a plurality of different resistance states by changing the value of the current flowing through the resistance change element, and the resistance value varies depending on the resistance value in each resistance state. A nonvolatile storage device that realizes value conversion is disclosed.

米国特許第7269050号明細書US Pat. No. 7,269,050 国際公開第2006/137111号International Publication No. 2006/137111

しかしながら、同一の電流値の電流を抵抗変化素子に与えたとしても、その抵抗値は一定の値に安定せず、ばらつきが生じる。そのため、特許文献1及び特許文献2に開示されているような電流制御により多値化を実現する従来の不揮発性記憶装置の場合、読み出し誤りが発生するおそれがあるという問題がある。   However, even if a current having the same current value is applied to the variable resistance element, the resistance value is not stabilized at a constant value, and variation occurs. Therefore, in the case of a conventional nonvolatile memory device that realizes multi-value by current control as disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2, there is a problem that a read error may occur.

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、安定した多値記憶動作を実現することができる抵抗変化素子の駆動方法及びその方法を実施する不揮発性記憶装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and a main object thereof is to provide a resistance change element driving method capable of realizing a stable multi-value storage operation and a nonvolatile memory device that implements the method. There is to do.

上述した課題を解決するために、本発明の一の態様の抵抗変化素子の駆動方法は、極性の異なる電気パルスに応じて可逆的にその抵抗値が変化する抵抗変化素子を多値記憶素子として駆動する抵抗変化素子の駆動方法であって、第1の極性の複数の異なる大きさの書き込み電気パルスのうちの一つの書き込み電気パルスを前記抵抗変化素子に与えることで、前記抵抗変化素子を第1の抵抗状態から第2の抵抗状態へ変化させる書き込み工程と、前記第1の極性とは異なる第2の極性の複数の異なる大きさの読み出し電気パルスを大きさが小さい方から順次前記抵抗変化素子に与える読み出し工程とを有し、前記読み出し工程では、前記読み出し電気パルスが順次与えられたときに、前記抵抗変化素子を前記第2の抵抗状態から前記第1の抵抗状態の方向に最初に変化させた読み出し電気パルスの大きさが前記複数の異なる大きさの何れであったかに応じて、前記複数の異なる大きさの書き込み電気パルスのうちの何れの書き込み電気パルスによって前記書き込み工程が行われたのかを判別している。   In order to solve the above-described problem, a resistance change element driving method according to one embodiment of the present invention uses a resistance change element whose resistance value reversibly changes in response to an electric pulse having a different polarity as a multi-value storage element. A driving method of a resistance change element to be driven, wherein one write electric pulse of a plurality of write electric pulses having a first polarity with different magnitudes is applied to the resistance change element, thereby causing the resistance change element to A writing process for changing from one resistance state to a second resistance state, and a plurality of read electrical pulses having different second polarities different from the first polarity in order of decreasing the resistance A read process applied to the element, and in the read process, when the read electrical pulse is sequentially applied, the resistance change element is moved from the second resistance state to the first resistance. Depending on which of the plurality of different magnitudes of the read electrical pulse initially changed in the direction of the state, the write electrical pulse of the plurality of different magnitudes of the write electrical pulse causes the It is determined whether the writing process has been performed.

このように書き込み電気パルスの大きさの違いにより多値化を行うことによって、従来のように抵抗変化素子の抵抗値の違いにより多値化を行う場合と比べて、より安定した多値記憶動作を実現することができる。   In this way, multi-value storage is performed more stably by comparing the multi-value by the difference in the magnitude of the write electrical pulse, compared to the case of multi-value by the difference in resistance value of the resistance change element as in the past. Can be realized.

つまり、抵抗変化素子を第1の抵抗状態から第2の抵抗状態に変化させたときに印加した書き込み電気パルスの大きさによって、抵抗変化素子を第2の抵抗状態から第1の抵抗状態に変化させるのに必要な最低限の読み出し電気パルスの大きさが決まるというバイポーラ型の抵抗変化素子の特性を利用しているので、安定した多値記憶が実現される。   That is, the resistance change element changes from the second resistance state to the first resistance state according to the magnitude of the write electric pulse applied when the resistance change element is changed from the first resistance state to the second resistance state. Since the characteristic of the bipolar variable resistance element that determines the minimum size of the readout electrical pulse necessary for the reading is used, stable multi-value storage is realized.

なお、「電気パルス」とは、「電圧パルス」および「電流パルス」を含む概念である。また、「電気パルスの大きさ」とは、「電圧パルスの電圧」または「電流パルスの電流」を意味する。   “Electric pulse” is a concept including “voltage pulse” and “current pulse”. Further, “the magnitude of the electric pulse” means “the voltage of the voltage pulse” or “the current of the current pulse”.

ここで、駆動方法(書き込み方法)としては、電圧駆動(電圧書き込み)であってもよいし、電流駆動(電流書き込み)であってもよい。つまり、前記書き込み工程では、前記第1の極性の複数の異なる電圧の書き込み電気パルスのうちの一つの書き込み電気パルスを前記抵抗変化素子に与えることで、前記抵抗変化素子を第1の抵抗状態から第2の抵抗状態へ遷移させ、前記読み出し工程では、前記第2の極性の複数の異なる電圧の読み出し電気パルスを電圧の絶対値が小さい方から順次前記抵抗変化素子に与えたときに、前記抵抗変化素子を前記第2の抵抗状態から前記第1の抵抗状態の方向に最初に変化させた読み出し電気パルスの電圧が前記複数の異なる電圧の何れであったかに応じて、前記複数の異なる電圧の書き込み電気パルスのうちの何れの書き込み電気パルスによって前記書き込み工程が行われたのかを判別してもよいし、前記書き込み工程では、前記第1の極性の複数の異なる電流の書き込み電気パルスのうちの一つの電流の書き込み電気パルスを前記抵抗変化素子に与えることで、前記抵抗変化素子を第1の抵抗状態から第2の抵抗状態へ遷移させ、前記読み出し工程では、前記第2の極性の複数の異なる電流の読み出し電気パルスを電流の大きさが小さい方から順次前記抵抗変化素子に与えたときに、前記抵抗変化素子を前記第2の抵抗状態から前記第1の抵抗状態の方向に最初に変化させた読み出し電気パルスの電流が前記複数の異なる電流の何れであったかに応じて、前記複数の異なる電流の書き込み電気パルスのうちの何れの書き込み電気パルスによって前記書き込み工程が行われたのかを判別してもよい。   Here, the driving method (writing method) may be voltage driving (voltage writing) or current driving (current writing). In other words, in the writing step, by applying one write electric pulse among the plurality of write electric pulses having different voltages of the first polarity to the resistance change element, the resistance change element is moved from the first resistance state. Transition to the second resistance state, and in the reading step, when the reading electrical pulses of a plurality of different voltages having the second polarity are sequentially applied to the variable resistance element from the smallest absolute value of the voltage, Writing the plurality of different voltages depending on which of the plurality of different voltages is the voltage of the read electrical pulse that first changed the changing element from the second resistance state to the first resistance state. It may be determined by which writing electric pulse of the electric pulses the writing step is performed, and in the writing step, the first electrode The resistance change element is caused to transition from the first resistance state to the second resistance state by applying one of the plurality of different current write electric pulses to the resistance change element. In the reading step, when the plurality of different electric current reading electric pulses having the second polarity are sequentially applied to the variable resistance element from the smaller current magnitude, the variable resistance element is moved from the second resistance state. Depending on which of the plurality of different currents the current of the read electrical pulse first changed in the direction of the first resistance state, which write electrical pulse of the plurality of different current write electrical pulses It may be determined whether the writing step has been performed.

この態様においては、前記書き込み工程では、前記抵抗変化素子を高抵抗状態から低抵抗状態へ変化させ、前記読み出し工程では、前記読み出し電気パルスが順次与えられたときに、前記抵抗変化素子を低抵抗状態から高抵抗状態の方向に最初に変化させた読み出し電気パルスの大きさが前記複数の異なる大きさの何れであったかに応じて、前記複数の異なる大きさの書き込み電気パルスのうちの何れの書き込み電気パルスによって前記書き込み工程が行われたのかを判別することが好ましい。一般に、抵抗変化素子においては、高抵抗状態よりも低抵抗状態の方が抵抗値のばらつきが少なく安定しており、さらに抵抗変化素子を低抵抗化することによって書き込みを行う場合の方が、高抵抗化することによって書き込みを行う場合と比べて、良好なリテンション特性を得ることができる。   In this aspect, in the writing step, the variable resistance element is changed from a high resistance state to a low resistance state, and in the reading step, when the read electrical pulse is sequentially applied, the variable resistance element is changed to a low resistance state. Depending on which of the plurality of different magnitudes of the read electrical pulse initially changed from the state to the high resistance state, which of the plurality of different magnitudes of the write electrical pulse It is preferable to determine whether the writing process has been performed by an electric pulse. In general, in a resistance change element, the resistance value variation is smaller and more stable in the low resistance state than in the high resistance state, and when writing is performed by reducing the resistance of the resistance change element, the resistance change element is higher. As compared with the case where writing is performed by making the resistance, better retention characteristics can be obtained.

また、上記の態様において、前記読み出し工程の後、前記書き込み工程において前記抵抗変化素子に与えた書き込み電気パルスと同じ大きさの書き込み電気パルスを前記抵抗変化素子へ与える再書き込み工程をさらに有していてもよい。これにより、読み出し工程の後であっても、読み出し前における抵抗変化素子の抵抗状態が復元され、破壊型読み出しに対する手当が行われる。   Further, in the above aspect, the method further includes a rewriting step of applying a writing electric pulse having the same magnitude as the writing electric pulse applied to the variable resistance element in the writing step after the reading step. May be. Thereby, even after the read process, the resistance state of the resistance change element before the read is restored, and a treatment for destructive read is performed.

本発明の一の態様の不揮発性記憶装置は、第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に介在し、両電極間に与えられる極性の異なる電気パルスに応じて可逆的にその抵抗値が変化する抵抗変化層とを有する抵抗変化素子を含むメモリセルが複数個から構成されるメモリセルアレイと、前記メモリセルアレイから少なくとも一つのメモリセルを選択する選択回路と、前記選択回路を制御することで前記メモリセルから少なくとも一つのメモリセルを選択させ、選択されたメモリセルに対する書き込み工程または読み出し工程を実行する制御部とを備え、前記制御部は、前記書き込み工程では、第1の極性の複数の異なる大きさの書き込み電気パルスのうちの一つの書き込み電気パルスを、選択された前記メモリセルに含まれる抵抗変化素子の両電極間に与えることによって、前記抵抗変化層の抵抗状態を第1の抵抗状態から第2の抵抗状態へ変化させ、前記読み出し工程では、前記第1の極性とは異なる第2の極性の複数の異なる大きさの読み出し電気パルスを大きさが小さい方から順次両電極間に与え、前記読み出し電気パルスが順次両電極間に与えられたときに、前記抵抗変化層を前記第2の抵抗状態から前記第1の抵抗状態の方向に最初に変化させた読み出し電気パルスの大きさが前記複数の異なる大きさの何れであったかに応じて、前記複数の異なる大きさの書き込み電気パルスのうちの何れの書き込み電気パルスによって前記書き込み工程が行われたのかを判別している。   A nonvolatile memory device according to one embodiment of the present invention includes an electric pulse having a polarity different from that provided between a first electrode, a second electrode, and the first electrode and the second electrode. And a selection circuit for selecting at least one memory cell from the memory cell array, and a memory cell array including a plurality of resistance change elements having a resistance change layer whose resistance value reversibly changes according to And a control unit that controls the selection circuit to select at least one memory cell from the memory cells, and executes a writing process or a reading process for the selected memory cell, and the control unit includes the writing In the process, one of the plurality of different-sized write electric pulses having the first polarity is included in the selected memory cell. By applying between the two electrodes of the variable resistance element, the resistance state of the variable resistance layer is changed from the first resistance state to the second resistance state, and in the reading step, the second polarity different from the first polarity. When a plurality of read electrical pulses having different polarities are sequentially applied between the electrodes in order from a smaller magnitude, and the read electrical pulses are sequentially applied between the two electrodes, the resistance change layer is provided in the second layer. Depending on which of the plurality of different magnitudes of the read electrical pulse initially changed in the direction from the resistance state to the first resistance state, the plurality of write electrical pulses of different magnitudes It is determined by which of the write electrical pulses the write process is performed.

この態様においては、前記制御部は、前記書き込み工程では、前記抵抗変化層を高抵抗状態から低抵抗状態へ変化させ、前記読み出し工程では、前記読み出し電気パルスが順次両電極間に与えられたときに、前記抵抗変化層を低抵抗状態から高抵抗状態の方向に最初に変化させた読み出し電気パルスの大きさが前記複数の異なる大きさの何れであったかに応じて、前記複数の異なる大きさの書き込み電気パルスのうちの何れの書き込み電気パルスによって前記書き込み工程が行われたのかを判別することが好ましい。   In this aspect, the control unit changes the resistance change layer from a high resistance state to a low resistance state in the writing step, and the reading electric pulse is sequentially applied between both electrodes in the reading step. In addition, depending on which of the plurality of different magnitudes of the read electrical pulse that first changed the resistance change layer from the low resistance state to the high resistance state, the plurality of different magnitudes. It is preferable to determine which of the writing electrical pulses the writing process is performed by.

また、上記態様において、前記制御部は、前記読み出し工程の後、前記書き込み工程において両電極間に与えた書き込み電気パルスと同じ大きさの書き込み電気パルスを前記両電極間に与えることによって、前記抵抗変化層の抵抗状態を変化させる再書き込み工程をさらに実行するように構成されていてもよい。   Further, in the above aspect, the control unit may apply the write electrical pulse between the electrodes having the same magnitude as the write electrical pulse applied between the electrodes in the write process after the read process. The rewriting process for changing the resistance state of the change layer may be further executed.

また、上記態様において、前記抵抗変化層は、酸素不足型の遷移金属酸化物を含んで構成されていてもよい。この場合、前記遷移金属酸化物は、MOxで表される組成を有する第1の酸素不足型の遷移金属酸化物を含む第1の領域と、MOy(但し、x<y)で表される組成を有する第2の酸素不足型の遷移金属酸化物を含む第2の領域とを有してもよい。さらに、この場合に、前記第1の領域は、TaOx(但し、0.8≦x≦1.9)で表される組成を有するタンタル酸化物を含んでおり、前記第2の領域は、TaOy(但し、2.1≦y≦2.5)で表される組成を有するタンタル酸化物を含んでいてもよい。 In the above aspect, the variable resistance layer may include an oxygen-deficient transition metal oxide. In this case, the transition metal oxide includes a first region containing a first oxygen-deficient transition metal oxide having a composition represented by MO x , and MO y (where x <y). And a second region containing a second oxygen-deficient transition metal oxide having a composition. Furthermore, in this case, the first region includes a tantalum oxide having a composition represented by TaO x (where 0.8 ≦ x ≦ 1.9), and the second region includes A tantalum oxide having a composition represented by TaO y (where 2.1 ≦ y ≦ 2.5) may be included.

また、上記態様において、前記複数個のメモリセルのそれぞれは、前記抵抗変化層に電気的に接続された負荷素子をさらに備えてもよく、その負荷素子がダイオードまたはトランジスタであってもよい。   In the above aspect, each of the plurality of memory cells may further include a load element electrically connected to the resistance change layer, and the load element may be a diode or a transistor.

本発明に係る抵抗変化素子の駆動方法によれば、抵抗変化素子の抵抗変化現象を利用して安定した多値記憶動作を実現することができる。また、この駆動方法を実施する本発明に係る不揮発性記憶装置によれば、安定した多値記憶動作が可能な記憶装置を実現することができる。   According to the resistance change element driving method of the present invention, a stable multilevel storage operation can be realized by utilizing the resistance change phenomenon of the resistance change element. Further, according to the nonvolatile memory device according to the present invention that implements this driving method, a memory device capable of a stable multi-value memory operation can be realized.

本発明の実施の形態1の抵抗変化素子の構成の一例を示す模式図The schematic diagram which shows an example of a structure of the resistance change element of Embodiment 1 of this invention. (a)〜(f)は、本発明の実施の形態1の抵抗変化素子の抵抗−電圧特性を示す図(A)-(f) is a figure which shows the resistance-voltage characteristic of the resistance change element of Embodiment 1 of this invention. (a)〜(f)は、本発明の実施の形態1の抵抗変化素子の電流−電圧特性を示す図(A)-(f) is a figure which shows the current-voltage characteristic of the resistance change element of Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における多値記憶の原理を示す図The figure which shows the principle of the multi-value storage in Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態1における書き込み電圧パルスと読み出し電圧パルスとの関係を示す図The figure which shows the relationship between the write-voltage pulse and read-out voltage pulse in Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態1に係る抵抗変化素子の駆動方法の手順の一例を示すフローチャートThe flowchart which shows an example of the procedure of the drive method of the resistance change element which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係る抵抗変化素子の駆動方法の手順の他の例を示すフローチャートThe flowchart which shows the other example of the procedure of the drive method of the resistance change element which concerns on Embodiment 1 of this invention. (a)および(b)は、本発明の実施の形態1における書き込み及び読み出しの実験例の結果を示す図(A) And (b) is a figure which shows the result of the experiment example of the write-in and read-in in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2に係る抵抗変化素子の駆動方法の手順の一例を示すフローチャートThe flowchart which shows an example of the procedure of the drive method of the resistance change element which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2に係る抵抗変化素子の駆動方法の手順の他の例を示すフローチャートThe flowchart which shows the other example of the procedure of the drive method of the resistance change element which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3における書き込み電流パルスと読み出し電圧パルスとの関係を示す図The figure which shows the relationship between the write-in electric current pulse and read-out voltage pulse in Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態3に係る抵抗変化素子の駆動方法(電流書き込み)の手順の一例を示すフローチャートThe flowchart which shows an example of the procedure of the drive method (electric current writing) of the resistance change element which concerns on Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態5の不揮発性記憶装置の構成の一例を示すブロック図The block diagram which shows an example of a structure of the non-volatile storage device of Embodiment 5 of this invention 本発明の実施の形態6の不揮発性記憶装置の構成の一例を示すブロック図The block diagram which shows an example of a structure of the non-volatile storage device of Embodiment 6 of this invention (a)〜(f)は、本発明のその他の実施の形態の抵抗変化素子の抵抗−電圧特性を示す図(A)-(f) is a figure which shows the resistance-voltage characteristic of the resistance change element of other embodiment of this invention. (a)〜(f)は、本発明のその他の実施の形態の抵抗変化素子の電流−電圧特性を示す図(A)-(f) is a figure which shows the current-voltage characteristic of the resistance change element of other embodiment of this invention.

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施の形態1)
[抵抗変化素子の構成]
まず、本発明の実施の形態1の抵抗変化素子の構成について説明する。
(Embodiment 1)
[Configuration of variable resistance element]
First, the configuration of the variable resistance element according to Embodiment 1 of the present invention will be described.

図1は、本発明の実施の形態1の抵抗変化素子10の構成の一例を示す模式図である。図1に示すように、本実施の形態の抵抗変化素子10は、基板1と、基板1の上に形成された第1電極の一例である下部電極2と、下部電極2の上に形成された抵抗変化層3と、抵抗変化層3の上に形成された第2電極の一例である上部電極4とを備えている。下部電極2及び上部電極4は、抵抗変化層3と接続されている。   FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the configuration of the variable resistance element 10 according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the resistance change element 10 of the present embodiment is formed on a substrate 1, a lower electrode 2 that is an example of a first electrode formed on the substrate 1, and the lower electrode 2. The resistance change layer 3 and the upper electrode 4 which is an example of the second electrode formed on the resistance change layer 3 are provided. The lower electrode 2 and the upper electrode 4 are connected to the resistance change layer 3.

基板1は、例えばシリコン基板により構成される。抵抗変化層3は、下部電極2と上部電極4との間に介在し、両電極間に与えられる極性の異なる電気パルス(電圧パルスまたは電流パルス)に応じて可逆的にその抵抗値が変化する特性を有し、MOxで表される組成を有する第1の酸素不足型の遷移金属酸化物を含む第1の領域の一例である第1タンタル酸化物層3aと、MOy(但し、x<y)で表される組成を有する第2の遷移金属酸化物を含む第2の領域の一例である第2タンタル酸化物層3bとが積層されて構成されている。ここで、第2タンタル酸化物層3bの酸素含有率yは、第1タンタル酸化物層3aの酸素含有率xよりも高くなっている。また、酸素不足型とは、当該遷移金属酸化物のストイキオメトリの組成より酸素含有量が少ない状態を指し、上記の例のタンタルの場合は、タンタル酸化物のストイキオメトリの組成がTa25となるので、酸素不足型のタンタル酸化物TaOxのxの値は2.5未満(0<x<2.5)となる。なお、第2の遷移金属酸化物は、ストイキオメトリの組成の遷移金属酸化物層を用いてもよい。 The substrate 1 is composed of, for example, a silicon substrate. The resistance change layer 3 is interposed between the lower electrode 2 and the upper electrode 4, and its resistance value reversibly changes according to electric pulses (voltage pulse or current pulse) having different polarities given between the two electrodes. A first tantalum oxide layer 3a, which is an example of a first region having a characteristic and containing a first oxygen-deficient transition metal oxide having a composition represented by MO x , and MO y (where x A second tantalum oxide layer 3b which is an example of the second region including the second transition metal oxide having the composition represented by <y) is laminated. Here, the oxygen content rate y of the second tantalum oxide layer 3b is higher than the oxygen content rate x of the first tantalum oxide layer 3a. The oxygen-deficient type refers to a state in which the oxygen content is less than the composition of the transition metal oxide stoichiometry. In the case of the tantalum in the above example, the composition of the tantalum oxide stoichiometry is Ta 2. since the O 5, the value of x of tantalum oxide TaO x oxygen-deficient is less than 2.5 (0 <x <2.5) . Note that as the second transition metal oxide, a transition metal oxide layer having a stoichiometric composition may be used.

第1タンタル酸化物層3aの組成をTaOxとした場合にxが0.8以上1.9以下であり、且つ、第2タンタル酸化物層3bの組成をTaOyとした場合にyが2.1以上2.5以下である場合に、抵抗変化層3の抵抗値を安定して高速に変化させることが確認できている。したがって、x及びyは上記の範囲内にあることが好ましい。 When the composition of the first tantalum oxide layer 3a is TaO x , x is 0.8 or more and 1.9 or less, and when the composition of the second tantalum oxide layer 3b is TaO y , y is 2 It has been confirmed that the resistance value of the resistance change layer 3 can be stably changed at a high speed when it is 1 or more and 2.5 or less. Therefore, x and y are preferably within the above range.

抵抗変化層3の厚みは、1μm以下であれば抵抗値の変化が認められるが、200nm以下であることが好ましい。パターニングプロセスリソグラフィを使用する場合に、加工し易く、しかも抵抗変化層3の抵抗値を変化させるために必要となる電圧パルスの電圧値を低くすることができるからである。他方、電圧パルス印加時のブレークダウン(絶縁破壊)をより確実に回避するという観点からは、抵抗変化層3の厚みは少なくとも5nm以上であることが好ましい。   If the thickness of the resistance change layer 3 is 1 μm or less, a change in resistance value is recognized, but it is preferably 200 nm or less. This is because, when patterning process lithography is used, it is easy to process and the voltage value of the voltage pulse required to change the resistance value of the resistance change layer 3 can be lowered. On the other hand, the thickness of the resistance change layer 3 is preferably at least 5 nm or more from the viewpoint of more reliably avoiding breakdown (dielectric breakdown) during voltage pulse application.

また、第2タンタル酸化物層3bの厚みについては、大きすぎると初期抵抗値が高くなりすぎる等の不都合があり、また小さすぎると安定した抵抗変化が得られないという不都合があるため、1nm以上8nm以下程度が好ましい。   Further, the thickness of the second tantalum oxide layer 3b is disadvantageous in that the initial resistance value becomes too high if it is too large, and if it is too small, there is a disadvantage that a stable resistance change cannot be obtained. About 8 nm or less is preferable.

このような構成とすることにより、第2タンタル酸化物層3b内で抵抗変化現象を安定に起こすことができる。   With such a configuration, it is possible to stably cause a resistance change phenomenon in the second tantalum oxide layer 3b.

タンタル以外にも、ハフニウムやジルコニウム等は同様の構成により安定に抵抗変化を起こすことができる。   In addition to tantalum, hafnium, zirconium, and the like can cause a resistance change stably with the same configuration.

第2タンタル酸化物層3bと接するように配置される上部電極4は、例えば、Au(金)、Pt(白金)、Ir(イリジウム)、Pd(パラジウム)、Cu(銅)及びAg(銀)等、前記遷移金属Mの標準電極電位より標準電極電位が高い材料のうちの1つまたは複数の材料を用いて構成され、下部電極2は上部電極4を構成する材料の標準電極電位より小さい材料(例えば、W、Ni、あるいはTaN等)で構成される。   The upper electrode 4 disposed so as to be in contact with the second tantalum oxide layer 3b is, for example, Au (gold), Pt (platinum), Ir (iridium), Pd (palladium), Cu (copper), and Ag (silver). A material having a standard electrode potential higher than the standard electrode potential of the transition metal M is used, and the lower electrode 2 is a material lower than the standard electrode potential of the material constituting the upper electrode 4. (For example, W, Ni, or TaN).

このような構成とすることにより、上部電極4と接する第2タンタル酸化物層3b内で抵抗変化現象を安定に起こすことができる。   With such a configuration, it is possible to stably cause a resistance change phenomenon in the second tantalum oxide layer 3b in contact with the upper electrode 4.

上述の積層構造と電極配置は、それぞれ個々に採用してもよいが、2つを組み合わせて用いることにより、より安定した抵抗変化現象を起こすことができる。また、当然のことであるが、上述した積層構造と電極の配置関係は、上下を逆に配置してもよい。また、上下方向の配置に代えて、左右方向に配置してもよい。   The laminated structure and electrode arrangement described above may be employed individually, but by using a combination of the two, a more stable resistance change phenomenon can be caused. As a matter of course, the above-described laminated structure and electrode may be disposed upside down. Moreover, it may replace with the arrangement | positioning of an up-down direction, and may arrange | position in the left-right direction.

上述したように構成される抵抗変化素子10を動作させる場合、下部電極2及び上部電極4が、電源5の異なる端子に電気的に接続される。この電源5は、抵抗変化素子10を駆動するための電気的パルス印加装置として機能し、所定の極性、電圧/電流及び時間幅の電気的パルス(電圧/電流パルス)を下部電極2と上部電極4との間に印加することができるように構成されている。   When operating the variable resistance element 10 configured as described above, the lower electrode 2 and the upper electrode 4 are electrically connected to different terminals of the power supply 5. The power source 5 functions as an electric pulse applying device for driving the resistance change element 10, and applies an electric pulse (voltage / current pulse) having a predetermined polarity, voltage / current, and time width to the lower electrode 2 and the upper electrode. 4 is configured to be able to be applied between.

なお、以下では、抵抗変化素子10は、特に断らない限り、電圧パルスおよび電流パルスのうち、電圧パルスによって可逆的に抵抗値が変化するものとし、電極間に印加される電圧パルスの電圧が、下部電極2を基準にした上部電極4の電位で特定されるものとする。   In the following description, unless otherwise specified, the resistance change element 10 assumes that the resistance value is reversibly changed by the voltage pulse among the voltage pulse and the current pulse, and the voltage of the voltage pulse applied between the electrodes is It is specified by the potential of the upper electrode 4 with respect to the lower electrode 2.

また、「抵抗変化素子10の抵抗状態が変化する」とは、厳密には、抵抗変化素子10が有する抵抗変化層3の抵抗状態が変化することを意味する。   In addition, “the resistance state of the resistance change element 10 changes” strictly means that the resistance state of the resistance change layer 3 included in the resistance change element 10 changes.

[抵抗変化素子の製造方法]
次に、抵抗変化素子10の製造方法について説明する。
[Method of manufacturing variable resistance element]
Next, a method for manufacturing the variable resistance element 10 will be described.

まず、基板1上に、スパッタリング法により、厚さ0.2μmの下部電極2を形成する。その後、Taターゲットをアルゴンガス及び酸素ガス中でスパッタリングする所謂反応性スパッタリング法によって、下部電極2の上に酸素不足型のタンタル酸化物層を形成する。ここで、タンタル酸化物層における酸素含有率は、アルゴンガスに対する酸素ガスの流量比を変えることにより容易に調整することができる。なお、基板温度は特に加熱することなく室温とすることができる。   First, the lower electrode 2 having a thickness of 0.2 μm is formed on the substrate 1 by sputtering. Thereafter, an oxygen-deficient tantalum oxide layer is formed on the lower electrode 2 by a so-called reactive sputtering method in which a Ta target is sputtered in argon gas and oxygen gas. Here, the oxygen content in the tantalum oxide layer can be easily adjusted by changing the flow ratio of oxygen gas to argon gas. The substrate temperature can be set to room temperature without any particular heating.

次に、上記のようにして形成されたタンタル酸化物層の最表面を酸化することによりその表面を改質する。これにより、タンタル酸化物層の表面に、当該タンタル酸化物層の酸化されなかった領域(第1領域)よりも酸素含有率の高い領域(第2領域)が形成される。これらの第1領域及び第2領域が第1タンタル酸化物層3a及び第2タンタル酸化物層3bにそれぞれ相当し、このようにして形成された第1タンタル酸化物層3a及び第2タンタル酸化物層3bによって抵抗変化層3が構成されることになる。   Next, the surface of the tantalum oxide layer formed as described above is modified by oxidizing it. Thereby, a region (second region) having a higher oxygen content than the region (first region) where the tantalum oxide layer was not oxidized is formed on the surface of the tantalum oxide layer. These first region and second region correspond to the first tantalum oxide layer 3a and the second tantalum oxide layer 3b, respectively, and the first tantalum oxide layer 3a and the second tantalum oxide formed in this way. The variable resistance layer 3 is configured by the layer 3b.

なお、酸素含有率の高い領域を下側に作りたい場合は、酸化するのではなく、高い酸素含有率を含む膜をスパッタやCVD、あるいはALD(Atomic Layer Deposition)法等で先に形成すればよい。   If a region having a high oxygen content is to be formed on the lower side, a film containing a high oxygen content may be formed first by sputtering, CVD, or an ALD (Atomic Layer Deposition) method instead of oxidizing. Good.

次に、上記のようにして形成された抵抗変化層3の上に、スパッタリング法により、厚さ0.2μmの上部電極4を形成することによって、抵抗変化素子10が得られる。   Next, the variable resistance element 10 is obtained by forming the upper electrode 4 having a thickness of 0.2 μm by sputtering on the variable resistance layer 3 formed as described above.

なお、下部電極2及び上部電極4並びに抵抗変化層3の大きさ及び形状は、マスク及びリソグラフィによって調整することができる。本実施の形態では、上部電極4及び抵抗変化層3の大きさを0.5μm×0.5μm(面積0.25μm2)とし、下部電極2と抵抗変化層3とが接する部分の大きさも0.5μm×0.5μm(面積0.25μm2)とした。 In addition, the magnitude | size and shape of the lower electrode 2, the upper electrode 4, and the resistance change layer 3 can be adjusted with a mask and lithography. In the present embodiment, the size of the upper electrode 4 and the resistance change layer 3 is 0.5 μm × 0.5 μm (area 0.25 μm 2 ), and the size of the portion where the lower electrode 2 and the resistance change layer 3 are in contact is also 0. 0.5 μm × 0.5 μm (area 0.25 μm 2 ).

また、本実施の形態では、第1タンタル酸化物層3aの組成をTaOx(x=1.54)とし、第2タンタル酸化物層3bの組成をTaOy(y=2.47)としている。さらに、抵抗変化層3の厚みを30nmとし、第1タンタル酸化物層3aの厚みを25nm、第2タンタル酸化物層3bの厚みを5nmとしている。 In the present embodiment, the composition of the first tantalum oxide layer 3a is TaO x (x = 1.54), and the composition of the second tantalum oxide layer 3b is TaO y (y = 2.47). . Furthermore, the thickness of the resistance change layer 3 is 30 nm, the thickness of the first tantalum oxide layer 3a is 25 nm, and the thickness of the second tantalum oxide layer 3b is 5 nm.

なお、このように、本実施の形態においてはx=1.54、y=2.47であるが、x及びyの値はこれに限られるわけではない。上述したとおり、xの値が0.8以上1.9以下の範囲内(0.8≦x≦1.9)であり、yの値が2.1以上2.5未満の範囲内(2.1≦y≦2.5)であれば、本実施の形態での抵抗変化特性と同様に、安定した抵抗変化を実現できる。   As described above, in this embodiment, x = 1.54 and y = 2.47, but the values of x and y are not limited to this. As described above, the value of x is in the range of 0.8 to 1.9 (0.8 ≦ x ≦ 1.9), and the value of y is in the range of 2.1 to less than 2.5 (2 .Ltoreq.y.ltoreq.2.5), a stable resistance change can be realized in the same manner as the resistance change characteristic in the present embodiment.

[抵抗変化素子の特性]
次に、上述したように構成された本実施の形態の抵抗変化素子10の特性について説明する。
[Characteristics of variable resistance element]
Next, characteristics of the variable resistance element 10 according to the present embodiment configured as described above will be described.

図2(a)〜(f)は、本発明の実施の形態1の抵抗変化素子の抵抗−電圧特性を示す図である。なお、この図2(a)〜(f)において示されるデータは、抵抗値が1kΩの負荷抵抗を抵抗変化素子10に直列に接続した状態で所定の電圧パルスを当該抵抗変化素子10に与えることによって得られたものである。ここで、負荷抵抗は、抵抗変化素子を高抵抗状態から低抵抗状態に変化させる時、抵抗変化現象が急激に進行することを緩和し、電圧の設定をしやすくする効果がある。   2A to 2F are diagrams showing resistance-voltage characteristics of the variable resistance element according to Embodiment 1 of the present invention. The data shown in FIGS. 2A to 2F is that a predetermined voltage pulse is applied to the variable resistance element 10 with a load resistance having a resistance value of 1 kΩ connected in series to the variable resistance element 10. It was obtained by. Here, the load resistance has an effect of making it easy to set the voltage by reducing the rapid progress of the resistance change phenomenon when the variable resistance element is changed from the high resistance state to the low resistance state.

図2(a)乃至(f)は、それぞれ、書き込み電圧パルスVRECが−1.00V,−1.25V,−1.50V,−1.75V,−2.00V及び−2.25Vの場合における本実施の形態の抵抗変化素子10の抵抗−電圧特性をそれぞれ示している。ここで、書き込み電圧パルスVRECとは、図1の抵抗変化素子の構成の場合、下部電極2及び上部電極4間に印加される電圧パルス(ここでは、パルス幅100ns)を意味している。これらの書き込み電圧パルスVRECを下部電極2及び上部電極4間に印加することにより、抵抗変化素子10の抵抗値が減少し、抵抗変化素子10が、第1の抵抗状態の一例である高抵抗状態から、第2の抵抗状態の一例である低抵抗状態へ変化する。 2A to 2F show the case where the write voltage pulse V REC is −1.00V, −1.25V, −1.50V, −1.75V, −2.00V and −2.25V, respectively. The resistance-voltage characteristic of the resistance change element 10 of this Embodiment in is shown, respectively. Here, the write voltage pulse V REC means a voltage pulse (here, a pulse width of 100 ns) applied between the lower electrode 2 and the upper electrode 4 in the configuration of the resistance change element in FIG. By applying these write voltage pulses V REC between the lower electrode 2 and the upper electrode 4, the resistance value of the resistance change element 10 decreases, and the resistance change element 10 is a high resistance which is an example of the first resistance state. The state is changed to a low resistance state which is an example of the second resistance state.

図2(a)を参照すると、書き込み電圧パルスVRECが−1.00Vの場合、すなわち−1.00Vの電圧パルスが下部電極2及び上部電極4間に印加され、抵抗変化素子10が高抵抗状態から低抵抗状態へ変化する場合、抵抗変化素子10が低抵抗状態から高抵抗状態の方向へ変化するのは下部電極2及び上部電極4間に+1.00Vより大きな電圧パルスが印加されたときであることがわかる。同様にして、図2(b)乃至(f)を参照すると、書き込み電圧パルスVRECがそれぞれ−1.25V,−1.50V,−1.75V,−2.00V及び−2.25Vの場合では、下部電極2及び上部電極4間に+1.25V,+1.50V,+1.75V,+2.00V及び+2.25Vより大きな電圧パルスをそれぞれ印加したときに抵抗変化素子10が低抵抗状態から高抵抗状態の方向へ変化することがわかる。 Referring to FIG. 2A, when the write voltage pulse V REC is −1.00 V, that is, a voltage pulse of −1.00 V is applied between the lower electrode 2 and the upper electrode 4, and the resistance change element 10 has a high resistance. When the state changes from the low resistance state to the low resistance state, the resistance change element 10 changes from the low resistance state to the high resistance state when a voltage pulse greater than +1.00 V is applied between the lower electrode 2 and the upper electrode 4. It can be seen that it is. Similarly, referring to FIGS. 2B to 2F, when the write voltage pulse V REC is −1.25V, −1.50V, −1.75V, −2.00V and −2.25V, respectively. Then, when a voltage pulse larger than + 1.25V, + 1.50V, + 1.75V, + 2.00V and + 2.25V is applied between the lower electrode 2 and the upper electrode 4, respectively, the resistance change element 10 is changed from a low resistance state to a high resistance state. It turns out that it changes to the direction of a resistance state.

以上より、書き込み電圧パルスVRECより絶対値が大きな電圧値の逆極性の電圧パルスを下部電極2及び上部電極4間に印加することによって、抵抗変化素子10を低抵抗状態から高抵抗状態の方向へ変化させることができるといえる。抵抗変化素子においてこのような特性が存在することは、電流−電圧特性からも確認することができる。 As described above, by applying a voltage pulse having a reverse polarity with a voltage value larger in absolute value than the write voltage pulse V REC between the lower electrode 2 and the upper electrode 4, the resistance change element 10 is changed from the low resistance state to the high resistance state. It can be said that it can be changed. The existence of such a characteristic in the variable resistance element can be confirmed from the current-voltage characteristic.

図3(a)〜(f)は、本発明の実施の形態1の抵抗変化素子の電流−電圧特性を示す図である。この図3(a)〜(f)において示されるデータは、図2(a)〜(f)の場合と同様に、抵抗値が1kΩの負荷抵抗を抵抗変化素子10に直列に接続した状態で所定の電圧パルスを当該抵抗変化素子10に与えることによって得られたものである。   3A to 3F are diagrams showing current-voltage characteristics of the variable resistance element according to Embodiment 1 of the present invention. 3A to 3F, the data shown in FIGS. 3A to 3F are obtained in a state in which a load resistance having a resistance value of 1 kΩ is connected in series to the variable resistance element 10, as in FIGS. 2A to 2F. This is obtained by applying a predetermined voltage pulse to the variable resistance element 10.

図3(a)乃至(f)は、それぞれ下部電極2及び上部電極4間に図に示す電圧を印加したときに抵抗変化素子10に流れる電流を測定したもので、負側の下限電圧をそれぞれ−1.00V,−1.25V,−1.50V,−1.75V,−2.00V及び−2.25Vとした場合における本実施の形態の抵抗変化素子10の電流−電圧特性をそれぞれ示している。図3(a)を参照すると、負側の下限電圧が−1.00Vの場合(書き込み電圧に相当)、+1.00Vの電圧パルスを下部電極2及び上部電極4間に印加したときに抵抗変化素子10に流れる電流値がピークを示している。同様にして、図3(b)乃至(f)を参照すると、書き込み電圧パルスVRECが−1.25V,−1.50V,−1.75V,−2.00V及び−2.25Vの場合では、下部電極2及び上部電極4間に+1.25V,+1.50V,+1.75V,+2.00V及び+2.25Vの電圧パルスがそれぞれ印加されたときに抵抗変化素子10に流れる電流値がピークを示していることがわかる。 FIGS. 3A to 3F show the current flowing through the resistance change element 10 when the voltage shown in the figure is applied between the lower electrode 2 and the upper electrode 4, respectively. The current-voltage characteristics of the variable resistance element 10 of the present embodiment when −1.00 V, −1.25 V, −1.50 V, −1.75 V, −2.00 V, and −2.25 V are shown, respectively. ing. Referring to FIG. 3A, when the lower limit voltage on the negative side is −1.00 V (corresponding to the write voltage), the resistance change occurs when a voltage pulse of +1.00 V is applied between the lower electrode 2 and the upper electrode 4. The value of the current flowing through the element 10 shows a peak. Similarly, referring to FIGS. 3B to 3F, when the write voltage pulse V REC is −1.25V, −1.50V, −1.75V, −2.00V and −2.25V, When the voltage pulses of + 1.25V, + 1.50V, + 1.75V, + 2.00V, and + 2.25V are applied between the lower electrode 2 and the upper electrode 4, respectively, the current value flowing through the resistance change element 10 peaks. You can see that

このように、負の書き込み電圧パルスVRECと電圧値がほぼ同一である逆極性の電圧パルスV’REC(=−VREC)を下部電極2及び上部電極4間に印加するまでは抵抗変化素子10は低抵抗状態であり、書き込み電圧パルスVRECより大きな逆極性の電圧パルスが印加されたときに抵抗変化素子10が低抵抗状態から高抵抗状態の方向へ変化することがわかる。 As described above, the resistance change element is applied until the voltage pulse V ′ REC (= −V REC ) having the same polarity as the negative write voltage pulse V REC is applied between the lower electrode 2 and the upper electrode 4. 10 indicates a low resistance state, and it is understood that the resistance change element 10 changes from the low resistance state to the high resistance state when a voltage pulse having a reverse polarity larger than the write voltage pulse V REC is applied.

本発明では、上述したように書き込み電圧パルスVRECより大きな電圧値の逆極性の電圧パルスを下部電極2及び上部電極4間に印加したときに抵抗変化素子10が低抵抗状態から高抵抗状態の方向へ変化するという抵抗変化素子の特性を利用して多値記憶を実現する。 In the present invention, as described above, the resistance change element 10 changes from the low resistance state to the high resistance state when a voltage pulse having a polarity greater than the write voltage pulse V REC is applied between the lower electrode 2 and the upper electrode 4. Multi-value storage is realized by utilizing the characteristic of the resistance change element that changes in the direction.

[多値記憶の原理]
図4は、本発明の実施の形態1における多値記憶の原理を示す図である。図4において、縦軸は抵抗変化素子10の抵抗値を、横軸は下部電極2及び上部電極4間に印加される電圧パルスの電圧値をそれぞれ示している。上述したとおり、第1の極性(ここでは負)の書き込み電圧パルスVREC(ここでは−V1、−V2、−V3・・・)より大きな電圧値の逆極性(第2の極性、ここでは正)の電圧パルス(ここでは、V1、V2、V3・・・)を下部電極2及び上部電極4間に印加したときに抵抗変化素子10が第2の抵抗状態(ここでは低抵抗状態)から第1の抵抗状態(ここでは高抵抗状態)の方向へ変化する。そのため、図4に示すとおり、書き込み電圧パルスVREC=−V1の場合は電圧値+V1より大きな電圧パルスが上部電極4に印加されたときに抵抗変化素子10の抵抗値が上昇する。同様に、書き込み電圧パルスVREC=−V2の場合は電圧値+V2より大きな電圧パルスが上部電極4に印加されたときに、書き込み電圧パルスVREC=−V3の場合は電圧値+V3より大きな電圧パルスが上部電極4に印加されたときに抵抗値が上昇する。
[Principle of multi-level memory]
FIG. 4 is a diagram showing the principle of multilevel storage in Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 4, the vertical axis represents the resistance value of the resistance change element 10, and the horizontal axis represents the voltage value of the voltage pulse applied between the lower electrode 2 and the upper electrode 4. As described above, the reverse polarity (second polarity, here positive) of the voltage value larger than the write voltage pulse V REC (here, -V1, -V2, -V3...) Having the first polarity (here negative). ) Voltage pulses (here, V1, V2, V3...) Are applied between the lower electrode 2 and the upper electrode 4 so that the resistance change element 10 changes from the second resistance state (here, the low resistance state) to the second resistance state. It changes in the direction of 1 resistance state (here, high resistance state). Therefore, as shown in FIG. 4, when the write voltage pulse V REC = −V1, the resistance value of the variable resistance element 10 increases when a voltage pulse larger than the voltage value + V1 is applied to the upper electrode 4. Similarly, when the write voltage pulse V REC = −V2, when a voltage pulse larger than the voltage value + V2 is applied to the upper electrode 4, when the write voltage pulse V REC = −V3, the voltage pulse larger than the voltage value + V3. When the is applied to the upper electrode 4, the resistance value increases.

このような特性を利用すれば、下部電極2及び上部電極4間に電圧の小さい方から順次高い電圧パルスを印加していったときに、抵抗変化素子10が低抵抗状態から高抵抗状態の方向へ最初に変化したときの上部電極4に印加された電圧パルスの電圧値Vを特定することによって、書き込み電圧パルスVRECの電圧値を推定することができる。すなわち、V1<V≦V2が成立する場合は書き込み電圧パルスVRECの電圧値が−V1であると推定することができる。また、V2<V≦V3が成立する場合は書き込み電圧パルスVRECの電圧値が−V2であると推定することができる。さらに、V3<Vが成立する場合は書き込み電圧パルスVRECの電圧値が−V3であると推定することができる。ここで、書き込み電圧パルスVREC=−V1をデータ「1」に、書き込み電圧パルスVREC=−V2をデータ「2」に、書き込み電圧パルスVREC=−V3をデータ「3」にそれぞれ対応させると、V1<V≦V1が成立する場合は書き込まれたデータがデータ「1」であると判定し、V2<V≦V3が成立する場合は書き込まれたデータがデータ「2」であると判定し、V3<Vが成立する場合は書き込まれたデータがデータ「3」であると判定することができる。つまり、抵抗変化素子10を不揮発性の多値記憶素子として扱うことができる。 If such characteristics are used, when a high voltage pulse is applied between the lower electrode 2 and the upper electrode 4 in order from the smaller voltage, the resistance change element 10 changes from the low resistance state to the high resistance state. By specifying the voltage value V of the voltage pulse applied to the upper electrode 4 when it is first changed, the voltage value of the write voltage pulse V REC can be estimated. That is, when V1 <V ≦ V2 is satisfied can the voltage value of the write voltage pulse V REC is estimated to be -V1. Further, when V2 <V ≦ V3 is satisfied can the voltage value of the write voltage pulse V REC is estimated to be -V2. Furthermore, if V3 <V is satisfied can the voltage value of the write voltage pulse V REC is estimated to be -V3. Here, the write voltage pulse V REC = −V 1 corresponds to the data “1”, the write voltage pulse V REC = −V 2 corresponds to the data “2”, and the write voltage pulse V REC = −V 3 corresponds to the data “3”. When V1 <V ≦ V1 is satisfied, it is determined that the written data is data “1”. When V2 <V ≦ V3 is satisfied, it is determined that the written data is data “2”. If V3 <V holds, it can be determined that the written data is data “3”. That is, the resistance change element 10 can be handled as a nonvolatile multi-value storage element.

このように、電圧値Vを特定することによって、書き込まれたデータの読み出しを行うことが可能になる。そのため、書き込み電圧パルスVRECによって書き込み工程が行われた後、複数の異なる電圧値の電圧パルスを小さい方から順に両電極間に印加していき、その過程において抵抗変化素子10がいつ低抵抗状態から高抵抗状態の方向へ変化したのか(つまり、最初に低抵抗状態から高抵抗状態に変化したときの電圧)を特定することにより、データの読み出しを行うことができる。以下では、この読み出し工程の際に下部電極2及び上部電極4間に印加される電圧パルスを読み出し電圧パルスVREADと表す。この読み出し電圧パルスVREADと書き込み電圧パルスVRECとの関係についてさらに詳述する。 Thus, by specifying the voltage value V, it is possible to read out the written data. For this reason, after the writing process is performed by the writing voltage pulse V REC , a plurality of voltage pulses having different voltage values are sequentially applied between the two electrodes in ascending order, and the resistance change element 10 is in a low resistance state in the process. The data can be read out by specifying whether the current has changed from the low resistance state to the high resistance state (that is, the voltage when the low resistance state first changed to the high resistance state). Hereinafter, a voltage pulse applied between the lower electrode 2 and the upper electrode 4 in the reading process will be referred to as a read voltage pulse V READ . The relationship between the read voltage pulse V READ and the write voltage pulse V REC will be further described in detail.

図5は、本発明の実施の形態1における書き込み電圧パルスVREC(1)、VREC(2)、・・・、VREC(m)と読み出し電圧パルスVREAD(1)、VREAD(2)、・・・、VREAD(n)との関係を示す図である。なお、電圧V’REC(1)、V’REC(2)、・・・、V’REC(m)は、それぞれ書き込み電圧パルスVREC(1)、VREC(2)、・・・、VREC(m)と電圧値がほぼ同一の逆極性の電圧(=−VREC(1)、−VREC(2)、・・・、−VREC(m))である。なお、ここでm、nはそれぞれ正の整数である。図5において、縦軸は抵抗変化素子10に流れる電流値を、横軸は下部電極2及び上部電極4間に印加される電圧パルスの電圧値をそれぞれ示している。なお、この図5において示されるデータは、図2(a)〜(f)の場合と同様に、抵抗値が1kΩの負荷抵抗が抵抗変化素子10に直列に接続された状態で所定の電圧パルスを当該抵抗変化素子10に与えることによって得られたものである。 FIG. 5 shows write voltage pulses V REC (1), V REC (2),..., V REC (m) and read voltage pulses V READ (1), V READ (2) according to the first embodiment of the present invention. ,..., V READ (n). The voltages V ′ REC (1), V ′ REC (2),..., V ′ REC (m) are written voltage pulses V REC (1), V REC (2) ,. This is a reverse polarity voltage (= −V REC (1), −V REC (2),..., −V REC (m)) whose voltage value is almost the same as REC (m). Here, m and n are each a positive integer. In FIG. 5, the vertical axis represents the value of the current flowing through the resistance change element 10, and the horizontal axis represents the voltage value of the voltage pulse applied between the lower electrode 2 and the upper electrode 4. Note that the data shown in FIG. 5 is a predetermined voltage pulse in a state where a load resistance having a resistance value of 1 kΩ is connected in series to the resistance change element 10 as in the cases of FIGS. Is given to the variable resistance element 10.

本実施の形態では、mの値が大きくなるほど電圧値も大きくなるように書き込み電圧パルスVREC(m)が予め設定されている。また、nの値が大きくなるほど電圧値も大きくなり且つV’REC(m)<VREAD(n)≦V’REC(m+1)が成立するように読み出し電圧パルスVREAD(n)が予め設定されている。そして、書き込み電圧パルスVREC(m)を両電極間に印加した後、読み出し電圧パルスVREAD(n)をnの値が小さい方から順に両電極間に印加する。このときの書き込み電圧パルスVREC(m)(あるいは、V’REC(m))と読み出し電圧パルスVREAD(n)との関係は図5に示すとおりである。ここで、n=1のときに抵抗変化素子10が低抵抗状態から高抵抗状態の方向へ最初に変化した場合(抵抗変化素子10に流れる電流値が減少した場合)はm=1と判断することができ、n=2のときに同じく最初に変化した場合はm=2と判断することができる。このようにして、mの値を特定することによってどの電圧値の書き込み電圧パルスで書き込みが行われたのかを知ることができる。 In the present embodiment, the write voltage pulse V REC (m) is set in advance so that the voltage value increases as the value of m increases. In addition, as the value of n increases, the voltage value also increases and the read voltage pulse V READ (n) is preset so that V ′ REC (m) <V READ (n) ≦ V ′ REC (m + 1) is satisfied. ing. Then, after applying the write voltage pulse V REC (m) between both electrodes, the read voltage pulse V READ (n) is applied between both electrodes in order from the smallest value of n. The relationship between the write voltage pulse V REC (m) (or V ′ REC (m)) and the read voltage pulse V READ (n) at this time is as shown in FIG. Here, when the variable resistance element 10 first changes from the low resistance state to the high resistance state when n = 1 (when the value of the current flowing through the variable resistance element 10 decreases), it is determined that m = 1. If n = 2 and the first change occurs, it can be determined that m = 2. In this way, by specifying the value of m, it is possible to know which voltage value of the write voltage pulse was used for writing.

[抵抗変化素子の駆動方法の実施例1]
図6は、本発明の実施の形態1に係る抵抗変化素子の駆動方法の手順の一例を示すフローチャートである。以下、書き込み工程、読み出し工程、及び再書き込み工程の各工程に分けて説明する。ここで、再書き込み工程が必要となるのは、読み出し工程を行った結果抵抗変化素子10が低抵抗状態から高抵抗状態へと変化するため、これを元の低抵抗状態へ戻す必要があるからである。換言すると、本実施の形態における読み出しは所謂破壊読み出しであるため、再書き込み工程が必要となる。そのため、再度読み出しを行う必要がない場合であれば、再書き込み工程を行う必要はない。
[Embodiment 1 of Driving Method of Resistance Change Element]
FIG. 6 is a flowchart showing an example of the procedure of the method of driving the variable resistance element according to Embodiment 1 of the present invention. Hereinafter, the writing process, the reading process, and the rewriting process will be described separately. Here, the rewriting process is necessary because the resistance change element 10 changes from the low resistance state to the high resistance state as a result of performing the reading process, and therefore it is necessary to return this to the original low resistance state. It is. In other words, since reading in this embodiment mode is so-called destructive reading, a rewriting step is necessary. Therefore, if it is not necessary to perform reading again, it is not necessary to perform a rewriting process.

なお、以下では、m個の書き込み電圧パルスVREC(m)の電圧値及びn個の読み出し電圧パルスVREADが、V’REC(m)<VREAD(n)≦V’REC(m+1)となるように予め設定されているものとする。 In the following, the voltage value of m write voltage pulses V REC (m) and n read voltage pulses V READ are expressed as V ′ REC (m) <V READ (n) ≦ V ′ REC (m + 1). It is assumed that it is set in advance so that

(1)書き込み工程
書き込み工程においてはまず、記憶するデータの値に応じて、書き込み電圧パルスVREC(m)のm(m≧1)の値を決定する(S101)。そして、書き込み電圧パルスVREC(m)を下部電極2及び上部電極4間に印加し(S102)、書き込み工程を終了する。この書き込み工程の結果、抵抗変化素子10は高抵抗状態から複数の低抵抗状態の1つに変化する。
(1) Write Step First, in the write step, the value of m (m ≧ 1) of the write voltage pulse V REC (m) is determined according to the value of data to be stored (S101). Then, the write voltage pulse V REC (m) is applied between the lower electrode 2 and the upper electrode 4 (S102), and the write process is completed. As a result of this writing step, the resistance change element 10 changes from a high resistance state to one of a plurality of low resistance states.

(2)読み出し工程
上記の書き込み工程の終了後に実行される読み出し工程において、抵抗変化素子10が抵抗変化しない程度(書き込み閾値電圧より小さい電圧、例えば+0.5V以下の電圧)の確認電圧パルスVCHECKを両電極間に印加し(S201)、そのときに抵抗変化素子10に流れる電流値を、センスアンプ等を用いて測定する(S202)。そして、ステップS202にて測定した電流値を、抵抗変化素子10が高抵抗状態及び低抵抗状態の何れの状態にあるのかを判定するために用いる規定値に設定する(S203)。つまり、抵抗変化素子10が低抵抗状態から高抵抗状態の方向に最初に変化したことを検出するために、事前に、変化前の抵抗状態を規定値として測定し、記憶しておく。
(2) Read process In the read process executed after the completion of the above write process, the confirmation voltage pulse V CHECK to the extent that the resistance change element 10 does not change in resistance (voltage smaller than the write threshold voltage, for example, +0.5 V or less). Is applied between both electrodes (S201), and the value of the current flowing through the resistance change element 10 at that time is measured using a sense amplifier or the like (S202). Then, the current value measured in step S202 is set to a specified value used to determine whether the resistance change element 10 is in a high resistance state or a low resistance state (S203). That is, in order to detect that the resistance change element 10 has first changed from the low resistance state to the high resistance state, the resistance state before the change is measured and stored in advance as a specified value.

次に、読み出し電圧パルスVREAD(n)のnを1に設定し(S204)、読み出し電圧パルスVREAD(n)を両電極間に印加する(S205)。その後、確認電圧パルスVCHECKを両電極間に印加し(S206)、そのときに抵抗変化素子10に流れる電流値をセンスアンプ等を用いて測定する(S207)。 Next, n of the read voltage pulse V READ (n) is set to 1 (S204), and the read voltage pulse V READ (n) is applied between both electrodes (S205). Thereafter, a confirmation voltage pulse V CHECK is applied between both electrodes (S206), and the value of the current flowing through the resistance change element 10 at that time is measured using a sense amplifier or the like (S207).

次に、ステップS207にて測定した電流値とステップS203にて設定した規定値とを比較し、その電流値がその規定値よりも小さいか否か(抵抗変化素子10が低抵抗状態から高抵抗状態の方向へ変化したか否か)を判定する(S208)。ここで、その電流値がその規定値より小さくないと判定した場合(S208でNO)、nを1インクリメントし(S209)、ステップS205に戻る。他方、その電流値がその規定値よりも小さいと判定した場合(S208でYES)、つまり、抵抗変化素子低抵抗状態から高抵抗状態の方向に最初に変化したと判定し、nの値がmの値であると判断し(S210)、読み出し工程を終了する。   Next, the current value measured in step S207 is compared with the specified value set in step S203, and whether or not the current value is smaller than the specified value (the resistance change element 10 is changed from the low resistance state to the high resistance value). It is determined whether or not the state has changed (S208). If it is determined that the current value is not smaller than the specified value (NO in S208), n is incremented by 1 (S209), and the process returns to step S205. On the other hand, if it is determined that the current value is smaller than the specified value (YES in S208), that is, it is determined that the resistance change element has first changed from the low resistance state to the high resistance state, and the value of n is m (S210) and the reading process is terminated.

この読み出し工程によってmの値を特定することができるため、何れの電圧値の書き込み電圧パルスで書き込みが行われたのかを判断することが可能になり、書き込み工程によって書き込まれた多値データの読み出しが実現する。   Since the value of m can be specified by this reading process, it is possible to determine at which voltage value the writing voltage pulse has been written, and reading the multi-value data written by the writing process. Is realized.

このように、読み出し工程では、読み出し電圧パルスが小さい方から順次与えられたときに、抵抗変化素子10を低抵抗状態から高抵抗状態の方向に最初に変化させた読み出し電圧パルスの大きさが、複数の異なる大きさVREAD(1)〜VREAD(m)の何れであったかに応じて、複数の異なる大きさの書き込み電圧パルスVREC(1)〜VREC(m)のうちの何れの書き込み電圧パルスによって書き込み工程が行われたのかを判別する。 Thus, in the read process, when the read voltage pulse is sequentially applied from the smaller one, the magnitude of the read voltage pulse that first changed the resistance change element 10 from the low resistance state to the high resistance state is: Depending on which of the plurality of different magnitudes V READ (1) to V READ (m), which of the plurality of different magnitudes of write voltage pulses V REC (1) to V REC (m) is written It is determined whether the writing process has been performed by the voltage pulse.

(3)再書き込み工程
読み出し工程においてステップS210を実行した後、再書き込みのため、書き込み電圧パルスVREC(m)を下部電極2及び上部電極4間に印加する(S102)。これにより、先の書き込み工程において書き込まれたデータと同じデータが書き込まれることになる。
(3) Rewriting Step After performing step S210 in the reading step, a writing voltage pulse V REC (m) is applied between the lower electrode 2 and the upper electrode 4 for rewriting (S102). Thereby, the same data as the data written in the previous writing process is written.

上記の動作により、書き込み工程において用いられた書き込み電圧パルスVREC(m)のmを特定することができるため、その書き込み電圧パルスVREC(m)と対応するデータが記憶されていたと判定することができる。これにより、m値の多値記憶を実現することができる。 By the above operation, m of the write voltage pulse V REC (m) used in the write process can be specified, and therefore it is determined that data corresponding to the write voltage pulse V REC (m) has been stored. Can do. Thereby, multi-value storage of m values can be realized.

以上のように、本実施の形態では、抵抗変化素子を第1の抵抗状態から第2の抵抗状態に変化させたときに印加した書き込み電気パルスの大きさによって、抵抗変化素子を第2の抵抗状態から第1の抵抗状態に変化させるのに必要な最低限の読み出し電気パルスの大きさが決まるというバイポーラ型の抵抗変化素子の特性を利用しているので、安定した多値記憶が実現される。   As described above, in the present embodiment, the variable resistance element is changed to the second resistance depending on the magnitude of the write electric pulse applied when the variable resistance element is changed from the first resistance state to the second resistance state. Since the characteristic of the bipolar variable resistance element that determines the magnitude of the minimum read electrical pulse required to change from the state to the first resistance state is utilized, stable multi-value storage is realized. .

[抵抗変化素子の駆動方法の実施例2]
上記、抵抗変化素子の駆動方法の実施例1では、書き込みによって抵抗変化素子10を高抵抗状態から低抵抗状態へ変化させる場合について例示した。一般に、抵抗変化素子においては、高抵抗状態よりも低抵抗状態の方が抵抗値のばらつきが少なく安定しており、また上記のように抵抗変化素子10を低抵抗化することによって書き込みを行う場合の方が、高抵抗化することによって書き込みを行う場合と比べて、良好なリテンション特性を得ることができる。しかしながら、これとは逆に、書き込みによって抵抗変化素子10を第1の抵抗状態の別の例である低抵抗状態から、第2の抵抗状態の別の例である高抵抗状態へ変化させる場合についても、同様の手順によって多値記憶を実現することが可能である。その場合の動作について、図7を参照しながら説明する。
[Second Embodiment of Driving Method of Resistance Change Element]
In the first embodiment of the driving method of the resistance change element, the case where the resistance change element 10 is changed from the high resistance state to the low resistance state by writing is illustrated. In general, the resistance change element is more stable in the low resistance state than the high resistance state with less variation in resistance value, and writing is performed by reducing the resistance of the resistance change element 10 as described above. As compared with the case where writing is performed by increasing the resistance, better retention characteristics can be obtained. However, conversely, the case where the resistance change element 10 is changed by writing from a low resistance state, which is another example of the first resistance state, to a high resistance state, which is another example of the second resistance state. However, multi-level storage can be realized by the same procedure. The operation in that case will be described with reference to FIG.

図7は、本発明の実施の形態1に係る抵抗変化素子の駆動方法の手順の他の例を示すフローチャートである。図7において、図6と異なるのは、ステップS207の後に実行されるステップS308のみである。したがって、ステップS308以外の処理については、図6と同一の符号を付している。   FIG. 7 is a flowchart showing another example of the procedure of the variable resistance element driving method according to Embodiment 1 of the present invention. 7 is different from FIG. 6 only in step S308 executed after step S207. Therefore, processes other than step S308 are denoted with the same reference numerals as in FIG.

書き込み工程におけるステップS102によって、抵抗変化素子10は低抵抗状態(ここでは、第1の抵抗状態)から高抵抗状態(ここでは、第2の抵抗状態)へと変化する。その後の読み出し工程において、上述した場合と同様にしてステップS201乃至S207を実行した後、ステップS207にて測定した電流値とステップS203にて設定した規定値とを比較し、その電流値がその規定値よりも大きいか否か(抵抗変化素子10が高抵抗状態(ここでは、第2の抵抗状態)から低抵抗状態(ここでは、第1の抵抗状態)の方向へ変化したか否か)を判定する(S308)。そして、上述した場合と同様に、その判定の結果に応じてステップS209またはS210に進み、ステップS210の終了後に再書き込み工程に進む。   By step S102 in the writing process, the resistance change element 10 changes from the low resistance state (here, the first resistance state) to the high resistance state (here, the second resistance state). In the subsequent reading process, after executing steps S201 to S207 in the same manner as described above, the current value measured in step S207 is compared with the specified value set in step S203, and the current value is determined as the specified value. Whether or not the resistance change element 10 has changed from the high resistance state (here, the second resistance state) to the low resistance state (here, the first resistance state). Determination is made (S308). Then, as in the case described above, the process proceeds to step S209 or S210 depending on the result of the determination, and the process proceeds to the rewriting process after step S210 is completed.

以上の動作によって、抵抗変化素子10を高抵抗状態から低抵抗状態へ変化させて書き込みを行う場合と同様に、抵抗変化素子10を低抵抗状態から高抵抗状態へ変化させて書き込みを行う場合でも多値記憶を実現することができる。   With the above operation, even when writing is performed by changing the resistance change element 10 from the high resistance state to the low resistance state, writing is performed by changing the resistance change element 10 from the low resistance state to the high resistance state. Multi-level storage can be realized.

なお、上記の二つの例ではステップS202及びS207において抵抗変化素子10に流れる電流値を測定しているが、この電流値に基づいて抵抗変化素子10の抵抗値を測定するようにしてもよい。この場合、ステップS208においてはステップS207で測定された抵抗値が既定値よりも大きいか否かを判定することになり、ステップS308においてはステップS207で測定された抵抗値が既定値よりも小さいか否かを判定することになる。   In the above two examples, the value of the current flowing through the resistance change element 10 is measured in steps S202 and S207. However, the resistance value of the resistance change element 10 may be measured based on this current value. In this case, in step S208, it is determined whether or not the resistance value measured in step S207 is larger than the default value. In step S308, whether or not the resistance value measured in step S207 is smaller than the default value. It will be determined whether or not.

[実験例]
次に、図6を参照しながら説明した手順にしたがって書き込み及び読み出しを行った実験例について説明する。この実験例では、書き込み電圧パルスの電圧値VREC(m、m=1、2、・・・、7)をそれぞれ−1V,−1.25V,−1.5V,−1.75V,−2V,−2.25V及び−2.5Vとした。また、V’REC(m)<VREAD(n)≦V’REC(m+1)となるように、読み出し電圧パルスVREAD(n、n=1、2、・・・、7)の電圧値をそれぞれ+1.2V,+1.45V,+1.7V,+1.95V,+2.2V,+2.45V及び+2.7Vとした。なお、この実験例で用いた抵抗変化素子10の下部電極2は窒化タンタル(TaN)で構成され、上部電極4はイリジウム(Ir)で構成されている。
[Experimental example]
Next, an experimental example in which writing and reading are performed according to the procedure described with reference to FIG. 6 will be described. In this experimental example, the voltage values V REC (m, m = 1, 2,..., 7) of the write voltage pulse are −1V, −1.25V, −1.5V, −1.75V, and −2V, respectively. , -2.25V and -2.5V. Further, the voltage value of the read voltage pulse V READ (n, n = 1, 2,..., 7) is set so that V ′ REC (m) <V READ (n) ≦ V ′ REC (m + 1). They were + 1.2V, + 1.45V, + 1.7V, + 1.95V, + 2.2V, + 2.45V and + 2.7V, respectively. The lower electrode 2 of the variable resistance element 10 used in this experimental example is made of tantalum nitride (TaN), and the upper electrode 4 is made of iridium (Ir).

図8(a)および(b)は、本発明の実施の形態1における書き込み及び読み出しの実験例の結果を示す図である。この図8(a)は書き込み電圧パルス及び読み出し電圧パルスを繰り返し下部電極2及び上部電極4間に印加した場合の抵抗変化素子10の抵抗値の変化を示しており、図8(b)は読み出し結果の評価を示している。なお、この実験例では、書き込み電圧パルスVREC(m)のmを1から7まで順に増やしながら書き込み工程を繰り返し実行している。また、この実験例において再書き込み工程は実行されていない。以下、図6のフローチャートを適宜参照しながら説明する。 FIGS. 8A and 8B are diagrams showing the results of an experimental example of writing and reading in the first embodiment of the present invention. FIG. 8A shows a change in resistance value of the resistance change element 10 when a write voltage pulse and a read voltage pulse are repeatedly applied between the lower electrode 2 and the upper electrode 4, and FIG. The evaluation of the result is shown. In this experimental example, the write process is repeatedly executed while increasing m of the write voltage pulse V REC (m) sequentially from 1 to 7. In this experimental example, the rewriting process is not executed. Hereinafter, description will be made with reference to the flowchart of FIG.

図8(a)に示すように、書き込み工程において−1Vの書き込み電圧パルスVREC(1)を両電極間に印加し(S102)、抵抗変化素子10を高抵抗状態から低抵抗状態に変化させている。次に、読み出し工程において+1.2Vの読み出し電圧パルスVREAD(1)を両電極間に印加した(S205)結果、抵抗変化素子10は低抵抗状態から高抵抗状態へ変化している。その後、書き込み工程において−1.25Vの書き込み電圧パルスVREC(2)を両電極間に印加した(S102)結果、抵抗変化素子10は再び高抵抗状態から低抵抗状態へ変化している。次に、読み出し工程において+1.2Vの読み出し電圧パルスVREAD(1)を両電極間に印加した(S205)場合、電流値が規定値より小さいとは判定されず(S208でNO)、その結果nが1インクリメントされて(S209)、+1.45Vの読み出し電圧パルスVREAD(2)が両電極間に印加される(S205)。この場合、図8(a)に示すように、抵抗変化素子10が低抵抗状態から高抵抗状態へ変化する。 As shown in FIG. 8A, a write voltage pulse V REC (1) of −1 V is applied between both electrodes in the write process (S102), and the resistance change element 10 is changed from the high resistance state to the low resistance state. ing. Next, as a result of applying a read voltage pulse V READ (1) of +1.2 V between both electrodes in the read process (S205), the resistance change element 10 changes from the low resistance state to the high resistance state. Thereafter, a write voltage pulse V REC (2) of −1.25 V is applied between both electrodes in the write process (S102). As a result, the resistance change element 10 changes from the high resistance state to the low resistance state again. Next, when a read voltage pulse V READ (1) of +1.2 V is applied between both electrodes in the read process (S205), it is not determined that the current value is smaller than the specified value (NO in S208), and as a result n is incremented by 1 (S209), and a read voltage pulse V READ (2) of +1.45 V is applied between both electrodes (S205). In this case, as shown in FIG. 8A, the resistance change element 10 changes from the low resistance state to the high resistance state.

これ以降、同様にしてmを1ずつインクリメントしながら書き込み工程を実行していくと、読み出し工程においてnも同様に1ずつインクリメントされていく。その様子が図8(a)及び(b)に示されている。なお、図8(b)では、読み出しが成功した場合、すなわちステップS208において電流値が既定値より小さいと判定されてステップS210が実行された場合を○で表しており、ステップS208において電流値が既定値より小さくないと判定されてステップS209に進んだ場合を×で表している。   Thereafter, when the writing process is executed while incrementing m by 1, similarly, n is similarly incremented by 1 in the reading process. This is shown in FIGS. 8A and 8B. In FIG. 8B, the case where the reading is successful, that is, the case where it is determined in step S208 that the current value is smaller than the predetermined value and step S210 is executed is indicated by ○, and the current value is determined in step S208. The case where it is determined that the value is not smaller than the predetermined value and the process proceeds to step S209 is indicated by x.

上述したとおり、本実験例では、7値のデータの読み書きが実現されている。書き込み電圧パルス及び読み出し電圧パルスの電圧値をより細かく設定することにより、より大きな情報量のデータの読み書きを実現することが可能になる。   As described above, in this experimental example, reading and writing of 7-value data is realized. By setting the voltage values of the write voltage pulse and the read voltage pulse more finely, it is possible to realize reading and writing of data with a larger amount of information.

(実施の形態2)
実施の形態1では、図6及び図7に示すように、読み出し工程において確認電圧パルスVCHECKを下部電極2及び上部電極4間に印加しているが、この処理は本発明に必須のものではない。実施の形態2は、このような読み出し工程における確認電圧パルスVCHECKの印加を省略した抵抗変化素子の駆動方法である。なお、抵抗変化素子の構成については実施の形態1の場合と同様であるので説明を省略する。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, as shown in FIGS. 6 and 7, the confirmation voltage pulse V CHECK is applied between the lower electrode 2 and the upper electrode 4 in the reading process, but this process is not essential to the present invention. Absent. The second embodiment is a method of driving a resistance change element in which the application of the confirmation voltage pulse V CHECK in such a reading process is omitted. The configuration of the variable resistance element is the same as that in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.

図9は、本発明の実施の形態2に係る抵抗変化素子の駆動方法の手順の一例を示すフローチャートである。図9には書き込み工程、読み出し工程及び再書き込み工程における手順が示されているが、このうち書き込み工程及び再書き込み工程については実施の形態1の場合と同様であるので、同一符号を付して説明を省略する。   FIG. 9 is a flowchart showing an example of the procedure of the resistance change element driving method according to the second embodiment of the present invention. FIG. 9 shows a procedure in the writing process, the reading process, and the rewriting process. Of these, the writing process and the rewriting process are the same as those in the first embodiment, and thus the same reference numerals are given. Description is omitted.

読み出し工程においてはまず、読み出し電圧パルスVREAD(n)のnを0に設定し(S401)、読み出し電圧パルスVREAD(n)を下部電極2及び上部電極4間に印加する(S402)。そして、このときに抵抗変化素子10に流れる電流値IREAD(n)をセンスアンプ等を用いて測定する(S403)。 In the reading step, first, n of the reading voltage pulse V READ (n) is set to 0 (S401), and the reading voltage pulse V READ (n) is applied between the lower electrode 2 and the upper electrode 4 (S402). At this time, the current value I READ (n) flowing through the resistance change element 10 is measured using a sense amplifier or the like (S403).

次に、nが0であるか否かを判定する(S404)。ここで、nが0であると判定した場合(S404でYES)、nを1インクリメントし(S405)、ステップS402に戻る。他方、nが0ではないと判定した場合(S404でNO)、電流値IREAD(n)が電流値IREAD(n−1)よりも小さいか否か(抵抗変化素子10が低抵抗状態から高抵抗状態の方向へ変化したか否か)を判定する(S406)。 Next, it is determined whether n is 0 (S404). If it is determined that n is 0 (YES in S404), n is incremented by 1 (S405), and the process returns to step S402. On the other hand, if it is determined that n is not a 0 (NO in S404), the current value I READ (n) whether smaller than the current value I READ (n-1) (the variable resistance element 10 from the low resistance state It is determined whether or not the direction has changed to the high resistance state (S406).

ステップS406にて電流値IREAD(n)が電流値IREAD(n−1)よりも小さくないと判定した場合(S406でNO)、nを1インクリメントし(S405)、ステップS402に戻る。これに対し、電流値IREAD(n)が電流値IREAD(n−1)よりも小さいと判定した場合(S406でYES)、nの値がmの値であると判断し(S407)、読み出し工程を終了する。なお、電流値IREAD(n)と電流値IREAD(n−1)との大小判断では、計測値のばらつきを吸収するために、予め定めたマージン(変化量)を超えて電流値IREAD(n)が電流値IREAD(n−1)よりも小さいか否か、つまり、抵抗変化素子の抵抗値が予め定めた変化量よりも大きく変化したか否かを判定する。 If it is determined in step S406 that the current value I READ (n) is not smaller than the current value I READ (n−1) (NO in S406), n is incremented by 1 (S405), and the process returns to step S402. On the other hand, when it is determined that the current value I READ (n) is smaller than the current value I READ (n−1) (YES in S406), it is determined that the value of n is the value of m (S407). The reading process is terminated. In the determination of the magnitude between the current value I READ (n) and the current value I READ (n−1), the current value I READ exceeds a predetermined margin (change amount) in order to absorb the variation in the measured value. It is determined whether or not (n) is smaller than the current value I READ (n−1), that is, whether or not the resistance value of the resistance change element has changed more than a predetermined amount of change.

このように、読み出し工程では、読み出し電圧パルスを小さい方から順次与えたときに、抵抗変化素子の抵抗値が、直前に読み出し電圧パルスを与えたときにおける抵抗値から、予め定めた変化量よりも大きく変化したことを検出したときに、抵抗変化素子が低抵抗状態から高抵抗状態の方向に最初に変化したと検出する。   As described above, in the read process, when the read voltage pulse is sequentially applied from the smaller one, the resistance value of the resistance change element is larger than the predetermined change amount from the resistance value when the read voltage pulse is applied immediately before. When a large change is detected, it is detected that the resistance change element has first changed from the low resistance state to the high resistance state.

この読み出し工程によりmの値を特定することができるため、何れの電圧値の書き込み電圧パルスで書き込みが行われたのかを判断することが可能になり、書き込み工程によって書き込まれた多値データの読み出しが実現する。   Since the value of m can be specified by this reading process, it is possible to determine at which voltage voltage the writing voltage pulse has been written, and reading the multi-value data written by the writing process. Is realized.

なお、実施の形態1の場合と同様に、実施の形態2の抵抗変化素子の駆動方法も、書き込みによって抵抗変化素子10を第1の抵抗状態の別の例である低抵抗状態から、第2の抵抗状態の別の例である高抵抗状態へ変化させる場合でも用いることができる。その場合の動作について、図10を参照しながら説明する。   As in the case of the first embodiment, the method for driving the resistance change element according to the second embodiment also changes the resistance change element 10 from the low resistance state, which is another example of the first resistance state, by writing. It can be used even when changing to a high resistance state, which is another example of the resistance state. The operation in that case will be described with reference to FIG.

図10は、本発明の実施の形態2に係る抵抗変化素子の駆動方法の手順の他の例を示すフローチャートである。図10において、図9と異なるのは、ステップS404の後に実行されるステップS506のみである。したがって、ステップS506以外の処理については、図9と同一の符号を付している。   FIG. 10 is a flowchart showing another example of the procedure of the variable resistance element driving method according to Embodiment 2 of the present invention. 10 is different from FIG. 9 only in step S506 executed after step S404. Therefore, processes other than step S506 are denoted by the same reference numerals as in FIG.

書き込み工程におけるステップS102によって、抵抗変化素子10は低抵抗状態(ここでは、第1の抵抗状態)から高抵抗状態(ここでは、第2の抵抗状態)へと変化する。その後の読み出し工程において、上述した場合と同様にしてステップS401乃至S405を実行した後、電流値IREAD(n)が電流値IREAD(n−1)よりも大きいか否か(抵抗変化素子10が高抵抗状態(ここでは、第2の抵抗状態)から低抵抗状態(ここでは、第1の抵抗状態)の方向へ変化したか否か)を判定する(S506)。そして、上述した場合と同様に、その判定の結果に応じてステップS405またはS407に進み、ステップS407の終了後に再書き込み工程に進む。 By step S102 in the writing process, the resistance change element 10 changes from the low resistance state (here, the first resistance state) to the high resistance state (here, the second resistance state). In the subsequent reading step, after performing the steps S401 to S405 in the same manner as described above, whether the current value I READ (n) is greater than the current value I READ (n-1) (the variable resistance element 10 Is changed from the high resistance state (here, the second resistance state) to the low resistance state (here, the first resistance state)) (S506). Then, as in the case described above, the process proceeds to step S405 or S407 depending on the result of the determination, and the process proceeds to the rewriting process after step S407 is completed.

以上の動作によって、抵抗変化素子10を高抵抗状態から低抵抗状態へ変化させて書き込みを行う場合と同様に、抵抗変化素子10を低抵抗状態から高抵抗状態へ変化させて書き込みを行う場合でも多値記憶を実現することができる。   With the above operation, even when writing is performed by changing the resistance change element 10 from the high resistance state to the low resistance state, writing is performed by changing the resistance change element 10 from the low resistance state to the high resistance state. Multi-level storage can be realized.

(実施の形態3)
上記、実施の形態1では、電圧パルスを抵抗変化素子に印加する電圧駆動による多値記憶を説明したが、本発明に係る抵抗変化素子の駆動方法および不揮発性記憶素子は、電流パルスを抵抗変化素子に印加する電流駆動による多値記憶を採用してもよい。以下、電流駆動による多値記憶を説明する。
(Embodiment 3)
In the first embodiment, the multi-value storage by voltage driving in which the voltage pulse is applied to the resistance change element has been described. However, the resistance change element driving method and the nonvolatile memory element according to the present invention change the current pulse to resistance change. Multi-value storage by current drive applied to the element may be employed. Hereinafter, multi-value storage by current drive will be described.

[抵抗変化素子の駆動方法の実施例3]
図11は、実施の形態3に係る電流駆動による多値記憶(ただし、読み出しは電圧駆動・電流再生による)における書き込み電流パルスIRECと読み出し電圧パルスVREADとの関係を示す図である。この図は、電圧駆動での多値記憶における同関係を示す図5に対応する図である。なお、電流I’RECは、書き込み電流パルスIRECと電流値が同一の逆極性の電流(=−IREC)である。電圧V’RECは、電流I’RECに対応する電圧、つまり、電流I’RECが抵抗変化素子に印加されているときの抵抗変化素子10に生じる電圧降下の値である。図11において、縦軸は抵抗変化素子10に流れる電流値を、横軸は下部電極2及び上部電極4間に印加される電圧パルスの電圧値をそれぞれ示している。なお、この図11において示されるデータは、図2(a)〜(f)の場合と同様に、抵抗値が1kΩの負荷抵抗が抵抗変化素子10に電気的に接続された状態で所定の電流パルスを当該抵抗変化素子10に与えることによって得られたものであるが、電流駆動の場合は負荷抵抗が無くても低抵抗化時の所定の電流値への制御が容易であるため、負荷抵抗は必ずしも必要ではない。
[Third Embodiment of Driving Method of Resistance Change Element]
FIG. 11 is a diagram showing a relationship between the write current pulse I REC and the read voltage pulse V READ in the multi-value storage by current driving according to the third embodiment (however, reading is performed by voltage driving / current reproduction). This diagram corresponds to FIG. 5 showing the same relationship in multi-value storage in voltage drive. The current I ′ REC is a reverse polarity current (= −I REC ) having the same current value as the write current pulse I REC . Voltage V 'REC, a current I' voltage corresponding to the REC, i.e., the value of the voltage drop across the variable resistance element 10 when the current I 'REC is applied to the variable resistance element. In FIG. 11, the vertical axis represents the current value flowing through the resistance change element 10, and the horizontal axis represents the voltage value of the voltage pulse applied between the lower electrode 2 and the upper electrode 4. Note that the data shown in FIG. 11 is a predetermined current in a state where a load resistance having a resistance value of 1 kΩ is electrically connected to the resistance change element 10 as in the cases of FIGS. Although it is obtained by applying a pulse to the variable resistance element 10, in the case of current driving, it is easy to control to a predetermined current value when the resistance is reduced without load resistance. Is not necessarily required.

本実施の形態では、mの値が大きくなるほど電流値も大きくなるように書き込み電流パルスIREC(m)が予め設定されている。また、nの値が大きくなるほど電圧値も大きくなり且つV’REC(m)<VREAD(n)≦V’REC(m+1)が成立するように読み出し電圧パルスVREAD(n)が予め設定されている。 In the present embodiment, the write current pulse I REC (m) is set in advance so that the current value increases as the value of m increases. In addition, as the value of n increases, the voltage value also increases and the read voltage pulse V READ (n) is preset so that V ′ REC (m) <V READ (n) ≦ V ′ REC (m + 1) is satisfied. ing.

そして、書き込み電流パルスIREC(m)を両電極間に印加した後、読み出し電圧パルスVREAD(n)をnの値が小さい方から順に上部電極4に印加する。このときの書き込み電流パルスIREC(m)と電圧V’REC(m)との関係は図11に示すとおりである。ここで、n=1のときに抵抗変化素子10が低抵抗状態から高抵抗状態の方向へ最初に変化した場合(抵抗変化素子10に流れる電流値が減少した場合)はm=1と判断することができ、n=2のときに同じく最初に変化した場合はm=2と判断することができる。このようにして、mの値を特定することによってどの電流値の書き込み電流パルスで書き込みが行われたのかを知ることができる。 Then, after applying a write current pulse I REC (m) between both electrodes, a read voltage pulse V READ (n) is applied to the upper electrode 4 in order from the smallest value of n. The relationship between the write current pulse I REC (m) and the voltage V ′ REC (m) at this time is as shown in FIG. Here, when the variable resistance element 10 first changes from the low resistance state to the high resistance state when n = 1 (when the value of the current flowing through the variable resistance element 10 decreases), it is determined that m = 1. If n = 2 and the first change occurs, it can be determined that m = 2. In this way, by specifying the value of m, it is possible to know at which current value the write current pulse was used for writing.

図12は、電流駆動による多値記憶(ただし、読み出しは電圧駆動・電流再生による)における抵抗変化素子の駆動方法の手順の一例を示すフローチャートである。この図は、電圧駆動での多値記憶における駆動方法の手順を示す図6に対応する図である。図6に示されるフローチャートと相違する点は以下である。   FIG. 12 is a flowchart showing an example of a procedure of a resistance change element driving method in multi-value storage by current driving (however, reading is performed by voltage driving / current regeneration). This figure corresponds to FIG. 6 showing the procedure of the driving method in multi-value storage by voltage driving. Differences from the flowchart shown in FIG. 6 are as follows.

書き込み工程では、まず、記憶するデータの値に応じて、書き込み電流パルスIREC(m)のm(m≧1)の値を決定する(S601)。そして、書き込み電流パルスIREC(m)を抵抗変化素子10に印加し(S602)、書き込み工程を終了する。この書き込み工程の結果、抵抗変化素子10は高抵抗状態から低抵抗状態へと変化する。 In the write process, first, the value of m (m ≧ 1) of the write current pulse I REC (m) is determined according to the value of data to be stored (S601). Then, the write current pulse I REC (m) is applied to the variable resistance element 10 (S602), and the write process is completed. As a result of this writing process, the resistance change element 10 changes from the high resistance state to the low resistance state.

読み出し工程(S201〜S210)は、図6に示される電圧駆動における手順と同様である。ただし、m個の書き込み電流パルスIREC(m)の電流値が予め定められ、かつ、n個の対応する読み出し電圧パルスVREADが、V’REC(m)<VREAD(n)≦V’REC(m+1)となるように予め設定されている点が、電圧駆動における場合と異なる。この読み出し工程によってmの値を特定することができるため、何れの電流値の書き込み電流パルスで書き込みが行われたのかを判断することが可能になり、書き込み工程によって書き込まれた多値データの読み出しが実現する。 The reading process (S201 to S210) is the same as the procedure in the voltage driving shown in FIG. However, the current value of m write current pulses I REC (m) is determined in advance, and n corresponding read voltage pulses V READ are V ′ REC (m) <V READ (n) ≦ V ′. The point set in advance to be REC (m + 1) is different from the case of voltage driving. Since the value of m can be specified by this reading process, it is possible to determine at which current value the writing current pulse was written, and reading the multi-value data written by the writing process. Is realized.

このように、読み出し工程では、読み出し電圧パルスが小さい方から順次与えられたときに、抵抗変化素子10を低抵抗状態から高抵抗状態の方向に最初に変化させた読み出し電圧パルスの大きさが、複数の異なる大きさVREAD(1)〜VREAD(n)の何れであったかに応じて、複数の異なる大きさの書き込み電流パルスIREC(1)〜VREC(m)のうちの何れの書き込み電流パルスによって書き込み工程が行われたのかを判別することができる。 Thus, in the read process, when the read voltage pulse is sequentially applied from the smaller one, the magnitude of the read voltage pulse that first changed the resistance change element 10 from the low resistance state to the high resistance state is: Depending on which of a plurality of different magnitudes V READ (1) to V READ (n), which of the plurality of different magnitudes of write current pulses I REC (1) to V REC (m) is written It can be determined whether the writing process has been performed by the current pulse.

なお、再書き込み工程では、読み出し工程においてステップS210を実行した後、再書き込みのため、書き込み電流パルスIREC(m)を抵抗変化素子10に印加する(S602)。これにより、先の書き込み工程において書き込まれたデータと同じデータが書き込まれることになる。 In the rewriting process, after executing step S210 in the reading process, a write current pulse I REC (m) is applied to the variable resistance element 10 for rewriting (S602). Thereby, the same data as the data written in the previous writing process is written.

上記の動作により、書き込み工程において用いられた書き込み電流パルスIREC(m)のmを特定することができるため、その書き込み電流パルスIREC(m)と対応するデータが記憶されていたと判定することができる。これにより、m値の多値記憶を実現することができる。 By the above operation, m of the write current pulse I REC (m) used in the write process can be specified, and therefore it is determined that data corresponding to the write current pulse I REC (m) has been stored. Can do. Thereby, multi-value storage of m values can be realized.

なお、この電流駆動による多値記憶の読み出し工程では、電圧駆動(電流再生)によって読み出しを行ったが、電流駆動によって読み出しを行ってもよい。そのときには、読み出し工程では、読み出し電流パルスIREAD(n)を抵抗変化素子10に印加することになるが、nの値が大きくなるほど電流値も大きくなり、且つ、I’REC(m)<IREAD(n)≦I’REC(m+1)が成立するように読み出し電流パルスIREAD(n)を抵抗変化素子10に印加する。 Note that in the read process of multi-value storage by current driving, reading is performed by voltage driving (current regeneration), but reading may be performed by current driving. At that time, in the read process, the read current pulse I READ (n) is applied to the resistance change element 10, and the current value increases as the value of n increases, and I ′ REC (m) <I A read current pulse I READ (n) is applied to the resistance change element 10 so that READ (n) ≦ I ′ REC (m + 1) is satisfied.

[抵抗変化素子の駆動方法の実施例4]
また、上記抵抗変化素子の駆動方法の実施例3では、書き込み時に高抵抗状態から低抵抗状態に変化させるような電流パルスを印加したが、実施の形態1の抵抗変化素子の駆動方法の実施例2で示したように、書き込み時に低抵抗状態から高抵抗状態に変化させるような電流パルスを選択されたメモリセルに印加してもよい。その場合、図12に示すフローチャートの読み出し工程において、S208の測定された電流値の判断基準が「電流値>規定値?」となる点である。
[Embodiment 4 of Driving Method of Resistance Change Element]
Further, in Example 3 of the driving method of the resistance change element, a current pulse that changes from the high resistance state to the low resistance state is applied at the time of writing, but an example of the driving method of the resistance change element of the first embodiment is used. As shown in FIG. 2, a current pulse that changes from a low resistance state to a high resistance state at the time of writing may be applied to the selected memory cell. In that case, in the reading step of the flowchart shown in FIG. 12, the criterion for determining the measured current value in S208 is “current value> specified value?”.

(実施の形態4)
上記した実施の形態2で示したように、実施の形態3においても、図12の読み出し工程における、確認電圧パルスVCHECKの印加工程(S201)から規定値の設定工程(S203)の各処理は本発明に必須のものではない。実施の形態4は、このような読み出し工程における確認電圧パルスVCHECKの印加から規定値の設定までを省略し、実施の形態3の書き込み工程と、実施の形態2の読み出し工程とを備えた、抵抗変化素子の駆動方法である。駆動動作やフローチャートについては、上述した各実施形態での説明と同様なので、詳細については説明を省略する。
(Embodiment 4)
As shown in the second embodiment described above, also in the third embodiment, the processes from the application step (S201) of the confirmation voltage pulse V CHECK to the setting step (S203) of the specified value in the reading step of FIG. It is not essential to the present invention. The fourth embodiment omits from the application of the confirmation voltage pulse V CHECK to the setting of the specified value in such a reading process, and includes the writing process of the third embodiment and the reading process of the second embodiment. This is a driving method of the resistance change element. Since the driving operation and the flowchart are the same as those described in the above-described embodiments, the detailed description thereof is omitted.

(実施の形態5)
実施の形態5は、実施の形態1から4において説明した抵抗変化素子とその駆動方法を実現する周辺回路を備えるクロスポイント型の不揮発性記憶装置である。ここで、クロスポイント型の不揮発性記憶装置とは、ワード線とビット線との交点(立体交差点)に抵抗変化素子を配置した態様の記憶装置である。
(Embodiment 5)
The fifth embodiment is a cross-point type nonvolatile memory device including the variable resistance element described in the first to fourth embodiments and a peripheral circuit that realizes the driving method thereof. Here, the cross-point type nonvolatile memory device is a memory device in which a resistance change element is arranged at an intersection (a three-dimensional intersection) between a word line and a bit line.

以下、この実施の形態5の不揮発性記憶装置の構成及び動作について説明する。   Hereinafter, the configuration and operation of the nonvolatile memory device according to Embodiment 5 will be described.

[不揮発性記憶装置の構成]
図13は、本発明の実施の形態5の不揮発性記憶装置(ここでは、記憶装置100)の構成の一例を示すブロック図である。図13に示すように、クロスポイント型の記憶装置100は、複数のアレイ状に配置された本願に係る抵抗変化素子を具備するメモリセルで構成されるメモリセルアレイ101と、アドレスバッファ102と、制御部103と、行デコーダ104と、ワード線ドライバ105と、列デコーダ106と、ビット線ドライバ107とを備えている。
[Configuration of non-volatile storage device]
FIG. 13 is a block diagram showing an example of the configuration of the nonvolatile storage device (here, storage device 100) according to the fifth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 13, the cross-point type storage device 100 includes a memory cell array 101 including memory cells each including the variable resistance element according to the present application arranged in a plurality of arrays, an address buffer 102, and a control A unit 103, a row decoder 104, a word line driver 105, a column decoder 106, and a bit line driver 107 are provided.

メモリセルアレイ101は、図13に示すように、互いに平行にして第1の方向に延びるように形成された複数のワード線W1,W2,W3,…と、これらのワード線W1,W2,W3,…と交差し、互いに平行にして第2の方向に延びるように形成された複数のビット線B1,B2,B3,…とを具備している。ここで、ワード線W1,W2,W3,…は、基板(図示せず)の主面に平行な第1の平面内において形成されており、ビット線B1,B2,B3,…は、その第1の平面より上方に位置し且つ第1の平面に実質的に平行な第2の平面内において形成されている。そのため、ワード線W1,W2,W3,…とビット線B1,B2,B3,…とは立体交差しており、その立体交差点に対応して、複数のメモリセルMC11,MC12,MC13,MC21,MC22,MC23,MC31,MC32,MC33,…(以下、「メモリセルMC11,MC12,…」と表す)が設けられている。   As shown in FIG. 13, the memory cell array 101 includes a plurality of word lines W1, W2, W3,... Formed in parallel to each other and extending in the first direction, and these word lines W1, W2, W3,. ... and a plurality of bit lines B1, B2, B3, ... formed so as to extend in the second direction in parallel with each other. Here, the word lines W1, W2, W3,... Are formed in a first plane parallel to the main surface of the substrate (not shown), and the bit lines B1, B2, B3,. It is formed in a second plane located above the one plane and substantially parallel to the first plane. Therefore, the word lines W1, W2, W3,... And the bit lines B1, B2, B3,... Are three-dimensionally crossed, and a plurality of memory cells MC11, MC12, MC13, MC21, MC22 correspond to the three-dimensional intersections. , MC23, MC31, MC32, MC33,... (Hereinafter referred to as “memory cells MC11, MC12,...”).

個々のメモリセルMCは、直列に接続された抵抗変化素子と、例えば双方向ダイオードで構成される電流制御素子D11,D12,D13,D21,D22,D23,D31,D32,D33,…とを具備しており、当該抵抗変化素子はビット線B1,B2,B3,…と、当該電流制御素子は抵抗変化素子及びワード線W1,W2,W3…とそれぞれ接続されている。電流制御素子は、正の印加電圧領域と負の印加電圧領域とにそれぞれ閾値電圧を有し、印加電圧の絶対値がそれぞれの閾値電圧の絶対値より大きい場合に導通(オン)状態となり、印加電圧の値がそれ以外の領域の場合(印加電圧の絶対値が対応するそれぞれの閾値の絶対値より小さい場合)遮断(オフ)状態となるような非線形の特性を有する。   Each memory cell MC includes resistance change elements connected in series and current control elements D11, D12, D13, D21, D22, D23, D31, D32, D33,. The resistance change elements are connected to the bit lines B1, B2, B3,..., And the current control elements are connected to the resistance change elements and the word lines W1, W2, W3,. The current control element has a threshold voltage in each of a positive applied voltage region and a negative applied voltage region, and is turned on when the absolute value of the applied voltage is larger than the absolute value of each threshold voltage. When the voltage value is in a region other than that (when the absolute value of the applied voltage is smaller than the absolute value of the corresponding threshold value), it has a non-linear characteristic so as to be in a cutoff (off) state.

なお、この抵抗変化素子として、実施の形態1の抵抗変化素子10を用いることができる。また、電流制御素子(ここでは双方向ダイオード)は、当該メモリセルを構成する抵抗変化素子が有する抵抗変化層に直列に接続された負荷素子を兼ねてもよい。   As the resistance change element, the resistance change element 10 according to the first embodiment can be used. The current control element (in this case, a bidirectional diode) may also serve as a load element connected in series to the resistance change layer included in the resistance change element constituting the memory cell.

アドレスバッファ102は、外部回路(図示せず)からアドレス信号ADDRESSを受け取り、このアドレス信号ADDRESSに基づいて行アドレス信号ROWを行デコーダ104に出力するとともに、列アドレス信号COLUMNを列デコーダ106に出力する。ここで、アドレス信号ADDRESSは、メモリセルMC11,MC12,…のうちの選択されるメモリセルのアドレスを示す信号である。また、行アドレス信号ROWは、アドレス信号ADDRESSに示されたアドレスのうちの行のアドレスを示す信号であり、列アドレス信号COLUMNは、同じく列のアドレスを示す信号である。   The address buffer 102 receives an address signal ADDRESS from an external circuit (not shown), outputs a row address signal ROW to the row decoder 104 based on the address signal ADDRESS, and outputs a column address signal COLUMN to the column decoder 106. . Here, the address signal ADDRESS is a signal indicating the address of the selected memory cell among the memory cells MC11, MC12,. The row address signal ROW is a signal indicating a row address among the addresses indicated by the address signal ADDRESS, and the column address signal COLUMN is a signal similarly indicating a column address.

制御部103は、外部回路から受け取ったモード選択信号MODEに応じて、書き込みモード(上記の書き込み工程及び再書き込み工程に該当)及び読み出しモード(上記の読み出し工程に該当)のうちのいずれか1つのモードを選択して実行する。   In response to the mode selection signal MODE received from the external circuit, the control unit 103 selects one of the write mode (corresponding to the above-described writing process and the rewriting process) and the read mode (corresponding to the above-described reading process). Select a mode and execute.

書き込みモードにおいて、制御部103は、外部回路から受け取った入力データDinに応じて、書き込み電圧パルスVREC(m)または書き込み電流パルスIREC(m)を選択されたワード線に出力するよう、対応するワード線ドライバ105を制御する。 In the write mode, the control unit 103 responds to output the write voltage pulse V REC (m) or the write current pulse I REC (m) to the selected word line according to the input data Din received from the external circuit. The word line driver 105 to be controlled is controlled.

また、読み出しモードの場合、制御部103は、読み出し電圧パルスVREAD(n)、読み出し電流パルスIREAD(n)又は確認電圧パルスVCHECKを選択されたワード線に出力するよう、対応するワード線ドライバ105を制御する。この読み出しモードでは、制御部103はさらに、センスアンプ(図示せず)から出力される読み出し信号IREAD(VREAD(n)印加時)またはVREAD(IREAD(n)印加時)に基づいて特定した書き込み電圧パルスVREC(m)または書き込み電流パルスIREC(m)に対応する選択されたメモリセルのビット値を示す出力データDoutを外部回路へ出力する。この読み出し信号IREADまたはVREADは、それぞれ読み出しモードのときにワード線W1,W2,W3,…を流れる電流値または電圧値または抵抗変化素子の両端に発生する電圧を示す信号である。 In the read mode, the control unit 103 outputs the read voltage pulse V READ (n), the read current pulse I READ (n), or the confirmation voltage pulse V CHECK to the selected word line. The driver 105 is controlled. In this read mode, the control unit 103 is further based on a read signal I READ (when V READ (n) is applied) or V READ (when I READ (n) is applied) output from a sense amplifier (not shown). Output data Dout indicating the bit value of the selected memory cell corresponding to the specified write voltage pulse V REC (m) or write current pulse I REC (m) is output to an external circuit. The read signal I READ or V READ is a signal indicating a current value or a voltage value flowing through the word lines W1, W2, W3,... Or a voltage generated at both ends of the resistance change element in the read mode.

このワード線ドライバ105は、異なる複数の電圧パルスを発生させたい場合、その電源部に例えばラダー抵抗回路を備えており、このラダー抵抗回路を用いることによりm個の異なる電圧値の書き込み電圧パルスVREC(m)及びn個の異なる電圧値の読み出し電圧パルスVREAD(n)を出力することができるように構成されている。また、異なる複数の電流パルスを発生させたい場合、例えば複数の異なるサイズのドライバ回路を備えていて、それらを適宜組み合わせて異なる複数の電流パルスを発生させたり、ドライバ回路を構成するトランジスタのゲート電圧をコントロールする回路を備えることにより実現できる。 When it is desired to generate a plurality of different voltage pulses, the word line driver 105 includes, for example, a ladder resistor circuit in its power supply unit. By using this ladder resistor circuit, m write voltage pulses V having different voltage values are provided. REC (m) and n read voltage pulses V READ (n) having different voltage values can be output. In addition, when it is desired to generate a plurality of different current pulses, for example, a plurality of driver circuits of different sizes are provided, and a plurality of different current pulses are generated by appropriately combining them, or the gate voltage of the transistors constituting the driver circuit This can be realized by providing a circuit for controlling the above.

行デコーダ104は、アドレスバッファ102から出力された行アドレス信号ROWを受け取り、この行アドレス信号ROWに応じて、ワード線W1,W2,W3,…のうちの何れか一つを選択する。ワード線ドライバ105は、行デコーダ104の出力信号に基づいて、行デコーダ104によって選択されたワード線に活性化電圧を印加する。   The row decoder 104 receives the row address signal ROW output from the address buffer 102, and selects any one of the word lines W1, W2, W3,... According to the row address signal ROW. The word line driver 105 applies an activation voltage to the word line selected by the row decoder 104 based on the output signal of the row decoder 104.

列デコーダ106は、アドレスバッファ102から出力された列アドレス信号COLUMNを受け取り、この列アドレス信号COLUMNに応じて、ビット線B1,B2,B3,…のうちの何れか一つを選択する。ビット線ドライバ107は、列デコーダ106の出力信号に基づいて、列デコーダ106によって選択されたビット線を接地状態にする。   The column decoder 106 receives the column address signal COLUMN output from the address buffer 102, and selects any one of the bit lines B1, B2, B3,... According to the column address signal COLUMN. The bit line driver 107 sets the bit line selected by the column decoder 106 to the ground state based on the output signal of the column decoder 106.

なお、アドレスバッファ102、行デコーダ104、ワード線ドライバ105、列デコーダ106およびビット線ドライバ107は、メモリセルアレイ101から少なくとも一つのメモリセルを選択する選択回路の一例であり、制御部103による制御のもとで動作する。   The address buffer 102, the row decoder 104, the word line driver 105, the column decoder 106, and the bit line driver 107 are an example of a selection circuit that selects at least one memory cell from the memory cell array 101, and are controlled by the control unit 103. Works under.

なお、本実施の形態は、1層型のクロスポイント型記憶装置であるが、本発明に係る不揮発性記憶装置はメモリセルアレイを積層することにより複層型のクロスポイント型記憶装置としてもよい。また、抵抗変化素子と電流制御素子とは、その位置関係が入れ替わっていてもよい。すなわち、ワード線が抵抗変化素子に、ビット線が電流制御素子にそれぞれ接続されていてもよい。さらに、ビット線及び/またはワード線が抵抗変化素子における電力を兼ねるような構成であってもよい。   Note that although this embodiment is a single-layer cross-point storage device, the nonvolatile storage device according to the present invention may be a multi-layer cross-point storage device by stacking memory cell arrays. Further, the positional relationship between the resistance change element and the current control element may be interchanged. That is, the word line may be connected to the resistance change element, and the bit line may be connected to the current control element. Further, the bit line and / or the word line may be configured to also serve as power in the variable resistance element.

[不揮発性記憶装置の動作]
上述したように構成される記憶装置100は、図6を参照して説明した手順にしたがって書き込み電圧パルスVREC(m)または書き込み電流パルスIREC(m)、読み出し電圧パルスVREAD(n)または読み出し電流パルスIREAD(n)、あるいは場合により確認電圧パルスVCHECKを選択されたメモリセルに印加することによって、実施の形態1から4において説明した書き込み工程、読み出し工程及び再書き込み工程を実行する。以下、メモリセルMC22に対して書き込み工程及び読み出し工程を行う場合を例にして、図6のフローチャートを適宜参照しながら説明する。
[Operation of non-volatile storage device]
The storage device 100 configured as described above has the write voltage pulse V REC (m) or the write current pulse I REC (m), the read voltage pulse V READ (n) or the following procedure described with reference to FIG. The write process, the read process, and the rewrite process described in the first to fourth embodiments are performed by applying the read current pulse I READ (n) or the confirmation voltage pulse V CHECK as occasion demands to the selected memory cell. . Hereinafter, an example in which a writing process and a reading process are performed on the memory cell MC22 will be described with reference to the flowchart of FIG. 6 as appropriate.

〔書き込みモード〕
メモリセルMC22にデータ「1」を表すデータを書き込む場合、ビット線ドライバ107によりビット線B2が接地され、ワード線ドライバ105によりワード線W2と制御部103とが電気的に接続される。そして、制御部103により、ワード線W2に書き込み電圧パルスVREC(1)が印加される(S102)。ここで、書き込み電圧パルスVREC(1)の電圧値は例えば−1.0Vに、パルス幅は100nsに設定される。このような動作により、メモリセルMC22の抵抗変化素子には書き込み電圧パルスVREC(1)が印加され、メモリセルMC22の抵抗変化素子はデータ「1」に対応する低抵抗状態になる。
[Write mode]
When data representing data “1” is written in the memory cell MC22, the bit line driver 107 grounds the bit line B2, and the word line driver 105 electrically connects the word line W2 and the control unit 103. Then, the write voltage pulse V REC (1) is applied to the word line W2 by the control unit 103 (S102). Here, the voltage value of the write voltage pulse V REC (1) is set to −1.0 V, for example, and the pulse width is set to 100 ns. By such an operation, the write voltage pulse V REC (1) is applied to the resistance change element of the memory cell MC22, and the resistance change element of the memory cell MC22 enters the low resistance state corresponding to the data “1”.

また、メモリセルMC22にデータ「2」を表すデータを書き込む場合は、同様にして、制御部103によってワード線W2に書き込み電圧パルスVREC(2)が印加される。ここで、書き込み電圧パルスVREC(2)の電圧値は例えば−1.25Vに、パルス幅は100nsに設定される。このような動作により、メモリセルMC22の抵抗変化素子には書き込み電圧パルスVREC(2)が印加され、メモリセルMC22の抵抗変化素子はデータ「2」に対応する低抵抗状態になる。 Further, when data representing data “2” is written in the memory cell MC22, the write voltage pulse V REC (2) is applied to the word line W2 by the control unit 103 in the same manner. Here, the voltage value of the write voltage pulse V REC (2) is set to −1.25 V, for example, and the pulse width is set to 100 ns. By such an operation, the write voltage pulse V REC (2) is applied to the resistance change element of the memory cell MC22, and the resistance change element of the memory cell MC22 enters the low resistance state corresponding to the data “2”.

さらに、メモリセルMC22にデータ「3」を表すデータを書き込む場合は、例えば−1.5Vの書き込み電圧パルスVREC(3)が、またメモリセルMC22にデータ「4」を表すデータを書き込む場合は、例えば−1.75Vの書き込み電圧パルスVREC(4)がそれぞれメモリセルMC22の抵抗変化素子に印加される。これにより、メモリセルMC22の抵抗変化素子は、それぞれ、データ「3」およびデータ「4」に対応する低抵抗状態になる。 Further, when data representing data “3” is written in the memory cell MC22, for example, a write voltage pulse V REC (3) of −1.5 V is written, and when data representing data “4” is written into the memory cell MC22. For example, a write voltage pulse V REC (4) of −1.75 V is applied to each resistance change element of the memory cell MC22. As a result, the resistance change element of the memory cell MC22 is in a low resistance state corresponding to data “3” and data “4”, respectively.

なお、ここでは、メモリセルMC22の抵抗変化素子が「1」乃至「4」に対応する低抵抗状態になると便宜上表現しているが、低抵抗状態における抵抗変化素子の抵抗値はどの場合でもほぼ同一である。   Note that, here, the resistance change element of the memory cell MC22 is expressed for convenience when it becomes a low resistance state corresponding to “1” to “4”, but the resistance value of the resistance change element in the low resistance state is almost the same in any case. Are the same.

以上のように、書き込み電圧パルスVREC(m)を選択されたメモリセルの抵抗変化素子に印加することによって、1つのメモリセルにm値の多値データ(例えば、4値であれば2ビットに相当)を書き込むことができる。 As described above, by applying the write voltage pulse V REC (m) to the resistance change element of the selected memory cell, m-value multi-value data (for example, 2 bits for 4 values) is applied to one memory cell. Can be written).

〔読み出しモード〕
メモリセルMC22に書き込まれているデータを読み出す場合、ビット線ドライバ107によりビット線B2が接地され、ワード線ドライバ105によりワード線W2と制御部103とが電気的に接続される。そして、制御部103により、nが1インクリメントされながら(S209)、読み出し電圧パルスVREAD(n)及び確認電圧パルスVCHECKがワード線W2に印加される(S205及びS206)。ここで、読み出し電圧パルスVREAD(n)の電圧値は、V’REC(m)<VREAD(n)≦V’REC(m+1)となるように設定されている。
[Read mode]
When reading data written in the memory cell MC22, the bit line B2 is grounded by the bit line driver 107, and the word line W2 and the control unit 103 are electrically connected by the word line driver 105. Then, while the n is incremented by 1 (S209), the controller 103 applies the read voltage pulse V READ (n) and the confirmation voltage pulse V CHECK to the word line W2 (S205 and S206). Here, the voltage value of the read voltage pulse V READ (n) is set to satisfy V ′ REC (m) <V READ (n) ≦ V ′ REC (m + 1).

メモリセルMC22に確認電圧パルスVCHECKが印加されると、メモリセルMC22の抵抗変化層の抵抗値に応じた電流値を有する電流がビット線B2とワード線W2との間に流れる。制御部103は、センスアンプを用いてこの電流値を測定し(S207)、その電流値と予め定めた規定値との比較結果に基づき、メモリセルMC22の抵抗変化素子が高抵抗状態にあるか低抵抗状態にあるかを判断する(S208)。そして、当該抵抗変化素子が高抵抗状態にあると判断した場合、n=mと判断し、書き込み電圧パルスVREC(m)のmを特定する(S210)。この例の場合、特定したmが1であれば、メモリセルMC22に書き込まれているデータが「1」であることが分かる。また、特定したmが2乃至4であれば、メモリセルMC22に書き込まれているデータがそれぞれ「2」乃至「4」であることが分かる。 When the confirmation voltage pulse V CHECK is applied to the memory cell MC22, a current having a current value corresponding to the resistance value of the resistance change layer of the memory cell MC22 flows between the bit line B2 and the word line W2. Control unit 103 measures this current value using a sense amplifier (S207), and based on the comparison result between the current value and a predetermined specified value, is the resistance change element of memory cell MC22 in a high resistance state? It is determined whether the resistance state is low (S208). When it is determined that the variable resistance element is in a high resistance state, it is determined that n = m, and m of the write voltage pulse V REC (m) is specified (S210). In this example, if the specified m is 1, it can be seen that the data written in the memory cell MC22 is “1”. If the specified m is 2 to 4, it can be seen that the data written in the memory cell MC22 is “2” to “4”, respectively.

このように、本実施の形態における記憶装置100は、書き込み工程では、第1の極性の複数の異なる電圧の書き込み電圧パルスのうちの一つの書き込み電圧パルスを抵抗変化素子に与えることで、抵抗変化素子を第1の抵抗状態から第2の抵抗状態へ変化させ、一方、読み出し工程では、第1の極性とは異なる第2の極性の複数の異なる電圧の読み出し電圧パルスを電圧の小さい方から順次与えたときに、抵抗変化素子を第2の抵抗状態から第1の抵抗状態の方向に最初に変化させた読み出し電圧パルスの大きさが複数の異なる大きさの何れであったかに応じて、複数の異なる大きさの書き込み電圧パルスのうちの何れの書き込み電圧パルスによって書き込み工程が行われたのかを判別する。   As described above, in the memory device 100 according to the present embodiment, in the writing process, one resistance voltage change is applied to the resistance change element by applying one of the writing voltage pulses of a plurality of different voltages having the first polarity to the resistance change element. The element is changed from the first resistance state to the second resistance state. On the other hand, in the reading process, read voltage pulses of a plurality of different voltages having a second polarity different from the first polarity are sequentially applied from the smaller voltage. Depending on whether the magnitude of the read voltage pulse that first changed the resistance change element in the direction from the second resistance state to the first resistance state was a plurality of different magnitudes, It is determined which of the write voltage pulses of different magnitudes has been used for the write process.

以上のように動作することにより、記憶装置100は、安定した多値記憶動作を実現することができる。   By operating as described above, the storage device 100 can realize a stable multi-value storage operation.

なお、図7(実施の形態1のフローチャート)、図9および図10(実施の形態2のフローチャート)、図12(実施の形態3のフローチャート)、及び実施の形態4のフローチャート(図示せず)においても、各フローチャートに記載された動作を、制御部103やワード線ドライバ、ビット線ドライバ等で構成される不揮発性記憶装置の周辺回路が実行することにより、記憶装置100は、安定した多値記憶動作を実現することができる。   7 (flow chart of the first embodiment), FIG. 9 and FIG. 10 (flow chart of the second embodiment), FIG. 12 (flow chart of the third embodiment), and a flowchart of the fourth embodiment (not shown). In the memory device 100, the operation described in each flowchart is executed by the peripheral circuit of the nonvolatile memory device including the control unit 103, the word line driver, the bit line driver, etc. A memory operation can be realized.

(実施の形態6)
実施の形態6は、実施の形態1において説明した抵抗変化素子を備え、単位メモリセルが、1つのトランジスタと1つの不揮発性記憶部(抵抗変化素子)とで構成される1T1R型の不揮発性記憶装置である。以下、この不揮発性記憶装置の構成及び動作について説明する。
(Embodiment 6)
The sixth embodiment includes the variable resistance element described in the first exemplary embodiment, and a 1T1R type nonvolatile memory in which a unit memory cell includes one transistor and one nonvolatile memory unit (resistance variable element). Device. The configuration and operation of this nonvolatile memory device will be described below.

[不揮発性記憶装置の構成]
図14は、本発明の実施の形態6の不揮発性記憶装置(ここでは、記憶装置200)の構成の一例を示すブロック図である。図14に示すように、1T1R型の記憶装置200は、アレイ状に配置された複数の抵抗変化素子で構成されるメモリセルアレイ201と、アドレスバッファ202と、制御部203と、行デコーダ204と、ワード線ドライバ205と、列デコーダ206と、ビット線/プレート線ドライバ207とを備えている。
[Configuration of non-volatile storage device]
FIG. 14 is a block diagram showing an example of the configuration of the nonvolatile storage device (here, storage device 200) according to the sixth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 14, the 1T1R type storage device 200 includes a memory cell array 201 including a plurality of resistance change elements arranged in an array, an address buffer 202, a control unit 203, a row decoder 204, A word line driver 205, a column decoder 206, and a bit line / plate line driver 207 are provided.

メモリセルアレイ201は、図14に示すように、第1の方向に延びる2本のワード線W1,W2と、当該ワード線W1,W2と交差して第2の方向に延びる2本のビット線B1,B2と、当該ビット線B1,B2に一対一で対応して設けられる第2の方向に延びる2本のプレート線P1,P2と、ワード線W1,W2及びビット線B1,B2との各交差点に対応してマトリクス状に設けられた4個のトランジスタT211,T212,T221,T222と、当該4個のトランジスタT211,T212,T221,T222に一対一で対応して直列に接続されマトリクス状に設けられた抵抗変化素子MC211,MC212,MC221,MC222とを具備し、それぞれ対応するトランジスタと抵抗変化素子とでメモリセルを構成している。   As shown in FIG. 14, the memory cell array 201 includes two word lines W1 and W2 extending in the first direction and two bit lines B1 extending in the second direction across the word lines W1 and W2. , B2 and two plate lines P1, P2 provided in one-to-one correspondence with the bit lines B1, B2 and extending in the second direction, and each intersection of the word lines W1, W2 and the bit lines B1, B2 Corresponding to the four transistors T211, T212, T221, and T222, and the four transistors T211, T212, T221, and T222 are connected in series in a one-to-one correspondence and provided in a matrix. The resistance change elements MC211, MC212, MC221, and MC222 are provided, and the corresponding transistors and resistance change elements respectively constitute memory cells. That.

なお、これらの各構成要素の個数または本数は上記のものに限定されるわけではない。例えば、メモリセルアレイ201は上記のように4個のメモリセルを具備しているが、これは一例であり、5個以上のメモリセルを具備する構成であってもよい。   Note that the number or number of these components is not limited to the above. For example, the memory cell array 201 includes four memory cells as described above, but this is an example, and a configuration including five or more memory cells may be employed.

上述した抵抗変化素子MC211,MC212,MC221,MC222は、実施の形態1における抵抗変化素子10に相当する。図1を併せて参照しながらメモリセルアレイ201の構成についてさらに説明すると、トランジスタT211及び抵抗変化素子MC211は、ビット線B1とプレート線P1との間に設けられており、トランジスタT211のソースと抵抗変化素子MC211の上部電極4に接続された端子とが接続されるべく直列に並んでいる。より詳しく説明すると、トランジスタT211は、ビット線B1と抵抗変化素子MC211との間で、ビット線B1及び抵抗変化素子MC211と接続されており、抵抗変化素子MC211は、トランジスタT211とプレート線P1との間で、トランジスタT211及びプレート線P1と接続されている。また、トランジスタT211のゲートはワード線W1に接続されている。   The variable resistance elements MC211, MC212, MC221, and MC222 described above correspond to the variable resistance element 10 in the first embodiment. The configuration of the memory cell array 201 will be further described with reference to FIG. 1. The transistor T211 and the resistance change element MC211 are provided between the bit line B1 and the plate line P1, and the resistance of the transistor T211 and the resistance change The terminals connected to the upper electrode 4 of the element MC211 are arranged in series to be connected. More specifically, the transistor T211 is connected to the bit line B1 and the resistance change element MC211 between the bit line B1 and the resistance change element MC211. The resistance change element MC211 is connected to the transistor T211 and the plate line P1. In the meantime, it is connected to the transistor T211 and the plate line P1. The gate of the transistor T211 is connected to the word line W1.

なお、他の3個のトランジスタT212,T221,T222及びこれらのトランジスタT212,T221,T222と直列に配置される3個の抵抗変化素子MC212,MC221,MC222の接続状態は、トランジスタT211及び抵抗変化素子MC211の場合と同様であるので、説明を省略する。これらのトランジスタT211,T212,T221,T222は、当該メモリセルを構成する抵抗変化素子に電気的に接続される負荷素子を兼ねてもよい。   The connection state of the other three transistors T212, T221, T222 and the three resistance change elements MC212, MC221, MC222 arranged in series with the transistors T212, T221, T222 is the transistor T211 and the resistance change element. Since it is the same as that of MC211, description is abbreviate | omitted. These transistors T211, T212, T221, and T222 may also serve as load elements that are electrically connected to the resistance change elements constituting the memory cell.

以上の構成により、トランジスタT211,T212,T221,T222のそれぞれのゲートに、ワード線W1,W2を介して所定の電圧(活性化電圧)が供給されると、トランジスタT211,T212,T221,T222のドレイン及びソース間が導通することになる。実際には、選択されたメモリセルのワード線にのみ活性化電圧が供給される。   With the above configuration, when a predetermined voltage (activation voltage) is supplied to the gates of the transistors T211, T212, T221, and T222 via the word lines W1 and W2, the transistors T211, T212, T221, and T222 Conduction is established between the drain and the source. Actually, the activation voltage is supplied only to the word line of the selected memory cell.

アドレスバッファ202は、外部回路(図示せず)からアドレス信号ADDRESSを受け取り、このアドレス信号ADDRESSに基づいて行アドレス信号ROWを行デコーダ204に出力するとともに、列アドレス信号COLUMNを列デコーダ206に出力する。ここで、アドレス信号ADDRESSは、抵抗変化素子MC211,MC212,MC221,MC222のうちの選択された抵抗変化素子のアドレスを示す信号である。また、行アドレス信号ROWは、アドレス信号ADDRESSに示されたアドレスのうちの行のアドレスを示す信号であり、列アドレス信号COLUMNは、同じく列のアドレスを示す信号である。   The address buffer 202 receives an address signal ADDRESS from an external circuit (not shown), outputs a row address signal ROW to the row decoder 204 based on the address signal ADDRESS, and outputs a column address signal COLUMN to the column decoder 206. . Here, the address signal ADDRESS is a signal indicating the address of the selected variable resistance element among the variable resistance elements MC211, MC212, MC221, and MC222. The row address signal ROW is a signal indicating a row address among the addresses indicated by the address signal ADDRESS, and the column address signal COLUMN is a signal similarly indicating a column address.

制御部203は、外部回路から受け取ったモード選択信号MODEに応じて、書き込みモード(上記の書き込み工程及び再書き込み工程に該当)及び読み出しモード(上記の読み出し工程に該当)のうちのいずれか1つのモードを選択して実行する。   The control unit 203 selects one of a writing mode (corresponding to the writing process and the rewriting process) and a reading mode (corresponding to the reading process) according to the mode selection signal MODE received from the external circuit. Select a mode and execute.

書き込みモードにおいて、制御部203は、外部回路から受け取った入力データDinに応じて、「書き込み電圧パルス印加」または「書き込み電流パルス印加」を指示する制御信号CONTをビット線/プレート線ドライバ207に出力する。   In the write mode, the control unit 203 outputs a control signal CONT instructing “write voltage pulse application” or “write current pulse application” to the bit line / plate line driver 207 in accordance with the input data Din received from the external circuit. To do.

また、読み出しモードの場合、制御部203は、「読み出し電圧パルス印加」または「読み出し電流パルス印加」を指示する制御信号CONTをビット線/プレート線ドライバ207に出力する。この読み出しモードでは、制御部203はさらに、センスアンプ(図示せず)から出力される読み出し信号IREAD(読み出し電圧パルス印加時)または読み出し信号VREAD(読み出し電流パルス印加時)を受け取り、この読み出し信号IREADまたはVREADに基づいて特定された書き込み電圧パルスVREC(m)または書き込み電流パルスIREC(m)に対応するビット値を示す出力データDoutを外部回路へ出力する。この読み出し信号IREADまたはVREADは、それぞれ読み出しモードのときにプレート線P1,P2を流れる電流の電流値またはメモリセルの両端に発生する電圧を示す信号である。 In the read mode, the control unit 203 outputs a control signal CONT instructing “read voltage pulse application” or “read current pulse application” to the bit line / plate line driver 207. In this read mode, the control unit 203 further receives a read signal I READ (when a read voltage pulse is applied) or a read signal V READ (when a read current pulse is applied) output from a sense amplifier (not shown). Output data Dout indicating a bit value corresponding to the write voltage pulse V REC (m) or the write current pulse I REC (m) specified based on the signal I READ or V READ is output to an external circuit. The read signal I READ or V READ is a signal indicating the current value of the current flowing through the plate lines P1 and P2 or the voltage generated at both ends of the memory cell in the read mode.

行デコーダ204は、アドレスバッファ202から出力された行アドレス信号ROWを受け取り、この行アドレス信号ROWに応じて、2本のワード線W1,W2のうちの何れか一方を選択する。ワード線ドライバ205は、行デコーダ204の出力信号に基づいて、行デコーダ204によって選択されたワード線に活性化電圧を印加する。   The row decoder 204 receives the row address signal ROW output from the address buffer 202, and selects one of the two word lines W1 and W2 according to the row address signal ROW. The word line driver 205 applies an activation voltage to the word line selected by the row decoder 204 based on the output signal of the row decoder 204.

列デコーダ206は、アドレスバッファ202から出力された列アドレス信号COLUMNを受け取り、この列アドレス信号COLUMNに応じて、2本のビット線B1,B2のうちの何れか一方を選択するとともに、2本のプレート線P1,P2のうちの何れか一方を選択する。   The column decoder 206 receives the column address signal COLUMN output from the address buffer 202, selects one of the two bit lines B1 and B2 according to the column address signal COLUMN, and One of the plate lines P1, P2 is selected.

ビット線/プレート線ドライバ207は、制御部203から「書き込み電圧パルス印加」または「読み出し電流パルス印加」を指示する制御信号CONTを受け取ると、列デコーダ206の出力信号に基づいて、列デコーダ206によって選択されたビット線に書き込み電圧パルスVREC(m)または書き込み電流パルスIREC(m)を印加するとともに、同じく選択されたプレート線を接地状態にする。 When the bit line / plate line driver 207 receives the control signal CONT instructing “write voltage pulse application” or “read current pulse application” from the control unit 203, the bit line / plate line driver 207 causes the column decoder 206 to execute the control based on the output signal of the column decoder 206. A write voltage pulse V REC (m) or a write current pulse I REC (m) is applied to the selected bit line, and the selected plate line is also grounded.

また、ビット線/プレート線ドライバ207は、制御部203から「読み出し電圧パルス印加」または「読み出し電流パルス印加」を指示する制御信号CONTを受け取ると、列デコーダ206の出力信号に基づいて、列デコーダ206によって選択されたビット線に読み出し電圧パルスVREAD(n)または読み出し電流パルスIREAD(n)、あるいは場合により確認電圧パルスVCHECKを印加するとともに、同じく選択されたプレート線を接地状態にする。その後、センスアンプは、そのプレート線を流れる電流の電流値を示す信号IREADまたはメモリセルの両端に発生する電圧VREADを制御部203に出力する。 When the bit line / plate line driver 207 receives a control signal CONT instructing “read voltage pulse application” or “read current pulse application” from the control unit 203, the bit line / plate line driver 207, based on the output signal of the column decoder 206, A read voltage pulse V READ (n), a read current pulse I READ (n), or a confirmation voltage pulse V CHECK is applied to the bit line selected by 206, and the selected plate line is also grounded. . Thereafter, the sense amplifier outputs the signal I READ indicating the current value of the current flowing through the plate line or the voltage V READ generated at both ends of the memory cell to the control unit 203.

このビット線/プレート線ドライバ207の電源部は、異なる複数の電圧パルスを発生させたい場合、例えばラダー抵抗回路を備えており、このラダー抵抗回路を用いることによりm個の異なる電圧値の書き込み電圧パルスVREC(m)及びn個の異なる電圧値の読み出し電圧パルスVREAD(n)を出力することができるように構成されている。 The power supply unit of the bit line / plate line driver 207 includes, for example, a ladder resistor circuit when it is desired to generate a plurality of different voltage pulses. By using this ladder resistor circuit, write voltages having m different voltage values are provided. The pulse V REC (m) and the read voltage pulse V READ (n) having n different voltage values can be output.

また、異なる複数の電流パルスを発生させたい場合、例えば複数の異なるサイズのドライバ回路を備えていて、それらを適宜組み合わせて異なる複数の電流パルスを発生させたり、ドライバ回路を構成するトランジスタのゲート電圧をコントロールする回路を備えることにより実現できる。   In addition, when it is desired to generate a plurality of different current pulses, for example, a plurality of driver circuits of different sizes are provided, and a plurality of different current pulses are generated by appropriately combining them, or the gate voltage of the transistors constituting the driver circuit This can be realized by providing a circuit for controlling the above.

なお、アドレスバッファ202、行デコーダ204、ワード線ドライバ205、列デコーダ206およびビット線/プレート線ドライバ207は、メモリセルアレイ201から少なくとも一つのメモリセルを選択する選択回路の一例であり、制御部203による制御のもとで動作する。   The address buffer 202, the row decoder 204, the word line driver 205, the column decoder 206, and the bit line / plate line driver 207 are examples of a selection circuit that selects at least one memory cell from the memory cell array 201. Operates under the control of

[不揮発性記憶装置の動作]
上述したように構成される記憶装置200は、図6を参照して説明した手順にしたがって書き込み電圧パルスVREC(m)、読み出し電圧パルスVREAD(n)又は確認電圧パルスVCHECKを各メモリセルに印加することによって、実施の形態1において説明した書き込み工程、読み出し工程及び再書き込み工程を実行する。以下、抵抗変化素子MC211に対して書き込み/読み出しを行う場合を例にして、図6のフローチャートを適宜参照しながら説明する。
[Operation of non-volatile storage device]
The storage device 200 configured as described above applies the write voltage pulse V REC (m), the read voltage pulse V READ (n), or the confirmation voltage pulse V CHECK to each memory cell according to the procedure described with reference to FIG. By applying to, the writing process, the reading process, and the rewriting process described in Embodiment 1 are executed. Hereinafter, a case where writing / reading is performed on the resistance change element MC211 will be described as an example with reference to the flowchart of FIG. 6 as appropriate.

〔書き込みモード〕
制御部203は、外部回路から入力データDinを受け取る。ここで、制御部203は、この入力データDinの値に応じて、「書き込み電圧パルス印加」を示す制御信号CONTをビット線/プレート線ドライバ207に出力する。ここで、「書き込み電圧パルス印加」を示す制御信号CONTはm種類用意されており、入力データDinの値に応じて何れかの制御信号CONTがビット線/プレート線ドライバ207に出力されることになる。
[Write mode]
The control unit 203 receives input data Din from an external circuit. Here, the control unit 203 outputs a control signal CONT indicating “write voltage pulse application” to the bit line / plate line driver 207 in accordance with the value of the input data Din. Here, m types of control signals CONT indicating “write voltage pulse application” are prepared, and one of the control signals CONT is output to the bit line / plate line driver 207 in accordance with the value of the input data Din. Become.

ビット線/プレート線ドライバ207は、制御部203から「書き込み電圧パルス印加」を示す制御信号CONTを受け取ると、列デコーダ206によって選択されたビット線B1に書き込み電圧パルスVREC(m)を印加する(S102)。また、ビット線/プレート線ドライバ207は、列デコーダ206によって選択されたプレート線P1を接地状態にする。 When the bit line / plate line driver 207 receives the control signal CONT indicating “write voltage pulse application” from the control unit 203, the bit line / plate line driver 207 applies the write voltage pulse V REC (m) to the bit line B 1 selected by the column decoder 206. (S102). The bit line / plate line driver 207 brings the plate line P1 selected by the column decoder 206 to the ground state.

このとき、行デコーダ204によって選択されたワード線W1には、ワード線ドライバ205によって活性化電圧が印加されている。そのため、トランジスタT211のドレイン及びソース間が導通状態となっている。   At this time, an activation voltage is applied to the word line W1 selected by the row decoder 204 by the word line driver 205. For this reason, the drain and the source of the transistor T211 are in a conductive state.

その結果、書き込み電圧パルスVREC(m)が抵抗変化素子MC211に印加される。これにより、抵抗変化素子MC211の抵抗値は、高抵抗状態から低抵抗状態へと変化する。他方、抵抗変化素子MC221,MC222には書き込み電圧パルスは印加されず、且つ抵抗変化素子MC212と直列接続されたトランジスタT212のゲートには活性化電圧が印加されないため、抵抗変化素子MC212,MC221,MC222の抵抗状態は変化しない。 As a result, the write voltage pulse V REC (m) is applied to the resistance change element MC211. Thereby, the resistance value of the resistance change element MC211 changes from the high resistance state to the low resistance state. On the other hand, no write voltage pulse is applied to resistance change elements MC221 and MC222, and no activation voltage is applied to the gate of transistor T212 connected in series with resistance change element MC212. Therefore, resistance change elements MC212, MC221 and MC222 are not applied. The resistance state does not change.

抵抗変化素子MC211に「1」を表すデータを書き込む場合、ビット線/プレート線ドライバ207によって抵抗変化素子MC211に書き込み電圧パルスVREC(1)が印加される。ここで、書き込み電圧パルスVREC(1)の電圧値は例えば−1.0Vに、パルス幅は100nsに設定される。このような動作により、抵抗変化素子MC211には書き込み電圧パルスVREC(1)が印加されるので、抵抗変化素子MC211の抵抗変化素子はデータ「1」に対応する低抵抗状態になる。 When data representing “1” is written to the resistance change element MC 211, the write voltage pulse V REC (1) is applied to the resistance change element MC 211 by the bit line / plate line driver 207. Here, the voltage value of the write voltage pulse V REC (1) is set to −1.0 V, for example, and the pulse width is set to 100 ns. By such an operation, the write voltage pulse V REC (1) is applied to the resistance change element MC211. Therefore, the resistance change element of the resistance change element MC211 enters a low resistance state corresponding to the data “1”.

また、抵抗変化素子MC211にデータ「2」を表すデータを書き込む場合は、同様にして、ビット線/プレート線ドライバ207によって抵抗変化素子MC211に書き込み電圧パルスVREC(2)が印加される。ここで、書き込み電圧パルスVREC(2)の電圧値は例えば−1.25Vに、パルス幅は100nsに設定される。このような動作により、抵抗変化素子MC211には書き込み電圧パルスVREC(2)が印加されるので、抵抗変化素子MC211の抵抗変化素子はデータ「2」に対応する低抵抗状態になる。 Further, when data representing data “2” is written to the resistance change element MC 211, the write voltage pulse V REC (2) is applied to the resistance change element MC 211 by the bit line / plate line driver 207 in the same manner. Here, the voltage value of the write voltage pulse V REC (2) is set to −1.25 V, for example, and the pulse width is set to 100 ns. By such an operation, the write voltage pulse V REC (2) is applied to the resistance change element MC211. Therefore, the resistance change element of the resistance change element MC211 enters a low resistance state corresponding to the data “2”.

さらに、抵抗変化素子MC211にデータ「3」を表すデータを書き込む場合は、例えば−1.5Vの書き込み電圧パルスVREC(3)が、また抵抗変化素子MC211にデータ「4」を表すデータを書き込む場合は、例えば−1.75Vの書き込み電圧パルスVREC(4)がそれぞれ抵抗変化素子MC211に印加される。これにより、抵抗変化素子MC211は、それぞれ、データ「3」およびデータ「4」に対応する低抵抗状態になる。 Further, when data representing data “3” is written to the resistance change element MC211, for example, a write voltage pulse V REC (3) of −1.5 V is written, and data representing data “4” is written to the resistance change element MC211. In this case, for example, a write voltage pulse V REC (4) of −1.75 V is applied to each resistance change element MC211. Thereby, the resistance change element MC211 enters a low resistance state corresponding to the data “3” and the data “4”, respectively.

なお、ここでは、抵抗変化素子MC211がデータ「1」乃至データ「4」に対応する低抵抗状態になると便宜上表現しているが、低抵抗状態における抵抗変化素子の抵抗値はどの場合でもほぼ同一である。   Here, the resistance change element MC211 is expressed for convenience when it is in a low resistance state corresponding to data “1” to data “4”, but the resistance value of the resistance change element in the low resistance state is almost the same in any case. It is.

抵抗変化素子MC211への書き込みが完了すると、アドレスバッファ202に新たなアドレス信号ADDRESSが入力され、上記の記憶装置200の記憶モードにおける動作が、抵抗変化素子MC211以外のメモリセルに対して繰り返される。   When writing to the resistance change element MC211 is completed, a new address signal ADDRESS is input to the address buffer 202, and the operation in the storage mode of the storage device 200 is repeated for memory cells other than the resistance change element MC211.

以上のように、書き込み電圧パルスVREC(m)を抵抗変化素子に印加することによって、1つのメモリセルに多ビットのデータを書き込むことができる。 As described above, multi-bit data can be written in one memory cell by applying the write voltage pulse V REC (m) to the variable resistance element.

〔読み出しモード〕
制御部203は、「読み出し電圧パルス印加」を指示する制御信号CONTをビット線/プレート線ドライバ207に出力する。ここで、「読み出し電圧パルス印加」を示す制御信号CONTはn種類用意されており、これらの制御信号CONTが順次的にビット線/プレート線ドライバ207に出力されることになる。
[Read mode]
The control unit 203 outputs a control signal CONT instructing “application of read voltage pulse” to the bit line / plate line driver 207. Here, n types of control signals CONT indicating “read voltage pulse application” are prepared, and these control signals CONT are sequentially output to the bit line / plate line driver 207.

ビット線/プレート線ドライバ207は、制御部203から「読み出し電圧パルス印加」を指示する制御信号CONTを受け取ると、列デコーダ206によって選択されたビット線B1に当該制御信号CONTに応じた読み出し電圧パルスVREAD(n)を印加する(S205)。また、ビット線/プレート線ドライバ207は、列デコーダ206によって選択されたプレート線P1を接地状態にする。ここで、読み出し電圧パルスVREAD(n)の電圧値は、V’REC(m)<VREAD(n)≦V’REC(m+1)となるように設定されている。 When the bit line / plate line driver 207 receives the control signal CONT instructing “application of read voltage pulse” from the control unit 203, the bit line / plate line driver 207 applies a read voltage pulse corresponding to the control signal CONT to the bit line B1 selected by the column decoder 206. V READ (n) is applied (S205). The bit line / plate line driver 207 brings the plate line P1 selected by the column decoder 206 to the ground state. Here, the voltage value of the read voltage pulse V READ (n) is set to satisfy V ′ REC (m) <V READ (n) ≦ V ′ REC (m + 1).

このとき、行デコーダ204によって選択されたワード線W1には、ワード線ドライバ205によって活性化電圧が印加されている。そのため、トランジスタT211のドレイン及びソース間が導通状態となっている。これにより、読み出し電圧パルスVREAD(n)が抵抗変化素子MC211に印加される。 At this time, an activation voltage is applied to the word line W1 selected by the row decoder 204 by the word line driver 205. For this reason, the drain and the source of the transistor T211 are in a conductive state. Thereby, the read voltage pulse V READ (n) is applied to the resistance change element MC211.

なお、抵抗変化素子MC221,MC222には読み出し電圧パルスVREAD(n)が印加されず、且つ抵抗変化素子MC212と直列接続されたトランジスタT212のゲートには活性化電圧が印加されないため、抵抗変化素子MC212,MC221,MC222の抵抗状態は変化しない。 Note that the read voltage pulse V READ (n) is not applied to the resistance change elements MC221 and MC222, and the activation voltage is not applied to the gate of the transistor T212 connected in series with the resistance change element MC212. The resistance states of MC212, MC221, and MC222 do not change.

次に、ビット線/プレート線ドライバ207は、確認電圧パルスVCHECKを印加した(S206)後にプレート線P1を流れる電流の電流値を測定し(S207)、その測定値を示す信号IREADを制御部203に出力する。そして、制御部203は、その信号IREADに示された電流値と予め定めた規定値との比較結果に基づき、抵抗変化素子MC211の抵抗変化素子が高抵抗状態にあるか低抵抗状態にあるかを判断する(S208)。ここで、当該抵抗変化素子が高抵抗状態にあると判断した場合、n=mと判断し、書き込み電圧パルスVREC(m)のmを特定する(S210)。この例の場合、特定したmが1であれば、抵抗変化素子MC211に書き込まれているデータが「1」であることが分かる。また、特定したmが2乃至4であれば、抵抗変化素子MC211に書き込まれているデータがそれぞれ「2」乃至「4」であることが分かる。制御部203は、mの値に応じた出力データDoutを外部へ出力する。 Next, the bit line / plate line driver 207 measures the current value of the current flowing through the plate line P1 after applying the confirmation voltage pulse V CHECK (S206), and controls the signal I READ indicating the measured value. The data is output to the unit 203. Then, based on the comparison result between the current value indicated by the signal I READ and a predetermined specified value, control unit 203 has the resistance change element of resistance change element MC211 in a high resistance state or a low resistance state. Is determined (S208). If it is determined that the variable resistance element is in a high resistance state, it is determined that n = m, and m of the write voltage pulse V REC (m) is specified (S210). In the case of this example, if the specified m is 1, it can be seen that the data written in the resistance change element MC211 is “1”. Further, if the specified m is 2 to 4, it can be seen that the data written in the resistance change element MC211 is “2” to “4”, respectively. The control unit 203 outputs output data Dout corresponding to the value of m to the outside.

抵抗変化素子MC211からの読み出しが完了すると、アドレスバッファ202に新たなアドレス信号ADDRESSが入力され、上記の記憶装置200の読み出しモードにおける動作が、抵抗変化素子MC211以外の抵抗変化素子に対して繰り返される。   When reading from the resistance change element MC211 is completed, a new address signal ADDRESS is input to the address buffer 202, and the operation in the read mode of the storage device 200 is repeated for resistance change elements other than the resistance change element MC211. .

このように、本実施の形態における記憶装置100は、書き込み工程では、第1の極性の複数の異なる電圧の書き込み電圧パルスのうちの一つの書き込み電圧パルスを抵抗変化素子に与えることで、抵抗変化素子を第1の抵抗状態から第2の抵抗状態へ変化させ、一方、読み出し工程では、第1の極性とは異なる第2の極性の複数の異なる電圧の読み出し電圧パルスを電圧の小さい方から順次与えたときに、抵抗変化素子を第2の抵抗状態から第1の抵抗状態の方向に最初に変化させた読み出し電圧パルスの大きさが複数の異なる大きさの何れであったかに応じて、複数の異なる大きさの書き込み電圧パルスのうちの何れの書き込み電圧パルスによって書き込み工程が行われたのかを判別する。   As described above, in the memory device 100 according to the present embodiment, in the writing process, one resistance voltage change is applied to the resistance change element by applying one of the writing voltage pulses of a plurality of different voltages having the first polarity to the resistance change element. The element is changed from the first resistance state to the second resistance state. On the other hand, in the reading process, read voltage pulses of a plurality of different voltages having a second polarity different from the first polarity are sequentially applied from the smaller voltage. Depending on whether the magnitude of the read voltage pulse that first changed the resistance change element in the direction from the second resistance state to the first resistance state was a plurality of different magnitudes, It is determined which of the write voltage pulses of different magnitudes has been used for the write process.

以上のように動作することにより、記憶装置200は、安定した多値記憶動作を実現することができる。   By operating as described above, the storage device 200 can realize a stable multi-value storage operation.

(その他の実施の形態)
上記の各実施の形態において、抵抗変化層はタンタル酸化物の積層構造で構成されていたが、本発明はこれに限定されるわけではない。例えば、ハフニウム(Hf)酸化物の積層構造またはジルコン(Zr)酸化物の積層構造などであってもよい。
(Other embodiments)
In each of the above embodiments, the variable resistance layer has a laminated structure of tantalum oxide, but the present invention is not limited to this. For example, a stacked structure of hafnium (Hf) oxide or a stacked structure of zircon (Zr) oxide may be used.

ハフニウム酸化物の積層構造を採用する場合は、第1ハフニウム酸化物の組成をHfOxとし、第2ハフニウム酸化物の組成をHfOyとすると、xが0.9以上1.6以下程度であって、yが1.89以上1.97以下程度であることが好ましい。 In the case of adopting a hafnium oxide laminated structure, when the composition of the first hafnium oxide is HfO x and the composition of the second hafnium oxide is HfO y , x is about 0.9 or more and 1.6 or less. Thus, y is preferably about 1.89 or more and 1.97 or less.

また、ジルコン酸化物の積層構造を採用する場合は、第1ジルコン酸化物の組成をZrOxとし、第2ジルコン酸化物の組成をZrOyとすると、xが0.9以上1.4以下程度であって、yが1.8以上2以下程度であることが好ましい。 Further, when a zircon oxide laminated structure is employed, if the composition of the first zircon oxide is ZrO x and the composition of the second zircon oxide is ZrO y , x is about 0.9 or more and 1.4 or less. In addition, it is preferable that y is about 1.8 or more and 2 or less.

また、抵抗変化層は酸素不足型の遷移金属酸化物の積層構造で構成されていなくてもよく、単層の酸素不足型の遷移金属酸化物によって構成されていてもよい。ここで、抵抗変化層が単層の酸素不足型のタンタル酸化物で構成された場合の抵抗−電圧特性及び電流−電圧特性について説明する。   Further, the resistance change layer may not be formed of a laminated structure of oxygen-deficient transition metal oxides, and may be formed of a single-layer oxygen-deficient transition metal oxide. Here, a resistance-voltage characteristic and a current-voltage characteristic when the variable resistance layer is formed of a single-layer oxygen-deficient tantalum oxide will be described.

図15(a)〜(f)は本発明のその他の実施の形態の抵抗変化素子(抵抗変化層が単層の酸素不足型のタンタル酸化物(組成をTaOxとした場合、x=1.57)で構成された抵抗変化素子)の抵抗−電圧特性を示す図であり、図15(a)乃至(f)は、それぞれ、書き込み電圧パルスVREC(m、m=1、2、・・・、6)が、それぞれ−1.00V,−1.25V,−1.50V,−1.75V,−2.00V及び−2.25Vの場合における抵抗−電圧特性をそれぞれ示している。また、図16(a)〜(f)は同じく抵抗変化素子の電流−電圧特性を示す図であり、図16(a)乃至(f)は、それぞれ、書き込み電圧パルスVREC(m、m=1、2、・・・、6)が、それぞれ−1.00V,−1.25V,−1.50V,−1.75V,−2.00V及び−2.25Vの場合における電流−電圧特性をそれぞれ示している。これらの図15(a)〜(f)及び図16(a)〜(f)と図2(a)〜(f)及び図3(a)〜(f)とを比較すると分かるように、抵抗変化層が単層の酸素不足型のタンタル酸化物で構成された場合も、酸素不足型のタンタル酸化物の積層構造で構成されている場合と同様に、書き込み電圧パルスVREC(m、m=1、2、・・・、6)より電圧値が大きく逆極性の電圧パルスを下部電極及び上部電極間に印加したときに低抵抗状態から高抵抗状態の方向へ変化するという特性を有している。したがって、上記の各実施の形態における抵抗変化層を単層の酸素不足型の遷移金属酸化物で構成したとしても、同様にして安定した多値記憶を実現することができる。 15A to 15F show resistance change elements according to other embodiments of the present invention (oxygen-deficient tantalum oxide having a single resistance change layer (when the composition is TaO x , x = 1. 57) is a diagram showing resistance-voltage characteristics of the variable resistance element configured as shown in FIG. 57, and FIGS. 15A to 15F show the write voltage pulse V REC (m, m = 1, 2,..., Respectively. 6) show the resistance-voltage characteristics in the case of -1.00V, -1.25V, -1.50V, -1.75V, -2.00V and -2.25V, respectively. FIGS. 16A to 16F are diagrams showing current-voltage characteristics of the variable resistance element, and FIGS. 16A to 16F show the write voltage pulse V REC (m, m = m = m). 1, 2,..., 6) are current-voltage characteristics at −1.00 V, −1.25 V, −1.50 V, −1.75 V, −2.00 V, and −2.25 V, respectively. Each is shown. 15A to 15F and FIGS. 16A to 16F are compared with FIGS. 2A to 2F and FIGS. 3A to 3F. Even when the change layer is formed of a single layer of oxygen-deficient tantalum oxide, the write voltage pulse V REC (m, m = 1, 2, ..., 6) has a characteristic of changing from a low resistance state to a high resistance state when a voltage pulse having a larger voltage value and a reverse polarity is applied between the lower electrode and the upper electrode. Yes. Therefore, even if the variable resistance layer in each of the above embodiments is formed of a single-layer oxygen-deficient transition metal oxide, stable multilevel storage can be realized in the same manner.

以上、本発明に係る抵抗変化素子の駆動方法及び不揮発性記憶装置について、実施の形態1〜6およびその他の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない範囲で各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、各実施の形態の構成要素を任意に組み合わせて得られる形態も、本発明に含まれる。つまり、上記の各実施の形態を適宜組み合わせることによって新たな実施の形態を実現することも可能である。   As described above, the variable resistance element driving method and the nonvolatile memory device according to the present invention have been described based on the first to sixth embodiments and other embodiments, but the present invention is limited to these embodiments. It is not something. Forms obtained by subjecting each embodiment to various modifications conceived by those skilled in the art without departing from the gist of the present invention, and forms obtained by arbitrarily combining components of each embodiment are also included in the present invention. included. In other words, a new embodiment can be realized by appropriately combining the above-described embodiments.

本発明の抵抗変化素子の駆動方法及び不揮発性記憶装置はそれぞれ、パーソナルコンピュータまたは携帯型電話機などの種々の電子機器に用いられる抵抗変化素子の駆動方法及び記憶装置などとして有用である。   The variable resistance element driving method and the nonvolatile memory device of the present invention are useful as a variable resistance element driving method and a storage device used in various electronic devices such as a personal computer or a portable phone, respectively.

1 基板
2 下部電極
3 抵抗変化層
3a 第1タンタル酸化物層
3b 第2タンタル酸化物層
4 上部電極
5 電源
10 抵抗変化素子
100 記憶装置
101 メモリセルアレイ
102 アドレスバッファ
103 制御部
104 行デコーダ
105 ワード線ドライバ
106 列デコーダ
107 ビット線ドライバ
200 不揮発性記憶装置
201 メモリセルアレイ
202 アドレスバッファ
203 制御部
204 行デコーダ
205 ワード線ドライバ
206 列デコーダ
207 ビット線/プレート線ドライバ
W1,W2,W3 ワード線
B1,B2,B3 ビット線
D11,D12,D13,D21,D22,D23,D31,D32,D33 双方向ダイオード
MC11,MC12,MC13,MC21,MC22,MC23,MC31,MC32,MC33 メモリセル
MC211,MC212,MC221,MC222 抵抗変化素子
T211,T212,T221,T222 選択トランジスタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Board | substrate 2 Lower electrode 3 Resistance change layer 3a 1st tantalum oxide layer 3b 2nd tantalum oxide layer 4 Upper electrode 5 Power supply 10 Resistance change element 100 Memory | storage device 101 Memory cell array 102 Address buffer 103 Control part 104 Row decoder 105 Word line Driver 106 Column decoder 107 Bit line driver 200 Non-volatile memory device 201 Memory cell array 202 Address buffer 203 Control unit 204 Row decoder 205 Word line driver 206 Column decoder 207 Bit line / plate line driver W1, W2, W3 Word lines B1, B2, B3 bit line D11, D12, D13, D21, D22, D23, D31, D32, D33 Bidirectional diode MC11, MC12, MC13, MC21, MC22, MC23, MC31, MC3 , MC33 memory cells MC211, MC212, MC221, MC222 variable resistance element T211, T212, T221, T222 select transistor

Claims (16)

極性の異なる電気パルスに応じて可逆的にその抵抗値が変化する抵抗変化素子を多値記憶素子として駆動する抵抗変化素子の駆動方法であって、
第1の極性の複数の異なる大きさの書き込み電気パルスのうちの一つの書き込み電気パルスを前記抵抗変化素子に与えることで、前記抵抗変化素子を第1の抵抗状態から第2の抵抗状態へ変化させる書き込み工程と、
前記第1の極性とは異なる第2の極性の複数の異なる大きさの読み出し電気パルスを大きさが小さい方から順次前記抵抗変化素子に与える読み出し工程と
を有し、
前記読み出し工程では、前記読み出し電気パルスが順次与えられたときに、前記抵抗変化素子を前記第2の抵抗状態から前記第1の抵抗状態の方向に最初に変化させた読み出し電気パルスの大きさが前記複数の異なる大きさの何れであったかに応じて、前記複数の異なる大きさの書き込み電気パルスのうちの何れの書き込み電気パルスによって前記書き込み工程が行われたのかを判別する
抵抗変化素子の駆動方法。
A resistance change element driving method for driving a resistance change element whose resistance value reversibly changes according to electric pulses of different polarities as a multi-value storage element,
The resistance change element is changed from the first resistance state to the second resistance state by applying to the resistance change element one write electrical pulse of a plurality of different magnitudes of the write electrical pulses having the first polarity. Writing process
A read step of sequentially applying a plurality of read electrical pulses having different second polarities different from the first polarity to the variable resistance element in order from a smaller magnitude,
In the reading step, when the read electrical pulse is sequentially applied, the magnitude of the read electrical pulse that first changed the resistance change element from the second resistance state to the first resistance state is as follows. A resistance change element driving method for determining which one of the plurality of different write electric pulses is used for the writing step depending on which of the plurality of different magnitudes is provided. .
前記書き込み工程では、前記第1の極性の複数の異なる電圧の書き込み電気パルスのうちの一つの書き込み電気パルスを前記抵抗変化素子に与えることで、前記抵抗変化素子を第1の抵抗状態から第2の抵抗状態へ遷移させ、
前記読み出し工程では、前記第2の極性の複数の異なる電圧の読み出し電気パルスを電圧の絶対値が小さい方から順次前記抵抗変化素子に与えたときに、前記抵抗変化素子を前記第2の抵抗状態から前記第1の抵抗状態の方向に最初に変化させた読み出し電気パルスの電圧が前記複数の異なる電圧の何れであったかに応じて、前記複数の異なる電圧の書き込み電気パルスのうちの何れの書き込み電気パルスによって前記書き込み工程が行われたのかを判別する
請求項1記載の抵抗変化素子の駆動方法。
In the writing step, by applying one write electric pulse of the plurality of different voltage write electric pulses having the first polarity to the resistance change element, the resistance change element is changed from the first resistance state to the second resistance state. Transition to the resistance state of
In the reading step, when the plurality of different voltage reading electrical pulses having the second polarity are sequentially applied to the resistance change element from the one having the smallest absolute value of the voltage, the resistance change element is set to the second resistance state. Depending on which of the plurality of different voltages is the voltage of the read electric pulse first changed in the direction of the first resistance state from which of the plurality of write electric pulses of the plurality of different voltages The method of driving a resistance change element according to claim 1, wherein it is determined whether the writing process has been performed by a pulse.
前記書き込み工程では、前記第1の極性の複数の異なる電流の書き込み電気パルスのうちの一つの電流の書き込み電気パルスを前記抵抗変化素子に与えることで、前記抵抗変化素子を第1の抵抗状態から第2の抵抗状態へ遷移させ、
前記読み出し工程では、前記第2の極性の複数の異なる電流の読み出し電気パルスを電流の大きさが小さい方から順次前記抵抗変化素子に与えたときに、前記抵抗変化素子を前記第2の抵抗状態から前記第1の抵抗状態の方向に最初に変化させた読み出し電気パルスの電流が前記複数の異なる電流の何れであったかに応じて、前記複数の異なる電流の書き込み電気パルスのうちの何れの書き込み電気パルスによって前記書き込み工程が行われたのかを判別する
請求項1記載の抵抗変化素子の駆動方法。
In the writing step, the resistance change element is moved from the first resistance state by applying a write electric pulse of one current among a plurality of different write electric pulses of the first polarity to the resistance change element. Transition to the second resistance state,
In the reading step, when the plurality of different electrical current reading pulses having the second polarity are sequentially applied to the resistance change element from the smaller current magnitude, the resistance change element is set to the second resistance state. Depending on which of the plurality of different currents the current of the read electrical pulse first changed in the direction of the first resistance state from which of the plurality of write electrical pulses of the plurality of different currents The method of driving a resistance change element according to claim 1, wherein it is determined whether the writing process has been performed by a pulse.
前記書き込み工程では、前記抵抗変化素子を高抵抗状態から低抵抗状態へ変化させ、
前記読み出し工程では、前記読み出し電気パルスが順次与えられたときに、前記抵抗変化素子を低抵抗状態から高抵抗状態の方向に最初に変化させた読み出し電気パルスの大きさが前記複数の異なる大きさの何れであったかに応じて、前記複数の異なる大きさの書き込み電気パルスのうちの何れの書き込み電気パルスによって前記書き込み工程が行われたのかを判別する
請求項1〜3のいずれか1項に記載の抵抗変化素子の駆動方法。
In the writing step, the variable resistance element is changed from a high resistance state to a low resistance state,
In the readout step, when the readout electrical pulse is sequentially applied, the magnitude of the readout electrical pulse that first changed the resistance change element from the low resistance state to the high resistance state is the plurality of different magnitudes. 4. The method according to claim 1, wherein a write electrical pulse among the plurality of different write electrical pulses is used to determine whether the write process has been performed according to which one of the plurality of write electrical pulses is different. Driving method of the variable resistance element.
前記読み出し工程の後、前記書き込み工程において前記抵抗変化素子に与えた書き込み電気パルスと同じ大きさの書き込み電気パルスを前記抵抗変化素子へ与える再書き込み工程をさらに有する
請求項1〜4のいずれか1項に記載の抵抗変化素子の駆動方法。
5. The method according to claim 1, further comprising a rewriting step of applying, to the resistance change element, a write electric pulse having the same magnitude as the write electric pulse applied to the resistance change element in the writing step after the reading step. The resistance change element driving method according to Item.
前記読み出し工程では、前記抵抗変化素子に確認電気パルスを与えることによって前記抵抗変化素子の規定値としての抵抗状態を検出しておき、前記読み出し電気パルスを与えた後の抵抗状態と前記規定値としての抵抗状態とを比較することにより、前記抵抗変化素子が前記第2の抵抗状態から前記第1の抵抗状態の方向に最初に変化したことを検出する
請求項1〜5のいずれか1項に記載の抵抗変化素子の駆動方法。
In the reading step, a resistance state as a prescribed value of the resistance change element is detected by giving a confirmation electric pulse to the resistance change element, and the resistance state and the prescribed value after the reading electric pulse is given. The resistance state of the first change state is detected by comparing the resistance change element with the first resistance state in the direction from the second resistance state to the first resistance state. A driving method of the resistance change element described.
前記読み出し工程では、前記読み出し電気パルスを順次与えたときに、前記抵抗変化素子の抵抗値が、直前に読み出し電気パルスを与えたときにおける抵抗値から、予め定めた変化量よりも大きく変化したことを検出したときに、前記抵抗変化素子が前記第2の抵抗状態から前記第1の抵抗状態の方向に最初に変化したと検出する
請求項1〜5のいずれか1項に記載の抵抗変化素子の駆動方法。
In the reading step, when the read electrical pulse is sequentially applied, the resistance value of the variable resistance element has changed from a resistance value obtained immediately before the read electrical pulse is applied by a larger amount than a predetermined change amount. The variable resistance element according to any one of claims 1 to 5, wherein the variable resistance element detects that the variable resistance element has first changed from the second resistance state to the first resistance state. Driving method.
第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に介在し、両電極間に与えられる極性の異なる電気パルスに応じて可逆的にその抵抗値が変化する抵抗変化層とを有する抵抗変化素子を含むメモリセルが複数個から構成されるメモリセルアレイと、
前記メモリセルアレイから少なくとも一つのメモリセルを選択する選択回路と、
前記選択回路を制御することで前記メモリセルから少なくとも一つのメモリセルを選択させ、選択されたメモリセルに対する書き込み工程または読み出し工程を実行する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記書き込み工程では、第1の極性の複数の異なる大きさの書き込み電気パルスのうちの一つの書き込み電気パルスを、選択された前記メモリセルに含まれる抵抗変化素子の両電極間に与えることによって、前記抵抗変化層の抵抗状態を第1の抵抗状態から第2の抵抗状態へ変化させ、
前記読み出し工程では、前記第1の極性とは異なる第2の極性の複数の異なる大きさの読み出し電気パルスを大きさが小さい方から順次両電極間に与え、前記読み出し電気パルスが順次両電極間に与えられたときに、前記抵抗変化層を前記第2の抵抗状態から前記第1の抵抗状態の方向に最初に変化させた読み出し電気パルスの大きさが前記複数の異なる大きさの何れであったかに応じて、前記複数の異なる大きさの書き込み電気パルスのうちの何れの書き込み電気パルスによって前記書き込み工程が行われたのかを判別する
不揮発性記憶装置。
A resistance that intervenes between the first electrode, the second electrode, and the first electrode and the second electrode, and whose resistance value reversibly changes according to electric pulses of different polarities applied between the two electrodes. A memory cell array including a plurality of memory cells each including a variable resistance element having a change layer;
A selection circuit for selecting at least one memory cell from the memory cell array;
A control unit that controls the selection circuit to select at least one memory cell from the memory cells, and executes a writing process or a reading process for the selected memory cell;
The controller is
In the write step, by applying one write electric pulse of a plurality of different write electric pulses having a first polarity between both electrodes of the resistance change element included in the selected memory cell, Changing the resistance state of the variable resistance layer from the first resistance state to the second resistance state;
In the readout step, a plurality of readout electrical pulses having different second polarities different from the first polarity are sequentially applied between the two electrodes from the smallest size, and the readout electrical pulses are sequentially applied between the two electrodes. The magnitude of the read electrical pulse that first changed the resistance change layer from the second resistance state to the first resistance state was one of the plurality of different magnitudes. In accordance with the non-volatile memory device, it is determined which of the plurality of write electric pulses having different magnitudes the write electric pulse has performed the write process.
前記制御部は、
前記書き込み工程では、前記抵抗変化層を高抵抗状態から低抵抗状態へ変化させ、
前記読み出し工程では、前記読み出し電気パルスが順次両電極間に与えられたときに、前記抵抗変化層を低抵抗状態から高抵抗状態の方向に最初に変化させた読み出し電気パルスの大きさが前記複数の異なる大きさの何れであったかに応じて、前記複数の異なる大きさの書き込み電気パルスのうちの何れの書き込み電気パルスによって前記書き込み工程が行われたのかを判別する
請求項8に記載の不揮発性記憶装置。
The controller is
In the writing step, the resistance change layer is changed from a high resistance state to a low resistance state,
In the readout step, when the readout electrical pulse is sequentially applied between both electrodes, the magnitude of the readout electrical pulse that first changed the resistance change layer from the low resistance state to the high resistance state is the plurality of The non-volatile device according to claim 8, wherein a write electric pulse of the plurality of different write electric pulses is used to determine whether the write process is performed according to which of the different electric sizes is different. Storage device.
前記制御部は、前記読み出し工程の後、前記書き込み工程において両電極間に与えた書き込み電気パルスと同じ大きさの書き込み電気パルスを前記両電極間に与えることによって、前記抵抗変化層の抵抗状態を変化させる再書き込み工程をさらに実行する
請求項8または9に記載の不揮発性記憶装置。
The control unit, after the reading step, gives a writing electric pulse between the electrodes having the same magnitude as the writing electric pulse given between the electrodes in the writing step, thereby changing the resistance state of the resistance change layer. The non-volatile memory device according to claim 8, further executing a rewriting process to be changed.
前記抵抗変化層は、酸素不足型の遷移金属酸化物を含んで構成されている
請求項8乃至10の何れかに記載の不揮発性記憶装置。
The nonvolatile memory device according to claim 8, wherein the variable resistance layer includes an oxygen-deficient transition metal oxide.
前記遷移金属酸化物は、MOxで表される組成を有する第1の酸素不足型の遷移金属酸化物を含む第1の領域と、MOy(但し、x<y)で表される組成を有する第2の酸素不足型の遷移金属酸化物を含む第2の領域とを有している
請求項11に記載の不揮発性記憶装置。
The transition metal oxide includes a first region containing a first oxygen-deficient transition metal oxide having a composition represented by MO x , and a composition represented by MO y (where x <y). The nonvolatile memory device according to claim 11, further comprising: a second region containing a second oxygen-deficient transition metal oxide.
前記第1の領域は、TaOx(但し、0.8≦x≦1.9)で表される組成を有するタンタル酸化物を含んでおり、
前記第2の領域は、TaOy(但し、2.1≦y≦2.5)で表される組成を有するタンタル酸化物を含んでいる
請求項12に記載の不揮発性記憶装置。
The first region includes a tantalum oxide having a composition represented by TaO x (where 0.8 ≦ x ≦ 1.9),
The nonvolatile memory device according to claim 12, wherein the second region includes a tantalum oxide having a composition represented by TaO y (where 2.1 ≦ y ≦ 2.5).
前記複数個のメモリセルのそれぞれは、前記抵抗変化層に電気的に接続された負荷素子をさらに備える
請求項9乃至13の何れかに記載の不揮発性記憶装置。
14. The nonvolatile memory device according to claim 9, wherein each of the plurality of memory cells further includes a load element electrically connected to the resistance change layer.
前記負荷素子は、ダイオードである
請求項14に記載の不揮発性記憶装置。
The nonvolatile memory device according to claim 14, wherein the load element is a diode.
前記負荷素子は、トランジスタである
請求項14に記載の不揮発性記憶装置。
The nonvolatile memory device according to claim 14, wherein the load element is a transistor.
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