JP2012169000A - Driving method of resistance change element, nonvolatile storage device, resistance change element and multiple value storage method - Google Patents

Driving method of resistance change element, nonvolatile storage device, resistance change element and multiple value storage method Download PDF

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覚 三谷
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a driving method of a resistance change element capable of stably reading and writing storage states of multiple values.SOLUTION: A driving method of a resistance change element 10 reversibly changes an interelectrode resistance value that is a resistance value between a first electrode 2 and a second electrode 4 by applying an interelectrode voltage that is a potential of the second electrode 4 based on the first electrode 2 to the resistance change element 10. With reference to Vα, Vβ, Vγ, RL, RM and RH that satisfy the following expressions: Vα<Vβ<0; Vγ>0; and RL<RM<RH, the driving method thereof comprises: a writing process for causing the interelectrode resistance value to be RL by means of an application of an interelectrode voltage Vα thereto; a first erasing process for causing the interelectrode resistance value to be RM by means of an application of an interelectrode voltage Vγ thereto after the writing process is performed; and a second erasing process for causing the interelectrode resistance value to be RH by means of an application of an interelectrode voltage Vβ thereto after the first erasing process is performed.

Description

本発明は、与えられる電気的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等に関する。   The present invention relates to a resistance change element driving method in which a resistance value changes in accordance with an applied electric pulse, a nonvolatile memory device that implements the method, and the like.

近年では、電子機器におけるデジタル技術の進展に伴い、画像などのデータを保存するため、不揮発性抵抗変化素子(以下、単に「抵抗変化素子」という。)の大容量化、書き込み電力の低減化、書き込み/読み出し時間の高速化、及び長寿命化等の要求が高まっているこうした要求に対し、既存のフローティングゲートを用いたフラッシュメモリの微細化での対応には限界があると言われている。   In recent years, with the advancement of digital technology in electronic devices, in order to store data such as images, the capacity of nonvolatile resistance change elements (hereinafter simply referred to as “resistance change elements”) is increased, the writing power is reduced, It is said that there is a limit to the miniaturization of the flash memory using the existing floating gate in response to such demands for increasing the writing / reading time and extending the lifetime.

上記要求に応えることができる可能性のある第1の従来技術として、ペロブスカイト材料(例えば、Pr(1−x)CaMnO[PCMO]、LaSrMnO[LSMO]、GdBaCo[GBCO]など)を用いた抵抗変化素子が提案されている(特許文献1を参照)。この技術は、ペロブスカイト材料に極性の異なる電圧パルス(継続時間の短い波状の電圧)を印加してその抵抗値を増大または減少させ、変化する抵抗値にデータを対応させることによってデータを記憶させるというものである。さらに、特許文献2や3には、2値(低抵抗と高抵抗の2つの状態)を記憶可能な素子だけではなく、3値以上の多値を記憶可能な素子として用いる技術が、記載されている。 As a first prior art that can possibly meet the above requirements, perovskite materials (for example, Pr (1-x) Ca x MnO 3 [PCMO], LaSrMnO 3 [LSMO], GdBaCo x O y [GBCO] Etc.) have been proposed (see Patent Document 1). This technique is designed to store data by applying a voltage pulse (wave voltage with short duration) of different polarity to a perovskite material to increase or decrease its resistance value, and to correspond the data to a changing resistance value. Is. Furthermore, Patent Documents 2 and 3 describe a technique that uses not only an element capable of storing binary values (two states of low resistance and high resistance) but also an element capable of storing multiple values of three or more values. ing.

また、同極性の電圧パルスを用いて抵抗値を切り替えることを可能とする第2の従来技術として、遷移金属酸化物(NiO、VO、ZnO、NbO5、TiO、WO、またはCoO)の膜にパルス幅の異なる電圧パルスを印加することにより、当該遷移金属酸化物膜の抵抗値が変化することを利用した抵抗変化素子もある(特許文献4を参照)。遷移金属酸化物膜を用いた抵抗変化素子では、ダイオードを用いたクロスポイント型メモリセルアレイを積層した構成も実現されている。 In addition, as a second conventional technique that makes it possible to switch the resistance value using voltage pulses of the same polarity, transition metal oxides (NiO, V 2 O, ZnO, Nb 2 O 5, TiO 2 , WO 3 , or There is also a resistance change element that utilizes a change in resistance value of the transition metal oxide film by applying a voltage pulse having a different pulse width to the CoO film (see Patent Document 4). In the variable resistance element using the transition metal oxide film, a configuration in which cross-point type memory cell arrays using diodes are stacked is also realized.

米国特許第6204139号明細書US Pat. No. 6,204,139 米国特許第6473332号明細書US Pat. No. 6,473,332 特開2004−185756号公報JP 2004-185756 A 特開2004−363604号公報JP 2004-363604 A

前記第1の従来技術の多値を記憶可能な素子における課題について述べる。   A problem in the element capable of storing the multi-value of the first prior art will be described.

図11は、特許文献2に開示されている、PCMOを用いた素子の、電気的パルスによる抵抗変化の一例を示す図である。図から、初期状態にある抵抗値が500Ω程度の素子に対し、所定の極性、電圧、およびパルス幅を有する電気的パルスを所定の回数印加することにより、抵抗値を上昇もしくは低下させることが可能であることが分かる。抵抗値はほぼ連続的な値を取ることができる。そこで、互いに異なる抵抗値を有する3個以上の状態を選択的に利用し、互いに異なる3個以上の数値をそれぞれの抵抗値に対応させることにより、多値の記憶素子が実現できるとされている。   FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a resistance change caused by an electrical pulse of an element using PCMO disclosed in Patent Document 2. In FIG. From the figure, it is possible to increase or decrease the resistance value by applying a predetermined number of electrical pulses having a predetermined polarity, voltage, and pulse width to an element with an initial resistance value of about 500Ω. It turns out that it is. The resistance value can take a substantially continuous value. Therefore, it is said that a multi-value storage element can be realized by selectively using three or more states having different resistance values and corresponding three or more different values to the respective resistance values. .

図10は、特許文献3に開示されている、PCMO等を用いた抵抗変化素子の、印加する電圧と抵抗値との関係を示す図である。なお、図10では、印加されている電気的パルスはそれぞれ1回である。この図でも、素子の抵抗値が印加された電気的パルスの電圧値に応じてほぼ連続的に変化しているのが分かる。この場合も、特許文献2の場合と同様に、多値の記憶素子が実現可能であるとされている。   FIG. 10 is a diagram illustrating a relationship between a voltage to be applied and a resistance value of a resistance change element using PCMO or the like disclosed in Patent Document 3. In FIG. 10, the applied electrical pulse is once. Also in this figure, it can be seen that the resistance value of the element changes almost continuously according to the voltage value of the applied electric pulse. In this case as well, as in the case of Patent Document 2, a multi-value storage element can be realized.

3個以上の抵抗状態を利用する多値の記憶素子では、素子がどの抵抗状態にあるかが、素子の抵抗値を読み出すことにより判別される。したがって、誤動作を防止するためには、各抵抗状態における抵抗値が互いにある程度の差を持つことが必要である。しかしながら、特許文献2や3に開示されている素子では、印加される電気的パルスの電圧やパルス幅、回数によって、抵抗値が連続的に変化する。このため、同一の電気的パルスを印加しても、素子自体の不均一性や電気的パルスの電圧、パルス幅、回数などを反映して、実現される抵抗値がばらつき、安定しない。また、記憶素子の抵抗値は必ずしも安定性が十分に高いとは言えない。このため、それぞれの抵抗状態における抵抗値の差が小さい場合は、セットされた抵抗値が、状態の温度等の変化により別の状態とみなされる程度に変化することがある。このように、従来の記憶素子では、多値の情報を記憶する抵抗変化素子として安定に動作させることが難しいという課題がある。   In a multi-value storage element using three or more resistance states, the resistance state of the element is determined by reading the resistance value of the element. Therefore, in order to prevent malfunction, it is necessary that the resistance values in the respective resistance states have a certain difference from each other. However, in the elements disclosed in Patent Documents 2 and 3, the resistance value continuously changes depending on the voltage, pulse width, and number of applied electrical pulses. For this reason, even if the same electric pulse is applied, the resistance value to be realized varies due to the non-uniformity of the element itself, the voltage, the pulse width, the number of times of the electric pulse, etc., and is not stable. In addition, the resistance value of the memory element is not necessarily sufficiently stable. For this reason, when the difference between the resistance values in the respective resistance states is small, the set resistance value may change to such an extent that it is regarded as another state due to a change in the temperature of the state. As described above, the conventional memory element has a problem that it is difficult to stably operate as a variable resistance element that stores multi-value information.

さらに、Pr0.7Ca0.3MnOのようなペロブスカイト構造を有する酸化物結晶では、その結晶化のために通常650℃〜850℃という高温を必要とするため、半導体製造プロセスに導入すると、他の材料が劣化するという問題もある。 Furthermore, since an oxide crystal having a perovskite structure such as Pr 0.7 Ca 0.3 MnO 3 usually requires a high temperature of 650 ° C. to 850 ° C. for its crystallization, when introduced into a semiconductor manufacturing process, There is also a problem that other materials deteriorate.

また、前記第2の従来技術に開示されている、NiO、VO、ZnO、Nb、TiO、WO、またはCoOといった遷移金属と酸素からなる、構成が比較的単純な遷移金属酸化物膜を用いた抵抗変化型素子においては、多値の記憶素子については言及されていない。 Also, a transition having a relatively simple structure, which is made of a transition metal such as NiO, V 2 O, ZnO, Nb 2 O 5 , TiO 2 , WO 3 , or CoO and oxygen, disclosed in the second prior art. In a resistance variable element using a metal oxide film, no mention is made of a multi-value memory element.

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、多値の記憶状態を安定して読み書き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等を提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and its main object is to provide a resistance change element driving method capable of stably reading and writing a multi-value storage state, and a nonvolatile storage device for implementing the method. It is to provide.

さらに、本発明は、低温で製造可能であり、多値の記憶状態を安定して読み書き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等を提供することをも目的とする。   Furthermore, another object of the present invention is to provide a method of driving a resistance change element that can be manufactured at a low temperature and that can stably read and write a multi-value storage state, and a nonvolatile storage device that implements the method. 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、第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に配設される酸素不足型の遷移金属酸化物で構成される抵抗変化層とを備える抵抗変化素子に対して、前記第1電極を基準とする前記第2電極の電位である電極間電圧を印加することによって、前記第1電極と前記第2電極との間の抵抗値である電極間抵抗値を可逆的に変化させる抵抗変化素子の駆動方法であって、第1の極性の前記電極間電圧Vα及びVβと、前記第1の極性とは異なる第2の極性の前記電極間電圧Vγ、及びRL<RM<RHを満たすRL、RM、RHについて、前記電極間電圧Vα及びVβは、|Vα|>|Vβ|を満足し、前記電極間電圧Vαを前記抵抗変化素子に印加することによって前記電極間抵抗値を前記RLにする書き込み過程と、前記電極間抵抗値が前記RLの前記抵抗変化素子に前記電極間電圧Vγを印加することによって、前記抵抗変化素子の前記電極間抵抗値を前記RMにする第1の消去過程と、前記電極間抵抗値が前記RMの前記抵抗変化素子に前記電極間電圧Vβを印加することによって、前記電極間抵抗値を前記RHにする第2の消去過程とを有する。   In order to solve the above-described problem, a resistance change element driving method according to an aspect of the present invention is provided between a first electrode, a second electrode, and the first electrode and the second electrode. By applying an interelectrode voltage that is a potential of the second electrode with respect to the first electrode to a resistance change element including a resistance change layer made of an oxygen-deficient transition metal oxide A resistance change element driving method for reversibly changing an interelectrode resistance value which is a resistance value between the first electrode and the second electrode, the interelectrode voltages Vα and Vβ having a first polarity. And, for the RL, RM, and RH that satisfy the inter-electrode voltage Vγ having a second polarity different from the first polarity and RL <RM <RH, the inter-electrode voltages Vα and Vβ are | Vα |> | Vβ | is satisfied, and the interelectrode voltage Vα is applied to the variable resistance element. The writing process of setting the interelectrode resistance value to the RL, and applying the interelectrode voltage Vγ to the variable resistance element having the interelectrode resistance value of the RL, whereby the interelectrode resistance of the resistance change element A first erasing process for setting the value to the RM; and a second erasing process for setting the inter-electrode resistance value to the RH by applying the inter-electrode voltage Vβ to the resistance change element having the inter-electrode resistance value of the RM. Erasing process.

これにより、印加する電極間電圧に応じて、電極間抵抗値はRL、RM、RHの少なくとも3値をとり、かつ、印加するパルス電圧の電圧値が変化しても電極間抵抗値がほとんど変化しない安定領域の抵抗値、あるいは、抵抗値が変化しても抵抗状態の判定が容易になる抵抗状態を記憶状態として使うことができるので、多値の読み書きを安定して行うことができる抵抗変化素子の駆動方法が実現される。   As a result, the interelectrode resistance value takes at least three values of RL, RM, and RH according to the applied interelectrode voltage, and the interelectrode resistance value changes almost even when the applied pulse voltage value changes. Resistance value that can be read and written stably in multiple values because the resistance value in the stable region that does not work or the resistance state that makes it easy to determine the resistance state even if the resistance value changes can be used as the memory state An element driving method is realized.

ここで、さらに、前記第2の消去過程を実施した後、前記第1の消去過程と前記第2の消去過程とをさらに1回以上実施することによって、前記電極間抵抗値を前記RHにする第3の消去過程を有してもよい。このとき、前記第3の消去過程では、前記第2の消去過程後における前記電極間抵抗値が予め定められた閾値よりも大きいか否かを判断し、前記電極間抵抗値が前記閾値よりも大きくない場合に、前記第1の消去過程と前記第2の消去過程とを少なくとも1回実行することが好ましい。   Here, after the second erasing process is performed, the first erasing process and the second erasing process are further performed one or more times, so that the interelectrode resistance value is set to the RH. A third erasing process may be included. At this time, in the third erasing process, it is determined whether the interelectrode resistance value after the second erasing process is larger than a predetermined threshold value, and the interelectrode resistance value is larger than the threshold value. If not, it is preferable that the first erasing process and the second erasing process are executed at least once.

これにより、低抵抗状態または中抵抗状態にある抵抗変化素子が、より確実に高抵抗状態に変化するので、多値の読み書きをより安定して行うことができる抵抗変化素子の駆動方法が実現される。   As a result, the resistance change element in the low resistance state or the medium resistance state is more reliably changed to the high resistance state, so that the resistance change element driving method capable of performing multi-valued reading and writing more stably is realized. The

また、前記抵抗変化層は、前記第1電極に接続される第1の酸素不足型の遷移金属酸化物で構成される第1の抵抗変化層と、当該第1の遷移金属酸化物よりも酸素不足度が小さく、かつ、前記第2電極に接続される第2の遷移金属酸化物で構成される第2の抵抗変化層とが積層されて構成されることが好ましい。このとき、前記第2の抵抗変化層は、前記第1の抵抗変化層より抵抗値が高い、あるいは、前記第2の遷移金属酸化物を構成する第2の遷移金属の標準電極電位は、前記第1の遷移金属酸化物を構成する第1の遷移金属の標準電極電位より低いことが好ましい。たとえば、前記第1の遷移金属酸化物は、TaO(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で構成され、前記第2の遷移金属酸化物は、TaO(但し、2.1≦y)で表される組成を有するタンタル酸化物で構成されてもよい。 In addition, the variable resistance layer includes a first variable resistance layer made of a first oxygen-deficient transition metal oxide connected to the first electrode, and an oxygen concentration higher than that of the first transition metal oxide. Preferably, the degree of deficiency is small, and a second variable resistance layer composed of a second transition metal oxide connected to the second electrode is laminated. At this time, the second resistance change layer has a resistance value higher than that of the first resistance change layer, or the standard electrode potential of the second transition metal constituting the second transition metal oxide is It is preferable that the potential is lower than the standard electrode potential of the first transition metal constituting the first transition metal oxide. For example, the first transition metal oxide is composed of tantalum oxide having a composition represented by TaO x (where 0.8 ≦ x ≦ 1.9), and the second transition metal oxide is , TaO y (where 2.1 ≦ y), and may be composed of a tantalum oxide having a composition.

これにより、低温で製造可能な抵抗変化素子の駆動方法であって、多値の読み書きを安定して行うことができる抵抗変化素子の駆動方法が実現される。   Thus, a resistance change element driving method that can be manufactured at a low temperature and that can stably read and write multiple values is realized.

また、本発明の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電極との間に配設される酸素不足型の遷移金属酸化物で構成される抵抗変化層とを備える抵抗変化素子を含むメモリセルと、前記メモリセルにパルス電圧を印加するパルス電圧印加部とを備え、前記パルス電圧印加部は、前記第1電極を基準とする前記第2電極の電位である電極間電圧を前記メモリセルに印加することによって前記第1電極と前記第2電極との間の抵抗値である電極間抵抗値を可逆的に変化させ、第1の極性の電極間電圧Vα及びVβと、前記第1の極性とは異なる第2の極性の電極間電圧Vγ、及びRL<RM<RHを満たすRL、RM、RHについて、前記電極間電圧Vα及びVβは、|Vα|>|Vβ|を満足し、前記電極間電圧Vαを前記メモリセルに印加することによって、前記電極間抵抗値を前記RLにする書き込み過程と、前記電極間抵抗値が前記RLの前記抵抗変化素子に前記電極間電圧Vγを印加することによって、前記電極間抵抗値を前記RMにする第1の消去過程と、前記電極間抵抗値が前記RMの前記抵抗変化素子に前記電極間電圧Vβを前記メモリセルに印加することによって、前記電極間抵抗値を前記RHにする第2の消去過程とを実行する。   In addition, the nonvolatile memory device according to one embodiment of the present invention includes a first electrode, a second electrode, and an oxygen-deficient transition disposed between the first electrode and the second electrode. A memory cell including a resistance change element including a resistance change layer made of a metal oxide; and a pulse voltage application unit that applies a pulse voltage to the memory cell, wherein the pulse voltage application unit includes the first electrode. The interelectrode resistance value, which is the resistance value between the first electrode and the second electrode, is reversibly changed by applying to the memory cell an interelectrode voltage that is the potential of the second electrode with reference to The first polarity interelectrode voltages Vα and Vβ, the second polarity interelectrode voltage Vγ different from the first polarity, and RL, RM, RH satisfying RL <RM <RH. Voltage Vα and Vβ satisfy | Vα |> | Vβ | By applying the interelectrode voltage Vα to the memory cell, the writing process of setting the interelectrode resistance value to the RL, and applying the interelectrode voltage Vγ to the resistance change element having the interelectrode resistance value of the RL A first erasing process in which the interelectrode resistance value is set to the RM, and applying the interelectrode voltage Vβ to the memory cell with the resistance change element having the interelectrode resistance value of the RM, A second erasing process is performed to set the inter-electrode resistance value to the RH.

これにより、パルス電圧印加部によって印加されるパルス電圧の値に応じて電極間抵抗値はRL、RM、RHの少なくとも3値をとり、かつ、印加するパルス電圧の電圧値が変化しても電極間抵抗値がほとんど変化しない安定領域の抵抗値、あるいは、抵抗値が変化しても抵抗状態の判定が容易になる抵抗状態を記憶状態として使うことができるので、多値の読み書きを安定して行うことができる抵抗変化素子の駆動方法を実施する不揮発性記憶装置が実現される。   Accordingly, the interelectrode resistance value takes at least three values of RL, RM, and RH according to the value of the pulse voltage applied by the pulse voltage application unit, and the electrode even if the voltage value of the applied pulse voltage changes. It is possible to use the resistance value in a stable region where the resistance value hardly changes, or the resistance state that makes it easy to determine the resistance state even if the resistance value changes as the memory state, so stable reading and writing of multiple values A nonvolatile memory device that implements a variable resistance element driving method that can be performed is realized.

ここで、前記パルス電圧印加部はさらに、前記第2の消去過程を実施した後、前記第1の消去過程と前記第2の消去過程とを少なくとも1回実施することによって、前記電極間抵抗値を前記RHにする第3の消去過程を実行してもよい。このとき、前記パルス電圧印加部は、前記第3の消去過程では、前記第2の消去過程後における前記電極間抵抗値が予め定められた閾値よりも大きいか否かを判断し、前記電極間抵抗値が前記閾値よりも大きくない場合に、前記第1の消去過程と前記第2の消去過程とを少なくとも1回実行することが好ましい。   Here, the pulse voltage application unit further performs the first erasing process and the second erasing process at least once after performing the second erasing process, whereby the interelectrode resistance value is obtained. A third erasing process may be performed to set RH to RH. At this time, in the third erasing process, the pulse voltage application unit determines whether the interelectrode resistance value after the second erasing process is larger than a predetermined threshold value, When the resistance value is not larger than the threshold value, it is preferable to execute the first erasing process and the second erasing process at least once.

これにより、パルス電圧印加部によって、低抵抗状態または中抵抗状態にある抵抗変化素子が、より確実に高抵抗状態に変化するので、多値の読み書きをより安定して行うことができる抵抗変化素子の駆動方法を実施する不揮発性記憶装置が実現される。   As a result, the resistance change element in the low resistance state or the intermediate resistance state is more reliably changed to the high resistance state by the pulse voltage application unit, so that the resistance change element that can perform multi-level reading and writing more stably. A nonvolatile memory device that implements the driving method is realized.

また、前記抵抗変化層は、前記第1電極に接続される第1の酸素不足型の遷移金属酸化物で構成される第1の抵抗変化層と、当該第1の遷移金属酸化物よりも酸素不足度が小さく、かつ、前記第2電極に接続される第2の遷移金属酸化物で構成される第2の抵抗変化層とが積層されて構成されることが好ましい。このとき、前記第2の抵抗変化層は、前記第1の抵抗変化層より抵抗値が高い、あるいは、前記第2の遷移金属酸化物を構成する第2の遷移金属の標準電極電位は、前記第1の遷移金属酸化物を構成する第1の遷移金属の標準電極電位より低いことが好ましい。たとえば、前記第1の遷移金属酸化物は、TaO(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で構成され、前記第2の遷移金属酸化物は、TaO(但し、2.1≦y)で表される組成を有するタンタル酸化物で構成されてもよい。 In addition, the variable resistance layer includes a first variable resistance layer made of a first oxygen-deficient transition metal oxide connected to the first electrode, and an oxygen concentration higher than that of the first transition metal oxide. Preferably, the degree of deficiency is small, and a second variable resistance layer composed of a second transition metal oxide connected to the second electrode is laminated. At this time, the second resistance change layer has a resistance value higher than that of the first resistance change layer, or the standard electrode potential of the second transition metal constituting the second transition metal oxide is It is preferable that the potential is lower than the standard electrode potential of the first transition metal constituting the first transition metal oxide. For example, the first transition metal oxide is composed of tantalum oxide having a composition represented by TaO x (where 0.8 ≦ x ≦ 1.9), and the second transition metal oxide is , TaO y (where 2.1 ≦ y), and may be composed of a tantalum oxide having a composition.

これにより、低温で製造可能な抵抗変化素子の駆動方法であって、多値の読み書きを安定して行うことができる抵抗変化素子の駆動方法を実施する不揮発性記憶装置が実現される。   This realizes a nonvolatile memory device that implements a variable resistance element driving method that can be manufactured at a low temperature and that can stably read and write multiple values.

また、前記メモリセルは、前記第1電極または前記第2電極に接続された電流制御素子をさらに備えることが好ましい。このとき、前記電流制御素子は、選択トランジスタであってもよいし、前記電流制御素子は、ダイオードであってよい。   The memory cell may further include a current control element connected to the first electrode or the second electrode. At this time, the current control element may be a selection transistor, and the current control element may be a diode.

なお、本発明は、第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に配設される酸素不足型の遷移金属酸化物で構成される抵抗変化層とを備え、前記第1電極を基準とする前記第2電極の電位である電極間電圧を印加されることによって前記第1電極と前記第2電極との間の抵抗値である電極間抵抗値が可逆的に変化し、第1の極性の電極間電圧Vα及びVβと、前記第1の極性とは異なる第2の極性の電極間電圧Vγ、及びRL<RM<RHを満たすRL、RM、RHについて、前記電極間電圧Vα及びVβは、|Vα|>|Vβ|を満足し、前記電極間電圧Vαが印加されることによって前記電極間抵抗値がRLに変化し、前記電極間抵抗値が前記RLのときに、前記電極間電圧Vγが印加されることによって前記電極間抵抗値が前記RMに変化し、前記電極間抵抗値が前記RMのときに、前記電極間電圧Vβが印加されることによって前記電極間抵抗値が前記RHに変化することを特徴とする抵抗変化素子として実現してもよい。   The present invention includes a first electrode, a second electrode, and a resistance change layer made of an oxygen-deficient transition metal oxide disposed between the first electrode and the second electrode. And an interelectrode resistance value that is a resistance value between the first electrode and the second electrode is reversible by applying an interelectrode voltage that is a potential of the second electrode with respect to the first electrode. RL, RM, RH satisfying RL <RM <RH, and the interelectrode voltages Vα and Vβ having the first polarity, the interelectrode voltage Vγ having the second polarity different from the first polarity, and RL <RM <RH. The inter-electrode voltages Vα and Vβ satisfy | Vα |> | Vβ |, the inter-electrode resistance value changes to RL when the inter-electrode voltage Vα is applied, and the inter-electrode resistance value is When RL, the interelectrode resistance value is reduced by applying the interelectrode voltage Vγ. When the resistance value between the electrodes changes to RM and the resistance value between the electrodes is RM, the resistance value between the electrodes changes to the RH when the interelectrode voltage Vβ is applied. May be.

また、本発明は、第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に配設される酸素不足型の遷移金属酸化物で構成される抵抗変化層とを備える抵抗変化素子に対して、前記第1電極を基準とする前記第2電極の電位である電極間電圧を印加することによって、前記第1電極と前記第2電極との間の抵抗値である電極間抵抗値を多値の間で可逆的に変化させる抵抗変化素子の多値記憶方法であって、第1の極性の電極間電圧Vα、Vβ1及びVβ2と、前記第1の極性とは異なる第2の極性の電極間電圧Vγ、及びRL<RM<RH1<RH2を満たすRL、RM、RH1、RH2について、前記電極間電圧Vα、Vβ1及びVβ2は、|Vα|>|Vβ2|>|Vβ1|を満足し、前記電極間電圧Vαを前記抵抗変化素子に印加することによって、前記電極間抵抗値を前記RLにする書き込み過程と、前記電極間抵抗値が前記RLの前記抵抗変化素子に前記電極間電圧Vγを印加することによって、前記抵抗変化素子の前記電極間抵抗値を前記RMにする第1の消去過程と、前記電極間抵抗値が前記RMの前記抵抗変化素子に前記電極間電圧Vβ1を印加することによって、前記電極間抵抗値を前記RH1にする第2の1の消去過程と、前記電極間抵抗値が前記RMまたは前記RH1の前記抵抗変化素子に前記電極間電圧Vβ2を印加することによって、前記電極間抵抗値を前記RH2にする第2の2の消去過程とを有する多値記憶方法として実現してもよい。   The present invention also includes a first electrode, a second electrode, and a resistance change layer made of an oxygen-deficient transition metal oxide disposed between the first electrode and the second electrode. A resistance value between the first electrode and the second electrode by applying an interelectrode voltage that is a potential of the second electrode with respect to the first electrode to the variable resistance element provided A multi-value storage method for a resistance change element that reversibly changes an inter-electrode resistance value between multi-values, wherein inter-electrode voltages Vα, Vβ1, and Vβ2 having a first polarity are different from the first polarity. For the RL, RM, RH1, and RH2 satisfying the second polarity interelectrode voltage Vγ and RL <RM <RH1 <RH2, the interelectrode voltages Vα, Vβ1, and Vβ2 are | Vα |> | Vβ2 |> | Vβ1. |, And the interelectrode voltage Vα is applied to the variable resistance element. The writing process for setting the inter-electrode resistance value to the RL, and applying the inter-electrode voltage Vγ to the variable resistance element having the inter-electrode resistance value of the RL. A first erasing process of setting the resistance value to the RM, and applying the interelectrode voltage Vβ1 to the resistance change element having the interelectrode resistance value of the RM, thereby setting the interelectrode resistance value to the RH1. 2 in 1 erasing process, and applying the inter-electrode voltage Vβ2 to the resistance change element having the inter-electrode resistance value of the RM or the RH1, the second inter-electrode resistance value is set to the RH2. It may be realized as a multi-value storage method having an erasing process.

このとき、さらに、前記第2の1の消去過程または前記第2の2の消去過程を実施した後、前記第1の消去過程と、前記第2の1の消去過程または前記第2の2の消去過程とをさらに1回以上実施することによって、前記電極間抵抗値を前記RH1または前記RH2にする第3の消去過程を有してもよい。具体的には、前記第3の消去過程では、前記第2の1の消去過程後における前記電極間抵抗値が予め定められた第1の閾値以上で、かつ、第2の閾値以下であるか否かを判断し、前記電極間抵抗値が前記第1の閾値よりも小さいか前記第2の閾値よりも大きい場合に、前記第1の消去過程と前記第2の1の消去過程とを少なくとも1回実行したり、前記第3の消去過程では、前記第2の2の消去過程後における前記電極間抵抗値が予め定められた第3の閾値以上であるか否かを判断し、前記電極間抵抗値が前記第3の閾値よりも小さい場合に、前記第1の消去過程と前記第2の2の消去過程とを少なくとも1回実行したりすることが好ましい。   At this time, after the second 1 erasing process or the second 2 erasing process is further performed, the first erasing process, the second 1 erasing process, or the second 2 erasing process is performed. A third erasing process for setting the inter-electrode resistance value to RH1 or RH2 by further performing the erasing process at least once may be included. Specifically, in the third erasing process, whether the inter-electrode resistance value after the second erasing process is greater than or equal to a predetermined first threshold and less than or equal to a second threshold. If the inter-electrode resistance value is smaller than the first threshold value or larger than the second threshold value, at least the first erase process and the second first erase process are performed. Or in the third erasing process, it is determined whether or not the inter-electrode resistance value after the second erasing process is greater than or equal to a predetermined third threshold value. It is preferable that the first erasing process and the second two erasing processes are executed at least once when the inter-resistance value is smaller than the third threshold value.

本発明に係る抵抗変化素子の駆動方法、および、この駆動方法を実施する本発明の不揮発性記憶装置等によれば、多値の読み書きを安定して行うことができる。よって、抵抗変化素子の大容量化、書き込み電力の低減化、書き込み/読み出し時間の高速化、及び長寿命化等の要求が高まってきた今日において、抵抗変化素子を用いた多値記憶に係る本発明の実用的価値は極めて高い。   According to the driving method of the resistance change element according to the present invention and the nonvolatile memory device or the like of the present invention that implements the driving method, multilevel reading and writing can be performed stably. Therefore, the demand for increasing the capacity of the resistance change element, reducing the write power, speeding up the writing / reading time, and extending the life is increasing. The practical value of the invention is extremely high.

本発明の実施の形態1に係る抵抗変化素子の構成の一例を示した模式図The schematic diagram which showed an example of the structure of the variable resistance 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抵抗−電圧特性の一例を示す模式図The schematic diagram which shows an example of the resistance-voltage characteristic of the resistance change element which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1において、第2の消去過程に関する実験データを示すグラフIn Embodiment 1 of this invention, the graph which shows the experimental data regarding the 2nd erasure | elimination process 本発明の実施の形態1において、第3の消去過程の具体例を示すフローチャートA flowchart showing a specific example of the third erasing process in the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1に係る抵抗変化素子において、3つの抵抗状態間の抵抗変化の動作を示す模式図The schematic diagram which shows the operation | movement of the resistance change between three resistance states in the resistance change element which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施例1の抵抗変化素子において、パルス電圧を繰返し印加したときの抵抗状態の変化の一例を示すグラフIn the resistance change element of Example 1 of this invention, the graph which shows an example of a change of a resistance state when a pulse voltage is repeatedly applied 本発明の抵抗変化素子において、抵抗変化のメカニズムを定性的に説明するための模式図Schematic diagram for qualitatively explaining the mechanism of resistance change in the variable resistance element of the present invention. 本発明の実施の形態2に係る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 memory device which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3に係る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 memory device which concerns on Embodiment 3 of this invention. 特許文献3に開示されている、従来のPCMO等を用いた不揮発性記憶素子の、印加する電圧と抵抗値との関係を示す図The figure which shows the relationship between the voltage applied and the resistance value of the non-volatile memory element currently disclosed by patent document 3 using PCMO etc. 特許文献2に開示されている、従来のPCMOを用いた素子の、電気的パルスによる抵抗変化の一例を示す図The figure which shows an example of the resistance change by the electric pulse of the element currently disclosed by patent document 2 using the PCMO

以下、本発明の抵抗変化素子、その駆動方法、不揮発性記憶装置、および、多値記憶方法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 a resistance change element, a driving method thereof, a nonvolatile memory device, and a multi-value memory method 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の構成の一例を示した模式図である。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2と、第1電極2の上に形成された遷移金属酸化物層3と、遷移金属酸化物層3の上に形成された第2電極4とを備えている。第1電極2及び第2電極4は、遷移金属酸化物層3と電気的に接続されている。   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 includes a substrate 1, a first electrode 2 formed on the substrate 1, and a transition metal oxide formed on the first electrode 2. A layer 3 and a second electrode 4 formed on the transition metal oxide layer 3 are provided. The first electrode 2 and the second electrode 4 are electrically connected to the transition metal oxide layer 3.

基板1は、例えばシリコン基板で構成される。さらに基板1は、トランジスタや配線等で構成された半導体回路により構成されていてもよい。また、第2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)のうちの1つまたはそれらの材料を含む合金を用いて構成されてもよい。また、第1電極2は、窒化タンタル(TaN)等で構成されてもよい。   The substrate 1 is composed of, for example, a silicon substrate. Furthermore, the substrate 1 may be configured by a semiconductor circuit including transistors, wirings, and the like. The second electrode 4 includes, for example, one of Au (gold), Pt (platinum), Ir (iridium), Pd (palladium), Cu (copper), and Ag (silver) or a material thereof. You may comprise using an alloy. The first electrode 2 may be made of tantalum nitride (TaN) or the like.

遷移金属酸化物層3は、第1電極2及び第2電極4間に介在し、両電極間に与えられる電気的パルスに応じてその抵抗値が増加または減少する(つまり、可逆的に抵抗値が変化する)抵抗変化層であり、第1電極2に接続される第1の遷移金属酸化物層3aと、第1の遷移金属酸化物層3aよりも酸素含有率が高く、第2電極4に接続される第2の遷移金属酸化物層3bとが積層されて構成されている。遷移金属酸化物層3は、例えば、第1の遷移金属酸化物層3aの一例である酸素不足型の第1のタンタル酸化物層3aと、第2の遷移金属酸化物層3bの一例である第2のタンタル酸化物層3bとが積層された構成でもよい。ここで、酸素含有率とは、当該遷移金属酸化物を構成する総原子数に対する含有酸素原子数の比率である。例えば、Taの酸素含有率は、総原子数に占める酸素原子数の比率(O/(Ta+O))は、71.4atm%となる。したがって、酸素不足型のタンタル酸化物の酸素含有率は、0より大きく、71.4atm%より小さいことになる。また、酸素不足型のタンタル酸化物層とは、化学量論的組成(ここでは、Ta)より酸素含有量が不足している(つまり、化学量論的組成に比べて酸素含有率が小さい)タンタル酸化物層をいう。第2の遷移金属酸化物層の酸素含有率は、第1の遷移金属酸化物層の酸素含有率よりも高く、第2の遷移金属酸化物層の抵抗値は第1の遷移金属酸化物層の抵抗値より高い。酸素含有率に代えて酸素不足度で説明するならば、第2の遷移金属酸化物層の酸素不足度は、第1の遷移金属酸化物層の酸素不足度よりも小さい。ここで、酸素不足度とは、遷移金属において、その化学量論的組成の酸化物を構成する酸素の量に対し、不足している酸素の割合をいう。例えば、遷移金属がタンタル(Ta)の場合、化学量論的な酸化物の組成はTaであるので、TaO2.5と表現できる。TaO2.5の酸素不足度は0%である。また例えば、TaO1.5で表現される組成のタンタル酸化物の酸素不足度は、酸素不足度=(2.5−1.5)/2.5=40%となる。 The transition metal oxide layer 3 is interposed between the first electrode 2 and the second electrode 4, and its resistance value increases or decreases according to an electric pulse applied between both electrodes (that is, reversibly has a resistance value) The first transition metal oxide layer 3a connected to the first electrode 2 has a higher oxygen content than the first transition metal oxide layer 3a, and the second electrode 4 And a second transition metal oxide layer 3b connected to each other. The transition metal oxide layer 3 is an example of an oxygen-deficient first tantalum oxide layer 3a that is an example of the first transition metal oxide layer 3a and an example of the second transition metal oxide layer 3b. The second tantalum oxide layer 3b may be stacked. Here, the oxygen content is a ratio of the number of oxygen atoms contained to the total number of atoms constituting the transition metal oxide. For example, as for the oxygen content of Ta 2 O 5 , the ratio of the number of oxygen atoms to the total number of atoms (O / (Ta + O)) is 71.4 atm%. Therefore, the oxygen content of the oxygen-deficient tantalum oxide is larger than 0 and smaller than 71.4 atm%. Further, the oxygen-deficient tantalum oxide layer has a lower oxygen content than the stoichiometric composition (in this case, Ta 2 O 5 ) (that is, the oxygen content rate compared to the stoichiometric composition). Is a small tantalum oxide layer. The oxygen content of the second transition metal oxide layer is higher than the oxygen content of the first transition metal oxide layer, and the resistance value of the second transition metal oxide layer is the first transition metal oxide layer. Higher than the resistance value. If the oxygen deficiency is described instead of the oxygen content, the oxygen deficiency of the second transition metal oxide layer is smaller than the oxygen deficiency of the first transition metal oxide layer. Here, the oxygen deficiency refers to the proportion of oxygen that is deficient with respect to the amount of oxygen constituting the oxide of the stoichiometric composition in the transition metal. For example, when the transition metal is tantalum (Ta), the stoichiometric oxide composition is Ta 2 O 5 , and thus can be expressed as TaO 2.5 . The degree of oxygen deficiency of TaO 2.5 is 0%. For example, the oxygen deficiency of a tantalum oxide having a composition expressed by TaO 1.5 is oxygen deficiency = (2.5−1.5) /2.5=40%.

第1の遷移金属酸化物層3aの組成をTaO(第1のタンタル酸化物層)とした場合にxが0.8以上1.9以下であり、且つ、第2の遷移金属酸化物層3bの組成をTaO(第2のタンタル酸化物層)とした場合にyが2.1以上である場合に、遷移金属酸化物層3の抵抗値を安定して高速に変化させることができた。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 transition metal oxide layer 3a is TaO x (first tantalum oxide layer), x is 0.8 or more and 1.9 or less, and the second transition metal oxide layer When the composition of 3b is TaO y (second tantalum oxide layer) and y is 2.1 or more, the resistance value of the transition metal oxide layer 3 can be stably changed at high speed. It was. Therefore, x and y are preferably within the above range.

遷移金属酸化物層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、大規模なメモリデバイスを構成する場合は200nm以下であることが好ましい。パターニングプロセスにおいてフォトリソグラフィプロセスとエッチングプロセスを使用する場合に、加工し易く、しかも遷移金属酸化物層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、遷移金属酸化物層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 transition metal oxide layer 3 is 1 μm or less, a change in the resistance value is recognized. However, when a large-scale memory device is configured, it is preferably 200 nm or less. This is because when the photolithography process and the etching process are used in the patterning process, it is easy to process, and the voltage value of the voltage pulse necessary for changing the resistance value of the transition metal oxide layer 3 can be lowered. is there. On the other hand, the thickness of the transition metal oxide 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の遷移金属酸化物層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。   In addition, the thickness of the second transition metal 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. 1 nm or more and about 8 nm or less are preferable.

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、第1電極2及び第2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、第1電極2と第2電極4との間に所定の極性、電圧及び時間幅の電気的パルス(電圧パルス)を第1電極2と第2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 first electrode 2 and the second 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 variable resistance element 10, and an electric pulse (voltage) having a predetermined polarity, voltage, and time width between the first electrode 2 and the second electrode 4. Pulse) can be applied between the first electrode 2 and the second electrode 4.

なお、以下では、電極間に印加される電圧パルスの電圧の極性が、第1電極2を基準にした第2電極4の電位(この電位を「電極間電圧」という。)で特定されるものとする。   In the following, the polarity of the voltage of the voltage pulse applied between the electrodes is specified by the potential of the second electrode 4 with respect to the first electrode 2 (this potential is referred to as “interelectrode voltage”). And

また、第2の遷移金属酸化物層3bと接するように配置される第2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、前記第1の遷移金属酸化物層及び第2の遷移金属酸化物層を構成する遷移金属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る。第1電極2は第2電極4を構成する材料の標準電極電位より標準電極電位が小さい材料(例えば、W、Ni、あるいはTaN等)で構成されることが好ましい。   The second electrode 4 disposed so as to be in contact with the second transition metal oxide layer 3b is, for example, Au (gold), Pt (platinum), Ir (iridium), Pd (palladium), Cu (copper). And one or more of materials having a standard electrode potential higher than the standard electrode potential of the transition metal M constituting the first transition metal oxide layer and the second transition metal oxide layer, such as Ag (silver) Constructed using materials. The first electrode 2 is preferably made of a material having a standard electrode potential smaller than the standard electrode potential of the material constituting the second electrode 4 (for example, W, Ni, or TaN).

すなわち、遷移金属酸化物にタンタル酸化物を用いた場合、第1電極2の標準電極電位V、第2電極4の標準電極電位V、及びタンタルの標準電極電位VTaとが、VTa<VかつV<Vなる関係を満足することが好ましい。 That is, when a tantalum oxide to the transition metal oxide, the standard electrode potential V 1 of the first electrode 2, the standard electrode potential V 2 of the second electrode 4, and a standard electrode potential V Ta of tantalum, V Ta <it is preferable to satisfy V 2 and V 1 <V 2 the relationship.

また、V≦VTa<Vなる関係を満足することがさらに好ましい。 Moreover, it is more preferable to satisfy the relationship of V 1 ≦ V Ta <V 2 .

このような構成とすることにより、第2電極4と接する第2の遷移金属酸化物層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 transition metal oxide layer 3b in contact with the second electrode 4.

また、抵抗変化素子10はその上下が図1に示された構造の逆の構造であってもよい。   The variable resistance element 10 may have a structure whose top and bottom are opposite to the structure shown in FIG.

[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の第1電極2を形成する。その後、第1電極2の上に、Taターゲットをアルゴン(Ar)ガス及び酸素(O)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(reactive sputtering)法によって、遷移金属酸化物層3としてタンタル酸化物(TaO)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 first electrode 2 having a thickness of 0.2 μm is formed on the substrate 1 by sputtering. Thereafter, a tantalum oxide is formed as a transition metal oxide layer 3 on the first electrode 2 by a so-called reactive sputtering method in which a Ta target is sputtered in argon (Ar) gas and oxygen (O 2 ) gas. A (TaO x ) layer is formed. 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:TaO)よりも酸素含有率の高い領域(第2領域:TaO、y>x)が形成される。これらの第1領域(TaO)及び第2領域(TaO)が第1の遷移金属酸化物層3a及び第2の遷移金属酸化物層3bにそれぞれ相当する。このようにして形成された第1の遷移金属酸化物層3a及び第2の遷移金属酸化物層3bによって遷移金属酸化物層3が構成されることになる。なお、第2の遷移金属酸化物層3bは、TaOターゲットを用い、アルゴン(Ar)ガス及び酸素(O)ガス中でスパッタリングして形成してもよい。 Next, the surface of the tantalum oxide layer formed as described above is modified by oxidizing it. Thereby, a region (second region: TaO y , y> x) having a higher oxygen content than a region (first region: TaO x ) of the tantalum oxide layer that is not oxidized on the surface of the tantalum oxide layer. Is formed. These first region (TaO x ) and second region (TaO y ) correspond to the first transition metal oxide layer 3a and the second transition metal oxide layer 3b, respectively. The transition metal oxide layer 3 is constituted by the first transition metal oxide layer 3a and the second transition metal oxide layer 3b thus formed. The second transition metal oxide layer 3b may be formed by sputtering in an argon (Ar) gas and an oxygen (O 2 ) gas using a TaO y target.

次に、上記のようにして形成された遷移金属酸化物層3の上に、スパッタリング法により、厚さ0.2μmの第2電極4を形成することにより、抵抗変化素子10が得られる。   Next, the variable resistance element 10 is obtained by forming the second electrode 4 having a thickness of 0.2 μm by sputtering on the transition metal oxide layer 3 formed as described above.

以上のようにして、本実施の形態における抵抗変化素子10は、スパッタリング法等によって製造されるので、低温で製造可能である。   As described above, the variable resistance element 10 in the present embodiment is manufactured by a sputtering method or the like, and can be manufactured at a low temperature.

なお、第1電極2及び第2電極4並びに遷移金属酸化物層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、第2電極4及び遷移金属酸化物層3の大きさを0.5μm×0.5μm(面積0.25μm)とし、第1電極2と遷移金属酸化物層3とが接する部分の大きさも0.5μm×0.5μm(面積0.25μm)としている。 In addition, the magnitude | size and shape of the 1st electrode 2, the 2nd electrode 4, and the transition metal oxide layer 3 can be adjusted with a mask and lithography. In the present embodiment, the size of the second electrode 4 and the transition metal oxide layer 3 is 0.5 μm × 0.5 μm (area 0.25 μm 2 ), and the first electrode 2 and the transition metal oxide layer 3 are The size of the contacting portion is also 0.5 μm × 0.5 μm (area 0.25 μm 2 ).

また、本実施の形態では、第1の遷移金属酸化物層3aの組成を第1のタンタル酸化物層(TaO(x=1.54))とし、第2の遷移金属酸化物層3bの組成を第2のタンタル酸化物層(TaO(y=2.47))としている。さらに、遷移金属酸化物層3の厚みを50nmとし、第1の遷移金属酸化物層3aの厚みを45nm、第2の遷移金属酸化物層3bの厚みを5nmとしている。 In the present embodiment, the composition of the first transition metal oxide layer 3a is the first tantalum oxide layer (TaO x (x = 1.54)), and the second transition metal oxide layer 3b The composition is the second tantalum oxide layer (TaO y (y = 2.47)). Furthermore, the thickness of the transition metal oxide layer 3 is 50 nm, the thickness of the first transition metal oxide layer 3a is 45 nm, and the thickness of the second transition metal oxide layer 3b is 5 nm.

なお、本実施の形態においては、第1のタンタル酸化物層及び第2のタンタル酸化物層の酸素含有率として、x=1.54、y=2.47の場合にて説明をしているが、本発明に係る抵抗変化素子としては、これに限ることなく、xの範囲は0.8≦x≦1.9、yの範囲は2.1≦y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。   Note that in this embodiment, the oxygen content of the first tantalum oxide layer and the second tantalum oxide layer is described as x = 1.54 and y = 2.47. However, the variable resistance element according to the present invention is not limited to this, and the range of x is 0.8 ≦ x ≦ 1.9, and the range of y is 2.1 ≦ y. As with the resistance change characteristics, stable resistance change can be realized.

[抵抗変化素子の動作]
次に、上述した製造方法により得られた抵抗変化素子10の動作について説明する。
[Operation of variable resistance element]
Next, the operation of the variable resistance element 10 obtained by the manufacturing method described above will be described.

図2は、本発明の実施の形態1の抵抗変化素子10の抵抗−電圧特性の一例を示す模式図であり、電源5を用いて、抵抗変化素子10の第1電極2を基準にして第2電極4に印加する電気的パルスの電圧(つまり、電極間電圧)を連続的に変化させた場合の、第1電極2と第2電極4との間の抵抗値である電極間抵抗値の変化を示す図である。以下では、電極間抵抗値が所定の高い値(例えば、10MΩ程度)にある場合を高抵抗状態(抵抗値:RH)といい、同じく所定の中程度の値(例えば、100kΩ程度)にある場合を中抵抗状態(抵抗値:RM)といい、同じく所定の低い値(例えば、10kΩ程度)にある場合を低抵抗状態(抵抗値:RL)という。つまり、3つの抵抗値RL、RM、RHについて、RL<RM<RHの関係が満たされている。また、電圧については、図2に示されるように、Vα<V1<Vβ<0(つまり、|Vα|>|Vβ|)および0<V2<Vγの関係が満たされている。   FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of the resistance-voltage characteristic of the resistance change element 10 according to the first embodiment of the present invention. The power supply 5 is used as a reference with respect to the first electrode 2 of the resistance change element 10. The resistance value between the electrodes, which is the resistance value between the first electrode 2 and the second electrode 4 when the voltage of the electric pulse applied to the two electrodes 4 (that is, the voltage between the electrodes) is continuously changed. It is a figure which shows a change. Hereinafter, the case where the inter-electrode resistance value is at a predetermined high value (for example, about 10 MΩ) is referred to as a high resistance state (resistance value: RH), and is also a predetermined medium value (for example, about 100 kΩ). Is referred to as a medium resistance state (resistance value: RM), and a case where the resistance value is a predetermined low value (for example, about 10 kΩ) is referred to as a low resistance state (resistance value: RL). That is, the relationship of RL <RM <RH is satisfied for the three resistance values RL, RM, and RH. As for the voltage, as shown in FIG. 2, the relationship of Vα <V1 <Vβ <0 (that is, | Vα |> | Vβ |) and 0 <V2 <Vγ is satisfied.

また、図2の特性は、図1の素子構造が上下逆となった場合には、図2とは左右逆の特性(電圧の極性が逆の特性)となる。   In addition, when the element structure of FIG. 1 is turned upside down, the characteristics of FIG. 2 are the characteristics that are opposite to those of FIG.

抵抗変化素子10が高抵抗状態にあり、電極間抵抗値がRHの場合、あるいは抵抗変化素子10が中抵抗状態にあり、電極間抵抗値がRMの場合、電源5を用いて、負極性でかつ所定の第1の閾値電圧V1より低い(絶対値が大きい)電圧パルスである書き込み電圧パルス(電圧値:Vα)を第1電極2及び第2電極4間に印加することにより、抵抗変化素子10が低抵抗状態に変化し、電極間抵抗値がRLに減少する。以下では、これを書き込み過程という。   When the resistance change element 10 is in a high resistance state and the resistance value between the electrodes is RH, or when the resistance change element 10 is in the middle resistance state and the resistance value between the electrodes is RM, Further, by applying a write voltage pulse (voltage value: Vα), which is a voltage pulse lower than a predetermined first threshold voltage V1 (large absolute value), between the first electrode 2 and the second electrode 4, the resistance change element 10 changes to the low resistance state, and the resistance value between the electrodes decreases to RL. Hereinafter, this is referred to as a writing process.

抵抗変化素子10が低抵抗状態にあり、電極間抵抗値がRLの場合、電源5を用いて、正極性でかつ所定の第2の閾値電圧V2より高い電圧パルスである第1の消去電圧パルス(電圧値:Vγ)を第1電極2及び第2電極4間に印加することにより、抵抗変化素子10が中抵抗状態に変化し、電極間抵抗値がRMへ増加する。以下では、これを第1の消去過程という。   When the resistance change element 10 is in the low resistance state and the interelectrode resistance value is RL, the first erase voltage pulse that is positive and has a voltage pulse higher than the predetermined second threshold voltage V2 is used by using the power source 5. By applying (voltage value: Vγ) between the first electrode 2 and the second electrode 4, the resistance change element 10 changes to an intermediate resistance state, and the interelectrode resistance value increases to RM. Hereinafter, this is referred to as a first erasing process.

抵抗変化素子10が中抵抗状態にあり、電極間抵抗値がRMの場合、電源5を用いて、負極性でかつ所定の第1の閾値電圧V1より高い電圧パルス(絶対値が小さい)である第2の消去電圧パルス(電圧値:Vβ)を第1電極2及び第2電極4間に印加することにより、抵抗変化素子10が高抵抗状態に変化し、電極間抵抗値はRHに増加する。以下では、これを第2の消去過程という。第2の消去過程では、第2の消去電圧パルスの電圧値Vβを第1の閾値電圧V1よりも高く(絶対値が小さく)、0Vよりも低い範囲で変化させることによって、抵抗変化素子10の電極間抵抗値は、抵抗値RMから最大の抵抗値Rmaxの間の任意の値に設定可能である。抵抗変化素子10を3値の抵抗状態を示す素子として使用する場合は、第2の消去過程では、第2の消去電圧パルスの電圧値Vβは第1の閾値電圧V1よりも高く(絶対値は閾値電圧V1よりも小さく)、かつできるだけ絶対値を大きくする(できるだけ閾値電圧V1の絶対値に近づける)ことにより、抵抗変化素子10の高抵抗状態の電極間抵抗値RHは、大きくなり、中抵抗状態との違いを確実にすることができる。   When the resistance change element 10 is in an intermediate resistance state and the interelectrode resistance value is RM, the power supply 5 is used to generate a voltage pulse (having a small absolute value) that is negative and higher than a predetermined first threshold voltage V1. By applying a second erase voltage pulse (voltage value: Vβ) between the first electrode 2 and the second electrode 4, the resistance change element 10 changes to a high resistance state, and the interelectrode resistance value increases to RH. . Hereinafter, this is referred to as a second erasing process. In the second erasing process, the voltage value Vβ of the second erasing voltage pulse is changed in a range that is higher than the first threshold voltage V1 (small in absolute value) and lower than 0 V. The interelectrode resistance value can be set to any value between the resistance value RM and the maximum resistance value Rmax. When the variable resistance element 10 is used as an element indicating a ternary resistance state, the voltage value Vβ of the second erase voltage pulse is higher than the first threshold voltage V1 in the second erase process (the absolute value is By making the absolute value as large as possible (closer to the absolute value of the threshold voltage V1 as much as possible), the inter-electrode resistance value RH in the high resistance state of the resistance change element 10 becomes large, and the medium resistance The difference from the state can be ensured.

なお、第1の閾値電圧V1とは、書き込み過程を生じさせる印加電圧の閾値であり、第2の閾値電圧V2とは、第1の消去過程を生じさせる最低の印加電圧である。また、第3の閾値電圧V3とは、第2の消去過程を生じさせる最高(絶対値は最低)の印加電圧である。   The first threshold voltage V1 is a threshold value of an applied voltage that causes a writing process, and the second threshold voltage V2 is a lowest applied voltage that causes a first erasing process. The third threshold voltage V3 is the highest (absolute value is the lowest) applied voltage that causes the second erase process.

図3は、第2の消去過程に関する実験データを示すグラフである。ここでは、抵抗変化素子10に印加された第2の消去電圧パルスの電圧値(横軸の「反転電圧(V)」)と、その第2の消去電圧パルスの印加後における抵抗変化素子10の抵抗値(縦軸の「抵抗(Ω)」)との関係がプロットされている。なお、図3において、黒丸印、×印、黒三角印のプロットは、それぞれ、50ns、100ns、300nsのパルス幅をもつ第2の消去電圧パルスを印加した場合のデータである。   FIG. 3 is a graph showing experimental data regarding the second erasing process. Here, the voltage value of the second erase voltage pulse applied to the resistance change element 10 ("inversion voltage (V)" on the horizontal axis) and the resistance change element 10 after the application of the second erase voltage pulse are applied. The relationship with the resistance value (“resistance (Ω)” on the vertical axis) is plotted. In FIG. 3, the black circle mark, x mark, and black triangle mark plots are data when a second erase voltage pulse having a pulse width of 50 ns, 100 ns, and 300 ns is applied, respectively.

図3から分かるように、第2の消去過程では、第2の消去電圧パルスの電圧値Vβを第1の閾値電圧V1(−1.4〜−1.3)よりも高く(絶対値が小さく)、0Vよりも低い範囲で変化させることによって、抵抗変化素子10の電極間抵抗値は、抵抗値RM(約10Ω)から最大の抵抗値Rmax(約10Ω)の間の任意の値に設定可能である。従って、第1の閾値電圧V1と第3の閾値電圧V3間において、2値以上のデータを記憶することも可能である。例えば、|V1|>|Vβ2|>|Vβ1|>|V3|となるようなVβ1及びVβ2を設定し、Vβ1に対応する抵抗値をRH1、Vβ2に対応する抵抗値をRH2とした場合、RH2>RH1となり、RL及びRMとあわせて4値(2ビット)の記憶が可能となる。 As can be seen from FIG. 3, in the second erase process, the voltage value Vβ of the second erase voltage pulse is higher than the first threshold voltage V1 (−1.4 to −1.3) (the absolute value is small). ), By changing in a range lower than 0 V, the resistance value between the electrodes of the resistance change element 10 is an arbitrary value between the resistance value RM (about 10 5 Ω) and the maximum resistance value Rmax (about 10 7 Ω). Can be set to a value. Therefore, it is also possible to store binary or higher data between the first threshold voltage V1 and the third threshold voltage V3. For example, when Vβ1 and Vβ2 are set such that | V1 |> | Vβ2 |> | Vβ1 |> | V3 |, the resistance value corresponding to Vβ1 is RH1, and the resistance value corresponding to Vβ2 is RH2. > RH1, and four values (2 bits) can be stored together with RL and RM.

なお、前記第2の消去過程では、高抵抗状態の電極間抵抗値RHの大きさが、ばらつく場合がある。これを改善するために、抵抗変化素子10が中抵抗状態にあり、電極間抵抗値がRMの場合に、前記第1の消去過程と前記第2の消去過程を繰返し実施することにより、抵抗変化素子10は、より安定して高抵抗状態にすることができる。以下では、これ(つまり、第1の消去過程と前記第2の消去過程とを繰返し実施すること)を第3の消去過程という。   In the second erasing process, the magnitude of the interelectrode resistance value RH in the high resistance state may vary. In order to improve this, when the resistance change element 10 is in the middle resistance state and the inter-electrode resistance value is RM, the resistance change is performed by repeatedly performing the first erase process and the second erase process. The element 10 can be more stably in a high resistance state. Hereinafter, this (that is, repeating the first erasing process and the second erasing process) is referred to as a third erasing process.

また、抵抗変化素子10が低抵抗状態にあり、電極間抵抗値がRLの場合にも、前記第3の消去過程を実施することにより、より安定して高抵抗状態にすることができる。   Further, even when the resistance change element 10 is in the low resistance state and the inter-electrode resistance value is RL, the high resistance state can be more stably achieved by performing the third erasing process.

図4は、第3の消去過程の具体例を示すフローチャートである。ここでは、上記書き込み過程を実施した後に、第3の消去過程を実施する場合のフローチャートが示されている。   FIG. 4 is a flowchart showing a specific example of the third erasing process. Here, a flowchart in the case where the third erasing process is performed after the above writing process is performed is shown.

まず、低抵抗状態RLにある抵抗変化素子10に対して、上記第1の消去過程(S1)を実施することによって抵抗変化素子10を中抵抗状態RMに遷移させ、続いて、上記第2の消去過程(S2)を実施することによって抵抗変化素子10を高抵抗状態RHに遷移させた後に、抵抗変化素子10の抵抗値を読み出す(S3)。そして、抵抗変化素子10の抵抗値が予め定められた閾値(抵抗値RMより大きく、かつ、最大の抵抗値Rmaxより小さい予め設定された抵抗値(閾値)、例えば、抵抗値RMと抵抗値Rmaxとの中間値)より大きいか否かを判断する(S4)。   First, by executing the first erasing process (S1) for the variable resistance element 10 in the low resistance state RL, the variable resistance element 10 is transitioned to the medium resistance state RM, After changing the resistance change element 10 to the high resistance state RH by performing the erasing process (S2), the resistance value of the resistance change element 10 is read (S3). A resistance value of the variable resistance element 10 is set to a predetermined threshold value (a resistance value (threshold value) that is larger than the resistance value RM and smaller than the maximum resistance value Rmax, for example, the resistance value RM and the resistance value Rmax. It is determined whether or not the intermediate value is greater than the intermediate value (S4).

その結果、抵抗変化素子10の抵抗値が閾値よりも大きくない場合には(S4でNo)、第1の消去過程(S1)、第2の消去過程(S2)及び抵抗値の読み出し(S3)を繰り返し、一方、抵抗変化素子10の抵抗値が閾値よりも大きい場合には(S4でYes)、終了する。なお、第1の消去過程(S1)〜判定(S4)の繰り返し処理が第3の消去過程に相当する。   As a result, when the resistance value of the resistance change element 10 is not larger than the threshold value (No in S4), the first erasing process (S1), the second erasing process (S2), and reading of the resistance value (S3). On the other hand, if the resistance value of the resistance change element 10 is larger than the threshold value (Yes in S4), the process ends. Note that the repetition process of the first erasing process (S1) to determination (S4) corresponds to the third erasing process.

このように、低抵抗状態にある抵抗変化素子10に対して、第1の消去過程と前記第2の消去過程とを繰返し実施する第3の消去過程を施すことで、より確実に抵抗変化素子10を高抵抗状態に遷移させることができる。   As described above, the variable resistance element 10 in the low resistance state is more reliably subjected to the third erasing process in which the first erasing process and the second erasing process are repeatedly performed. 10 can be transitioned to a high resistance state.

なお、上記フローチャートでは、第1の消去過程(S1)と第2の消去過程(S2)を実施した後に抵抗値の判定(S3、S4)をしたが、本発明に係る第3の消去過程は、必ずしも抵抗値の判定(S3、S4)を必要とするものではない。抵抗値の判定をすることなく、第1の消去過程と第2の消去過程とを一定回数だけ繰り返すだけでも、高抵抗状態への遷移がより確実となる。   In the flowchart, the resistance value is determined (S3, S4) after the first erasing process (S1) and the second erasing process (S2) are performed, but the third erasing process according to the present invention is as follows. However, the determination of the resistance value (S3, S4) is not necessarily required. Even if the first erasing process and the second erasing process are repeated a predetermined number of times without determining the resistance value, the transition to the high resistance state is more sure.

また、上記フローチャートでは、低抵抗状態RLにある抵抗変化素子10に対して第3の消去過程が実施されたが、中抵抗状態RMにある抵抗変化素子10に対して第3の消去過程が実施されてもよい。第3の消去過程は、低抵抗状態RLおよび中抵抗状態RMのいずれの抵抗状態にある抵抗変化素子10に対しても、抵抗変化素子10をより確実に高抵抗状態RHに変化させ得るからである。つまり、第1の消去過程の後に、第1の消去過程と第2の消去過程とを繰返し実施することによって電極間抵抗値をRHにする第3の消去過程を実施してもよい。   In the above flowchart, the third erase process is performed on the variable resistance element 10 in the low resistance state RL. However, the third erase process is performed on the variable resistance element 10 in the medium resistance state RM. May be. The third erasing process is because the resistance change element 10 can be more reliably changed to the high resistance state RH with respect to the resistance change element 10 in either the low resistance state RL or the middle resistance state RM. is there. That is, after the first erasing process, a third erasing process for setting the interelectrode resistance value to RH by repeatedly performing the first erasing process and the second erasing process may be performed.

また、第3の閾値電圧V3と第1の閾値電圧V1の間に複数の抵抗値を設定する場合、第2の消去過程は、複数の抵抗値にそれぞれ対応する複数の電極間電圧を有し、各抵抗値について、下限を規定する閾値と上限を規定する閾値(最も抵抗が高い状態に対しては必ずしも必要ではない)を規定し、図4の判断工程S4において、各抵抗値が下限を規定する閾値と上限を規定する閾値の間にくるまで、第3の消去過程を繰り返してもよい。   Further, when setting a plurality of resistance values between the third threshold voltage V3 and the first threshold voltage V1, the second erasing process has a plurality of inter-electrode voltages respectively corresponding to the plurality of resistance values. For each resistance value, a threshold value that defines a lower limit and a threshold value that defines an upper limit (not necessarily required for the state with the highest resistance) are defined, and in the determination step S4 of FIG. The third erasing process may be repeated until the threshold value is between the defining threshold value and the defining threshold value.

次に、本発明の実施の形態1の抵抗変化素子10において、多値のメモリとして使用される抵抗状態(低抵抗状態、中抵抗状態、高抵抗状態)が、従来の多値メモリ用抵抗変化素子の抵抗状態に比べて、安定であることを説明する。   Next, in the resistance change element 10 according to the first embodiment of the present invention, the resistance state (low resistance state, medium resistance state, high resistance state) used as a multi-value memory is a conventional resistance change for a multi-value memory. It will be described that the device is more stable than the resistance state of the device.

抵抗変化素子10が低抵抗状態にある場合に、書き込み電圧パルスと同極性である負極性の電圧パルスが第1電極2及び第2電極4間に印加されたとしても、抵抗変化素子10は低抵抗状態のままでほとんど変化しない。同様に、抵抗変化素子10が中抵抗状態にある場合に、第1の消去電圧パルスと同極性である正極性の電圧パルスが第1電極2及び第2電極4間に印加されたとしても、抵抗変化素子10は中抵抗状態のままでほとんど変化しない。また、抵抗変化素子10が高抵抗状態にある場合に、第2の消去電圧パルスと同極性である負極性でかつ第2の消去電圧パルスの電圧値より高い(絶対値が小さい)電圧パルスが第1電極2及び第2電極4間に印加された場合には、遷移金属酸化物層3は高抵抗状態のままほとんど変化しない。ただし、抵抗変化素子10が高抵抗状態にある場合に、第2の消去電圧パルスと同極性である負極性でかつ第1の閾値電圧V1より高く(絶対値が小さい)第2の消去電圧よりも低い(絶対値が大きい)電圧パルスが第1電極2及び第2電極4間に印加された場合には、抵抗変化素子10は高抵抗状態よりも抵抗値が高い第2の高抵抗状態に変化する。この場合においても、抵抗変化素子10の高抵抗状態が、より高い第2の高抵抗状態に変化するため、中抵抗状態との差がより大きくなり、抵抗状態の判定は、より容易になる。   When the resistance change element 10 is in a low resistance state, even if a negative voltage pulse having the same polarity as the write voltage pulse is applied between the first electrode 2 and the second electrode 4, the resistance change element 10 is low. Almost no change in the resistance state. Similarly, when the variable resistance element 10 is in the middle resistance state, even if a positive voltage pulse having the same polarity as the first erase voltage pulse is applied between the first electrode 2 and the second electrode 4, The resistance change element 10 remains in a medium resistance state and hardly changes. Further, when the resistance change element 10 is in a high resistance state, a voltage pulse having the same polarity as that of the second erase voltage pulse and having a negative polarity and higher than the voltage value of the second erase voltage pulse (small absolute value) When applied between the first electrode 2 and the second electrode 4, the transition metal oxide layer 3 remains almost unchanged in a high resistance state. However, when the variable resistance element 10 is in a high resistance state, the negative polarity having the same polarity as the second erase voltage pulse and higher than the first threshold voltage V1 (smaller absolute value) than the second erase voltage. When a voltage pulse having a lower value (a larger absolute value) is applied between the first electrode 2 and the second electrode 4, the resistance change element 10 enters a second high resistance state in which the resistance value is higher than that in the high resistance state. Change. Also in this case, since the high resistance state of the resistance change element 10 changes to a higher second high resistance state, the difference from the middle resistance state becomes larger, and the determination of the resistance state becomes easier.

上述したように、従来の抵抗変化現象を利用した多値メモリ用の抵抗変化素子は、抵抗値が連続的に変化する領域で素子に印加する電圧を上下させることにより抵抗値を変化させていた。この場合、過渡的な抵抗変化領域を使っているため、抵抗値の再現性が乏しく、メモリとして安定的に動作させることが困難である。本実施の形態1で提案する抵抗変化素子10は、印加するパルス電圧の電圧値が変化しても抵抗値がほとんど変化しない安定領域の抵抗値、あるいは、抵抗値が変化しても抵抗状態の判定が容易になる抵抗状態を記憶状態として使うため、安定に動作する多値メモリ用の抵抗変化素子として応用することが可能となる。   As described above, the resistance change element for a multi-value memory using the conventional resistance change phenomenon changes the resistance value by raising and lowering the voltage applied to the element in a region where the resistance value continuously changes. . In this case, since a transient resistance change region is used, the reproducibility of the resistance value is poor, and it is difficult to stably operate as a memory. The resistance change element 10 proposed in the first embodiment has a resistance value in a stable region in which the resistance value hardly changes even when the voltage value of the applied pulse voltage changes, or a resistance state even if the resistance value changes. Since the resistance state that facilitates determination is used as the memory state, it can be applied as a resistance change element for a multi-level memory that operates stably.

上述した本発明の実施の形態1に係る抵抗変化素子10が有する3つの抵抗状態間の抵抗変化の動作を模式図(状態遷移図)に表すと図5の通りになる。   FIG. 5 is a schematic diagram (state transition diagram) illustrating the resistance change operation between the three resistance states of the resistance change element 10 according to the first embodiment of the present invention.

まず、抵抗変化素子10が高抵抗状態(抵抗値RH)と低抵抗状態(抵抗値RL)との間を変化させる動作について述べる。抵抗変化素子10が高抵抗状態のとき、書き込み電圧パルスVαを印加して低抵抗状態に変化させる(S101A)。逆に、抵抗変化素子10が低抵抗状態のとき、いかなる単独の電圧パルスを印加しても、低抵抗状態から高抵抗状態に直接変化させることはできない。低抵抗状態から高抵抗状態に変化させる場合には、一旦、低抵抗状態から第1の消去電圧パルスVγを印加して中抵抗状態に変化させ(S102A)、引き続き第2の消去電圧パルスVβを印加して高抵抗状態に変化させる(S103A)。さらに安定して高抵抗状態を得るためには、低抵抗状態から第1の消去電圧パルスVγを印加後(S102A)に第2の消去電圧パルスを印加することを繰返し実施して(つまり、第1の消去電圧パルスVγの印加と第2の消去電圧パルスの印加とを繰り返すことで)、高抵抗状態に変化させる(S103B)。   First, an operation in which the variable resistance element 10 changes between a high resistance state (resistance value RH) and a low resistance state (resistance value RL) will be described. When the resistance change element 10 is in the high resistance state, the write voltage pulse Vα is applied to change to the low resistance state (S101A). Conversely, when the variable resistance element 10 is in the low resistance state, no single voltage pulse can be applied to directly change from the low resistance state to the high resistance state. When changing from the low resistance state to the high resistance state, the first erase voltage pulse Vγ is once applied from the low resistance state to change to the middle resistance state (S102A), and then the second erase voltage pulse Vβ is changed. Application is made to change to a high resistance state (S103A). In order to obtain a more stable high resistance state, the second erasing voltage pulse is repeatedly applied after applying the first erasing voltage pulse Vγ from the low resistance state (S102A) (that is, the first erasing voltage pulse is applied). By repeating the application of the first erase voltage pulse Vγ and the application of the second erase voltage pulse), the state is changed to the high resistance state (S103B).

次に、抵抗変化素子10が低抵抗状態(抵抗値RL)と中抵抗状態(抵抗値RM)との間を変化させる動作について述べる。抵抗変化素子10が低抵抗状態のとき、第1の消去電圧パルスVγを印加して中抵抗状態に変化させる(S102A)。逆に、抵抗変化素子10が中抵抗状態のとき、書き込み電圧パルスVαを印加して低抵抗状態に変化させる(S102B)。   Next, an operation in which the resistance change element 10 changes between the low resistance state (resistance value RL) and the middle resistance state (resistance value RM) will be described. When the resistance change element 10 is in the low resistance state, the first erase voltage pulse Vγ is applied to change to the middle resistance state (S102A). Conversely, when the resistance change element 10 is in the middle resistance state, the write voltage pulse Vα is applied to change to the low resistance state (S102B).

次に、抵抗変化素子10が中抵抗状態(抵抗値RM)と高抵抗状態(抵抗値RH)との間を変化させる動作について述べる。抵抗変化素子10が中抵抗状態のとき、第2の消去電圧パルスVβを印加して高抵抗状態に変化させる(S103A)。さらに安定して高抵抗状態を得るためには、中抵抗状態から第1の消去電圧パルスVγを印加後に第2の消去電圧パルスを印加することを繰返し実施して(つまり、第1の消去電圧パルスVγの印加と第2の消去電圧パルスの印加とを繰り返すことで)、高抵抗状態に変化させる(S103B)。逆に、抵抗変化素子10が高抵抗状態(抵抗値RH)のとき、第1の消去電圧パルスVγを印加して中抵抗状態(抵抗値RM)に安定して変化させることはできない。   Next, an operation in which the resistance change element 10 changes between the middle resistance state (resistance value RM) and the high resistance state (resistance value RH) will be described. When the resistance change element 10 is in the middle resistance state, the second erase voltage pulse Vβ is applied to change to the high resistance state (S103A). In order to obtain a more stable high resistance state, the second erase voltage pulse is repeatedly applied after the application of the first erase voltage pulse Vγ from the intermediate resistance state (that is, the first erase voltage). By repeating the application of the pulse Vγ and the application of the second erase voltage pulse), the state is changed to the high resistance state (S103B). Conversely, when the variable resistance element 10 is in the high resistance state (resistance value RH), the first erase voltage pulse Vγ cannot be applied and stably changed to the middle resistance state (resistance value RM).

以上のことから分かるように、本実施の形態における抵抗変化素子10は、第1電極2と、第2電極4と、第1電極2と第2電極4との間に配設される酸素不足型の遷移金属酸化物から構成される抵抗変化層である遷移金属酸化物層3とを備え、第1電極2を基準とする第2電極4の電位である電極間電圧を印加されることによって第1電極2と第2電極4との間の抵抗値である電極間抵抗値が可逆的に変化し、Vα<Vβ<0およびVγ>0およびRL<RM<RHを満たすVα、Vβ、Vγ、RL、RM、RHについて、電極間電圧Vαが印加されることによって電極間抵抗値がRLに変化し、電極間抵抗値がRLのときに電極間電圧Vγが印加されることによって電極間抵抗値がRMに変化し、電極間抵抗値がRMのときに電極間電圧Vβを印加されることによって電極間抵抗値がRHに変化する特性を有する。   As can be seen from the above, the variable resistance element 10 according to the present embodiment is deficient in oxygen disposed between the first electrode 2, the second electrode 4, and the first electrode 2 and the second electrode 4. A transition metal oxide layer 3, which is a resistance change layer composed of a transition metal oxide of a type, and is applied with an interelectrode voltage that is a potential of a second electrode 4 with respect to the first electrode 2 The interelectrode resistance value, which is the resistance value between the first electrode 2 and the second electrode 4, reversibly changes, and Vα, Vβ, Vγ satisfying Vα <Vβ <0 and Vγ> 0 and RL <RM <RH. , RL, RM, and RH, the interelectrode resistance value is changed to RL when the interelectrode voltage Vα is applied, and the interelectrode resistance is changed to RL when the interelectrode resistance value is RL. When the value changes to RM and the interelectrode resistance value is RM, the interelectrode voltage Vβ is The inter-electrode resistance value by being compressed has a characteristic that varies in RH.

そして、このような特性を有する抵抗変化素子10を用いることで、以下のような多値記憶が実現される。つまり、その多値記憶方法は、第1電極と、第2電極と、第1電極と第2電極との間に配設される酸素不足型の遷移金属酸化物で構成される抵抗変化層とを備える抵抗変化素子に対して、第1電極を基準とする第2電極の電位である電極間電圧を印加することによって、第1電極と第2電極との間の抵抗値である電極間抵抗値を多値の間で可逆的に変化させる抵抗変化素子の多値記憶方法であって、第1の極性の電極間電圧Vα、Vβ1及びVβ2と、第1の極性とは異なる第2の極性の電極間電圧Vγ、及びRL<RM<RH1<RH2を満たすRL、RM、RH1、RH2について、電極間電圧Vα、Vβ1及びVβ2は、|Vα|>|Vβ2|>|Vβ1|を満足するという条件の下で、以下の過程を有する。   And the following multi-value memory | storage is implement | achieved by using the resistance change element 10 which has such a characteristic. That is, the multi-value storage method includes a first electrode, a second electrode, and a resistance change layer formed of an oxygen-deficient transition metal oxide disposed between the first electrode and the second electrode. An interelectrode resistance that is a resistance value between the first electrode and the second electrode by applying an interelectrode voltage that is a potential of the second electrode with respect to the first electrode to a resistance change element that includes the first electrode A multi-value storage method of a resistance change element that reversibly changes a value between multi-values, wherein interelectrode voltages Vα, Vβ1, and Vβ2 having a first polarity and a second polarity different from the first polarity Electrode voltage Vγ and RL, RM, RH1, and RH2 satisfying RL <RM <RH1 <RH2, the interelectrode voltages Vα, Vβ1, and Vβ2 satisfy | Vα |> | Vβ2 |> | Vβ1 | Under conditions, it has the following process.

(1)電極間電圧Vαを抵抗変化素子に印加することによって、電極間抵抗値をRLにする書き込み過程 (1) Writing process in which the interelectrode resistance value is set to RL by applying the interelectrode voltage Vα to the resistance change element.

(2)電極間抵抗値がRLの抵抗変化素子に電極間電圧Vγを印加することによって、抵抗変化素子の電極間抵抗値をRMにする第1の消去過程 (2) A first erasing process in which the resistance value between electrodes of the resistance change element is set to RM by applying an interelectrode voltage Vγ to the resistance change element having the resistance value between electrodes RL.

(3)電極間抵抗値がRMの抵抗変化素子に電極間電圧Vβ1を印加することによって、電極間抵抗値をRH1にする第2の1の消去過程 (3) A second first erasing process for setting the interelectrode resistance value to RH1 by applying the interelectrode voltage Vβ1 to the resistance change element having the interelectrode resistance value RM.

(4)電極間抵抗値がRMまたはRH1の抵抗変化素子に電極間電圧Vβ2を印加することによって、電極間抵抗値をRH2にする第2の2の消去過程 (4) A second second erasing process for setting the interelectrode resistance value to RH2 by applying the interelectrode voltage Vβ2 to the resistance change element having the interelectrode resistance value of RM or RH1.

ここで、上記多値記憶方法はさらに、以下の過程を有することが好ましい。   Here, the multi-value storage method preferably further includes the following steps.

(5)第2の1の消去過程または第2の2の消去過程を実施した後、第1の消去過程と、第2の1の消去過程または第2の2の消去過程とをさらに1回以上実施することによって、電極間抵抗値をRH1またはRH2にする第3の消去過程 (5) After performing the second 1 erasing process or the second 2 erasing process, the first erasing process and the second 1 erasing process or the second 2 erasing process are performed once more. By performing the above, the third erasing process for setting the interelectrode resistance value to RH1 or RH2

上記過程(5)では、より詳しくは、第2の1の消去過程を繰り返す場合には、第3の消去過程では、第2の1の消去過程後における電極間抵抗値が予め定められた第1の閾値以上で、かつ、第2の閾値以下であるか否かを判断し、電極間抵抗値が第1の閾値よりも小さいか第2の閾値よりも大きい場合に、第1の消去過程と第2の1の消去過程とを少なくとも1回実行する。一方、第2の2の消去過程を繰り返す場合には、第3の消去過程では、第2の2の消去過程後における電極間抵抗値が予め定められた第3の閾値以上であるか否かを判断し、電極間抵抗値が第3の閾値よりも小さい場合に、第1の消去過程と第2の2の消去過程とを少なくとも1回実行する。なお、第1の閾値、第2の閾値は、RH1の正常な範囲(第1の閾値≦RH1≦第2の閾値)特定する値であり、第3の閾値は、RH2の正常な範囲(第3の閾値≦RH2)を特定する値である。   More specifically, in the step (5), when the second first erasing process is repeated, in the third erasing process, the interelectrode resistance value after the second first erasing process is predetermined. It is determined whether or not the threshold value is equal to or greater than the first threshold value and equal to or smaller than the second threshold value, and the first erase process is performed when the interelectrode resistance value is smaller than the first threshold value or larger than the second threshold value. And the second one erasing process are executed at least once. On the other hand, when the second 2 erasing process is repeated, in the third erasing process, whether the inter-electrode resistance value after the second 2 erasing process is greater than or equal to a predetermined third threshold value. When the inter-electrode resistance value is smaller than the third threshold value, the first erase process and the second two erase processes are executed at least once. The first threshold and the second threshold are values that specify a normal range of RH1 (first threshold ≦ RH1 ≦ second threshold), and the third threshold is a normal range of RH2 (first 3 is a value specifying threshold value ≦ RH2).

これにより、印加する電極間電圧に応じて、電極間抵抗値はRL、RM、RH1、RH2の少なくとも4値をとり、安定した多値記憶方法が実現される。   Accordingly, the interelectrode resistance value takes at least four values of RL, RM, RH1, and RH2 according to the applied interelectrode voltage, and a stable multilevel storage method is realized.

[実施例1]
図6は、本発明の実施例1の抵抗変化素子10において、パルス電圧を繰返し印加したときの抵抗状態の変化の一例を示すグラフである。本実施例1では、第1電極と第2電極との間に、所定の電圧値(パルス電圧)を有し、パルス幅が100nsである電気的パルスを印加し、その都度、第1電極と第2電極との間の電極間抵抗値を測定した。電極間抵抗値については、第2の閾値電圧V2よりも絶対値が十分小さく抵抗変化素子10の電極間抵抗値が変化しない電圧である+0.4Vの電圧を第1電極と第2電極との間に印加し、流れる電流を測定することにより求めた。図中、パルス印加回数が1から71回までは、書き込み電圧パルスVα(電圧−2.4V、パルス幅100ns)と第1の消去電圧パルスVγ(電圧+1.8V、パルス幅100ns)とを繰返し印加したときの抵抗変化の様子を示している。これは、図5で示した遷移S102Aと遷移S102Bに対応する抵抗変化である。図6におけるパルス印加回数が1から71回までのデータから、抵抗変化素子10が低抵抗状態(抵抗値RL)と中抵抗状態(抵抗値RM)との間を比較的安定に変化することがわかる。パルス印加回数が72回から135回までは、抵抗変化素子10に書き込み電圧パルスVα(電圧−2.4V、パルス幅100ns)を印加して低抵抗状態(抵抗値RL)になった後、第1の消去電圧パルスVγ(電圧+1.8V、パルス幅100ns)を印加して、中抵抗状態(抵抗値RM)にし、その後、第1の消去電圧パルスVγ(電圧+1.8V、パルス幅100ns)及び第2の消去電圧パルスVβ(電圧−1.0V、パルス幅100ns)を繰返し(9回)印加して、高抵抗状態(抵抗値RH)になる変化を繰返し実施したものである。これらの抵抗変化は、図5で示した遷移S101A、遷移S102A、遷移S103Bに対応する抵抗変化である。図6に示されるデータから、抵抗変化素子10が3値の抵抗状態間を比較的安定して変化していることがわかる。このように、本実施例1の抵抗変化素子10では、これらの3つの安定状態を使って3値の情報を記憶することが可能となる。
[Example 1]
FIG. 6 is a graph showing an example of a change in resistance state when a pulse voltage is repeatedly applied in the variable resistance element 10 of Example 1 of the present invention. In the first embodiment, an electrical pulse having a predetermined voltage value (pulse voltage) and a pulse width of 100 ns is applied between the first electrode and the second electrode. The inter-electrode resistance value between the second electrode was measured. As for the interelectrode resistance value, a voltage of +0.4 V, which is a voltage whose absolute value is sufficiently smaller than the second threshold voltage V2 and does not change the interelectrode resistance value of the resistance change element 10, is set between the first electrode and the second electrode. It was calculated by applying the current between them and measuring the flowing current. In the figure, the write voltage pulse Vα (voltage -2.4 V, pulse width 100 ns) and the first erase voltage pulse Vγ (voltage +1.8 V, pulse width 100 ns) are repeated for the number of times of pulse application from 1 to 71 times. The state of resistance change when applied is shown. This is a resistance change corresponding to the transition S102A and the transition S102B shown in FIG. From the data of the number of pulse applications from 1 to 71 in FIG. 6, the resistance change element 10 may change relatively stably between the low resistance state (resistance value RL) and the middle resistance state (resistance value RM). Recognize. When the number of pulse application is from 72 to 135, the write voltage pulse Vα (voltage −2.4 V, pulse width 100 ns) is applied to the resistance change element 10 to enter the low resistance state (resistance value RL). 1 erasing voltage pulse Vγ (voltage +1.8 V, pulse width 100 ns) is applied to achieve a middle resistance state (resistance value RM), and then the first erasing voltage pulse Vγ (voltage +1.8 V, pulse width 100 ns) The second erasing voltage pulse Vβ (voltage −1.0 V, pulse width 100 ns) is repeatedly applied (9 times), and the change to the high resistance state (resistance value RH) is repeatedly performed. These resistance changes are resistance changes corresponding to the transitions S101A, S102A, and S103B shown in FIG. From the data shown in FIG. 6, it can be seen that the variable resistance element 10 changes relatively stably between the three resistance states. As described above, the variable resistance element 10 according to the first embodiment can store ternary information using these three stable states.

[抵抗変化のメカニズム]
ここで、抵抗変化素子10の書き込み過程、第1の消去過程、第2の消去過程及び第3の消去過程における抵抗値変化のメカニズムについて、図7を参照しながら定性的に説明する。なお、現時点では、抵抗変化のメカニズムの詳細は不明な点が多く、ここでは、推測して述べる部分が多い。
[Mechanism of resistance change]
Here, a mechanism of resistance value change in the writing process, the first erasing process, the second erasing process, and the third erasing process of the variable resistance element 10 will be qualitatively described with reference to FIG. At this time, there are many unclear points about the details of the mechanism of resistance change, and there are a lot of speculated parts here.

図7は、抵抗変化のメカニズムを説明するための模式図である。図7においては、第1の遷移金属酸化物層3aと第2の遷移金属酸化物層3bのみ示し、第1電極2、第2電極4は省略している。   FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the mechanism of resistance change. In FIG. 7, only the first transition metal oxide layer 3a and the second transition metal oxide layer 3b are shown, and the first electrode 2 and the second electrode 4 are omitted.

第2の遷移金属酸化物層3bの酸素含有率は非常に大きい(言い換えると、酸素不足度が非常に小さい)ため(本実施形態では、TaO(2.1≦y))、抵抗変化素子10の電極間抵抗値は初期状態(製造後の状態であって、可逆的な抵抗変化動作をする前の状態)では非常に高く、書き込み電圧パルス、第1の消去電圧パルス、第2の消去電圧パルスを印加しても抵抗変化動作を示さない(図7(a))。そこで、抵抗変化動作をさせる前に、第2電極4に書き込み電圧パルス、第1の消去電圧パルス、第2の消去電圧パルスよりも電圧値が大きい正極性または負極性の初期ブレーク電圧パルスが印加されることで初期ブレークが行われ、第2の遷移金属酸化物層3b内に導電パス3cが形成される(図7(b))。 Since the oxygen content of the second transition metal oxide layer 3b is very large (in other words, the oxygen deficiency is very small) (in this embodiment, TaO y (2.1 ≦ y)), the resistance change element The interelectrode resistance value of 10 is very high in the initial state (the state after manufacture and before the reversible resistance change operation), and the write voltage pulse, the first erase voltage pulse, and the second erase Even if the voltage pulse is applied, the resistance changing operation is not shown (FIG. 7A). Therefore, before the resistance change operation is performed, a positive voltage or negative polarity initial break voltage pulse having a voltage value larger than the write voltage pulse, the first erase voltage pulse, and the second erase voltage pulse is applied to the second electrode 4. As a result, an initial break is performed, and a conductive path 3c is formed in the second transition metal oxide layer 3b (FIG. 7B).

まず、この初期ブレーク電圧パルスによる導電パス3c形成のメカニズムを定性的に説明する。ブレーク電圧パルスを印加することによって第2の遷移金属酸化物層3bの微小部分の酸素イオンが急激に第2電極4の界面(第2電極4と第2の遷移金属酸化物層3bとの界面)付近から第1の遷移金属酸化物層3a側へ移動して、第2の遷移金属酸化物層3bの酸素含有率よりも酸素含有率が小さく(言い換えると、第2の遷移金属酸化物層3bの酸素不足度よりも酸素不足度が大きく)、そのため抵抗が小さい微小なサイズの導電パス3cが形成される。この状態が、抵抗変化素子10の低抵抗状態であり、初期ブレークが行われた状態である(図7(b))。   First, the mechanism of forming the conductive path 3c by this initial break voltage pulse will be qualitatively described. By applying a break voltage pulse, oxygen ions in a minute portion of the second transition metal oxide layer 3b abruptly change at the interface of the second electrode 4 (interface between the second electrode 4 and the second transition metal oxide layer 3b). ) Moves from the vicinity to the first transition metal oxide layer 3a side and has an oxygen content smaller than that of the second transition metal oxide layer 3b (in other words, the second transition metal oxide layer 3b). The degree of oxygen deficiency is larger than the degree of oxygen deficiency of 3b), so that a small-sized conductive path 3c with low resistance is formed. This state is a low resistance state of the variable resistance element 10 and is a state in which an initial break has been performed (FIG. 7B).

次に、抵抗変化素子10の低抵抗状態と中抵抗状態との間の抵抗変化のメカニズムを定性的に説明する。低抵抗状態にある抵抗変化素子10に対して、正極性の第1の消去電圧パルスVγを印加することによって第2の遷移金属酸化物層3b内に形成された導電パス3c内を負極性の酸素イオンが第2電極4側への方向へ移動し、第2電極4の近傍へ蓄積され、抵抗変化素子10は中抵抗状態に変化する(図7(c))。一方、中抵抗状態にある抵抗変化素子10に対して、負極性の書き込み電圧パルスVαを印加することによって、第2電極4の近傍に蓄積された酸素イオンは、導電パス3c内を第2電極4の界面から遠ざかる方向へ移動し、抵抗変化素子10は低抵抗状態に変化する(図7(b))。   Next, the mechanism of resistance change between the low resistance state and the medium resistance state of the variable resistance element 10 will be qualitatively described. By applying a positive first erase voltage pulse Vγ to the variable resistance element 10 in a low resistance state, the inside of the conductive path 3c formed in the second transition metal oxide layer 3b has a negative polarity. Oxygen ions move in the direction toward the second electrode 4, accumulate in the vicinity of the second electrode 4, and the resistance change element 10 changes to a medium resistance state (FIG. 7C). On the other hand, by applying a negative write voltage pulse Vα to the resistance change element 10 in the intermediate resistance state, oxygen ions accumulated in the vicinity of the second electrode 4 pass through the second path through the conductive path 3c. 4 moves away from the interface 4 and the resistance change element 10 changes to a low resistance state (FIG. 7B).

次に、抵抗変化素子10の中抵抗状態と高抵抗状態との間の抵抗変化のメカニズムを定性的に説明する。中抵抗状態にある抵抗変化素子10に負極性の第2の消去電圧Vβを印加した場合、第2の消去電圧Vβの絶対値は第1の閾値電圧V1の絶対値よりも小さいため、第2電極4の近傍に蓄積された酸素イオンは、導電パス3c内を第2電極4の界面から遠ざかる方向へ移動することはほとんどできない。しかしながら、第2電極4の近傍に蓄積された酸素イオン以外の導電パス3c内に存在していた酸素イオンが導電パス3cのどこかの部分(例えば、導電パス3cと第1の遷移金属酸化物層3aとの境界近傍)に蓄積される。このようにして抵抗変化素子10は中抵抗状態から高抵抗状態に変化すると考えられる(図7(d))。図7(d)に示される抵抗変化素子10の状態で、さらに、正極性の第1の消去電圧Vγと負極性の第2の消去電圧Vβが繰返し印加されると、第2電極4の近傍に蓄積された酸素イオン層、及び導電パス3cと第1の遷移金属酸化物層3aとの境界近傍に蓄積された酸素イオン層には、その厚みを減少させるには印加される電圧が不十分(閾値以下)であり、その厚みが増加する一方になるため、より安定な高抵抗状態が実現されると推測される。   Next, a mechanism of resistance change between the middle resistance state and the high resistance state of the resistance change element 10 will be qualitatively described. When the second erase voltage Vβ having a negative polarity is applied to the resistance change element 10 in the middle resistance state, the second erase voltage Vβ is smaller than the absolute value of the first threshold voltage V1 because the second erase voltage Vβ is smaller than the second threshold voltage V1. Oxygen ions accumulated in the vicinity of the electrode 4 can hardly move in the direction away from the interface of the second electrode 4 in the conductive path 3c. However, oxygen ions other than the oxygen ions accumulated in the vicinity of the second electrode 4 are present in some part of the conductive path 3c (for example, the conductive path 3c and the first transition metal oxide). In the vicinity of the boundary with the layer 3a). In this way, the resistance change element 10 is considered to change from the middle resistance state to the high resistance state (FIG. 7D). In the state of the resistance change element 10 shown in FIG. 7D, when the positive first erasing voltage Vγ and the negative second erasing voltage Vβ are repeatedly applied, the vicinity of the second electrode 4 is obtained. The oxygen ion layer accumulated in the layer and the oxygen ion layer accumulated near the boundary between the conductive path 3c and the first transition metal oxide layer 3a have insufficient voltage applied to reduce the thickness thereof. It is estimated that a more stable high-resistance state is realized because the thickness increases (below the threshold value).

(実施の形態2)
実施の形態2は、実施の形態1において説明した抵抗変化素子10を備える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 2)
The second embodiment is a nonvolatile memory device including the variable resistance element 10 described in the first embodiment. 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8は、本発明の実施の形態2に係る不揮発性記憶装置200の構成の一例を示すブロック図である。図8に示すように、不揮発性記憶装置200は、抵抗変化素子を具備す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。また、ビット線/プレート線ドライバ207はセンス回路を備えており、ビット線またはプレート線に流れる電流や、発生した電圧を測定することができる。
[Configuration of non-volatile storage device]
FIG. 8 is a block diagram showing an example of the configuration of the nonvolatile memory device 200 according to Embodiment 2 of the present invention. As illustrated in FIG. 8, the nonvolatile memory device 200 includes a memory cell array 201 including a resistance change element, 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. The bit line / plate line driver 207 includes a sense circuit, and can measure a current flowing in the bit line or the plate line and a generated voltage.

メモリセルアレイ201は、図8に示すように、縦方向に延びる2本のワード線W1、W2と、当該ワード線W1、W2と交差して横方向に延びる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横方向に延びる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個のメモリセルMC211、MC212、MC221、MC222とを具備している。なお、メモリセルMC211、MC212、MC221、MC222は、それぞれ、選択トランジスタT211と抵抗変化素子R211、選択トランジスタT212と抵抗変化素子R212、選択トランジスタT221と抵抗変化素子R221、選択トランジスタT222と抵抗変化素子R222から構成される。   As shown in FIG. 8, the memory cell array 201 includes two word lines W1 and W2 extending in the vertical direction, two bit lines B1 and B2 extending in the horizontal direction across the word lines W1 and W2, Corresponding to each intersection of two plate lines P1, P2 extending in the lateral direction provided corresponding to the bit lines B1, B2 on a one-to-one basis, and word lines W1, W2 and bit lines B1, B2 in a matrix form Are provided with four memory cells MC211, MC212, MC221, and MC222. Note that the memory cells MC211, MC212, MC221, and MC222 include a selection transistor T211 and a resistance change element R211, a selection transistor T212 and a resistance change element R212, a selection transistor T221 and a resistance change element R221, and a selection transistor T222 and a resistance change element R222, respectively. Consists of

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。ここでは、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. Here, the memory cell array 201 includes four memory cells as described above. However, this is an example, and a configuration including five or more memory cells may be employed.

なお、上記の構成例では、プレート線はビット線と平行に配置されているが、プレート線はワード線と平行に配置してもよい。また、プレート線は接続されているトランジスタに共通の電位を与える構成としているが、行デコーダ204やワード線ドライバ205と同様の構成のソース線選択回路やドライバを有し、選択されたソース線と非選択のソース線を異なる電圧(極性も含む)で駆動する構成としてもよい。   In the above configuration example, the plate line is arranged in parallel with the bit line, but the plate line may be arranged in parallel with the word line. The plate line is configured to apply a common potential to the connected transistors. However, the plate line includes a source line selection circuit and a driver having the same configuration as the row decoder 204 and the word line driver 205, and the selected source line and The non-selected source line may be driven with a different voltage (including polarity).

上述した抵抗変化素子R211、R212、R221、R222は、実施の形態1において説明した抵抗変化素子10に相当する。メモリセルアレイ201の構成についてさらに説明すると、メモリセルMC211(選択トランジスタT211及び抵抗変化素子R211)は、ビット線B1とプレート線P1との間に設けられており、選択トランジスタT211のソースと抵抗変化素子R211とが接続されるべく直列に並んでいる。より詳しくは、選択トランジスタT211は、ビット線B1と抵抗変化素子R211との間で、ビット線B1及び抵抗変化素子R211と接続されており、抵抗変化素子R211は、選択トランジスタT211とプレート線P1との間で、選択トランジスタT211及びプレート線P1と接続さている。また、選択トランジスタT211のゲートはワード線W1に接続されている。   The variable resistance elements R211, R212, R221, and R222 described above correspond to the variable resistance element 10 described in the first embodiment. The configuration of the memory cell array 201 will be further described. The memory cell MC211 (selection transistor T211 and resistance change element R211) is provided between the bit line B1 and the plate line P1, and the source of the selection transistor T211 and the resistance change element R211 are arranged in series to be connected. More specifically, the selection transistor T211 is connected to the bit line B1 and the resistance change element R211 between the bit line B1 and the resistance change element R211. The resistance change element R211 includes the selection transistor T211 and the plate line P1. Are connected to the selection transistor T211 and the plate line P1. The gate of the selection transistor T211 is connected to the word line W1.

なお、他の3個の選択トランジスタT212、T221、T222及びこれらの選択トランジスタT212、T221、T222と直列に配置される3個の抵抗変化素子R212、R221、R222の接続状態は、選択トランジスタT211及び抵抗変化素子R211の場合と同様であるので、説明を省略する。   The connection state of the other three selection transistors T212, T221, T222 and the three resistance change elements R212, R221, R222 arranged in series with the selection transistors T212, T221, T222 is the selection transistor T211 and Since it is the same as that of the resistance change element R211, description is abbreviate | omitted.

以上の構成により、選択トランジスタ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、選択トランジスタ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。   With the above configuration, when a predetermined voltage (activation voltage) is supplied to the gates of the selection transistors T211, T212, T221, and T222 via the word lines W1 and W2, the selection transistors T211, T212, T221, The drain and source of T222 become conductive.

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、メモリセルMC211、MC212、MC221、MC222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 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 memory cell selected from among the memory cells 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、第1の消去モード、第2の消去モード、第3の消去モード及び読み出しモードのうちのいずれか1つのモードを選択する。以下、電圧印加の場合、プレート線を基準に各電圧が印加されるものとする。   The control unit 203 selects one of the write mode, the first erase mode, the second erase mode, the third erase mode, and the read mode according to the mode selection signal MODE received from the external circuit. select. Hereinafter, in the case of voltage application, each voltage is applied with reference to the plate line.

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 “application of write voltage” to the bit line / plate line driver 207 in accordance with the input data Din received from the external circuit.

読み出しモードの場合、制御部203は、「読み出し電圧印加」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、ビット線/プレート線ドライバ207から出力される信号IREADを受け取り、この信号IREADに応じたビット値を示す出力データDoutを外部回路へ出力する。この信号IREADは、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を示す信号である。   In the read mode, the control unit 203 outputs a control signal CONT instructing “application of read voltage” to the bit line / plate line driver 207. In this read mode, the control unit 203 further receives a signal IREAD output from the bit line / plate line driver 207, and outputs output data Dout indicating a bit value corresponding to the signal IREAD to an external circuit. This signal IREAD is a signal indicating the current value of the current flowing through the plate lines P1 and P2 in the read mode.

また、第1の消去モードにおいて、制御部203は、抵抗変化素子R211、R212、R221、R222の抵抗状態を確認し、その抵抗状態に応じて、低抵抗状態の場合には、「第1の消去電圧印加」を指示する制御信号CONTを、高抵抗状態の場合には、「書き込み電圧印加」及び「第1の消去電圧印加」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 first erase mode, the control unit 203 confirms the resistance states of the resistance change elements R211, R212, R221, and R222. If the resistance state is a low resistance state, A control signal CONT for instructing “application of erase voltage” is output to the bit line / plate line driver 207 in the case of a high resistance state, and a control signal CONT for instructing “application of write voltage” and “application of first erase voltage” is output. To do.

さらに、第2の消去モードにおいて、制御部203は、抵抗変化素子R211、R212、R221、R222の抵抗状態を確認し、その抵抗状態に応じて、低抵抗状態の場合には、「第1の消去電圧印加」及び「第2の消去電圧印加」を指示する制御信号CONTを、中抵抗状態の場合には、「第2の消去電圧印加」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。   Further, in the second erase mode, the control unit 203 checks the resistance states of the resistance change elements R211, R212, R221, and R222, and according to the resistance state, The bit line / plate line driver receives the control signal CONT for instructing “application of erase voltage” and “application of the second erase voltage”, and the control signal CONT instructing “application of second erase voltage” in the middle resistance state. It outputs to 207.

なお、第3の消去モードにおいては、制御部203は、上記第1の消去モードおよび上記第2の消去モードを一定回数繰り返す、あるいは、上記読み出しモードと図4の判定(S4)とを行いながら、上記第1の消去モードおよび上記第2の消去モードを繰り返す。   In the third erase mode, the control unit 203 repeats the first erase mode and the second erase mode a predetermined number of times, or while performing the read mode and the determination (S4) in FIG. The first erase mode and the second erase mode are repeated.

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、選択されたビット線に対応する、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 selects the selected one. One of the two plate lines P1 and P2 corresponding to the bit line 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と選択されたプレート線間に書き込み電圧VWRITE(書き込み電圧パルス)を印加する。   When the bit line / plate line driver 207 receives the control signal CONT instructing “application of write voltage” from the control unit 203, the bit line / plate line driver 207 is selected as the bit line selected by the column decoder 206 based on the output signal of the column decoder 206. A write voltage VWRITE (write voltage pulse) is applied between the plate lines.

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と同じく選択されたプレート線間に読み出し電圧VREADを印加する。その後、ビット線/プレート線ドライバ207は、そのプレート線を流れる電流の電流値を示す信号IREADを制御部203に出力する。   When the bit line / plate line driver 207 receives a control signal CONT instructing “reading voltage application” from the control unit 203, the bit line / plate line driver 207 determines the bit line selected by the column decoder 206 based on the output signal of the column decoder 206. Similarly, a read voltage VREAD is applied between the selected plate lines. Thereafter, the bit line / plate line driver 207 outputs a signal IREAD indicating the current value of the current flowing through the plate line to the control unit 203.

さらに、ビット線/プレート線ドライバ207は、制御部203から「第1の消去電圧印加」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と同じく選択されたプレート線間に第1の消去電圧VRESET1(第1の消去電圧パルス)を印加する。   Further, when the bit line / plate line driver 207 receives the control signal CONT instructing “application of the first erase voltage” from the control unit 203, the bit line / plate line driver 207 is selected by the column decoder 206 based on the output signal of the column decoder 206. A first erase voltage VRESET1 (first erase voltage pulse) is applied between the selected plate lines in the same manner as the bit lines.

さらに、ビット線/プレート線ドライバ207は、制御部203から「第2の消去電圧印加」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と同じく選択されたプレート線間に第2の消去電圧VRESET2(第2の消去電圧パルス)を印加する。   Further, when the bit line / plate line driver 207 receives the control signal CONT instructing “second erase voltage application” from the control unit 203, the bit line / plate line driver 207 is selected by the column decoder 206 based on the output signal of the column decoder 206. A second erase voltage VRESET2 (second erase voltage pulse) is applied between the selected plate lines in the same manner as the bit lines.

ここで、書き込み電圧VWRITEの電圧値は、例えば−2.4Vに設定され、そのパルス幅が100nsに設定される。また、読み出し電圧VREADの電圧値は、例えば+0.4Vに設定される。さらに、第1の消去電圧VRESET1の電圧値は、例えば+1.8Vに設定され、そのパルス幅は100nsに設定される。さらに、第2の消去電圧VRESET2の電圧値は、例えば−1.0Vに設定され、そのパルス幅は100nsに設定される。   Here, the voltage value of the write voltage VWRITE is set to −2.4 V, for example, and the pulse width is set to 100 ns. The voltage value of the read voltage VREAD is set to + 0.4V, for example. Further, the voltage value of the first erase voltage VRESET1 is set to +1.8 V, for example, and the pulse width is set to 100 ns. Further, the voltage value of the second erase voltage VRESET2 is set to −1.0 V, for example, and the pulse width is set to 100 ns.

なお、機能的には、制御部203とビット線/プレート線ドライバ207によって、選択されたメモリセル(より厳密には、抵抗変化素子)に所定のパルス電圧を印加するパルス電圧印加部が構成されている。そのようなパルス電圧印加部とは、少なくとも、(1)第1の極性を有する書き込み電圧パルス(電極間電圧Vα)をメモリセルに印加することによって、当該メモリセルの抵抗変化素子の抵抗状態を高抵抗状態から低抵抗状態へ変化させる書き込み過程と、(2)第1の極性とは異なる第2の極性を有する第1の消去電圧パルス(電極間電圧Vγ)をメモリセルに印加することによって、当該メモリセルの抵抗変化素子の抵抗状態を低抵抗状態から中抵抗状態へ変化させる第1の消去過程と、(3)第1の極性と同じ極性を有する第2の消去電圧パルス(電極間電圧Vβ)をメモリセルに印加することによって、当該メモリセルの抵抗変化素子の抵抗状態を中抵抗状態から高抵抗状態へ変化させる第2の消去過程と、(4)書き込み過程の後または第1の消去過程の後、メモリセルに対して、第1の消去過程と第2の消去過程とを繰返し実施することによって、当該メモリセルの抵抗変化素子の抵抗状態を低抵抗状態または中抵抗状態から高抵抗状態へ変化させる第3の消去過程とを実行する処理部である。   Functionally, the control unit 203 and the bit line / plate line driver 207 constitute a pulse voltage application unit that applies a predetermined pulse voltage to a selected memory cell (more precisely, a resistance change element). ing. With such a pulse voltage application unit, at least (1) a write voltage pulse (interelectrode voltage Vα) having a first polarity is applied to a memory cell, thereby changing the resistance state of the resistance change element of the memory cell. (2) By applying a first erase voltage pulse (interelectrode voltage Vγ) having a second polarity different from the first polarity to the memory cell, to change from the high resistance state to the low resistance state. A first erase process for changing the resistance state of the resistance change element of the memory cell from the low resistance state to the middle resistance state; and (3) a second erase voltage pulse having the same polarity as the first polarity (between the electrodes). Applying a voltage Vβ) to the memory cell, thereby changing the resistance state of the resistance change element of the memory cell from the medium resistance state to the high resistance state; and (4) after the writing process. Alternatively, after the first erasing process, the memory cell is repeatedly subjected to the first erasing process and the second erasing process, thereby changing the resistance state of the resistance change element of the memory cell to the low resistance state or And a third erasing process for changing from the middle resistance state to the high resistance state.

[不揮発性記憶装置の動作]
以下、上述したように構成される不揮発性記憶装置200の動作例を、上記の書き込みモード、第1の消去モード、第2の消去モード、第3の消去モード及び読み出しモードの各モードに分けて説明する。ここで、実施の形態1における書き込み過程は書き込みモードに、第1の消去過程は第1の消去モード、第2の消去過程は第2の消去モード、第3の消去過程は第3の消去モードにそれぞれ該当する。
[Operation of non-volatile storage device]
Hereinafter, the operation example of the nonvolatile memory device 200 configured as described above is divided into the write mode, the first erase mode, the second erase mode, the third erase mode, and the read mode. explain. Here, the writing process in the first embodiment is the writing mode, the first erasing process is the first erasing mode, the second erasing process is the second erasing mode, and the third erasing process is the third erasing mode. It corresponds to each.

以下では、制御部203が、外部回路から受け取る入力データDinとしては、抵抗変化素子が低抵抗状態にある場合を「2」に、中抵抗状態にある場合を「1」対応させ、高抵抗状態にある場合を「0」に対応させている。   In the following, as the input data Din received by the control unit 203 from the external circuit, “2” corresponds to the case where the variable resistance element is in the low resistance state, and “1” corresponds to the case where the resistance change element is in the middle resistance state. The case of “0” is associated with “0”.

なお、説明の便宜上、アドレス信号ADDRESSは、メモリセルMC211のアドレスを示す信号であるものとする。   For convenience of explanation, it is assumed that the address signal ADDRESS is a signal indicating the address of the memory cell MC211.

〔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が「2」である場合に、「書き込み電圧印加」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。一方、制御部203は、入力データDinが「1」または「0」である場合には制御信号CONTを出力しない。
[Write mode]
The control unit 203 receives input data Din from an external circuit. Here, when the input data Din is “2”, the control unit 203 outputs a control signal CONT indicating “application of write voltage” to the bit line / plate line driver 207. On the other hand, the control unit 203 does not output the control signal CONT when the input data Din is “1” or “0”.

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と選択されたプレート線P1間に書き込み電圧VWRITE(書き込み電圧パルス)を印加する。   When the bit line / plate line driver 207 receives the control signal CONT indicating “write voltage application” from the control unit 203, the bit line / plate line driver 207 writes the write voltage VWRITE () between the bit line B1 selected by the column decoder 206 and the selected plate line P1. Write voltage pulse) is applied.

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、選択トランジスタ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 selection transistor T211 are in a conductive state.

その結果、書き込み電圧VWRITE、すなわち電圧値が−2.4Vでパルス幅が100nsの書き込み電圧パルスが、メモリセルMC211に印加される。これにより、パルス電圧印加部によって実施の形態1における書き込み過程が実行され、メモリセルMC211の抵抗変化素子R211の抵抗値は、高抵抗状態あるいは中抵抗状態から低抵抗状態へと変化する。他方、メモリセルMC221、MC222には書き込み電圧パルスは印加されず、且つメモリセルMC212の選択トランジスタT212のゲートには活性化電圧が印加されないため、メモリセルMC212、MC221、MC222の抵抗変化素子の抵抗状態は変化しない。   As a result, a write voltage VWRITE, that is, a write voltage pulse having a voltage value of −2.4 V and a pulse width of 100 ns is applied to the memory cell MC211. Thereby, the write process in the first embodiment is executed by the pulse voltage application unit, and the resistance value of the resistance change element R211 of the memory cell MC211 changes from the high resistance state or the middle resistance state to the low resistance state. On the other hand, the write voltage pulse is not applied to the memory cells MC221 and MC222, and the activation voltage is not applied to the gate of the selection transistor T212 of the memory cell MC212. Therefore, the resistances of the resistance change elements of the memory cells MC212, MC221, and MC222. The state does not change.

このようにして、抵抗変化素子R211のみを低抵抗状態へ変化させることができ、これにより、メモリセルMC211に、低抵抗状態に対応する「2」を示すデータが書き込まれる。   In this way, only the resistance change element R211 can be changed to the low resistance state, whereby data indicating “2” corresponding to the low resistance state is written in the memory cell MC211.

なお、メモリセル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、上記の不揮発性記憶装置200の書き込みモードにおける動作が、メモリセルMC211以外のメモリセルに対して繰り返される。   When writing to the memory cell MC211 is completed, a new address signal ADDRESS is input to the address buffer 202, and the operation in the write mode of the nonvolatile memory device 200 is repeated for the memory cells other than the memory cell MC211. It is.

〔読み出しモード〕
制御部203は、「読み出し電圧印加」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。
[Read mode]
The control unit 203 outputs a control signal CONT instructing “application of read voltage” 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と選択されたプレート線P1間に読み出し電圧VREADを印加する。   When the bit line / plate line driver 207 receives the control signal CONT instructing “reading voltage application” from the control unit 203, the reading voltage VREAD between the bit line B1 selected by the column decoder 206 and the selected plate line P1. Apply.

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、選択トランジスタ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 selection transistor T211 are in a conductive state.

このため、読み出し電圧VREADとして、例えば電圧値が+0.4Vの測定電圧が、メモリセルMC211に印加される。これにより、抵抗変化素子R211の抵抗値に応じた電流値を示す読み出し電流が、抵抗変化素子R212を介して、ビット線B1からプレート線P1に流れ込む。読み出し電圧VREADは、メモリセルに印加されてもメモリセルの抵抗変化素子の抵抗値が変化しないような十分低い電圧である。   Therefore, for example, a measurement voltage having a voltage value of +0.4 V is applied to the memory cell MC211 as the read voltage VREAD. As a result, a read current indicating a current value corresponding to the resistance value of the resistance change element R211 flows from the bit line B1 to the plate line P1 via the resistance change element R212. The read voltage VREAD is a sufficiently low voltage that does not change the resistance value of the resistance change element of the memory cell even when applied to the memory cell.

なお、メモリセルMC221、MC222には測定電圧が印加されず、且つメモリセルMC212の選択トランジスタT212のゲートには活性化電圧が印加されないため、メモリセルMC212、MC221、MC222には上記電流が流れない。   Note that since the measurement voltage is not applied to the memory cells MC221 and MC222 and the activation voltage is not applied to the gate of the selection transistor T212 of the memory cell MC212, the current does not flow through the memory cells MC212, MC221, and MC222. .

次に、ビット線に接続されたセンスアンプ(図示せず)は、ビット線B1に流れる読み出し電流の電流値を基準となる抵抗値を流れる電流値と比較し、その結果を示す信号IREADを制御部203に出力する。   Next, a sense amplifier (not shown) connected to the bit line compares the current value of the read current flowing through the bit line B1 with the current value flowing through the reference resistance value, and controls the signal IREAD indicating the result. The data is output to the unit 203.

制御部203は、その信号IREADに示された電流値に応じた出力データDoutを外部へ出力する。例えば、信号IREADに示された電流値が、抵抗変化素子R211が低抵抗状態のときに流れる電流の電流値に相当する場合、制御部203は、「2」を示す出力データDoutを出力する。   The control unit 203 outputs output data Dout corresponding to the current value indicated by the signal IREAD to the outside. For example, when the current value indicated by the signal IREAD corresponds to the current value of the current that flows when the resistance change element R211 is in the low resistance state, the control unit 203 outputs the output data Dout indicating “2”.

このようにして、メモリセルMC211のみに当該メモリセルMC211の抵抗変化素子R211の抵抗値に応じた電流が流れ、当該電流がビット線/プレート線ドライバ207に備えられたセンス回路に流れる。これにより、メモリセルMC211から「2」を示すデータが読み出される。   In this way, a current corresponding to the resistance value of the resistance change element R211 of the memory cell MC211 flows only in the memory cell MC211 and the current flows to the sense circuit provided in the bit line / plate line driver 207. As a result, data indicating “2” is read from the memory cell MC211.

なお、メモリセルMC211の抵抗変化素子R211の抵抗値の測定は、あらかじめ抵抗変化素子R211にプリチャージした電圧が抵抗変化素子R211の抵抗値に対応した時定数で減衰する過程の電圧を測定してもよい。   The resistance value of the resistance change element R211 of the memory cell MC211 is measured by measuring the voltage in the process in which the voltage precharged in the resistance change element R211 is attenuated with a time constant corresponding to the resistance value of the resistance change element R211. Also good.

メモリセル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、上記の不揮発性記憶装置200の読み出しモードにおける動作が、メモリセルMC211以外のメモリセルに対して繰り返される。   When reading from the memory cell MC211 is completed, a new address signal ADDRESS is input to the address buffer 202, and the operation in the read mode of the nonvolatile memory device 200 is repeated for memory cells other than the memory cell MC211.

〔第1の消去モード〕
第1の消去モードにおいては、まず制御部203が、上記読み出しモードを実行することによってメモリセルMC211の抵抗変化素子R211の抵抗値の状態(記憶状態)を取得する。そして、メモリセルMC211に「2」を示すビットデータが記憶されていると判定した場合(メモリセルMC211の抵抗変化素子R211が低抵抗状態にあると判定した場合)、制御部203は、「第1の消去電圧印加」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。また、メモリセルMC211に「0」を示すビットデータが記憶されていると判定した場合(メモリセルMC211の抵抗変化素子R211が高抵抗状態にあると判定した場合)、制御部203は、「書き込み電圧印加」及び「第1の消去電圧印加」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。他方、メモリセルMC211に「1」を示すビットデータが記憶されていると判定した場合(メモリセルMC211の抵抗変化素子R211が中抵抗状態にあると判定した場合)は、制御部203は上記制御信号CONTを出力しない。
[First erase mode]
In the first erase mode, first, the control unit 203 acquires the resistance value state (memory state) of the resistance change element R211 of the memory cell MC211 by executing the read mode. When it is determined that bit data indicating “2” is stored in the memory cell MC211 (when it is determined that the resistance change element R211 of the memory cell MC211 is in the low resistance state), the control unit 203 determines that the “first The control signal CONT indicating “1 erase voltage application” is output to the bit line / plate line driver 207. When it is determined that bit data indicating “0” is stored in the memory cell MC211 (when it is determined that the resistance change element R211 of the memory cell MC211 is in the high resistance state), the control unit 203 reads “Write A control signal CONT indicating “voltage application” and “first erase voltage application” is output to the bit line / plate line driver 207. On the other hand, when it is determined that bit data indicating “1” is stored in the memory cell MC211 (when it is determined that the resistance change element R211 of the memory cell MC211 is in the middle resistance state), the control unit 203 performs the above control. The signal CONT is not output.

メモリセルMC211に「2」を示すビットデータが記憶されていると判定した場合、ビット線/プレート線ドライバ207は、制御部203から「第1の消去電圧印加」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と選択されたプレート線P1間に第1の消去電圧VRESET1(第1の消去電圧パルス)を印加する。   When it is determined that bit data indicating “2” is stored in the memory cell MC211, the bit line / plate line driver 207 receives a control signal CONT indicating “first erase voltage application” from the control unit 203. A first erase voltage VRESET1 (first erase voltage pulse) is applied between the bit line B1 selected by the column decoder 206 and the selected plate line P1.

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、選択トランジスタ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 selection transistor T211 are in a conductive state.

その結果、第1の消去電圧VRESET、すなわち電圧値が+1.8Vでパルス幅が100nsecの第1の消去電圧パルスが、メモリセルMC211に印加される。これにより、パルス電圧印加部によって実施の形態1における第1の消去過程が実行され、メモリセルMC211の抵抗変化素子R211の抵抗値は、低抵抗状態から中抵抗状態へと変化する。他方、メモリセルMC221、MC222には第1の消去電圧パルスは印加されず、且つメモリセルMC212の選択トランジスタT212のゲートには活性化電圧が印加されないため、メモリセルMC212、MC221、MC222の抵抗変化素子の抵抗状態は変化しない。   As a result, the first erase voltage VRESET, that is, the first erase voltage pulse having a voltage value of +1.8 V and a pulse width of 100 nsec is applied to the memory cell MC211. As a result, the first erase process in the first embodiment is executed by the pulse voltage application unit, and the resistance value of the resistance change element R211 of the memory cell MC211 changes from the low resistance state to the middle resistance state. On the other hand, since the first erase voltage pulse is not applied to the memory cells MC221 and MC222, and the activation voltage is not applied to the gate of the selection transistor T212 of the memory cell MC212, the resistance change of the memory cells MC212, MC221 and MC222 The resistance state of the element does not change.

また、メモリセルMC211に「0」を示すビットデータが記憶されていると判定した場合、まず、上述した書き込みモードが実行され、メモリセルMC211の抵抗変化素子R211の抵抗状態は、高抵抗状態から低抵抗状態へ変化し、その後、上述した第1の消去電圧が印加され、メモリセルMC211の抵抗変化素子R211の抵抗状態は低抵抗状態から中抵抗状態へと変化する。   When it is determined that bit data indicating “0” is stored in the memory cell MC211, first, the above-described write mode is executed, and the resistance state of the resistance change element R211 of the memory cell MC211 is changed from the high resistance state. After changing to the low resistance state, the first erase voltage described above is applied, and the resistance state of the resistance change element R211 of the memory cell MC211 changes from the low resistance state to the middle resistance state.

このようにして、メモリセルMC211の抵抗変化素子R211のみを低抵抗状態または高抵抗状態から中抵抗状態へ変化させることができる。これにより、メモリセルMC211に記憶された低抵抗状態に対応する「2」を示すデータあるいは高抵抗状態に対応する「0」が、中抵抗状態に対応する「1」に変化する。   In this way, only the resistance change element R211 of the memory cell MC211 can be changed from the low resistance state or the high resistance state to the middle resistance state. As a result, data indicating “2” corresponding to the low resistance state stored in the memory cell MC211 or “0” corresponding to the high resistance state changes to “1” corresponding to the medium resistance state.

〔第2の消去モード〕
第2の消去モードにおいては、まず制御部203が、上記読み出しモードを実行することによってメモリセルMC211の抵抗変化素子R211の抵抗値の状態(記憶状態)を取得する。そして、メモリセルMC211に「1」を示すビットデータが記憶されていると判定した場合(メモリセルMC211の抵抗変化素子R211が中抵抗状態にあると判定した場合)、制御部203は、「第2の消去電圧印加」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。また、メモリセルMC211に「2」を示すビットデータが記憶されていると判定した場合(メモリセルMC211の抵抗変化素子R211が低抵抗状態にあると判定した場合)、制御部203は、「第1の消去電圧印加」及び「第2の消去電圧印加」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。他方、メモリセルMC211に「0」を示すビットデータが記憶されていると判定した場合(メモリセルMC211の抵抗変化素子R211が高抵抗状態にあると判定した場合)は、制御部203は上記制御信号CONTを出力しない。
[Second erase mode]
In the second erase mode, first, the control unit 203 acquires the resistance value state (memory state) of the resistance change element R211 of the memory cell MC211 by executing the read mode. When it is determined that bit data indicating “1” is stored in the memory cell MC211 (when it is determined that the resistance change element R211 of the memory cell MC211 is in the middle resistance state), the controller 203 2 is output to the bit line / plate line driver 207. When it is determined that bit data indicating “2” is stored in the memory cell MC211 (when it is determined that the resistance change element R211 of the memory cell MC211 is in the low resistance state), the control unit 203 determines that the “first A control signal CONT indicating “one erase voltage application” and “second erase voltage application” is output to the bit line / plate line driver 207. On the other hand, when it is determined that bit data indicating “0” is stored in the memory cell MC211 (when it is determined that the resistance change element R211 of the memory cell MC211 is in the high resistance state), the control unit 203 performs the above control. The signal CONT is not output.

メモリセルMC211に「1」を示すビットデータが記憶されていると判定した場合、ビット線/プレート線ドライバ207は、制御部203から「第2の消去電圧印加」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と選択されたプレート線P1間に第2の消去電圧VRESET2(第2の消去電圧パルス)を印加する。   When it is determined that bit data indicating “1” is stored in the memory cell MC 211, the bit line / plate line driver 207 receives the control signal CONT indicating “second erase voltage application” from the control unit 203. A second erase voltage VRESET2 (second erase voltage pulse) is applied between the bit line B1 selected by the column decoder 206 and the selected plate line P1.

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、選択トランジスタ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 selection transistor T211 are in a conductive state.

その結果、第2の消去電圧VRESET、すなわち電圧値が−1.0Vでパルス幅が100nsの第2の消去電圧パルスが、メモリセルMC211に印加される。これにより、パルス電圧印加部によって実施の形態1における第2の消去過程が実行され、メモリセルMC211の抵抗変化素子R211の抵抗値は、中抵抗状態から高抵抗状態へと変化する。他方、メモリセルMC221、MC222には第2の消去電圧パルスは印加されず、且つメモリセルMC212の選択トランジスタT212のゲートには活性化電圧が印加されないため、メモリセルMC212、MC221、MC222の抵抗変化素子の抵抗状態は変化しない。   As a result, the second erase voltage VRESET, that is, the second erase voltage pulse having a voltage value of −1.0 V and a pulse width of 100 ns is applied to the memory cell MC211. Thereby, the second erase process in the first embodiment is executed by the pulse voltage application unit, and the resistance value of the resistance change element R211 of the memory cell MC211 changes from the middle resistance state to the high resistance state. On the other hand, since the second erase voltage pulse is not applied to the memory cells MC221 and MC222, and the activation voltage is not applied to the gate of the selection transistor T212 of the memory cell MC212, the resistance change of the memory cells MC212, MC221 and MC222 The resistance state of the element does not change.

また、メモリセルMC211に「2」を示すビットデータが記憶されていると判定した場合、まず、前述した第1の消去モードが実行され、メモリセルMC211の抵抗変化素子R211の抵抗状態は、低抵抗状態から中抵抗状態へ変化し、その後、上述した第2の消去電圧が印加され、メモリセルMC211の抵抗変化素子R211の抵抗状態は、中抵抗状態から高抵抗状態へと変化する。   When it is determined that bit data indicating “2” is stored in the memory cell MC211, first, the first erase mode described above is executed, and the resistance state of the resistance change element R211 of the memory cell MC211 is low. The resistance state is changed to the middle resistance state, and then the second erase voltage described above is applied, and the resistance state of the resistance change element R211 of the memory cell MC211 changes from the middle resistance state to the high resistance state.

このようにして、メモリセルMC211の抵抗変化素子R211のみを中抵抗状態または低抵抗状態から高抵抗状態へ変化させることができる。これにより、メモリセルMC211に記憶された中抵抗状態に対応する「1」を示すデータあるいは低抵抗状態に対応する「2」が、高抵抗状態に対応する「0」に変化する。   In this way, only the resistance change element R211 of the memory cell MC211 can be changed from the middle resistance state or the low resistance state to the high resistance state. As a result, data indicating “1” corresponding to the medium resistance state stored in the memory cell MC211 or “2” corresponding to the low resistance state changes to “0” corresponding to the high resistance state.

なお、第3の消去モードにおいては、制御部203は、上記第1の消去モードおよび上記第2の消去モードを一定回数繰り返す、あるいは、上記読み出しモードと図4の判定(S4)とを行いながら、上記第1の消去モードおよび上記第2の消去モードを繰り返す。   In the third erase mode, the control unit 203 repeats the first erase mode and the second erase mode a predetermined number of times, or while performing the read mode and the determination (S4) in FIG. The first erase mode and the second erase mode are repeated.

なお、メモリセルMC211の第2の消去が完了すると、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、上記の不揮発性記憶装置200の第2の消去モードにおける動作が、メモリセルMC211以外のメモリセルに対して繰り返される。   When the second erasing of the memory cell MC211 is completed, a new address signal ADDRESS is input to the address buffer 202, and the operation in the second erasing mode of the nonvolatile memory device 200 described above is performed in a memory other than the memory cell MC211. Repeated for the cell.

以上のように動作することにより、不揮発性記憶装置200は、安定した3値のメモリ動作を実現することができる。   By operating as described above, the nonvolatile memory device 200 can realize a stable ternary memory operation.

(実施の形態3)
実施の形態3は、実施の形態1において説明した抵抗変化素子10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)にアクティブ層を介在させた態様の記憶装置である。
(Embodiment 3)
The third embodiment is a cross-point type nonvolatile memory device including the variable resistance element 10 described in the first embodiment. Here, the cross-point type nonvolatile storage device is a storage device in a mode in which an active layer is interposed at an intersection (a three-dimensional intersection) between a word line and a bit line.

以下、この実施の形態3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 3 will be described.

[不揮発性記憶装置の構成]
図9は、本発明の実施の形態3の不揮発性記憶装置100の構成の一例を示すブロック図である。図9に示すように、クロスポイント型の不揮発性記憶装置100は、抵抗変化素子を具備す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。また、ビット線ドライバ107はセンス回路を備えており、ビット線に流れる電流や、発生した電圧を測定することができる。
[Configuration of non-volatile storage device]
FIG. 9 is a block diagram showing an example of the configuration of the nonvolatile memory device 100 according to Embodiment 3 of the present invention. As shown in FIG. 9, the cross-point nonvolatile memory device 100 includes a memory cell array 101 including a resistance change element, an address buffer 102, a control unit 103, a row decoder 104, a word line driver 105, A column decoder 106 and a bit line driver 107 are provided. The bit line driver 107 includes a sense circuit, and can measure a current flowing through the bit line and a generated voltage.

メモリセルアレイ101は、図9に示すように、互いに平行にして横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、互いに平行にして縦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の平面より上方または下方に位置し且つ第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. 9, the memory cell array 101 includes a plurality of word lines W1, W2, W3,... Formed in parallel to each other and extending in the lateral direction, and these word lines W1, W2, W3,. A plurality of bit lines B1, B2, B3,... Are formed so as to intersect and extend in parallel with each other in the vertical direction. 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 or below one plane and substantially parallel to the first plane. Therefore, the word lines W1, W2, W3,... And the bit lines B1, B2, B3,... Have a three-dimensional intersection. , MC23, MC31, MC32, MC33,... (Hereinafter referred to as “memory cells MC11, MC12,...”) Are provided.

個々のメモリセルMCは、抵抗変化素子R11、R12、R13、R21、R22、R23、R31、R32、R33、…と、これらに各々直列に接続された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、…とを具備している。当該抵抗変化素子はビット線B1、B2、B3、…と接続され、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。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、電流制御素子としては、MIM(Metal Insurator Metal)ダイオードやMSM(Metal Semiconductor Metal)ダイオード、あるいはバリスタ等を用いることができる。   Each memory cell MC includes a resistance change element R11, R12, R13, R21, R22, R23, R31, R32, R33,..., And a current control element composed of, for example, a bidirectional diode connected to each of these in series. D11, D12, D13, D21, D22, D23, D31, D32, D33,. The resistance change element is connected to the bit lines B1, B2, B3,..., And the current control element is connected to the resistance change element and the word lines W1, W2, W3,. As the resistance change element, the resistance change element 10 according to the first embodiment can be used. As the current control element, an MIM (Metal Insulator Metal) diode, an MSM (Metal Semiconductor Metal) diode, a varistor, or the like can be used.

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MC12、MC21、…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 MC12, MC21,. 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.

以下、電圧印加の場合、ビット線を基準に各電圧が印加されるものとする。   Hereinafter, in the case of voltage application, each voltage is applied with reference to the bit line.

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、第1の消去モード、第2の消去モード、第3の消去モード及び読み出しモードのうちのいずれか1つのモードを選択する。   The control unit 103 selects any one of the write mode, the first erase mode, the second erase mode, the third erase mode, and the read mode according to the mode selection signal MODE received from the external circuit. select.

書き込みモード、第1の消去モード、第2の消去モード、第3の消去モードにおいて、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、第1の消去電圧パルス、第2の消去電圧パルスまたは第1の消去電圧パルスと第2の消去電圧パルスとの複数セットをワード線ドライバ105に出力する。   In the writing mode, the first erasing mode, the second erasing mode, and the third erasing mode, the control unit 103 determines the writing voltage pulse, the first erasing voltage pulse, and the like in accordance with the input data Din received from the external circuit. The second erase voltage pulse or a plurality of sets of the first erase voltage pulse and the second erase voltage pulse are output to the word line driver 105.

さらに、読み出しモードの場合、制御部103は、読み出し電圧をワード線ドライバ105に出力する。この読み出しモードでは、制御部103はさらに、ビット線ドライバ107から出力される信号IREADを受け取り、この信号IREADに応じたビット値を示す出力データDoutを外部回路へ出力する。この信号IREADは、読み出しモードのときにワード線W1、W2、W3、…を流れる電流の電流値を示す信号である。   Further, in the read mode, the control unit 103 outputs a read voltage to the word line driver 105. In this read mode, the control unit 103 further receives the signal IREAD output from the bit line driver 107 and outputs output data Dout indicating a bit value corresponding to the signal IREAD to an external circuit. This signal IREAD is a signal indicating the current value of the current flowing through the word lines W1, W2, W3,... In the read mode.

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。   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.

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 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、本実施の形態は、1層型のクロスポイント型不揮発性記憶装置であるが、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不揮発性記憶装置としてもよい。   Note that this embodiment is a single-layer cross-point nonvolatile memory device, but a multi-layer cross-point nonvolatile memory device may be formed by stacking memory cell arrays.

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、ビット線が抵抗変化素子に、ワード線が電流制御素子にそれぞれ接続されていてもよい。   Further, the positional relationship between the resistance change element and the current control element may be interchanged. That is, the bit line may be connected to the resistance change element, and the word line may be connected to the current control element.

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極を兼ねるような構成であってもよい。   Further, the bit line and / or the word line may also serve as an electrode in the resistance change element.

なお、本実施の形態においても、実施の形態2と同様に、機能的には、制御部103とワード線ドライバ105によって、選択されたメモリセル(抵抗変化素子)に所定のパルス電圧を印加するパルス電圧印加部が構成されている。そのようなパルス電圧印加部とは、少なくとも、(1)第1の極性を有する書き込み電圧パルス(電極間電圧Vα)をメモリセルに印加することによって、当該メモリセルの抵抗変化素子の抵抗状態を中抵抗状態あるいは高抵抗状態から低抵抗状態へ変化させる書き込み過程と、(2)第1の極性とは異なる第2の極性を有する第1の消去電圧パルス(電極間電圧Vγ)をメモリセルに印加することによって、当該メモリセルの抵抗変化素子の抵抗状態を低抵抗状態から中抵抗状態へ変化させる第1の消去過程と、(3)第1の極性を有する第2の消去電圧パルス(電極間電圧Vβ)をメモリセルに印加することによって、当該メモリセルの抵抗変化素子の抵抗状態を中抵抗状態から高抵抗状態へ変化させる第2の消去過程と、(4)書き込み過程の後または第1の消去過程の後、メモリセルに対して、第1の消去過程と第2の消去過程とを繰返し実施することによって、当該メモリセルの抵抗変化素子の抵抗状態を低抵抗状態または中抵抗状態から高抵抗状態へ変化させる第3の消去過程とを実行する処理部である。   In the present embodiment, similarly to the second embodiment, functionally, a predetermined pulse voltage is applied to the selected memory cell (resistance change element) by the control unit 103 and the word line driver 105. A pulse voltage application unit is configured. With such a pulse voltage application unit, at least (1) a write voltage pulse (interelectrode voltage Vα) having a first polarity is applied to a memory cell, thereby changing the resistance state of the resistance change element of the memory cell. (2) a first erasing voltage pulse (interelectrode voltage Vγ) having a second polarity different from the first polarity in the memory cell; A first erasing process for changing the resistance state of the resistance change element of the memory cell from a low resistance state to a medium resistance state by applying, and (3) a second erasing voltage pulse (electrode) having a first polarity. A second erasing process for changing the resistance state of the resistance change element of the memory cell from the middle resistance state to the high resistance state by applying a voltage Vβ) to the memory cell; and (4) writing After or after the first erasing process, the first erasing process and the second erasing process are repeatedly performed on the memory cell, thereby changing the resistance state of the resistance change element of the memory cell to a low resistance. And a third erasing process for changing the state or the intermediate resistance state to the high resistance state.

[不揮発性記憶装置の動作]
以下、上述したように構成される不揮発性記憶装置100の動作例を、上記の、書き込みモード、第1の消去モード、第2の消去モード、第3の消去モード及び読み出しモードの各モードに分けて説明する。なお、ビット線及びワード線を選択する方法、並びに電圧パルスを印加する方法などについては、周知のものが利用可能であるため、詳細な説明を省略する。
[Operation of non-volatile storage device]
Hereinafter, the operation example of the nonvolatile memory device 100 configured as described above is divided into the above-described write mode, first erase mode, second erase mode, third erase mode, and read mode. I will explain. Note that a known method can be used as a method for selecting a bit line and a word line, a method for applying a voltage pulse, and the like, and thus detailed description thereof is omitted.

以下では、メモリセルMC22に対して書き込み/読み出しを行う場合を例にして説明する。   Hereinafter, a case where writing / reading is performed on the memory cell MC22 will be described as an example.

〔書き込みモード〕
メモリセルMC22に「2」を表すデータを書き込む(記憶する)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が印加される。ここで、書き込み電圧パルスの電圧値は−2.4Vに、パルス幅は100nsに設定される。
[Write mode]
When data representing “2” is written (stored) 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 control unit 103 applies a write voltage pulse to the word line W2. Here, the voltage value of the write voltage pulse is set to -2.4 V, and the pulse width is set to 100 ns.

以上のような動作により、パルス電圧印加部によって実施の形態1における書き込み過程が実行され、メモリセルMC22の抵抗変化素子R22には書き込み電圧パルスが印加されるので、メモリセルMC22の抵抗変化素子R22は、「2」に対応する低抵抗状態になる。   By the operation as described above, the write process in the first embodiment is executed by the pulse voltage application unit, and the write voltage pulse is applied to the resistance change element R22 of the memory cell MC22. Therefore, the resistance change element R22 of the memory cell MC22. Becomes a low resistance state corresponding to “2”.

〔第1の消去モード〕
メモリセルMC22に「1」を表すデータを書き込む(記憶する)場合には、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に第1の消去電圧パルスが印加される。ここで、消去電圧パルスの電圧値は+1.8Vに、パルス幅は100nsに設定される。
[First erase mode]
When data representing “1” is written (stored) 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. Is done. Then, the control unit 103 applies a first erase voltage pulse to the word line W2. Here, the voltage value of the erase voltage pulse is set to +1.8 V, and the pulse width is set to 100 ns.

以上のような動作により、パルス電圧印加部によって実施の形態1における第1の消去過程が実行され、メモリセルMC22の抵抗変化素子R22には第1の消去電圧パルスが印加されるので、メモリセルMC22の抵抗変化素子R22は、「1」に対応する中抵抗状態になる。   By the operation as described above, the first erase process in the first embodiment is performed by the pulse voltage application unit, and the first erase voltage pulse is applied to the resistance change element R22 of the memory cell MC22. The resistance change element R22 of the MC 22 is in a medium resistance state corresponding to “1”.

〔第2の消去モード〕
メモリセルMC22に「0」を表すデータを書き込む(記憶する)場合には、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に第1の消去電圧パルスが印加される。ここで、消去電圧パルスの電圧値は−1.0Vに、パルス幅は100nsに設定される。
[Second erase mode]
When data representing “0” is written (stored) 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. Is done. Then, the control unit 103 applies a first erase voltage pulse to the word line W2. Here, the voltage value of the erase voltage pulse is set to -1.0 V, and the pulse width is set to 100 ns.

以上のような動作により、パルス電圧印加部によって実施の形態1における第2の消去過程が実行され、メモリセルMC22の抵抗変化素子R22には第2の消去電圧パルスが印加されるので、メモリセルMC22の抵抗変化素子R22は、「0」に対応する高抵抗状態になる。   With the operation as described above, the second erase process in the first embodiment is executed by the pulse voltage application unit, and the second erase voltage pulse is applied to the resistance change element R22 of the memory cell MC22. The resistance change element R22 of MC22 is in a high resistance state corresponding to “0”.

なお、第3の消去モードにおいては、上記第1の消去モードおよび上記第2の消去モードが一定回数繰り返される、あるいは、下記読み出しモードと図4の判定(S4)とを行いながら、上記第1の消去モードおよび上記第2の消去モードが繰り返される。   In the third erase mode, the first erase mode and the second erase mode are repeated a certain number of times, or the first read mode and the determination (S4) shown in FIG. The erase mode and the second erase mode are repeated.

〔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、ワード線W2に読出電圧が印加される。ここで、読出電圧の電圧値は+0.4Vに設定される。
[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, the control unit 103 applies a read voltage to the word line W2. Here, the voltage value of the read voltage is set to + 0.4V.

メモリセルMC22に読出電圧が印加されると、メモリセルMC22の抵抗変化素子R22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、この電流の電流値を検知し、その電流値と読出電圧とに基づいてメモリセルMC22の抵抗状態を検出する。   When a read voltage is applied to memory cell MC22, a current having a current value corresponding to the resistance value of resistance change element R22 of memory cell MC22 flows between bit line B2 and word line W2. Control unit 103 detects the current value of this current, and detects the resistance state of memory cell MC22 based on the current value and the read voltage.

メモリセルMC22の抵抗変化素子R22が低抵抗状態であれば、メモリセルMC22に書き込まれているデータが「2」であることが分かる。また、中抵抗状態であれば、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。さらに、高抵抗状態であれば、メモリセルMC22に書き込まれているデータが「0」であることが分かる。   If the resistance change element R22 of the memory cell MC22 is in the low resistance state, it can be seen that the data written in the memory cell MC22 is “2”. In addition, it can be seen that the data written in the memory cell MC22 is “1” in the middle resistance state. Further, it can be seen that the data written in the memory cell MC22 is “0” in the high resistance state.

以上のように動作することにより、不揮発性記憶装置100は、3値のメモリ動作を実現することができる。   By operating as described above, the nonvolatile memory device 100 can realize a ternary memory operation.

なお、上記では、ビット線を接地し、ワード線に所定の電圧パルスを印加するような構成について説明したが、ビット線、ワード線それぞれに別々の電圧パルスを印加し、その電位差が所定で電圧になるように構成してもよい。   In the above description, the bit line is grounded and a predetermined voltage pulse is applied to the word line. However, different voltage pulses are applied to the bit line and the word line, respectively, and the potential difference is a predetermined voltage. You may comprise so that it may become.

(その他の実施の形態)
上記の各実施の形態において、遷移金属酸化物層3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ニウム(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 transition metal oxide layer 3 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 zirconium (Zr) oxide may be used.

遷移金属酸化物層3としてハフニウム酸化物の積層構造を採用する場合は、第1の遷移金属酸化物層3aとなる第1のハフニウム酸化物の組成をHfOとし、第2の遷移金属酸化物層3bとなる第2のハフニウム酸化物の組成をHfOとすると、xが0.9以上1.6以下程度であって、yが1.8以上2.0以下程度、第2のハフニウム酸化物の膜厚は3nm以上、4nm以下であることが好ましい。 In the case of adopting a hafnium oxide laminated structure as the transition metal oxide layer 3, the composition of the first hafnium oxide to be the first transition metal oxide layer 3a is HfO x and the second transition metal oxide When the composition of the second hafnium oxide to be the layer 3b is HfO y , x is about 0.9 to 1.6 and y is about 1.8 to 2.0. The film thickness of the object is preferably 3 nm or more and 4 nm or less.

また、遷移金属酸化物層3としてジルコニウム酸化物の積層構造を採用する場合は、第1の遷移金属酸化物層3aとなる第1のジルコニウム酸化物の組成をZrOとし、第2の遷移金属酸化物層3bとなる第2のジルコニウム酸化物の組成をZrOとすると、xが0.9以上1.4以下程度であって、yが1.9以上2.0以下程度、第2のジルコニウム酸化物の膜厚は1nm以上、5nm以下であることが好ましい。 In addition, when a laminated structure of zirconium oxide is adopted as the transition metal oxide layer 3, the composition of the first zirconium oxide to be the first transition metal oxide layer 3a is ZrO x, and the second transition metal When the composition of the second zirconium oxide to be the oxide layer 3b is ZrO y , x is about 0.9 to 1.4, y is about 1.9 to 2.0, The film thickness of the zirconium oxide is preferably 1 nm or more and 5 nm or less.

また、遷移金属酸化物層3がハフニウム酸化物である場合は、Hfターゲットを用い、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、第1電極2の上に第1のハフニウム酸化物層を形成する。第2のハフニウム酸化物層は第1のハフニウム酸化物層を形成後に、アルゴンガスと酸素ガスのプラズマに第1のハフニウム酸化物層の表面を暴露することにより形成できる。第1のハフニウム酸化物層の酸素含有率は、反応性スパッタ中の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。   When the transition metal oxide layer 3 is a hafnium oxide, the first hafnium oxide is formed on the first electrode 2 by a so-called reactive sputtering method using an Hf target and sputtering in argon gas and oxygen gas. A physical layer is formed. The second hafnium oxide layer can be formed by exposing the surface of the first hafnium oxide layer to a plasma of argon gas and oxygen gas after forming the first hafnium oxide layer. The oxygen content of the first hafnium oxide layer can be easily adjusted by changing the flow ratio of oxygen gas to argon gas during reactive sputtering. The substrate temperature can be set to room temperature without any particular heating.

また第2のハフニウム酸化物層の膜厚は、アルゴンガスと酸素ガスのプラズマへの暴露時間により容易に調整することができる。第1のハフニウム酸化物層の組成をHfO、第2のハフニウム酸化物層の組成をHfOと表した場合、0.9≦x≦1.6、1.8<y、第2のハフニウム酸化物層の膜厚は3nm以上4nm以下の範囲で安定した抵抗変化特性を実現できる。 The thickness of the second hafnium oxide layer can be easily adjusted by the exposure time of the argon gas and oxygen gas to the plasma. When the composition of the first hafnium oxide layer is represented as HfO x and the composition of the second hafnium oxide layer is represented as HfO y , 0.9 ≦ x ≦ 1.6, 1.8 <y, and the second hafnium Stable resistance change characteristics can be realized when the thickness of the oxide layer is in the range of 3 nm to 4 nm.

遷移金属酸化物層3がジルコニウム酸化物である場合は、Zrターゲットを用い、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、第1電極2の上に第1のジルコニウム酸化物層を形成する。第2のジルコニウム酸化物層は第1のジルコニウム酸化物層を形成後に、ArガスとOガスのプラズマに第1のジルコニウム酸化物層の表面を暴露することにより形成できる。第1のジルコニウム酸化物層の酸素含有率は、反応性スパッタ中の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。 When the transition metal oxide layer 3 is a zirconium oxide, the first zirconium oxide layer is formed on the first electrode 2 by a so-called reactive sputtering method using a Zr target and sputtering in argon gas and oxygen gas. Form. The second zirconium oxide layer can be formed by exposing the surface of the first zirconium oxide layer to plasma of Ar gas and O 2 gas after forming the first zirconium oxide layer. The oxygen content of the first zirconium oxide layer can be easily adjusted by changing the flow ratio of oxygen gas to argon gas during reactive sputtering. The substrate temperature can be set to room temperature without any particular heating.

また第2のジルコニウム酸化物層の膜厚は、アルゴンガスと酸素ガスのプラズマへの暴露時間により容易に調整することができる。第1のジルコニウム酸化物層の組成をZrO、第2のジルコニウム酸化物層の組成をZrOと表した場合、0.9≦x≦1.4、1.9<y、第2のジルコニウム酸化物層の膜厚は1nm以上5nm以下の範囲で安定した抵抗変化特性を実現できる。 The film thickness of the second zirconium oxide layer can be easily adjusted by the exposure time of the argon gas and oxygen gas to the plasma. When the composition of the first zirconium oxide layer is expressed as ZrO x and the composition of the second zirconium oxide layer is expressed as ZrO y , 0.9 ≦ x ≦ 1.4, 1.9 <y, Stable resistance change characteristics can be realized when the thickness of the oxide layer is in the range of 1 nm to 5 nm.

さらに、第1の遷移金属酸化物層3aを構成する第1の遷移金属と、第2の遷移金属酸化物層3bを構成する第2の遷移金属とは、異なる材料を用いてもよい。この場合、第2の遷移金属酸化物層3bは、第1の遷移金属酸化物層113aよりも酸素不足度が小さい、つまり抵抗値が高い方が好ましい。ここで、酸素不足度とは、上述したように、それぞれの遷移金属において、その化学量論的組成の酸化物を構成する酸素の量に対し、不足している酸素の割合をいう。このような構成とすることにより、抵抗変化時に第1電極2及び第2電極4間に印加された電圧(電極間電圧)は、第2の遷移金属酸化物層3bに、より多くの電圧が分配され、第2の遷移金属酸化物層3b中で発生する酸化還元反応を、より起こしやすくすることができる。   Furthermore, different materials may be used for the first transition metal constituting the first transition metal oxide layer 3a and the second transition metal constituting the second transition metal oxide layer 3b. In this case, it is preferable that the second transition metal oxide layer 3b has a lower degree of oxygen deficiency than the first transition metal oxide layer 113a, that is, has a higher resistance value. Here, as described above, the oxygen deficiency refers to the ratio of oxygen deficiency with respect to the amount of oxygen constituting the oxide of the stoichiometric composition in each transition metal. By adopting such a configuration, a voltage (interelectrode voltage) applied between the first electrode 2 and the second electrode 4 at the time of resistance change is more increased in the second transition metal oxide layer 3b. The redox reaction that is distributed and occurs in the second transition metal oxide layer 3b can be more easily caused.

また、第1の遷移金属と第2の遷移金属とが互いに異なる材料を用いる場合、第2の遷移金属の標準電極電位は、第1の遷移金属の標準電極電位より低い方が好ましい。抵抗値が高い第2の遷移金属酸化物層3b中に形成された微小な導電パス中で酸化還元反応が起こってその抵抗値が変化することで、抵抗変化現象が発生すると考えられるからである。例えば、第1の遷移金属酸化物層3aに、酸素不足型のタンタル酸化物を用い、第2の遷移金属酸化物層3bにTiOを用いることにより、安定した抵抗変化動作が得られる。チタン(標準電極電位=−1.63eV)はタンタル(標準電極電位=−0.6eV)より標準電極電位が低い材料である。標準電極電位は、その値が高いほど酸化しにくい特性を表す。第2の遷移金属酸化物層3bに第1の遷移金属酸化物層3aより標準電極電位が低い金属の酸化物を配置することにより、第2の遷移金属酸化物層3b中で、より酸化還元反応が発生しやすくなる。 In the case where a material in which the first transition metal and the second transition metal are different from each other is used, the standard electrode potential of the second transition metal is preferably lower than the standard electrode potential of the first transition metal. This is because it is considered that a resistance change phenomenon occurs when an oxidation-reduction reaction occurs in a minute conductive path formed in the second transition metal oxide layer 3b having a high resistance value and the resistance value changes. . For example, a stable resistance changing operation can be obtained by using oxygen-deficient tantalum oxide for the first transition metal oxide layer 3a and TiO 2 for the second transition metal oxide layer 3b. Titanium (standard electrode potential = −1.63 eV) is a material having a lower standard electrode potential than tantalum (standard electrode potential = −0.6 eV). The standard electrode potential represents a characteristic that the higher the value, the less likely it is to be oxidized. By disposing a metal oxide having a lower standard electrode potential than that of the first transition metal oxide layer 3a in the second transition metal oxide layer 3b, more redox is achieved in the second transition metal oxide layer 3b. Reaction is likely to occur.

また、第2の遷移金属酸化物層3bの膜厚を、所定の膜厚より薄く形成(少なくとも第1の遷移金属酸化物層3aの膜厚より薄く形成)することにより、第2の遷移金属酸化物層3b中に導電パスを形成するための初期ブレーク電圧を低減することができる。   Further, the second transition metal oxide layer 3b is formed to have a film thickness smaller than a predetermined film thickness (formed at least thinner than the film thickness of the first transition metal oxide layer 3a). The initial break voltage for forming the conductive path in the oxide layer 3b can be reduced.

なお、上述した実施の形態においては、抵抗変化層としての遷移金属酸化物としては、タンタル酸化物、ハフニウム酸化物、ジルコニウム酸化物等の場合について説明したが、上下電極間に挟まれる遷移金属酸化物層としては、抵抗変化を発現する主たる抵抗変化層として、タンタル、ハフニウム、ジルコニウム等の酸化物層が含まれていればよく、これ以外に例えば微量の他元素が含まれていても構わない。抵抗値の微調整等で、他元素を少量、意図的に含めることも可能であり、このような場合も本発明の範囲に含まれるものである。例えば、抵抗変化層に窒素を添加すれば、抵抗変化層の抵抗値が上がり、抵抗変化の反応性を改善できる。   In the above-described embodiment, the transition metal oxide as the resistance change layer has been described with respect to tantalum oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, etc., but the transition metal oxide sandwiched between the upper and lower electrodes has been described. The physical layer only needs to contain an oxide layer such as tantalum, hafnium, zirconium, etc. as the main variable resistance layer that exhibits resistance change, and may contain, for example, a trace amount of other elements. . It is also possible to intentionally include a small amount of other elements by fine adjustment of the resistance value, and such a case is also included in the scope of the present invention. For example, if nitrogen is added to the resistance change layer, the resistance value of the resistance change layer increases and the reactivity of resistance change can be improved.

したがって、酸素不足型の遷移金属酸化物Mを抵抗変化層に用いた抵抗変化素子について、抵抗変化層を、MO(但し、ストイキオメトリーの構成の遷移金属酸化物の構成をMOとしたとき、0<x<s)で表される組成を有する酸素不足型の第1の遷移金属酸化物層と、NO(但し、NOの抵抗値>MOの抵抗値)で表される組成を有する第2の遷移金属酸化物層とを有した構成とした場合、第1の酸素不足型の遷移金属酸化物層および第2の遷移金属酸化物層は、対応する組成の遷移金属酸化物のほかに、所定の不純物(例えば、抵抗値の調整のための添加物)を含むことを妨げない。 Therefore, in the resistance change element using the oxygen-deficient transition metal oxide M for the resistance change layer, the resistance change layer is set to MO x (where the configuration of the transition metal oxide in the stoichiometric configuration is MO s . Oxygen-deficient first transition metal oxide layer having a composition represented by 0 <x <s) and NO y (where NO y is a resistance value> MO x is a resistance value) When the second transition metal oxide layer having the composition is used, the first oxygen-deficient transition metal oxide layer and the second transition metal oxide layer have the transition metal oxidation of the corresponding composition. In addition to substances, it does not prevent the inclusion of predetermined impurities (for example, additives for adjusting the resistance value).

また、スパッタリングにて抵抗膜を形成した際に、残留ガスや真空容器壁からのガス放出などにより、意図しない微量の元素が抵抗膜(抵抗変化層)に混入することがあるが、このような微量の元素が抵抗膜に混入した場合も本発明の範囲に含まれることは当然である。   In addition, when a resistance film is formed by sputtering, an unintended trace amount of elements may be mixed into the resistance film (resistance change layer) due to residual gas or outgassing from the vacuum vessel wall. Naturally, a trace amount of elements mixed in the resistance film is also included in the scope of the present invention.

以上、本発明に係る抵抗変化素子、その駆動方法、不揮発性記憶装置、および、多値記憶方法について、実施の形態1〜3およびその変形例を用いて説明したが、本発明は、これらの実施の形態および変形例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、各実施の形態およびその変形例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、各実施の形態およびその変形例における構成要素を任意に組み合わせることで得られる形態も、本発明に含まれる。   As described above, the variable resistance element, the driving method thereof, the nonvolatile memory device, and the multi-value memory method according to the present invention have been described using the first to third embodiments and the modifications thereof. The present invention is not limited to the embodiment and the modification. Without departing from the spirit of the present invention, embodiments obtained by subjecting each embodiment and modifications thereof to various modifications conceived by those skilled in the art, and arbitrary combinations of components in each embodiment and modifications thereof The form obtained by this is also included in the present invention.

本発明は、不揮発性の抵抗変化素子、その駆動方法、多値記憶方法及び不揮発性記憶装置として、特に、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不揮発性記憶素子、その駆動方法及び不揮発性記憶装置などとして有用である。   The present invention relates to a nonvolatile resistance change element, a driving method thereof, a multi-value storage method, and a nonvolatile storage device, in particular, a nonvolatile storage element used in various electronic devices such as a personal computer or a portable telephone, and the driving thereof. It is useful as a method and a nonvolatile memory device.

1 基板
2 第1電極
3 遷移金属酸化物層
3a 第1の遷移金属酸化物層
3b 第2の遷移金属酸化物層
3c 導電パス
4 第2電極
5 電源
10 抵抗変化素子
100 不揮発性記憶装置
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
W1、W2、W3 ワード線
B1、B2、B3 ビット線
MC11、MC12、MC13、MC21、MC22、MC23、MC31、MC32、MC33 メモリセル
D11、D12、D13、D21、D22、D23、D31、D32、D33 電流制御素子(双方向ダイオード)
R11、R12、R13、R21、R22、R23、R31、R32、R33 抵抗変化素子
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 ワード線
B1、B2 ビット線
MC211、MC212、MC221、MC222 メモリセル
T211、T212、T221、T222 選択トランジスタ
R211、R212、R221、R222 抵抗変化素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 1st electrode 3 Transition metal oxide layer 3a 1st transition metal oxide layer 3b 2nd transition metal oxide layer 3c Conductive path 4 2nd electrode 5 Power supply 10 Resistance change element 100 Nonvolatile memory device 101 Memory Cell array 102 Address buffer 103 Control unit 104 Row decoder 105 Word line driver 106 Column decoder 107 Bit line driver W1, W2, W3 Word lines B1, B2, B3 Bit lines MC11, MC12, MC13, MC21, MC22, MC23, MC31, MC32 MC33 Memory cells D11, D12, D13, D21, D22, D23, D31, D32, D33 Current control element (bidirectional diode)
R11, R12, R13, R21, R22, R23, R31, R32, R33 Resistance change element 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 Word line B1, B2 Bit line MC211, MC212, MC221, MC222 Memory cell T211, T212, T221, T222 Select transistor R211, R212, R221, R222 Resistance change element

Claims (22)

第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に配設される酸素不足型の遷移金属酸化物で構成される抵抗変化層とを備える抵抗変化素子に対して、前記第1電極を基準とする前記第2電極の電位である電極間電圧を印加することによって、前記第1電極と前記第2電極との間の抵抗値である電極間抵抗値を可逆的に変化させる抵抗変化素子の駆動方法であって、
第1の極性の前記電極間電圧Vα及びVβと、前記第1の極性とは異なる第2の極性の前記電極間電圧Vγ、及びRL<RM<RHを満たすRL、RM、RHについて、
前記電極間電圧Vα及びVβは、|Vα|>|Vβ|を満足し、
前記電極間電圧Vαを前記抵抗変化素子に印加することによって前記電極間抵抗値を前記RLにする書き込み過程と、
前記電極間抵抗値が前記RLの前記抵抗変化素子に前記電極間電圧Vγを印加することによって、前記抵抗変化素子の前記電極間抵抗値を前記RMにする第1の消去過程と、
前記電極間抵抗値が前記RMの前記抵抗変化素子に前記電極間電圧Vβを印加することによって、前記電極間抵抗値を前記RHにする第2の消去過程とを有する、抵抗変化素子の駆動方法。
For a resistance change element comprising a first electrode, a second electrode, and a resistance change layer made of an oxygen-deficient transition metal oxide disposed between the first electrode and the second electrode By applying an interelectrode voltage that is the potential of the second electrode with respect to the first electrode, the interelectrode resistance value that is the resistance value between the first electrode and the second electrode is reversible. A variable resistance element driving method for changing
For the RL, RM, and RH that satisfy the interelectrode voltages Vα and Vβ of the first polarity, the interelectrode voltage Vγ of the second polarity different from the first polarity, and RL <RM <RH.
The interelectrode voltages Vα and Vβ satisfy | Vα |> | Vβ |
A writing process for setting the interelectrode resistance value to the RL by applying the interelectrode voltage Vα to the variable resistance element;
Applying a voltage Vγ between the electrodes to the variable resistance element having the interelectrode resistance value RL, thereby setting the interelectrode resistance value of the variable resistance element to the RM;
A resistance change element driving method comprising: a second erasing process of setting the interelectrode resistance value to the RH by applying the interelectrode voltage Vβ to the resistance change element having the interelectrode resistance value of the RM. .
さらに、前記第2の消去過程を実施した後、前記第1の消去過程と前記第2の消去過程とをさらに1回以上実施することによって、前記電極間抵抗値を前記RHにする第3の消去過程を有する、請求項1に記載の抵抗変化素子の駆動方法。   Further, after the second erasing process is performed, the first erasing process and the second erasing process are further performed one or more times to set the inter-electrode resistance value to the RH. The method of driving a resistance change element according to claim 1, further comprising an erasing process. 前記第3の消去過程では、前記第2の消去過程後における前記電極間抵抗値が予め定められた閾値よりも大きいか否かを判断し、前記電極間抵抗値が前記閾値よりも大きくない場合に、前記第1の消去過程と前記第2の消去過程とを少なくとも1回実行する、請求項2に記載の抵抗変化素子の駆動方法。   In the third erasing process, it is determined whether or not the inter-electrode resistance value after the second erasing process is larger than a predetermined threshold value, and the inter-electrode resistance value is not larger than the threshold value. 3. The resistance change element driving method according to claim 2, wherein the first erasing process and the second erasing process are executed at least once. 前記抵抗変化層は、前記第1電極に接続される第1の酸素不足型の遷移金属酸化物で構成される第1の抵抗変化層と、当該第1の遷移金属酸化物よりも酸素不足度が小さく、かつ、前記第2電極に接続される第2の遷移金属酸化物で構成される第2の抵抗変化層とが積層されて構成される、請求項1〜3の何れかに記載の抵抗変化素子の駆動方法。   The variable resistance layer includes a first variable resistance layer composed of a first oxygen-deficient transition metal oxide connected to the first electrode, and a degree of oxygen deficiency higher than that of the first transition metal oxide. And the second resistance change layer made of the second transition metal oxide connected to the second electrode is stacked and configured. A method of driving the resistance change element. 前記第2の抵抗変化層は、前記第1の抵抗変化層より抵抗値が高い、請求項4に記載の抵抗変化素子の駆動方法。   The resistance change element driving method according to claim 4, wherein the second resistance change layer has a resistance value higher than that of the first resistance change layer. 前記第2の遷移金属酸化物を構成する第2の遷移金属の標準電極電位は、前記第1の遷移金属酸化物を構成する第1の遷移金属の標準電極電位より低い、請求項4または5に記載の抵抗変化素子の駆動方法。   6. The standard electrode potential of the second transition metal constituting the second transition metal oxide is lower than the standard electrode potential of the first transition metal constituting the first transition metal oxide. 6. The driving method of the resistance change element according to the above. 前記第1の遷移金属酸化物は、TaO(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で構成され、
前記第2の遷移金属酸化物は、TaO(但し、2.1≦y)で表される組成を有するタンタル酸化物で構成される、請求項4または5に記載の抵抗変化素子の駆動方法。
The first transition metal oxide is composed of a tantalum oxide having a composition represented by TaO x (where 0.8 ≦ x ≦ 1.9),
The driving method of a resistance change element according to claim 4, wherein the second transition metal oxide is composed of a tantalum oxide having a composition represented by TaO y (where 2.1 ≦ y). .
第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に配設される酸素不足型の遷移金属酸化物で構成される抵抗変化層とを備える抵抗変化素子を含むメモリセルと、
前記メモリセルにパルス電圧を印加するパルス電圧印加部とを備え、
前記パルス電圧印加部は、
前記第1電極を基準とする前記第2電極の電位である電極間電圧を前記メモリセルに印加することによって前記第1電極と前記第2電極との間の抵抗値である電極間抵抗値を可逆的に変化させ、
第1の極性の電極間電圧Vα及びVβと、前記第1の極性とは異なる第2の極性の電極間電圧Vγ、及びRL<RM<RHを満たすRL、RM、RHについて、
前記電極間電圧Vα及びVβは、|Vα|>|Vβ|を満足し、
前記電極間電圧Vαを前記メモリセルに印加することによって、前記電極間抵抗値を前記RLにする書き込み過程と、
前記電極間抵抗値が前記RLの前記抵抗変化素子に前記電極間電圧Vγを印加することによって、前記電極間抵抗値を前記RMにする第1の消去過程と、
前記電極間抵抗値が前記RMの前記抵抗変化素子に前記電極間電圧Vβを前記メモリセルに印加することによって、前記電極間抵抗値を前記RHにする第2の消去過程とを実行する、不揮発性記憶装置。
A resistance change element comprising: a first electrode; a second electrode; and a resistance change layer made of an oxygen-deficient transition metal oxide disposed between the first electrode and the second electrode. A memory cell;
A pulse voltage application unit for applying a pulse voltage to the memory cell,
The pulse voltage application unit is
By applying an interelectrode voltage, which is the potential of the second electrode with respect to the first electrode, to the memory cell, an interelectrode resistance value, which is a resistance value between the first electrode and the second electrode, is obtained. Reversibly change,
RL, RM, and RH satisfying the interelectrode voltages Vα and Vβ having the first polarity, the interelectrode voltage Vγ having the second polarity different from the first polarity, and RL <RM <RH.
The interelectrode voltages Vα and Vβ satisfy | Vα |> | Vβ |
A writing process of setting the inter-electrode resistance value to the RL by applying the inter-electrode voltage Vα to the memory cell;
Applying a voltage Vγ between the electrodes to the variable resistance element having an interelectrode resistance value of RL, thereby setting the interelectrode resistance value to the RM;
Performing a second erasing process of setting the interelectrode resistance value to the RH by applying the interelectrode voltage Vβ to the memory cell in the resistance change element having the interelectrode resistance value of the RM. Sex memory device.
前記パルス電圧印加部はさらに、前記第2の消去過程を実施した後、前記第1の消去過程と前記第2の消去過程とを少なくとも1回実施することによって、前記電極間抵抗値を前記RHにする第3の消去過程を実行する、請求項8に記載の不揮発性記憶装置。   The pulse voltage applying unit further performs the first erasing process and the second erasing process at least once after performing the second erasing process, thereby setting the inter-electrode resistance value to the RH. The non-volatile memory device according to claim 8, wherein a third erasing process is performed. 前記パルス電圧印加部は、前記第3の消去過程では、前記第2の消去過程後における前記電極間抵抗値が予め定められた閾値よりも大きいか否かを判断し、前記電極間抵抗値が前記閾値よりも大きくない場合に、前記第1の消去過程と前記第2の消去過程とを少なくとも1回実行する、請求項9に記載の不揮発性記憶装置。   In the third erasing process, the pulse voltage application unit determines whether the interelectrode resistance value after the second erasing process is larger than a predetermined threshold, and the interelectrode resistance value is 10. The nonvolatile memory device according to claim 9, wherein the first erasing process and the second erasing process are executed at least once when not larger than the threshold value. 11. 前記抵抗変化層は、前記第1電極に接続される第1の酸素不足型の遷移金属酸化物で構成される第1の抵抗変化層と、当該第1の遷移金属酸化物よりも酸素不足度が小さく、かつ、前記第2電極に接続される第2の遷移金属酸化物で構成される第2の抵抗変化層とが積層されて構成される、請求項8〜10の何れかに記載の不揮発性記憶装置。   The variable resistance layer includes a first variable resistance layer composed of a first oxygen-deficient transition metal oxide connected to the first electrode, and a degree of oxygen deficiency higher than that of the first transition metal oxide. And the second resistance change layer made of the second transition metal oxide connected to the second electrode is stacked and formed. Non-volatile storage device. 前記第2の抵抗変化層は、前記第1の抵抗変化層より抵抗値が高い、請求項11に記載の不揮発性記憶装置。   The nonvolatile memory device according to claim 11, wherein the second resistance change layer has a resistance value higher than that of the first resistance change layer. 前記第2の遷移金属酸化物を構成する第2の遷移金属の標準電極電位は、前記第1の遷移金属酸化物を構成する第1の遷移金属の標準電極電位より低い、請求項11または12に記載の不揮発性記憶装置。   The standard electrode potential of the second transition metal constituting the second transition metal oxide is lower than the standard electrode potential of the first transition metal constituting the first transition metal oxide. The non-volatile memory device described in 1. 前記第1の遷移金属酸化物は、TaO(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で構成され、
前記第2の遷移金属酸化物は、TaO(但し、2.1≦y)で表される組成を有するタンタル酸化物で構成される、請求項11または12に記載の不揮発性記憶装置。
The first transition metal oxide is composed of a tantalum oxide having a composition represented by TaO x (where 0.8 ≦ x ≦ 1.9),
13. The nonvolatile memory device according to claim 11, wherein the second transition metal oxide is composed of a tantalum oxide having a composition represented by TaO y (where 2.1 ≦ y).
前記メモリセルは、前記第1電極または前記第2電極に接続された電流制御素子をさらに備える、請求項8〜14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 memory cell further includes a current control element connected to the first electrode or the second electrode. 前記電流制御素子は、選択トランジスタである、請求項15に記載の不揮発性記憶装置。   The nonvolatile memory device according to claim 15, wherein the current control element is a selection transistor. 前記電流制御素子は、ダイオードである、請求項15に記載の不揮発性記憶装置。   The nonvolatile memory device according to claim 15, wherein the current control element is a diode. 第1電極と、
第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に配設される酸素不足型の遷移金属酸化物で構成される抵抗変化層とを備え、
前記第1電極を基準とする前記第2電極の電位である電極間電圧を印加されることによって前記第1電極と前記第2電極との間の抵抗値である電極間抵抗値が可逆的に変化し、
第1の極性の電極間電圧Vα及びVβと、前記第1の極性とは異なる第2の極性の電極間電圧Vγ、及びRL<RM<RHを満たすRL、RM、RHについて、
前記電極間電圧Vα及びVβは、|Vα|>|Vβ|を満足し、
前記電極間電圧Vαが印加されることによって前記電極間抵抗値がRLに変化し、
前記電極間抵抗値が前記RLのときに、前記電極間電圧Vγが印加されることによって前記電極間抵抗値が前記RMに変化し、
前記電極間抵抗値が前記RMのときに、前記電極間電圧Vβが印加されることによって前記電極間抵抗値が前記RHに変化する、抵抗変化素子。
A first electrode;
A second electrode;
A resistance change layer composed of an oxygen-deficient transition metal oxide disposed between the first electrode and the second electrode;
By applying an inter-electrode voltage that is a potential of the second electrode with respect to the first electrode, an inter-electrode resistance value that is a resistance value between the first electrode and the second electrode is reversible. Change,
RL, RM, and RH satisfying the interelectrode voltages Vα and Vβ having the first polarity, the interelectrode voltage Vγ having the second polarity different from the first polarity, and RL <RM <RH.
The interelectrode voltages Vα and Vβ satisfy | Vα |> | Vβ |
When the interelectrode voltage Vα is applied, the interelectrode resistance value changes to RL,
When the interelectrode resistance value is RL, the interelectrode resistance value is changed to the RM by applying the interelectrode voltage Vγ.
A resistance change element in which the interelectrode resistance value changes to the RH when the interelectrode voltage Vβ is applied when the interelectrode resistance value is the RM.
第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に配設される酸素不足型の遷移金属酸化物で構成される抵抗変化層とを備える抵抗変化素子に対して、前記第1電極を基準とする前記第2電極の電位である電極間電圧を印加することによって、前記第1電極と前記第2電極との間の抵抗値である電極間抵抗値を多値の間で可逆的に変化させる抵抗変化素子の多値記憶方法であって、
第1の極性の電極間電圧Vα、Vβ1及びVβ2と、前記第1の極性とは異なる第2の極性の電極間電圧Vγ、及びRL<RM<RH1<RH2を満たすRL、RM、RH1、RH2について、
前記電極間電圧Vα、Vβ1及びVβ2は、|Vα|>|Vβ2|>|Vβ1|を満足し、
前記電極間電圧Vαを前記抵抗変化素子に印加することによって、前記電極間抵抗値を前記RLにする書き込み過程と、
前記電極間抵抗値が前記RLの前記抵抗変化素子に前記電極間電圧Vγを印加することによって、前記抵抗変化素子の前記電極間抵抗値を前記RMにする第1の消去過程と、
前記電極間抵抗値が前記RMの前記抵抗変化素子に前記電極間電圧Vβ1を印加することによって、前記電極間抵抗値を前記RH1にする第2の1の消去過程と、
前記電極間抵抗値が前記RMまたは前記RH1の前記抵抗変化素子に前記電極間電圧Vβ2を印加することによって、前記電極間抵抗値を前記RH2にする第2の2の消去過程と、
を有する、抵抗変化素子の多値記憶方法。
For a resistance change element comprising a first electrode, a second electrode, and a resistance change layer made of an oxygen-deficient transition metal oxide disposed between the first electrode and the second electrode By applying an inter-electrode voltage that is the potential of the second electrode with respect to the first electrode, an inter-electrode resistance value that is a resistance value between the first electrode and the second electrode is increased. A multi-value storage method of a resistance change element that reversibly changes between values,
RL, RM, RH1, RH2 satisfying the interelectrode voltages Vα, Vβ1, and Vβ2 of the first polarity, the interelectrode voltage Vγ of the second polarity different from the first polarity, and RL <RM <RH1 <RH2. about,
The interelectrode voltages Vα, Vβ1 and Vβ2 satisfy | Vα |> | Vβ2 |> | Vβ1 |
A writing process of setting the inter-electrode resistance value to the RL by applying the inter-electrode voltage Vα to the variable resistance element;
Applying a voltage Vγ between the electrodes to the variable resistance element having the interelectrode resistance value RL, thereby setting the interelectrode resistance value of the variable resistance element to the RM;
Applying a voltage Vβ1 between the electrodes to the resistance change element having an interelectrode resistance value of the RM, thereby setting the interelectrode resistance value to the RH1;
Applying a voltage Vβ2 between the electrodes to the variable resistance element having an interelectrode resistance value of RM or RH1, thereby setting the interelectrode resistance value to RH2;
A multi-value storage method for a resistance change element, comprising:
さらに、前記第2の1の消去過程または前記第2の2の消去過程を実施した後、前記第1の消去過程と、前記第2の1の消去過程または前記第2の2の消去過程とをさらに1回以上実施することによって、前記電極間抵抗値を前記RH1または前記RH2にする第3の消去過程を有する、請求項19に記載の抵抗変化素子の多値記憶方法。   Further, after performing the second first erase process or the second second erase process, the first erase process, the second first erase process, or the second second erase process, The multi-value storage method for a resistance change element according to claim 19, further comprising performing a third erasing process to set the inter-electrode resistance value to the RH1 or the RH2 by further performing at least once. 前記第3の消去過程では、前記第2の1の消去過程後における前記電極間抵抗値が予め定められた第1の閾値以上で、かつ、第2の閾値以下であるか否かを判断し、前記電極間抵抗値が前記第1の閾値よりも小さいか前記第2の閾値よりも大きい場合に、前記第1の消去過程と前記第2の1の消去過程とを少なくとも1回実行する、請求項20に記載の抵抗変化素子の多値記憶方法。   In the third erasing process, it is determined whether or not the interelectrode resistance value after the second erasing process is equal to or higher than a predetermined first threshold value and lower than or equal to a second threshold value. When the interelectrode resistance value is smaller than the first threshold value or larger than the second threshold value, the first erase process and the second first erase process are executed at least once. The multi-value storage method for a variable resistance element according to claim 20. 前記第3の消去過程では、前記第2の2の消去過程後における前記電極間抵抗値が予め定められた第3の閾値以上であるか否かを判断し、前記電極間抵抗値が前記第3の閾値よりも小さい場合に、前記第1の消去過程と前記第2の2の消去過程とを少なくとも1回実行する、請求項20に記載の抵抗変化素子の多値記憶方法。   In the third erasing process, it is determined whether the interelectrode resistance value after the second erasing process is equal to or greater than a predetermined third threshold value, and the interelectrode resistance value is 21. The multi-value storage method for a resistance change element according to claim 20, wherein when the threshold value is smaller than 3, the first erase process and the second 2 erase process are executed at least once.
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