JP2014086692A - Nonvolatile memory element and drive method of nonvolatile memory element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、抵抗変化型の不揮発性記憶素子に関する。 The present invention relates to a variable resistance nonvolatile memory element.
近年、デジタル技術の進展に伴って、携帯情報機器や情報家電等の電子機器がより一層高機能化している。これらの電子機器の高機能化に伴い、使用される半導体素子の微細化及び高速化が急速に進んでいる。その中でも、フラッシュメモリに代表されるような大容量の不揮発性記憶装置の用途が急速に拡大している。さらに、このフラッシュメモリに置き換わる次世代の不揮発性記憶装置として、電気的信号によって抵抗値が可逆的に変化する性質を有する抵抗変化型の不揮発性記憶素子を備えた不揮発性記憶装置の研究開発が進んでいる。 In recent years, with the advancement of digital technology, electronic devices such as portable information devices and information home appliances have become more sophisticated. As these electronic devices have higher functions, the semiconductor elements used have been rapidly miniaturized and increased in speed. Among them, the use of a large-capacity nonvolatile storage device represented by a flash memory is rapidly expanding. Furthermore, as a next-generation nonvolatile memory device that replaces this flash memory, research and development of a nonvolatile memory device including a resistance change type nonvolatile memory element having a property that a resistance value is reversibly changed by an electrical signal has been developed. Progressing.
図20は、このような不揮発性記憶素子の従来例(例えば、特許文献1及び非特許文献1を参照。)の構成を示す断面図である。この不揮発性記憶素子1030は、図20に示すように、半導体基板1024の主面にトランジスタ1020と不揮発性記憶部1010が形成されている。
FIG. 20 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional example of such a nonvolatile memory element (see, for example,
トランジスタ1020は不揮発性記憶部1010のビット線への導通を制御する回路を構成するもので、第1の拡散層1025a、第2の拡散層1025b、ゲート絶縁膜1026及びゲート電極1027で構成されている。不揮発性記憶部1010は、第1の拡散層1025aに接続された第1の電極1002と、電圧パルス又は電流パルスによって抵抗が可逆的に変化する抵抗変化層1003と、第2の電極1004とを備えている。さらに、半導体基板1024上に形成されたトランジスタ1020及び不揮発性記憶部1010は層間絶縁層1028により覆われ、第2の電極1004は電極配線1029に接続されている。
The
特許文献1では、抵抗変化層1003を構成する物質として、ニッケル酸化物(NiO)、バナジウム酸化物(V2O5)、亜鉛酸化物(ZnO)、ニオブ酸化物(Nb2O5)、チタン酸化物(TiO2)、タングステン酸化物(WO3)、又はコバルト酸化物(CoO)等が用いられている。このような遷移金属酸化物は閾値以上の電圧又は電流が印加されたときに特定の抵抗値を示し、その抵抗値は新たに電圧又は電流が印加されるまでは、その抵抗値を維持しつづけることが知られている。また、非特許文献1では、抵抗変化層1003を構成する物質として、PCMO(Pr1−xCaxMnO3)が用いられている。ペロブスカイト型金属酸化物も、上記のような抵抗変化特性を示すことが知られている。
In
ところで、抵抗変化型の不揮発性記憶素子の場合、書き換え特性が問題になることがある。すなわち、所定回数書き込みを繰り返した場合に抵抗変化層の抵抗値の変化が不安定になるため、書き込みエラーが生じ易くなるという問題である。そのため、当該不揮発性記憶素子を多数回(例えば1万回もしくは10万回)書き換えた後でも安定した書き換え特性を示すことが、信頼性の観点から望ましい。 By the way, in the case of a resistance change type nonvolatile memory element, rewriting characteristics may be a problem. In other words, when the writing is repeated a predetermined number of times, the change in the resistance value of the variable resistance layer becomes unstable, so that a writing error is likely to occur. Therefore, it is desirable from the viewpoint of reliability to show stable rewriting characteristics even after rewriting the nonvolatile memory element many times (for example, 10,000 times or 100,000 times).
本発明はか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、書き換え特性の向上を図ることができる不揮発性記憶素子を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a main object thereof is to provide a nonvolatile memory element capable of improving the rewrite characteristics.
上述した課題を解決するために、本発明の不揮発性記憶素子は、第1の電極と、第2の電極と、第1の電極と第2の電極との間に設けられ、第1の金属酸化物で構成される第1の抵抗変化層と、酸素不足度が前記第1の金属酸化物より小さい第2の金属酸化物で構成される第2の抵抗変化層とを積層してなり、前記第1の電極と前記第2の電極との間に印加される電圧パルスに応じて可逆的に抵抗値が変化する抵抗変化層と、前記抵抗変化層に流れる電流の経路に挿入され、前記抵抗変化層を低抵抗状態から高抵抗状態へ変化させるために前記第1の電極と前記第2の電極との間に第1の極性の消去電圧パルスを印加する消去ステップの完了時に前記抵抗変化層に流れる第1の電流値を、前記抵抗変化層を高抵抗状態から低抵抗状態へ変化させるために前記第1の電極と前記第2の電極との間に前記第1の極性とは異なる第2の極性の書き込み電圧パルスを印加する書き込みステップの完了時に抵抗変化層に流れる第2の電流値以下に抑制する制御器と、を備える。 In order to solve the above-described problem, a nonvolatile memory element of the present invention is provided between a first electrode, a second electrode, and a first electrode and a second electrode, and a first metal A first variable resistance layer composed of an oxide and a second variable resistance layer composed of a second metal oxide whose oxygen deficiency is smaller than the first metal oxide; A resistance change layer whose resistance value reversibly changes in response to a voltage pulse applied between the first electrode and the second electrode, and a current path flowing through the resistance change layer, The resistance change upon completion of an erase step of applying an erase voltage pulse of a first polarity between the first electrode and the second electrode to change the resistance change layer from a low resistance state to a high resistance state. The first current value flowing through the layer is changed from the high resistance state to the low resistance state of the variable resistance layer. Therefore, a second current flowing in the resistance change layer upon completion of a write step of applying a write voltage pulse having a second polarity different from the first polarity between the first electrode and the second electrode is provided. A controller that suppresses the current value to be equal to or lower than the current value.
本発明に係る不揮発性記憶装置によれば、良好な書き換え特性を有する記憶装置を実現できる。また、この不揮発性記憶装置によれば、多数回の書き換え動作を行った後においても良好な書き換え特性が維持されるので、安定した記憶動作が実現できる。 According to the nonvolatile memory device of the present invention, a memory device having good rewrite characteristics can be realized. In addition, according to this nonvolatile memory device, good rewrite characteristics are maintained even after a large number of rewrite operations, so that a stable storage operation can be realized.
本発明の一態様に係る不揮発性記憶素子は、第1の電極と、第2の電極と、第1の電極と第2の電極との間に設けられ、第1の金属酸化物で構成される第1の抵抗変化層と、酸素不足度が前記第1の金属酸化物より小さい第2の金属酸化物で構成される第2の抵抗変化層とを積層してなり、前記第1の電極と前記第2の電極との間に印加される電圧パルスに応じて可逆的に抵抗値が変化する抵抗変化層と、前記第1の電極に接続された第1の入出力端子と、第2の入出力端子と、前記第1の入出力端子と前記第2の入出力端子との間の導通を制御するゲート端子とを有する電界効果トランジスタと、を備え、前記抵抗変化層は、前記電界効果トランジスタを介して、前記第1の電極と前記第2の電極との間に第1の極性の消去電圧パルスを印加されることで低抵抗状態から高抵抗状態へ変化し、前記抵抗変化層は、前記電界効果トランジスタを介して、前記第1の電極と前記第2の電極との間に前記第1の極性とは異なる第2の極性の書き込み電圧パルスを印加されることで高抵抗状態から低抵抗状態へ変化し、前記書き込み電圧パルスの印加時に、前記電界効果トランジスタの前記第2の入出力端子はソース端子であり、前記電界効果トランジスタは、前記抵抗変化層が前記消去電圧パルスの印加により低抵抗状態から高抵抗状態へ変化完了する時に前記抵抗変化層に流れる第1の電流値を、前記抵抗変化層が前記消去電圧パルスの印加により高抵抗状態から低抵抗状態へ変化完了するときに前記抵抗変化層に流れる第2電流値以下に抑制する。 A nonvolatile memory element according to one embodiment of the present invention is provided between a first electrode, a second electrode, and the first electrode and the second electrode, and includes a first metal oxide. A first resistance change layer, and a second resistance change layer made of a second metal oxide having a lower oxygen deficiency than the first metal oxide, and the first electrode. A resistance change layer whose resistance value reversibly changes according to a voltage pulse applied between the first electrode and the second electrode; a first input / output terminal connected to the first electrode; And a field effect transistor having a gate terminal for controlling conduction between the first input / output terminal and the second input / output terminal. An erase voltage pulse having a first polarity is applied between the first electrode and the second electrode via an effect transistor. The resistance change layer changes from the low resistance state to the high resistance state, and the resistance change layer has the first polarity between the first electrode and the second electrode via the field effect transistor. Changes from a high resistance state to a low resistance state by applying a write voltage pulse of a different second polarity, and when the write voltage pulse is applied, the second input / output terminal of the field effect transistor is a source terminal The field effect transistor has a first current value that flows through the resistance change layer when the resistance change layer completes a change from a low resistance state to a high resistance state by application of the erase voltage pulse. Is suppressed to a value equal to or lower than a second current value flowing through the resistance change layer when the change from the high resistance state to the low resistance state is completed by application of the erase voltage pulse.
この様態によれば、前記電界効果トランジスタの飽和特性に基づいて、前記書き込みステップにおいて前記不揮発性記憶素子に流れる電流値を制御できるため、書き換え特性に優れた不揮発性記憶素子を得ることができる。また、前記電界効果トランジスタのソースフォロワ特性に基づいて、前記消去ステップの完了時に前記不揮発性記憶素子に流れる前記第1の電流値を、前記書き込みステップの完了時に前記不揮発性記憶素子に流れる前記第2の電流値以下に抑制できる。 According to this aspect, since the value of the current flowing through the nonvolatile memory element in the writing step can be controlled based on the saturation characteristics of the field effect transistor, a nonvolatile memory element having excellent rewriting characteristics can be obtained. Further, based on the source follower characteristics of the field effect transistor, the first current value that flows to the nonvolatile memory element when the erasing step is completed is changed to the first current value that flows to the nonvolatile memory element when the write step is completed. 2 or less.
その結果、前記不揮発性記憶素子の良好な書き換え特性が、多数回の書き換え動作を行った後においても維持されるので、優れた書き換え特性を有する不揮発性記憶素子を得ることができる。上述のように構成された不揮発性記憶素子は、例えば、10万回以上書き換えた後でも、安定した書き換え特性を維持することができる。 As a result, good rewriting characteristics of the nonvolatile memory element are maintained even after a large number of rewriting operations, so that a nonvolatile memory element having excellent rewriting characteristics can be obtained. The nonvolatile memory element configured as described above can maintain stable rewriting characteristics even after rewriting 100,000 times or more, for example.
また、不揮発性記憶素子の選択と非選択とを切り替えるためのスイッチとしての電界効果トランジスタを用いて前記第1の電流値を制御することができるため、単純な構造の不揮発性記憶素子が実現でき、不揮発性記憶素子の高密度の集積化に適する。 In addition, since the first current value can be controlled using a field effect transistor as a switch for switching between selection and non-selection of the nonvolatile memory element, a nonvolatile memory element having a simple structure can be realized. Suitable for high-density integration of nonvolatile memory elements.
また、前記電界効果トランジスタが、N型MISFETであり、前記第2の抵抗変化層が、前記第1の電極に接してもよい。 The field effect transistor may be an N-type MISFET, and the second variable resistance layer may be in contact with the first electrode.
この様態によれば、優れた書き換え特性を有する不揮発性記憶素子を得ることができ、かつN型MISFETを用いることで、不揮発性記憶素子をより高密度に集積することが可能になる。 According to this aspect, a nonvolatile memory element having excellent rewriting characteristics can be obtained, and the nonvolatile memory element can be integrated at a higher density by using the N-type MISFET.
また、前記電界効果トランジスタが、P型MISFETであり、前記第2の抵抗変化層が、前記第2の電極に接してもよい。 The field effect transistor may be a P-type MISFET, and the second variable resistance layer may be in contact with the second electrode.
この様態によれば、抵抗変化素子の加工が容易な不揮発性記憶素子を得ることができる。 According to this aspect, it is possible to obtain a nonvolatile memory element that can easily process the variable resistance element.
また、前記電界効果トランジスタが、N型MISFETであり、第1の電極の標準電極電位をE1とし、第2の電極の標準電極電位をE2とすると、E1>E2を満足してもよい。 Further, if the field effect transistor is an N-type MISFET and the standard electrode potential of the first electrode is E1, and the standard electrode potential of the second electrode is E2, E1> E2 may be satisfied.
この様態によれば、優れた書き換え特性を有する不揮発性記憶素子を得ることができ、かつN型MISFETを用いることで、不揮発性記憶素子をより高密度に集積することが可能になる。 According to this aspect, a nonvolatile memory element having excellent rewriting characteristics can be obtained, and the nonvolatile memory element can be integrated at a higher density by using the N-type MISFET.
また、前記電界効果トランジスタが、P型MISFETであり、第1の電極の標準電極電位をE1とし、第2の電極の標準電極電位をE2とすると、E2>E1を満足してもよい。 Further, when the field effect transistor is a P-type MISFET and the standard electrode potential of the first electrode is E1, and the standard electrode potential of the second electrode is E2, E2> E1 may be satisfied.
この様態によれば、抵抗変化素子の加工が容易な不揮発性記憶素子を得ることができる。 According to this aspect, it is possible to obtain a nonvolatile memory element that can easily process the variable resistance element.
また、前記第1の金属酸化物と前記第2の金属酸化物とが同じ金属の酸化物であり、前記第1の金属酸化物の組成をMOxと表し、前記第2の金属酸化物の組成をMOyと表すとき、y>xを満足してもよい。 In addition, the first metal oxide and the second metal oxide are oxides of the same metal, the composition of the first metal oxide is expressed as MO x, and the second metal oxide When the composition is expressed as MO y , y> x may be satisfied.
この様態によれば、前記不揮発性記憶素子の安定した抵抗変化動作を実現できる。 According to this aspect, a stable resistance changing operation of the nonvolatile memory element can be realized.
また、前記第1の金属酸化物と前記第2の金属酸化物とがタンタル酸化物であってもよい。 Further, the first metal oxide and the second metal oxide may be tantalum oxide.
この様態によれば、前記不揮発性記憶素子の安定した抵抗変化動作を実現できる。 According to this aspect, a stable resistance changing operation of the nonvolatile memory element can be realized.
また、前記第1の金属酸化物と前記第2の金属酸化物とがハフニウム酸化物であってもよい。 Further, the first metal oxide and the second metal oxide may be hafnium oxide.
この様態によれば、前記不揮発性記憶素子の安定した抵抗変化動作を実現できる。 According to this aspect, a stable resistance changing operation of the nonvolatile memory element can be realized.
また、前記第1の金属酸化物と前記第2の金属酸化物とがジルコニウム酸化物であってもよい。 Further, the first metal oxide and the second metal oxide may be zirconium oxide.
この様態によれば、前記不揮発性記憶素子の安定した抵抗変化動作を実現できる。 According to this aspect, a stable resistance changing operation of the nonvolatile memory element can be realized.
また、前記第1の金属酸化物と、前記第2の金属酸化物層とが互いに異なる金属の酸化物であり、前記第1の金属酸化物を構成する金属の標準電極電位をENとし、前記第2の金属酸化物を構成する金属の標準電極電位をEMとすると、EN<EMを満足してもよい。 Further, the first metal oxide and the second metal oxide layer are different metal oxides, and the standard electrode potential of the metal constituting the first metal oxide is EN, If the standard electrode potential of the metal constituting the second metal oxide is EM, EN <EM may be satisfied.
この様態によれば、前記第1の金属酸化物と前記第2の金属酸化物とが同じ金属の酸化物である場合に比べ、前記不揮発性記憶素子のより安定した抵抗変化動作を実現できる。 According to this aspect, compared with the case where the first metal oxide and the second metal oxide are oxides of the same metal, a more stable resistance change operation of the nonvolatile memory element can be realized.
また、前記第1の金属酸化物がタンタル酸化物であり、前記第2の金属酸化物がアルミニウム酸化物であってもよい。 The first metal oxide may be tantalum oxide, and the second metal oxide may be aluminum oxide.
この様態によれば、前記不揮発性記憶素子の安定した抵抗変化動作を実現できる。 According to this aspect, a stable resistance changing operation of the nonvolatile memory element can be realized.
また、前記第1の金属酸化物がタンタル酸化物であり、前記第2の金属酸化物がハフニウム酸化物であってもよい。 Further, the first metal oxide may be tantalum oxide, and the second metal oxide may be hafnium oxide.
この様態によれば、前記不揮発性記憶素子の安定した抵抗変化動作を実現できる。 According to this aspect, a stable resistance changing operation of the nonvolatile memory element can be realized.
また、本発明の一態様に係る不揮発性記憶素子は、第1の電極と、第2の電極と、前記第1の電極と前記第2の電極との間に設けられ、第1の金属酸化物で構成される第1の抵抗変化層と、酸素不足度が前記第1の金属酸化物より小さい第2の金属酸化物で構成される第2の抵抗変化層とを積層してなり、前記第1の電極と前記第2の電極との間に印加される電圧パルスに応じて可逆的に抵抗値が変化する抵抗変化層と、前記抵抗変化層に流れる電流の経路に挿入された抵抗部と、を備え、前記抵抗変化層は、前記抵抗部を介して、前記第1の電極と前記第2の電極との間に第1の極性の消去電圧パルスを印加されることで低抵抗状態から高抵抗状態へ変化し、前記抵抗変化層は、前記抵抗部を介して、前記第1の電極と前記第2の電極との間に前記第1の極性とは異なる第2の極性の書き込み電圧パルスを印加されることで高抵抗状態から低抵抗状態へ変化し、前記抵抗部は、前記抵抗変化層が前記消去電圧パルスの印加により低抵抗状態から高抵抗状態へ変化完了する時に前記抵抗変化層に流れる第1の電流値を、前記抵抗変化層が前記書き込み電圧パルスの印加により高抵抗状態から低抵抗状態へ変化完了するときに前記抵抗変化層に流れる第2電流値以下に抑制してもよい。 In addition, the nonvolatile memory element according to one embodiment of the present invention includes a first electrode, a second electrode, and the first metal oxide provided between the first electrode and the second electrode. A first resistance change layer made of a material and a second resistance change layer made of a second metal oxide having a lower oxygen deficiency than the first metal oxide, A resistance change layer whose resistance value reversibly changes according to a voltage pulse applied between the first electrode and the second electrode, and a resistance portion inserted in a path of a current flowing through the resistance change layer The resistance change layer is in a low resistance state by applying an erasing voltage pulse having a first polarity between the first electrode and the second electrode via the resistance portion. The resistance change layer changes between the first electrode and the second electrode via the resistance portion. When a write voltage pulse having a second polarity different from the first polarity is applied, the resistance portion changes from a high resistance state to a low resistance state, and the resistance change layer is applied to the erase voltage pulse by the resistance change layer. When the change in the resistance change layer from the low resistance state to the high resistance state is completed, the resistance change layer completes the change from the high resistance state to the low resistance state by the application of the write voltage pulse. May be suppressed to a value equal to or lower than a second current value flowing through the resistance change layer.
この様態によれば、消去ステップにおいて、前記不揮発性記憶素子により高い電圧を与え、かつ消去ステップ完了時に前記不揮発性記憶素子に流れる電流値を制限できる。したがって、前記不揮発性記憶素子のより安定した抵抗変化動作を実現できる。 According to this aspect, in the erasing step, a high voltage can be applied to the nonvolatile memory element, and the current value flowing through the nonvolatile memory element when the erasing step is completed can be limited. Therefore, a more stable resistance changing operation of the nonvolatile memory element can be realized.
本発明の一態様に係る不揮発性記憶素子の駆動方法は、第1の電極と、第2の電極と、前記第1の電極と前記第2の電極との間に設けられ、第1の金属酸化物で構成される第1の抵抗変化層と、酸素不足度が前記第1の金属酸化物より小さい第2の金属酸化物で構成される第2の抵抗変化層とを積層してなり、前記第1の電極と前記第2の電極との間に印加される電圧パルスに応じて可逆的に抵抗値が変化する抵抗変化層と、前記抵抗変化層に流れる電流の経路に挿入され、前記第1の電極に接続された第1の入出力端子と、第2の入出力端子と、前記第1の入出力端子と前記第2の入出力端子との間の導通を制御するゲート端子とを有し、前記書き込みステップにおいて、前記電界効果トランジスタの前記第2の入出力端子はソース端子である電界効果トランジスタと、を備える不揮発性記憶素子の駆動方法であり、前記駆動方法は、前記抵抗変化層を低抵抗状態から高抵抗状態へ変化させるために前記第1の電極と前記第2の電極との間に第1の極性の消去電圧パルスを印加する消去ステップと、前記抵抗変化層を高抵抗状態から低抵抗状態へ変化させるために前記第1の電極と前記第2の電極との間に前記第1の極性とは異なる第2の極性の書き込み電圧パルスを印加する書き込みステップと、前記電界効果トランジスタによって、前記消去ステップの完了時に前記抵抗変化層に流れる第1の電流値を、前記書き込みステップの完了時に前記抵抗変化層に流れる第2の電流値以下に抑制する制御ステップと、を含む。 A method for driving a nonvolatile memory element according to one embodiment of the present invention includes a first electrode, a second electrode, a first metal provided between the first electrode and the second electrode. A first variable resistance layer composed of an oxide and a second variable resistance layer composed of a second metal oxide whose oxygen deficiency is smaller than the first metal oxide; A resistance change layer whose resistance value reversibly changes in response to a voltage pulse applied between the first electrode and the second electrode, and a current path flowing through the resistance change layer, A first input / output terminal connected to the first electrode, a second input / output terminal, and a gate terminal for controlling conduction between the first input / output terminal and the second input / output terminal; And in the writing step, the second input / output terminal of the field effect transistor is a source terminal. A non-volatile memory element driving method including the first electrode and the second electrode for changing the resistance change layer from a low resistance state to a high resistance state. An erasing step of applying an erasing voltage pulse of a first polarity between the electrode and the first electrode and the second electrode to change the resistance change layer from a high resistance state to a low resistance state. A write step of applying a write voltage pulse of a second polarity different from the first polarity in between, and a first current value flowing through the variable resistance layer upon completion of the erase step by the field effect transistor, And a control step of suppressing the value to a second current value flowing through the resistance change layer when the writing step is completed.
この態様によれば、前記電界効果トランジスタの基板バイアス効果に基づいて、前記消去ステップの完了時に前記不揮発性記憶素子に流れる前記第1の電流値を、前記書き込みステップの完了時に前記不揮発性記憶素子に流れる前記第2の電流値以下に抑制できる。その結果、前記不揮発性記憶素子において多数回の書き換え動作を行った後においても良好な書き換え特性を維持できるので、前記不揮発性記憶素子による安定した記憶動作が実現できる。 According to this aspect, based on the substrate bias effect of the field effect transistor, the first current value that flows through the nonvolatile memory element when the erasing step is completed is changed to the nonvolatile memory element when the writing step is completed. Or less than the second current value flowing through the. As a result, good rewrite characteristics can be maintained even after a large number of rewrite operations are performed in the nonvolatile memory element, so that a stable memory operation by the nonvolatile memory element can be realized.
また、前記書き込みステップにおいて前記電界効果トランジスタのゲート端子に電圧Vwを与え、前記消去ステップにおいて前記ゲート端子に前記電圧Vwよりも絶対値の大きい電圧Veを与えてもよい。 Further, the voltage Vw may be applied to the gate terminal of the field effect transistor in the writing step, and the voltage Ve having an absolute value larger than the voltage Vw may be applied to the gate terminal in the erasing step.
この様態によれば、より確実に前記不揮発性記憶素子を高抵抗化することができるため、書き換え特性に優れた不揮発性記憶素子を提供できる。 According to this aspect, the resistance of the nonvolatile memory element can be increased more reliably, so that a nonvolatile memory element having excellent rewriting characteristics can be provided.
(実施の形態1)
[抵抗変化素子の構成]
まず、実施の形態1に係る不揮発性記憶装置が具備する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 included in the nonvolatile memory device according to
図1は、本実施の形態に係る不揮発性記憶素子が具備する抵抗変化素子10の構成を示す断面図である。図1に示すように、本実施の形態に係る抵抗変化素子10は、基板1と、基板1の上に形成された第1の電極2と、第1の電極2の上に形成された抵抗変化層3と、抵抗変化層3の上に形成された第2の電極4とを備えている。第1の電極2及び第2の電極4は、抵抗変化層3と電気的に接続されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a
基板1は、例えばシリコン基板により構成される。また、第1の電極2及び第2の電極4は、例えば、Au(金)、Pt(白金)、Ir(イリジウム)、Cu(銅)、TiN(窒化チタン)及びTaN(窒化タンタル)のうちの1つまたは複数の材料を用いて構成される。
The
抵抗変化層3は、第1の電極2と第2の電極4との間に介在され、第1の電極2と第2の電極4との間に与えられる電気的信号に基づいて可逆的に抵抗値が変化する層である。例えば、第1の電極2と第2の電極4との間に与えられる電圧の極性に応じて高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に遷移する層である。抵抗変化層3は、第1の電極2に接続する第2の抵抗変化層3bと、第2の電極4に接続する第1の抵抗変化層3aの少なくとも2層を積層して構成される。
The
第1の抵抗変化層3aは、酸素不足型の第1の金属酸化物で構成され、第2の抵抗変化層3bは、前記第1の金属酸化物よりも酸素不足度が小さい第2の金属酸化物で構成されている。抵抗変化素子10の第2の抵抗変化層3b中には、電気パルスの印加に応じて酸素不足度が可逆的に変化する微小な局所領域が形成されている。局所領域は、酸素欠陥サイトから構成されるフィラメントを含むと考えられる。
The first
酸素不足度とは、金属酸化物において、その化学量論的組成(複数の化学量論的組成が存在する場合は、そのなかで最も抵抗値が高い化学量論的組成)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。化学量論的組成の金属酸化物は、他の組成の金属酸化物と比べて、より安定でありかつより高い抵抗値を有している。 Oxygen deficiency is an oxide of a metal oxide that has a stoichiometric composition (if there are multiple stoichiometric compositions, the stoichiometric composition having the highest resistance value among them). This refers to the proportion of oxygen that is deficient with respect to the amount of oxygen that is produced. A metal oxide having a stoichiometric composition is more stable and has a higher resistance value than a metal oxide having another composition.
例えば、金属がタンタル(Ta)の場合、上述の定義による化学量論的組成の酸化物はTa2O5であるので、TaO2.5と表現できる。TaO2.5の酸素不足度は0%であり、TaO1.5の酸素不足度は、酸素不足度=(2.5−1.5)/2.5=40%となる。また、酸素過剰の金属酸化物は、酸素不足度が負の値となる。なお、本明細書中では、特に断りのない限り、酸素不足度は正の値、0、負の値も含むものとして説明する。 For example, when the metal is tantalum (Ta), the oxide having the stoichiometric composition according to the above definition is Ta 2 O 5 , and can be expressed as TaO 2.5 . The oxygen deficiency of TaO 2.5 is 0%, and the oxygen deficiency of TaO 1.5 is oxygen deficiency = (2.5−1.5) /2.5=40%. In addition, the oxygen excess metal oxide has a negative oxygen deficiency. In the present specification, unless otherwise specified, the oxygen deficiency is described as including a positive value, 0, and a negative value.
酸素不足度の小さい酸化物は化学量論的組成の酸化物により近いため抵抗値が高く、酸素不足度の大きい酸化物は酸化物を構成する金属により近いため抵抗値が低い。 An oxide having a low degree of oxygen deficiency has a high resistance value because it is closer to an oxide having a stoichiometric composition, and an oxide having a high degree of oxygen deficiency has a low resistance value because it is closer to the metal constituting the oxide.
酸素含有率とは、総原子数に占める酸素原子の比率である。例えば、Ta2O5の酸素含有率は、総原子数に占める酸素原子の比率(O/(Ta+O))であり、71.4atm%となる。したがって、酸素不足型のタンタル酸化物は、酸素含有率は0より大きく、71.4atm%より小さいことになる。例えば、第1の金属酸化物を構成する金属と、第2の金属酸化物を構成する金属とが同種である場合、酸素含有率は酸素不足度と対応関係にある。すなわち、前記第2の金属酸化物の酸素含有率が前記第1の金属酸化物の酸素含有率よりも大きいとき、前記第2の金属酸化物の酸素不足度は前記第1の金属酸化物の酸素不足度より小さい。 The oxygen content is the ratio of oxygen atoms to the total number of atoms. For example, the oxygen content of Ta 2 O 5 is the ratio of oxygen atoms to the total number of atoms (O / (Ta + O)), which is 71.4 atm%. Therefore, the oxygen-deficient tantalum oxide has an oxygen content greater than 0 and less than 71.4 atm%. For example, when the metal constituting the first metal oxide and the metal constituting the second metal oxide are of the same type, the oxygen content has a corresponding relationship with the degree of oxygen deficiency. That is, when the oxygen content of the second metal oxide is greater than the oxygen content of the first metal oxide, the oxygen deficiency of the second metal oxide is that of the first metal oxide. Less than oxygen deficiency.
抵抗変化層3を、タンタルを用いて構成する場合、第1の抵抗変化層3aを構成する第1の金属酸化物の組成をTaOxとした場合にxが0.8以上1.9以下であり、かつ、第2の抵抗変化層3bを構成する第2の金属酸化物の組成をTaOyとした場合にyが2.1以上である場合に、抵抗変化層3の抵抗値を安定して高速に変化させることができる。この場合、第2の抵抗変化層3bの膜厚は、1nm以上8nm以下としてもよい。
When the
抵抗変化層3を構成する金属は、タンタル以外の金属を用いてもよい。抵抗変化層3を構成する金属としては、遷移金属、またはアルミニウム(Al)を用いることができる。遷移金属としては、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、タングステン(W)、ニッケル(Ni)等を用いることができる。遷移金属は複数の酸化状態をとることができるため、異なる抵抗状態を酸化還元反応により実現することが可能である。
The metal constituting the
例えば、ハフニウム酸化物を用いる場合、第1の抵抗変化層3aを構成する第1の金属酸化物の組成をHfOxとした場合にxが0.9以上1.6以下であり、かつ、第2の抵抗変化層3bを構成する第2の金属酸化物の組成をHfOyとした場合にyがxの値よりも大である場合に、抵抗変化層3の抵抗値を安定して高速に変化させることができる。この場合、第2の抵抗変化層3bの膜厚は、1nm以上5nm以下としてもよい。
For example, in the case of using hafnium oxide, when the composition of the first metal oxide constituting the first
また、ジルコニウム酸化物を用いる場合、第1の抵抗変化層3aを構成する第1の金属酸化物の組成をZrOxとした場合にxが0.9以上1.4以下であり、かつ、第2の抵抗変化層3bを構成する第2の金属酸化物の組成をZrOyとした場合にyがxの値よりも大である場合に、抵抗変化層3の抵抗値を安定して高速に変化させることができる。この場合、第2の抵抗変化層3bの膜厚は、1nm以上5nm以下としてもよい。
Further, when zirconium oxide is used, x is 0.9 or more and 1.4 or less when the composition of the first metal oxide constituting the first
前記第1の金属酸化物を構成する第1の金属と、前記第2の金属酸化物を構成する第2の金属とは、異なる金属を用いてもよい。この場合、前記第2の金属酸化物は、前記第1の金属酸化物よりも酸素不足度が小さい、つまり抵抗が高くてもよい。このような構成とすることにより、抵抗変化時に第1の電極2と第2の電極4との間に印加された電圧は、より抵抗が高い前記第2の金属酸化物で構成された第2の抵抗変化層3bにより多く分配され、第2の抵抗変化層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。
A different metal may be used for the first metal constituting the first metal oxide and the second metal constituting the second metal oxide. In this case, the second metal oxide may have a lower degree of oxygen deficiency than the first metal oxide, that is, may have a higher resistance. By adopting such a configuration, the voltage applied between the
また、前記第1の金属酸化物を構成する第1の金属と、前記第2の金属酸化物を構成する第2の金属とを、互いに異なる材料を用いる場合、前記第2の金属の標準電極電位は、前記第1の金属の標準電極電位より低くてもよい。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。これにより、標準電極電位が相対的に低い前記第2の金属酸化物において、酸化還元反応が起こりやすくなる。なお、抵抗変化現象は、抵抗が高い第2の抵抗変化層3b中に形成された微小な局所領域中で酸化還元反応が起こってフィラメント(導電パス)が変化することにより、第2の抵抗変化層3bの抵抗値(酸素不足度)が変化することと考えられる。
In addition, when different materials are used for the first metal constituting the first metal oxide and the second metal constituting the second metal oxide, the standard electrode of the second metal is used. The potential may be lower than the standard electrode potential of the first metal. The standard electrode potential represents a characteristic that the higher the value is, the more difficult it is to oxidize. Thereby, an oxidation-reduction reaction easily occurs in the second metal oxide having a relatively low standard electrode potential. Note that the resistance change phenomenon is caused by a second resistance change caused by a redox reaction occurring in a minute local region formed in the second
例えば、前記第1の金属酸化物に酸素不足型のタンタル酸化物(TaOx)を用い、前記第2の金属酸化物にチタン酸化物(TiO2)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。このように、前記第2の金属酸化物に前記第1の金属酸化物より標準電極電位が低い金属の酸化物を用いることにより、第2の抵抗変化層3b中でより酸化還元反応が発生しやすくなる。
For example, by using oxygen-deficient tantalum oxide (TaO x ) for the first metal oxide and titanium oxide (TiO 2 ) for the second metal oxide, stable resistance change operation can be achieved. can get. Titanium (standard electrode potential = −1.63 eV) is a material having a lower standard electrode potential than tantalum (standard electrode potential = −0.6 eV). As described above, by using a metal oxide having a standard electrode potential lower than that of the first metal oxide as the second metal oxide, a redox reaction occurs more in the second
その他の組み合わせとして、高抵抗層となる第2の抵抗変化層3bにアルミニウム酸化物(Al2O3)を用いることができる。例えば、前記第1の金属酸化物に酸素不足型のタンタル酸化物(TaOx)を用い、前記第2の金属酸化物にアルミニウム酸化物(Al2O3)を用いてもよい。
As another combination, an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) can be used for the second
積層構造の抵抗変化層3における抵抗変化現象は、高抵抗化及び低抵抗化のいずれも、抵抗が高い第2の抵抗変化層3b中に形成された微小な局所領域中で酸化還元反応が起こって、局所領域中のフィラメント(導電パス)が変化することにより、第2の抵抗変化層3bの抵抗値が変化することと考えられる。
As for the resistance change phenomenon in the
つまり、第2の抵抗変化層3bに接続する第1の電極2に、第2の電極4を基準にして正の電圧を印加したとき、抵抗変化層3中の酸素イオンが第2の抵抗変化層3b側に引き寄せられる。これによって、第2の抵抗変化層3b中に形成された微小な局所領域中で酸化反応が発生し、酸素不足度が減少する。その結果、局所領域中のフィラメントが繋がりにくくなり、抵抗値が増大すると考えられる。
That is, when a positive voltage is applied to the
逆に、第2の抵抗変化層3bに接続する第1の電極2に、第2の電極4を基準にして負の電圧を印加したとき、第2の抵抗変化層3b中の酸素イオンが第1の抵抗変化層3a側に押しやられる。これによって、第2の抵抗変化層3b中に形成された微小な局所領域中で還元反応が発生し、酸素不足度が増加する。その結果、局所領域中のフィラメントが繋がりやすくなり、抵抗値が減少すると考えられる。
Conversely, when a negative voltage is applied to the
酸素不足度がより小さい前記第2の金属酸化物で構成される第2の抵抗変化層3bに接続されている第1の電極2は、例えば、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、パラジウム(Pd)など、前記第2の金属酸化物を構成する金属及び第2の電極4を構成する材料と比べて標準電極電位がより高い材料で構成する。
The
また、酸素不足度がより大きい前記第1の金属酸化物で構成される第1の抵抗変化層3aに接続されている第2の電極4は、例えば、タングステン(W)、ニッケル(Ni)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)、窒化タンタル(TaN)、窒化チタン(TiN)など、前記第1の金属酸化物を構成する金属と比べて標準電極電位がより低い材料で構成してもよい。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。
Further, the
すなわち、第2の電極4を構成する材料の標準電極電位E2、第2の抵抗変化層3bとなる第2の金属酸化物を構成する金属の標準電極電位EM、第1の金属酸化物を構成する金属の標準電極電位EN、第1の電極を構成する材料の標準電極電位E1との間には、EM<E1、かつE2<E1なる関係を満足してもよい。さらには、E1>EMで、EN≧E2の関係を満足してもよい。
That is, the standard electrode potential E2 of the material constituting the
上記の構成とすることにより、第1の電極2と第2の抵抗変化層3bとの界面近傍の第2の金属酸化物中において、選択的に酸化還元反応が発生し、安定した抵抗変化現象が得られる。
With the above configuration, a redox reaction occurs selectively in the second metal oxide in the vicinity of the interface between the
図2A、図2B、図2Cは、第1の抵抗変化層3aをTaO1.6で表される組成を有するタンタル酸化物で構成し、第2の抵抗変化層3bをそれぞれTa2O5、HfO2、Al2O3で構成した抵抗変化素子10の、同一条件で動作させたときの抵抗変化特性を示す。Taよりも標準電極電位の低いAl、Hfの酸化物を第2の抵抗変化層3bに用いた場合には、高抵抗状態の抵抗値が高く、より安定に抵抗変化現象が起きていることが確認できる。
2A, 2B, and 2C, the first
[抵抗変化素子の製造方法]
次に、抵抗変化素子10の製造方法の一例について説明する。
[Method of manufacturing variable resistance element]
Next, an example of a method for manufacturing the
まず、基板1上に、スパッタリング法により、第1の電極2を構成する材料(例えば、イリジウム(Ir))の膜を形成する。
First, a film of a material (for example, iridium (Ir)) constituting the
その後、前記材料の膜上に、第2の抵抗変化層3bを構成する第2の金属酸化物の膜を形成する。前記第2の金属酸化物の膜は、例えば、タンタル酸化物ターゲットをアルゴンガス中、又はアルゴンガス及び酸素ガス中でスパッタリングすることによって形成してもよく、CVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)法やALD(Atomic Layer Deposition:原子層堆積)法を用いて形成してもよい。
Thereafter, a second metal oxide film constituting the second
次に、前記第2の金属酸化物の膜上に第1の抵抗変化層3aを構成する第1の金属酸化物の膜を形成する。前記第1の金属酸化物の膜は、例えばTaターゲットをアルゴンガス及び酸素ガス中でスパッタリングする、いわゆる反応性スパッタリング法によって形成してもよい。ここで、前記第1の金属酸化物の酸素不足度は、スパッタリングに用いる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調整してもよい。なお、基板は特に加熱することなく室温にて膜形成できる。
Next, a first metal oxide film constituting the first
次に、前記第1の金属酸化物の膜上に、スパッタリング法により、第2の電極4を構成する材料(例えば窒化タンタル(TaN))の膜を形成する。
Next, a film of a material (for example, tantalum nitride (TaN)) constituting the
前記第1の電極材料膜、前記第2の金属酸化物膜、前記第1の金属酸化物膜、及び前記第2の電極材料膜をパターニングすることにより、それぞれ所望の大きさ及び形状の第1の電極2、第2の抵抗変化層3b、第1の抵抗変化層3a、第2の電極4を形成する。
By patterning the first electrode material film, the second metal oxide film, the first metal oxide film, and the second electrode material film, the first having a desired size and shape respectively.
以上の工程により、抵抗変化素子10が得られる。
The
後述の不揮発性記憶装置の実施例では、以下の抵抗変化素子10を用いる。
In the example of the nonvolatile memory device described later, the following
実施例の抵抗変化素子10において、第2の電極4及び抵抗変化層3の大きさは0.5μm×0.5μm(面積0.25μm2)であり、第1の電極2と抵抗変化層3とが接する部分の大きさも0.5μm×0.5μm(面積0.25μm2)である。第2の電極4及び第1の電極2の厚みは、いずれも50nmである。
In the
第1の抵抗変化層3aに用いる第1の金属酸化物の組成はTaOx(x=1.57)であり、第2の抵抗変化層3bに用いる第2の金属酸化物の組成はTaOy(y=2.47)である。抵抗変化層3の厚みは50nm、第1の抵抗変化層3aの厚みは44nm、第2の抵抗変化層3bの厚みは6nmである。
The composition of the first metal oxide used for the first
[抵抗変化素子の特性]
次に、上述したように構成された本実施の形態に係る抵抗変化素子10の特性について説明する。
[Characteristics of variable resistance element]
Next, characteristics of the
図3は、本実施の形態に係る不揮発性記憶素子30が具備する抵抗変化素子10の電流−電圧特性を示す図である。横軸は、第2の電極4を基準とした第1の電極2の電圧値を示しており、縦軸は第1の電極2から第2の電極4に流れる電流値を示している。
FIG. 3 is a diagram showing current-voltage characteristics of the
図3を参照すると、第2の電極4を基準にして第1の電極2に負電圧を与える極性の電圧パルスを抵抗変化層3に印加したときに、抵抗変化層3が低抵抗化するために、電流の絶対値が大きくなることが確認できる。
Referring to FIG. 3, when a voltage pulse having a polarity that applies a negative voltage to the
反対に、第2の電極4を基準にして第1の電極2に正電圧を与える極性の電圧パルスを抵抗変化層3に印加したときに、抵抗変化層3が高抵抗化するために電流の絶対値が小さくなることが確認できる。
On the other hand, when a voltage pulse having a polarity for applying a positive voltage to the
このような抵抗変化現象は、前述したメカニズムによって発現すると推定される。 Such a resistance change phenomenon is presumed to be manifested by the mechanism described above.
[不揮発性記憶素子の構成]
図4Aは、本実施の形態に係る1つのトランジスタと1つの抵抗変化素子とで構成される、いわゆる1T1R型の不揮発性記憶素子30の構成を示す回路図である。不揮発性記憶素子30は、抵抗変化素子10と電界効果トランジスタ20を備える。なお、WLがワード線を示し、SLがソース線を示し、BLがビット線を示している。電界効果トランジスタ20は、不揮発性記憶素子30の選択と非選択とを切り替えるスイッチであるとともに、不揮発性記憶素子30に流れる電流値を制御するための制御器の一例である。
[Configuration of Nonvolatile Memory Element]
FIG. 4A is a circuit diagram showing a configuration of a so-called 1T1R
図4Bは、不揮発性記憶素子30を構成する抵抗変化素子10の構成を示す回路図である。図4Cは、不揮発性記憶素子30を構成する電界効果トランジスタ20の構成を示す回路図である。言い換えると、図4Bに示した抵抗変化素子10と、図4Cに示した電界効果トランジスタ20とを接続すると、図4Aに示した不揮発性記憶素子30が得られる。
FIG. 4B is a circuit diagram illustrating a configuration of the
図4Bに示すように、抵抗変化素子10は、第2の電極4及び第1の電極2にそれぞれ接続された2つの端子を有する2端子構造の素子である。抵抗変化素子10の一方の端子は、電界効果トランジスタ20の1つの端子と接続されている。本明細書においては、抵抗変化素子10の具備する2つの端子のうち、電界効果トランジスタ20に接続されている一方の端子を第2の端子12と呼び、電界効果トランジスタ20に接続されていない他方の端子を第1の端子11と呼ぶ。
As shown in FIG. 4B, the
図4Cに示すように、電界効果トランジスタ20は、少なくともソース端子、ドレイン端子、ゲート端子の3つの端子を有する素子である。本明細書においては、これらの3つの端子のうち、抵抗変化素子10に接続されている端子を第1の入出力端子21と呼び、トランジスタ動作によって第1の入出力端子21と導通可能な他方の端子を第2の入出力端子22と呼ぶ。また、トランジスタ動作において、第1の入出力端子21と第2の入出力端子22間の導通を制御する端子をゲート端子23と呼ぶ。
As shown in FIG. 4C, the
電界効果トランジスタ20は、オン状態において、第1の入出力端子21及び第2の入出力端子22のうち、一方がソース端子として働き、他方はドレイン端子として働く。ただし、後で詳しく説明するように、どちらがソース端子(あるいはドレイン端子)であるかは、電流の流れる向き、及びキャリアの極性によって決まる。
In the on state, the
電界効果トランジスタ20は、例えば、MISFET(金属−絶縁体−半導体 電界効果トランジスタ:Metal−Insulator−Semiconductor Field−Effect Transistor)、あるいはMISFETの一種であるMOSFET(金属−酸化物−半導体 電界効果トランジスタ:Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect Transistor)である。
The field-
以下、簡便のため、電界効果トランジスタ20を、単にトランジスタ20と呼ぶことがある。また、電界効果トランジスタ20を、本実施の形態における具体例に従ってMISFET20、N型MISFET20、P型MISFET20と呼ぶこともある。
Hereinafter, for the sake of simplicity, the
図4B及び図4Cでは、抵抗変化素子10及び電界効果トランジスタ20について、それぞれ別個独立に説明したが、これは簡便に説明するための回路図上の表現である。したがって、例えば、抵抗変化素子10及び電界効果トランジスタ20がデバイスとして一体となっていてもよい。
4B and 4C, the
例えば、電界効果トランジスタ20の第1の入出力端子21が、抵抗変化素子10の第1の電極2を兼ねていてもよい。また、抵抗変化素子10の第2の端子12と、電界効果トランジスタ20の第1の入出力端子21とは、電気的に接続されていればよい。例えば、抵抗変化素子10及び電界効果トランジスタ20間にその他の導電性を有する部材が介在していてもよい。
For example, the first input /
図5は、本実施の形態に係る不揮発性記憶素子30の構成の一例を示す断面図である。不揮発性記憶素子30は、抵抗変化素子10と電界効果トランジスタ20とを備える。なお、図5では、一例として、電界効果トランジスタ20がN型MISFETである場合について示している。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the
また、電界効果トランジスタ20がN型MISFETであるとき、多数キャリアは電子である。他方、電界効果トランジスタ20がP型MISFETであるとき、多数キャリアは正孔である。
Further, when the
一般的に、電子の移動度は正孔の移動度よりも大きいため、同じゲート絶縁膜26の構造(材料および膜厚)で、同じサイズのMISFET20を作成した場合、N型MISFETの方がP型MISFETより電流駆動能力が大きい。そのため、同じ電流駆動能力を有するMISFET20を作製する場合、N型MISFETの方が素子サイズを小さくでき、不揮発性記憶素子30を高密度に集積するためには適する。
In general, since the mobility of electrons is larger than the mobility of holes, when the
抵抗変化素子10は、図1に示した抵抗変化素子10と同様に、第1の電極2と、抵抗変化層3と、第2の電極4とを備え、抵抗変化層3は、第1の抵抗変化層3aと第2の抵抗変化層3bとを有している。したがって、第1の電極2を基準にして第2の電極4に負電圧を与える極性の電圧パルスを抵抗変化層3に印加したときに、抵抗変化層3が高抵抗化する。反対に、第1の電極2を基準にして第2の電極4に正電圧を与える極性の電圧パルスを抵抗変化層3に印加したときに、抵抗変化層3が低抵抗化する。
Similar to the
N型MISFET20は、半導体基板24と、半導体基板24上に配置された第1の拡散層25a及び第2の拡散層25bと、半導体基板24上に第1の拡散層25a及び第2の拡散層25bを跨ぐように配置されたゲート絶縁膜26と、ゲート絶縁膜26上に配置されたゲート電極27とを備える。なお、ゲート絶縁膜26が酸化膜である場合、N型MISFET20は、N型MOSFETとも呼ばれる。
The N-
MISFET20は、種々の公知の方法によって形成できる。N型MISFET20上には、層間絶縁層28が形成されており、層間絶縁層28内を貫通して、抵抗変化素子10の第1の電極2とMISFET20の第1の拡散層25aとを接続する導電ビア29が形成されている。
The
N型MISFET20において、半導体基板24と、第1の拡散層25a及び第2の拡散層25bとは反対導電型である。半導体基板24がP型である場合、第1の拡散層25a及び第2の拡散層25bはN型である。この場合、MISFET20はN型MISFETである。反対に、半導体基板24がN型である場合、第1の拡散層25a及び第2の拡散層25bがP型である。この場合、MISFET20はP型MISFETである。
In the N-
図4A及び図5には、MISFET20がN型MISFET20である場合の接続関係が示されている。なお、後述するように、MISFET20がP型MISFET20である場合には、抵抗変化層3の上下配置が、MISFET20がN型MISFET20である場合の抵抗変化層3の上下配置と反対向きになるように接続される。
FIG. 4A and FIG. 5 show the connection relationship when the
図5で示した不揮発性記憶素子30の断面構造は一例であり、本実施の形態に係る不揮発性記憶素子30における、抵抗変化素子10の構造、及び電界効果トランジスタ20の構造、並びに抵抗変化素子10と電界効果トランジスタの接続部の構造は、図5の例示に限定されない。以下では、説明の簡便のため、特に断らない限り、図4A及び図5に示す電界効果トランジスタ20はN型MISFET20であるものとして説明する。
The cross-sectional structure of the
また、図5に示した不揮発性記憶素子30では、第1の電極2の標準電極電位をE1とし、第2の電極4の標準電極電位をE2とすると、E1>E2を満たすことが望ましい。このよう標準電極電位の要件を満たすことで、第1の電極2と第2の抵抗変化層3bとの界面近傍で安定に抵抗変化現象が発現する。
In the
[不揮発性記憶素子の駆動方法]
次に、上述したように構成された不揮発性記憶素子30の駆動方法について説明する。なお、以下では、抵抗変化素子10の抵抗値が、所定の高い値(例えば、500000Ω)にある場合を高抵抗状態といい、所定の低い値(例えば、10000Ω)にある場合を低抵抗状態という。また、本明細書中では、抵抗変化素子10(または抵抗変化層3)が高抵抗状態から低抵抗状態へ変化することを低抵抗化と呼び、低抵抗状態から高抵抗状態へ変化することを高抵抗化と呼ぶことがある。
[Driving Method of Nonvolatile Memory Element]
Next, a method for driving the
本実施の形態では、不揮発性記憶素子30に対して、電源等を用いて電圧を印加することにより、抵抗変化層3の抵抗状態を以下のように変化させることができる。
In the present embodiment, the resistance state of the
まず、第1の極性で電圧値がVLR、パルス幅がPWLRの電圧パルスを、抵抗変化素子10の第1の端子11とトランジスタ20の第2の入出力端子22間に印加することにより、抵抗変化層3を高抵抗状態から低抵抗状態へ変化させる。以下では、これを書き込みステップと呼ぶ。本明細書中において、第1の極性とは、抵抗変化層3を高抵抗状態から低抵抗状態へ変化させるのに要する電圧パルスの極性を意味する。
First, a voltage pulse having a first polarity, a voltage value of VLR, and a pulse width of PWLR is applied between the
例えば、図4(a)及び図5に示した接続関係にある場合、抵抗変化素子10内の第2の電極4の電位が、N型MISFET20の第2の拡散層25bの電位に対して相対的に高くなるような電圧の極性が、第1の極性である。このとき、抵抗変化素子10に印加される電圧は、第2の電極4を基準にして第1の電極2に負電圧を与える極性の電圧であるため、抵抗変化層3は高抵抗状態から低抵抗状態へ変化する。
For example, in the connection relationship shown in FIGS. 4A and 5, the potential of the
次に、第1の極性とは異なる第2の極性で電圧値がVHR、パルス幅がPWHRの電圧パルスを、抵抗変化素子10の第1の端子11とトランジスタ20の第2の入出力端子22間に印加する。これにより、抵抗変化層3を低抵抗状態から高抵抗状態へ変化させる。以下では、これを消去ステップと呼ぶ。本明細書中において、第2の極性とは、抵抗変化層3を低抵抗状態から高抵抗状態へ変化させるのに要する電圧パルスの極性を意味する。
Next, a voltage pulse having a second polarity different from the first polarity and a voltage value of VHR and a pulse width of PWHR is applied to the
例えば、図4(a)及び図5に示した接続関係にある場合、抵抗変化素子10内の第2の電極4の電位が、N型MISFET20の第2の拡散層25bの電位に対して相対的に低くなるような電圧の極性が第2の極性である。このとき、抵抗変化素子10に印加される電圧は、第2の電極4を基準にして第1の電極2に正電圧を与える極性の電圧であるため、抵抗変化層3は低抵抗状態から高抵抗状態へ変化する。
For example, in the connection relationship shown in FIGS. 4A and 5, the potential of the
以上の書き込みステップ及び消去ステップを繰り返すことにより、不揮発性記憶素子30が動作する。また、パルス幅PWLRとPWHRは、例えばそれぞれ50nsである。
By repeating the above writing step and erasing step, the
抵抗変化層3が低抵抗状態及び高抵抗状態の何れの状態にあるかは、所定値の読み出し用の電圧パルス(以下、読み出し電圧パルスと呼ぶ)を印加して判定される。具体的には、読み出し電圧パルスを抵抗変化素子10の第1の端子11とトランジスタ20の第2の入出力端子22との間に印加することにより、このときに抵抗変化層3を流れる電流(以下、読み出し電流と呼ぶ)の電流値に応じて抵抗変化素子10が高抵抗状態か低抵抗状態かが判定される。
Whether the
読み出し電圧パルスによって抵抗変化素子10に印加される電圧値の大きさ(絶対値)は、抵抗変化層3に抵抗変化をもたらす閾値電圧よりも小さい。したがって、読み出し電圧パルスは、抵抗変化素子10の抵抗状態に影響を及ぼさない。例えば、抵抗変化層3が低抵抗状態にある場合に、第1の極性の読み出し電圧パルスが抵抗変化素子10及びトランジスタ20間に印加されたとしても、抵抗変化層3の抵抗状態は変化せず、低抵抗状態のままで維持される。同様にして、抵抗変化層3が高抵抗状態にある場合に、第2の極性の読み出し電圧パルスが抵抗変化素子10及びトランジスタ20間に印加されたとしても、抵抗変化層3の抵抗状態は変化せず、高抵抗状態のままで維持される。
The magnitude (absolute value) of the voltage value applied to the
本実施の形態に係る不揮発性記憶素子30に対して上記の駆動方法を実行すると、不揮発性記憶素子30を1つのメモリセルとして使用できる。例えば、抵抗変化層3が低抵抗状態にある場合を「1」に対応させ、高抵抗状態にある場合を「0」に対応させることにより、1ビットのメモリセルとなる。
When the above driving method is executed on the
[不揮発性記憶素子の接続関係と基板バイアス効果]
本実施の形態に係る不揮発性記憶素子30は、書き込みステップにおいて、第2の入出力端子22がソース端子となるように接続されている。言い換えると、書き込みステップにおいて、電界効果トランジスタ20の端子のうち、抵抗変化素子10と接続されている側の端子が、ドレイン端子となっている。
[Non-volatile memory element connection and substrate bias effect]
The
本明細書中において、「ソース」とは、電界効果トランジスタ20における多数キャリアの供給源を意味する。一方、「ドレイン」とは、電界効果トランジスタ20における多数キャリアの排出口を意味する。第1の入出力端子21及び第2の入出力端子22のうち、一方がソース端子であるとき、他方がドレイン端子である。同様にして、第1の拡散層25a及び第2の拡散層25bのうち、一方がソース領域であるとき、他方がドレイン領域である。なお、電界効果トランジスタ20がN型であるとき、多数キャリアは電子である。他方、電界効果トランジスタ20がP型であるとき、多数キャリアは正孔である。
In this specification, the “source” means a majority carrier supply source in the
本実施の形態に係る電界効果トランジスタ20のように電流が双方向に流れる場合、電流の流れる方向によってソース及びドレインが切り替わる。本実施の形態では、不揮発性記憶素子30に印加される電圧の極性が、書き込みステップと消去ステップとで反対極性であるため、これに伴ってソースとドレインとが逆転する。すなわち、書き込みステップにおけるソース及びドレインは、それぞれ消去ステップにおけるドレイン及びソースとなる。
When the current flows in both directions like the
電界効果トランジスタ20がN型MISFET20である場合、オン電流が第1の入出力端子21から第2の入出力端子22へ流れるとき、第1の入出力端子21はドレイン端子であり、第2の入出力端子22はソース端子である。一方、オン電流が第2の入出力端子22から第1の入出力端子21へ流れるとき、第1の入出力端子21はソース端子であり、第2の入出力端子22はドレイン端子である。
When the
電界効果トランジスタ20がP型MISFET20である場合、オン電流が第1の入出力端子21から第2の入出力端子22へ流れるとき、第1の入出力端子21はソース端子であり、第2の入出力端子22はドレイン端子である。一方、オン電流が第2の入出力端子22から第1の入出力端子21へ流れるとき、第1の入出力端子21はドレイン端子であり、第2の入出力端子22はソース端子である。
When the
電界効果トランジスタ20がN型MISFET20である場合、書き込みステップにおいて、図4A及び図5の不揮発性記憶素子30に印加される書き込み電圧パルスは、上述の通り、抵抗変化素子10内の第2の電極4の電位(第1の端子11の電位)が、N型MISFET20の第2の拡散層25bの電位(第2の入出力端子22の電位)に対して相対的に高い電圧パルスである。このとき、電流は、第1の端子11から、第2の端子12、第1の入出力端子21、第2の入出力端子22の順で流れる。すなわち、書き込みステップにおいて、N型MISFET20の第2の入出力端子22がソース端子となる。
When the
同様に考えると、消去ステップにおいて、図4A及び図5の不揮発性記憶素子30に印加される消去電圧パルスは、書き込みステップの場合と比べて電圧の極性が反対になるため、N型MISFET20の第1の入出力端子21がソース端子となる。
Considering the same, the erase voltage pulse applied to the
電界効果トランジスタ20がP型MISFET20である場合、後述するように、抵抗変化層3の上下配置が、電界効果トランジスタ20がP型MISFET20である場合の反対になる。したがって、書き込みステップにおいて、不揮発性記憶素子30に印加される書き込み電圧パルスは、抵抗変化素子10内の第2の電極4の電位(第1の端子11の電位)が、P型MISFET20の第2の拡散層25bの電位(第2の入出力端子22の電位)に対して相対的に低い電圧パルスである。このとき、電流は、第2の入出力端子22から第1の入出力端子21、第2の端子12、第1の端子11の順で流れる。このとき、P型MISFET20を流れる多数キャリアは正孔である。したがって、書き込みステップにおいて、P型MISFET20の第2の入出力端子22がソース端子となる。
When the
同様に考えると、消去ステップにおいて、不揮発性記憶素子30に印加される消去電圧パルスは、書き込みステップの場合と比べて電圧の極性が反対になるため、P型MISFET20の第1の入出力端子21がソース端子となる。
Considering the same, the erase voltage pulse applied to the
以下に、本実施形態の不揮発性記憶素子30の接続関係と、基板バイアス効果(body effect)の関連について、図4A及び図5の不揮発性記憶素子30を用いて説明する。以下で説明する基板バイアス効果の影響は、電界効果トランジスタ20がN型MISFET20である場合を例として説明するが、後述するように、電界効果トランジスタ20がN型MISFET20である場合に限らない。
Hereinafter, the relationship between the connection relationship of the
[書き込みステップにおける不揮発性記憶素子の駆動方法]
書き込みステップにおいて、書き込み電圧は、抵抗変化素子10の第1の端子11に相対的に高い電位を、N型MISFET20の第2の入出力端子22に相対的に低い電位を与える。このとき、N型MISFET20のソース電位(第2の入出力端子22の電位)は、抵抗変化素子10による電圧降下の影響を受けず、第2の入出力端子22に印加される電位によって決まる。
[Driving Method of Nonvolatile Memory Element in Writing Step]
In the write step, the write voltage applies a relatively high potential to the
これは、N型MISFET20のソース端子(第2の入出力端子22)が、不揮発性記憶素子30の一端であることに起因する。例えば、N型MISFET20のソース電位(第2の入出力端子22の電位)は、半導体基板24の電位とほぼ同じに維持される。そのため、N型MISFET20に生じる基板バイアス効果の影響は小さく、N型MISFET20のオン電流値を制御することができる。
This is because the source terminal (second input / output terminal 22) of the N-
図6に、書き込みステップにおけるN型MISFET20の負荷曲線と、抵抗変化素子10の電流−電圧特性を模式的に示す。書き込みステップにおいて、N型MISFET20は図6に示すように、電流制限素子として機能する。言い換えると、書き込みステップにおいて第2の入出力端子22がソース端子となるように、抵抗変化素子10とN型MISFET20を接続することにより、N型MISFET20を飽和領域で動作させることができる。
FIG. 6 schematically shows the load curve of the N-
上述したように、書き込みステップにおいて、N型MISFET20を飽和領域で動作させることで、不揮発性記憶素子30の安定した記憶動作を実現できる。
As described above, the stable storage operation of the
図7に、不揮発性記憶素子30による実施例として、書き込みステップにおいてN型MISFET20のゲート端子23に与えた電圧と、抵抗変化素子10を100回抵抗変化動作させたときの読み出し電流値の標準偏差を示す。書き込みステップにおいて抵抗変化素子10に流れる電流は、N型MISFET20のゲート端子23に与える電圧により制御される。
FIG. 7 shows, as an example of the
また、比較のための参考例として、書き込みステップにおいて第1の入出力端子がソース端子となるよう、抵抗変化素子10とN型MISFET20を接続させた(すなわち、本実施形態の不揮発性記憶素子30とは抵抗変化素子とMISFETとの接続が異なる)不揮発性記憶素子の、抵抗変化素子10に流れる電流値と、抵抗変化素子10の読み出し電流値の標準偏差を示す。
As a reference example for comparison, the
図7から明らかなように、第2の入出力端子22をソース端子として書き込みステップを行った不揮発性記憶素子30による実施例では、参考例と比べて、読み出し電流ばらつきの標準偏差値が小さく、ばらつきが小さい。したがって、本実施の形態に従えば、書き換え特性に優れた不揮発性記憶素子30を得ることができる。
As is clear from FIG. 7, in the example using the
[消去ステップにおける不揮発性記憶素子の駆動方法]
一方、消去ステップにおいて、消去電圧は、抵抗変化素子10の第1の端子11に相対的に低い電位を与え、N型MISFET20の第2の入出力端子22に相対的に高い電位を与える。このとき、N型MISFET20のソース電位(第1の入出力端子21の電位)の絶対値は、半導体基板24の電位よりも相対的に高くなる。そのため、基板バイアス効果の影響が大きくなり、N型MISFET20の負荷曲線は図8に模式的に示したようになる。言い換えると、消去ステップにおいて、N型MISFET20はソースフォロワで動作する。
[Driving Method of Nonvolatile Memory Element in Erase Step]
On the other hand, in the erasing step, the erasing voltage gives a relatively low potential to the
また、基板バイアス効果のため、第1の端子11と第2の入出力端子22間に印加される電圧は、ゲート端子23に与えられる電圧よりも小さくなる。
Further, because of the substrate bias effect, the voltage applied between the
消去ステップにおいては、抵抗変化素子10にできるだけ高い電圧を印加することが望ましい。図9に示すように、高抵抗状態における抵抗変化素子10の抵抗値は、第1の端子11と第2の入出力端子22間に印加される電圧が高いほど、大きくなる。図9において、Vthは高抵抗化が開始する閾電圧(すなわち、図3のCで示した点)である。したがって、高抵抗化の開始の閾電圧よりも高い電圧を与えることで、抵抗変化素子10の高抵抗状態と低抵抗状態の抵抗値の差がより拡大し、良好な書き換え特性を有する不揮発性記憶素子が得られる。
In the erasing step, it is desirable to apply as high a voltage as possible to the
以上の理由により、本実施の形態では消去ステップ時に不揮発性記憶素子30に与える電圧は、高抵抗化の開始電圧よりも高く設定する。
For the above reason, in the present embodiment, the voltage applied to the
ところで、高抵抗状態における抵抗変化素子10の電圧−電流特性は図10に示すように非線形性を示す。したがって、消去ステップにおいて、抵抗変化素子10に与えられる電圧が大きいほど、抵抗変化素子10に流れる電流は指数関数的に大きくなる。
By the way, the voltage-current characteristic of the
本発明者らが鋭意検討した結果、消去ステップ完了時において抵抗変化素子10に流れる電流値を、書き込みステップ完了時において抵抗変化素子10に流れる電流値よりも小さくすることが、抵抗変化素子10の信頼性を向上させることを見出した。ここで、消去ステップの完了時に抵抗変化素子10に流れる電流とは、抵抗変化素子10の高抵抗化が完了した時点で流れる電流値であり、図3においてAで示した点における電流値である。同様に、書き込みステップの完了時に流れる電流とは、低抵抗化が完了した時点で流れる電流値であり、図3においてBで示した点における電流値である。
As a result of intensive studies by the present inventors, the current value flowing through the
図11に、抵抗変化素子10の1000回書き換え後、及び10万回書き換え後の、低抵抗状態における読み出し電流値の標準偏差を示す。図11において、横軸は、書き込みステップにおいて抵抗変化素子10に流れる電流値を1としたときの、消去ステップにおいて抵抗変化素子10に流れる電流値である。すなわち、横軸の値が1より大きい場合には、消去ステップ完了時に流れる電流値が、書き込みステップ完了時に流れる電流値よりも大きいことを意味する。縦軸は、低抵抗状態における読み出し電流値の標準偏差である。
FIG. 11 shows the standard deviation of the read current value in the low resistance state after the
図11から明らかなように、消去ステップにおける電流が、書き込みステップにおいて流れる電流よりも小さい場合には、10万回書き換えた後でも低抵抗状態の読み出し電流値の標準偏差はほとんど増加しない。他方、消去ステップにおける電流が、書き込みステップにおいて流れる電流よりも大きい場合には、10万回書き換えた後の低抵抗状態の読み出し電流値の標準偏差は大きく増加する。 As is clear from FIG. 11, when the current in the erasing step is smaller than the current flowing in the writing step, the standard deviation of the read current value in the low resistance state hardly increases even after rewriting 100,000 times. On the other hand, when the current in the erasing step is larger than the current flowing in the writing step, the standard deviation of the read current value in the low resistance state after rewriting 100,000 times greatly increases.
この理由については、以下のように考えられる。消去ステップにおいて抵抗変化素子10が高抵抗化すると、第1の端子11と第2の入出力端子22間に印加されている電圧のうち抵抗変化素子10に分配される電圧の割合が大きくなる。加えて、消去ステップ完了時において抵抗変化素子10に流れる電流値が、書き込みステップ完了時に流れる電流値よりも大きくなるようになる場合、消去ステップにおいて抵抗変化素子10に与えられる電圧および電流が極めて大きくなる。すなわち、抵抗変化素子10に与えられるエネルギーは消去ステップのときに最大となる。その結果、前述した局所領域中のフィラメントにおいて大きなジュール熱が発生し、抵抗変化の発現場所であるフィラメントが劣化しやすくなる。
The reason for this is considered as follows. When the
したがって、書き換え特性に優れた不揮発性記憶素子を得るためには、消去ステップ完了時に流れる電流値は、書き込みステップ完了時に流れる電流値よりも低く制御することが必要である。 Therefore, in order to obtain a nonvolatile memory element having excellent rewriting characteristics, it is necessary to control the current value flowing when the erase step is completed to be lower than the current value flowing when the write step is completed.
[制御器としての電界効果トランジスタによる消去ステップの電流抑制]
本実施の形態における不揮発性記憶素子30では、N型MISFET20を制御器として用いることにより、消去ステップが完了したときに流れる電流を抑制することができる。
[Erase step current suppression by field effect transistor as controller]
In the
図12は、ゲート端子23に与える電圧VGが3.3Vであり、拡散層の幅が1.0μm及び1.5μmのそれぞれの場合の、N型MISFET20の負荷曲線を一例として示す図である。図12には、当該負荷曲線と共に、図3で示した抵抗変化素子10の電流−電圧特性が示してある。なお、N型MISFET20の負荷曲線はSPICEシミュレーションを用いて算出した。消去ステップ完了時に流れる電流は、負荷曲線と抵抗変化素子10の電流−電圧特性の交点で制限される。図12に示すように、拡散層の幅を調整することで、消去ステップの完了時に抵抗変化素子10に流れる電流値を制御することができる。
FIG. 12 is a diagram illustrating, as an example, a load curve of the N-
また、N型MISFET20の負荷曲線は、ゲート端子23に与える電圧VGを変えても制御できる。
Also, the load curve of the N-
図13は、電圧VGが3.3V及び3.0Vのそれぞれの場合のN型MISFET20の負荷曲線を一例として示す図である。図13に示すように、ゲート端子23に与える電圧VGを変えることで、消去ステップが完了した後に抵抗変化素子10に流れる電流値を制御することができる。また、N型MISFET20の負荷曲線は、高抵抗化の開始点(図12にCで示した点)とは交わらない。
FIG. 13 is a diagram illustrating, as an example, load curves of the N-
以上のように、制御器としてのN型MISFET20の拡散層の幅や、ゲート端子23に与える電圧VGを調整するなどにより、消去ステップが完了時に抵抗変化素子10に流れる電流値を、書き込みステップ完了時の電流値よりも小さい、所望の値に制御することが可能である。
As described above, by adjusting the width of the diffusion layer of the N-
[電界効果トランジスタのゲート電圧の制御]
不揮発性記憶素子を安定して駆動させるためには、消去ステップにおいてゲート端子23に与える電圧をVwとし、書き込みステップにおいてゲート端子23に与える電圧をVeとすると、Vw>Veであってもよい。ここで、Vw、及びVeはそれぞれ、N型MISFETのウェル(図示せず)を基準にした電圧である。Vw>Veとした場合の効果を以下に説明する。
[Control of gate voltage of field effect transistor]
In order to stably drive the nonvolatile memory element, Vw> Ve may be satisfied, where Vw is a voltage applied to the
図14Aに、抵抗変化素子10の電流−電圧特性(すなわち、図3で示した電流−電圧特性)と、Vw=Veとしたときの、N型MISFET20の消去ステップ、書き込みステップそれぞれにおける負荷曲線を示す。図14Aに矢印で示した抵抗変化素子10の高抵抗化の開始点は、N型MISFETの負荷曲線よりも高電圧側にある。この場合には、消去ステップにおいて、N型MISFET20により、高抵抗化開始に達する前に抵抗変化素子10に与えられる電圧が制限されるため、抵抗変化素子10が高抵抗化しないことが懸念される。つまりは、消去ステップにおいては、高抵抗化の開始点がN型MISFET20の負荷曲線よりも低電圧側に位置することが望ましい。
FIG. 14A shows current-voltage characteristics of the variable resistance element 10 (that is, the current-voltage characteristics shown in FIG. 3) and load curves in the erase step and the write step of the N-
図14Bに、Vw=Ve+0.3VとしたときのN型MISFET20の消去ステップ、書き込みステップにおける負荷曲線を示す。Vw>Veとすることにより、高抵抗化の開始点がN型MISFETの負荷曲線よりも低電圧側に位置する。このように消去ステップ時においてゲート端子23に与える電圧を制御することで、抵抗変化素子を確実に高抵抗化することができる。
FIG. 14B shows load curves in the erase step and the write step of the N-
かかる駆動方法は、電界効果トランジスタ20がP型MISFET20である場合も同様である。電界効果トランジスタ20がP型MISFET20である場合、ゲート端子23には、P型MISFET20のウェルを基準に負の電圧を与える。書き込みステップと消去ステップにおいてゲート端子23に与える電圧の絶対値を、それぞれ|Ve|、|Vw|とすると、|Vw|>|Ve|とすることで、抵抗変化素子を確実に高抵抗化することができる。
This driving method is the same when the
[制御器のその他の構成例]
上述ではN型MISFET20を制御器として用いた例を示したが、これに限られるわけではない。制御器としては、抵抗変化素子10に直列に接続された固定抵抗を用いてもよい。
[Other controller configuration examples]
In the above description, the N-
図15は、抵抗変化素子10に直列に、制御器としての5000Ω又は1000Ωの固定抵抗をつなげたときの当該負荷抵抗の負荷曲線を示す。当該固定抵抗の抵抗値は、抵抗変化素子10が低抵抗状態において取り得る抵抗値よりも小さくてもよい。
FIG. 15 shows a load curve of the load resistance when a fixed resistance of 5000Ω or 1000Ω as a controller is connected in series with the
図15に示したように、抵抗変化素子10に直列につなげた固定抵抗によっても、消去ステップが完了した時に抵抗変化素子10に流れる電流値を制御することができる。このように制御器として固定抵抗を用いることで、N型MISFET20を制御器として用いた場合に比べ、抵抗変化素子10により大きな電圧を印加することができ、かつ消去ステップが完了した時に抵抗変化素子10に流れる電流値を制御できる。したがって、書き換え特性に優れ、かつ信頼性に優れる不揮発性記憶素子30を得ることができる。
As shown in FIG. 15, the value of the current flowing through the
また、抵抗部としての固定抵抗は抵抗変化素子10の内部にあってもよい。例えば、第1の抵抗変化層3aを固定抵抗として用いることもできる。このように固定抵抗を抵抗変化素子10の内部に配置させることで、製造プロセスが簡易になるため、製造コストを削減できる。
Further, the fixed resistance as the resistance portion may be inside the
また、抵抗部は、図4で示した不揮発性記憶素子30に直列に接続された可変抵抗であってもよい。例えば可変抵抗として、電界効果トランジスタを用いることができる。電界効果トランジスタの抵抗により消去ステップ完了時の電流値を制御することで、抵抗変化素子10に高い電圧を印加することができるため、信頼性に優れた不揮発性記憶素子30を得ることができる。
Further, the resistance unit may be a variable resistor connected in series to the
[抵抗変化素子の構成の変形例]
図1に示した抵抗変化素子10では、第2の抵抗変化層3b上に第1の抵抗変化層3aを配置しているが、逆であってもよい。
[Variation of configuration of variable resistance element]
In the
図16に抵抗変化素子10の変形例である抵抗変化素子40を示す。抵抗変化素子40は、抵抗変化素子10と比べて、第2の抵抗変化層3bと第1の抵抗変化層3aとの配置が異なる。
FIG. 16 shows a
[不揮発性記憶素子の変形例]
上述したように、電界効果トランジスタ20として、N型MISFETを用いた例を示したが、これに限られるわけではない。N型MISFET20の代わりに、P型MISFET20を用いても、もちろんよい。
[Variation of non-volatile memory element]
As described above, an example in which an N-type MISFET is used as the
図17は、P型MISFET20を用いた不揮発性記憶素子31の構成の一例を示す断面図である。図5で示した、N型MISFET20を用いた不揮発性記憶素子30との違いは、第2の抵抗変化層3bと第1の抵抗変化層3aとの配置が異なる抵抗変化素子40が用いられる点にある。第2の抵抗変化層3bと接する第2の電極4は、標準電極電位が高いことが望ましく、例えばPt(白金)、Ir(イリジウム)などが望ましい。かかる貴金属材料は一般に加工することが難しいが、不揮発性記憶素子31のように抵抗変化素子40の上部に配置することにより、比較的加工を容易にすることができる。
FIG. 17 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the
また、図17に示した不揮発性記憶素子31では、第1の電極2の標準電極電位をE1とし、第2の電極4の標準電極電位をE2とすると、E2>E1を満たすことが望ましい。このよう標準電極電位の要件を満たすことで、第2の電極4と第2の抵抗変化層3bとの界面近傍で安定に抵抗変化現象が発現する。
In the
(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、1トランジスタ/1抵抗変化素子型(1T1R型)の不揮発性記憶装置である。以下、この不揮発性記憶装置の構成及び動作について説明する。
(Embodiment 2)
The second embodiment is a one-transistor / one resistance change element type (1T1R type) nonvolatile memory device including the
[不揮発性記憶装置の構成]
図18は、本発明の実施の形態2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18に破線で示すように、不揮発性記憶装置100は、メモリセルアレイ101と、電圧印加ユニット102を備える。メモリセルアレイ101は、実施の形態1で示した不揮発性記憶素子がアレイ状に複数配置されており、各不揮発性記憶素子がそれぞれメモリセルを構成する。電圧印加ユニット102は、アドレス入力回路103と、制御回路104と、書き込み用電源部105と、メモリ駆動回路106とを備える。
[Configuration of non-volatile storage device]
FIG. 18 is a block diagram showing an example of the configuration of the
別の見方として、図18に一点鎖線で示すように、メモリセルアレイ101及びメモリ駆動回路106を含む領域をメモリ本体部107と定義すれば、不揮発性記憶装置100は、メモリ本体部107と、アドレス入力回路103と、制御回路104と、書き込み用電源部105とを備える。
As another view, if a region including the
メモリ駆動回路106は、外部回路からアドレス入力回路103及びデータ入出力回路110に入力されたアドレス信号及びデータ信号に基づき、メモリセルアレイ101の所定のメモリセルを選択し、書き込み用電源部105等から入力された書き込み電圧、消去電圧を用いて選択メモリセルに所定のデータをプログラムし、または、読み出し電圧を選択メモリに印加してメモリセルの情報を読み出し、読み出しデータをデータ入出力回路110から外部に出力する。メモリ駆動回路106は、例えば、行選択回路108と、行ドライバ109と、データ入出力回路110と、書き込み回路111と、列選択回路112と、列ドライバ113と、読み出し回路114とを備える。書き込み用電源部105は、書き込み電圧パルス及び消去電圧パルスを設定する。書き込み用電源部105は、例えば、パルス幅設定回路115と、LR化用電源116と、HR化用電源117とを備える。
The
メモリセルアレイ101は、図18に示すように、横方向に延びる2本のワード線W1、W2と、当該ワード線W1、W2と交差して縦方向に延びる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縦方向に延びる2本のソース線S1、S2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MC111、MC112、MC121、MC122を具備している。
As shown in FIG. 18, the
なお、これらの各構成要素の個数または本数は上記のものに限定されるわけではない。例えば、図18のメモリセルアレイ101には上記のように4個のメモリセルが記載されているが、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。なお、以下では、簡便のためにメモリセルが4個である場合について説明する。
Note that the number or number of these components is not limited to the above. For example, although four memory cells are described in the
上述したメモリセルMC111、MC112、MC121、MC122は、実施の形態1における抵抗変化素子10を含む。図4Aを併せて参照しながらメモリセルアレイ101の構成についてさらに説明する。ビット線B1とソース線S1との間にメモリセルMC111が設けられており、メモリセルMC111はトランジスタT111と抵抗変化素子R111とが直列に接続された不揮発性記憶素子で構成されている。より詳しく説明すると、トランジスタT111は、ビット線B1と抵抗変化素子R111との間で、ビット線B1及び抵抗変化素子R111と接続されており、抵抗変化素子R111は、トランジスタT111とソース線S1との間で、トランジスタT111及びソース線S1と接続されている。また、トランジスタT111のゲート端子はワード線W1に接続されている。
Memory cells MC111, MC112, MC121, and MC122 described above include
なお、他の3個のメモリセルMC112、MC121、MC122を構成する、トランジスタT112、T121、T122及び抵抗変化素子R112、R121、R122の接続状態は、メモリセルMC111を構成するトランジスタT111及び抵抗変化素子R111の場合と同様であるので、説明を省略する。 The connection states of the transistors T112, T121, and T122 and the resistance change elements R112, R121, and R122 that constitute the other three memory cells MC112, MC121, and MC122 are the same as the transistor T111 and the resistance change element that constitute the memory cell MC111. Since it is the same as that of R111, description is abbreviate | omitted.
以上の構成により、トランジスタT111、T112、T121、T122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(ゲート電圧)が供給されると、トランジスタT111、T112、T121、T122のドレイン及びソース間が導通する。 With the above configuration, when a predetermined voltage (gate voltage) is supplied to the gates of the transistors T111, T112, T121, and T122 via the word lines W1 and W2, the drains of the transistors T111, T112, T121, and T122 are provided. And conduction between the sources.
アドレス入力回路103は、外部装置(図示せず)からアドレス信号を受け取り、このアドレス信号に基づいて行アドレス信号を行選択回路108に出力するとともに、列アドレス信号を列選択回路112に出力する。ここで、アドレス信号は、メモリセルMC111、MC112、MC121、MC122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、行アドレス信号は、アドレス信号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、列アドレス信号は、同じく列のアドレスを示す信号である。
The
行選択回路108は、アドレス入力回路103から供給された行アドレス信号を受け取り、当該行アドレス信号に基づき、選択する行のワード線(例えばワード線W1)を決定する。具体的には、トランジスタ(トランジスタT111、T112)をオン状態にするための所定の電圧(ゲート電圧)を印加するように行ドライバ109を制御する。一方、非選択の行のワード線(例えばワード線W2)には、メモリセルを構成するトランジスタをオフ状態にするための所定の電圧を印加するように、あるいは電圧を印加しないように行ドライバ109を制御する。行ドライバ109は、各ワード線に接続されたワード線ドライバWLDを備え、該ワード線ドライバWLDによってワード線に電圧が印加される。
The
列選択回路112は、アドレス入力回路103から供給された列アドレス信号を受け取り、当該列アドレス信号に基づき、選択する列のソース線(例えばソース線S1)、ビット線(例えばビット線B1)を決定する。具体的には、書き込み用電圧、消去用電圧、又は読み出し用電圧をソース線及びビット線間に印加するように列ドライバ113を制御し、当該ソース線及びビット線間に接続されているトランジスタ(例えばトランジスタT111、T121)に所定の電圧(例えばソース電圧/ドレイン電圧)を印加する。一方、非選択の列のソース線(例えばソース線S2)及び非選択のビット線(例えばビット線B2)に対しては、非選択電圧を印加するように列ドライバ113を制御する。列ドライバ113は、各ソース線に接続されたソース線ドライバSLDを備え、該ソース線ドライバSLDによってソース線に電圧が印加される。
The
以上により、選択された行及び列の交差する位置に接続されたメモリセル(例えばメモリセルMC111)が選択される。 As described above, the memory cell (for example, the memory cell MC111) connected to the position where the selected row and column intersect is selected.
読み出し回路114は、選択したメモリセルが低抵抗状態であるか、高抵抗状態であるかの判定を行い、これを論理結果として出力し、当該メモリセルに記憶されているデータの状態を判定する。ここで得られた出力データは、データ入出力回路110を介して、外部装置へ出力される。
The
書き込み回路111は、データ入出力回路110を介して、外部装置から入力された入力データに応じた書き込み用電圧を、列選択回路112にて選択されたソース線及びビット線に印加する。
The
制御回路104は、外部装置または読み出し回路114から受け取ったコントロール信号に応じて、書き込みモード(上記の「書き込みステップ」及び「消去ステップ」に相当する)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。具体的には、制御回路104は、選択されたメモリセルにデータが書き込まれるように書き込み用電源部105と書き込み回路111とを制御する。ここでは、制御回路104は、書き込み時の電圧パルスの電圧レベルを指示する電圧・パルス幅設定信号を書き込み用電源部105へ供給する。
The
書き込みモードの場合、制御回路104は、外部回路から受け取った入力データに応じて、「書き込み電圧パルス印加」を指示する制御信号を書き込み回路111及び列ドライバ113に出力する。
In the write mode, the
読み出しモードの場合、制御回路104は、「読み出し電圧パルス印加」を指示する制御信号を列ドライバ113に出力する。この読み出しモードでは、制御回路104はさらに、列ドライバ113から、ソース線S1、S2を流れる電流値を示す信号を受け取る。この電流値は、センスアンプ等(図示せず)により測定される。制御回路104では、受け取った信号を、ビット値を示す出力データに変換し、外部装置へ出力する。この出力データは、選択/非選択ソース線に印加された書き込み電圧パルスの値に対応している。
In the read mode, the
[不揮発性記憶装置の動作]
上記のとおり、本実施の形態の不揮発性記憶装置の場合、書き込みモードにおいて、実施の形態1において説明した「書き込みステップ」及び「消去ステップ」を実行する。そして、「書き込みステップ」において各メモリセルに対して印加する書き込み電圧パルスの電圧値VLRと、「消去ステップ」において同じく印加する消去電圧パルスの電圧値VHRとが、|VLR|>|VHR|を満たすように制御される。これにより、不揮発性記憶装置100は、良好なエンデュランス特性を実現できる。
[Operation of non-volatile storage device]
As described above, in the nonvolatile memory device of this embodiment, the “write step” and “erase step” described in the first embodiment are executed in the write mode. The voltage value VLR of the write voltage pulse applied to each memory cell in the “write step” and the voltage value VHR of the erase voltage pulse similarly applied in the “erase step” are | VLR |> | VHR | Controlled to meet. Thereby, the
[不揮発性記憶装置のその他の構成]
図19は、本発明の実施の形態2の不揮発性記憶装置の構成の変形例を示すブロック図である。図19の不揮発性記憶装置200は、上述の不揮発性記憶装置100とメモリ本体部207の構造が一部異なる。具体的には、メモリセルアレイ201の構成が異なり、それに伴って、メモリ駆動回路206を含む電圧印加ユニット202が異なる。なお、不揮発性記憶装置100と構成が同じ部分については、同じ参照番号を付して、説明を省略する。
[Other configuration of non-volatile storage device]
FIG. 19 is a block diagram showing a modified example of the configuration of the nonvolatile memory device according to
なお、図18のメモリセルアレイ201には12個のメモリセルが記載されているが、これは一例であり、それ以外の個数のメモリセルを具備する構成であってもよい。なお、以下では、簡便のためにメモリセルが12個である場合について説明する。
Note that twelve memory cells are described in the
不揮発性記憶装置200のメモリセルアレイ201は、隣接する2行のメモリセルが、横方向に延びる共通のソース線に接続されている。例えば、メモリセルMC211と、それに隣接するメモリセルMC221とが、共通のソース線S1に接続されている。また、ソースドライバ回路SLDは、行ドライバ209側に配置されている。
In the
行選択回路108は、アドレス入力回路103から供給された行アドレス信号を受け取り、当該行アドレス信号に基づき、選択する行のワード線(例えばワード線W1)及びソース線(例えばソース線S1)を決定する。具体的には、ワード線(例えばワード線W1)に対して、トランジスタ(トランジスタT211、T212、T213)をオン状態にするための所定の電圧(ゲート電圧)を印加し、書き込み用電圧、消去用電圧、又は読み出し用電圧をソース線(例えばS1)に印加するように行ドライバ209を制御する。一方、非選択の行のワード線(例えばワード線W2、W3、W4)には、メモリセルを構成するトランジスタをオフ状態にするための所定の電圧を印加するように、あるいは電圧を印加しないように行ドライバ209を制御する。また、非選択の行のソース線(例えばソース線S1、S2)には、非選択電圧を印加するように行ドライバ209を制御する。
The
列選択回路112は、アドレス入力回路103から供給された列アドレス信号を受け取り、当該列アドレス信号に基づき、選択する列のビット線を選択する。具体的には、選択する列のビット線(例えばビット線B1)には書き込み用電圧、消去用電圧、又は読み出し用電圧を印加し、非選択のビット線(例えばビット線B2、B3)には、非選択電圧を印加する。
The
以上により、選択された行及び列の交差する位置に接続されたメモリセル(例えばメモリセルMC211)が選択される。 As described above, the memory cell (for example, the memory cell MC211) connected to the position where the selected row and column intersect is selected.
不揮発性記憶装置200においても、不揮発性記憶装置100と同様に、書き込み電圧パルスの電圧値VLRと、消去電圧パルスの電圧値VHRとが、|VLR|>|VHR|を満たすように制御することができる。これにより、不揮発性記憶装置200においても、良好なエンデュランス特性を実現できる。
Also in the
なお、本実施の形態2におけるメモリセルアレイの構成および回路構成は一例であり、上記に限定されない。各ブロック図における回路には、公知の回路を用いることができる。また、上記で示した実施の形態および公知の構成を適宜組み合わせることによって新たな実施の形態を実現できる。
Note that the configuration and circuit configuration of the memory cell array in
本発明に係る不揮発性記憶素子、及び不揮発性記憶素子の駆動方法は、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記憶装置などとして有用である。 The nonvolatile memory element and the driving method of the nonvolatile memory element according to the present invention are useful as a memory device used in various electronic devices such as a personal computer or a portable phone.
1 基板
2、1002 第1の電極
3、1003 抵抗変化層
3a 第1の抵抗変化層
3b 第2の抵抗変化層
4、1004 第2の電極
10、40、1010 抵抗変化素子
11 第1の端子
12 第2の端子
20、1020 電界効果トランジスタ(トランジスタ、MISFET)
21 第1の入出力端子
22 第2の入出力端子
23 ゲート端子
24、1024 半導体基板
25a、1025a 第1の拡散層
25b、1025b 第2の拡散層
26、1026 ゲート絶縁膜
27、1027 ゲート電極
28、1028 層間絶縁層
29 導電ビア
30、31、1030 不揮発性記憶素子
100、200 不揮発性記憶装置
101、201 メモリセルアレイ
102、202 電圧印加ユニット
103 アドレス入力回路
104 制御回路
105 書き込み用電源部
106、206 メモリ駆動回路
107、207 メモリ本体部
108 行選択回路
109、209 行ドライバ
110 データ入出力回路
111 書き込み回路
112 列選択回路
113 列ドライバ
114 読み出し回路
115 パルス幅設定回路
116 LR化用電源
117 HR化用電源
1029 電極配線
DESCRIPTION OF
21 First Input /
Claims (15)
第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に設けられ、第1の金属酸化物で構成される第1の抵抗変化層と、酸素不足度が前記第1の金属酸化物より小さい第2の金属酸化物で構成される第2の抵抗変化層とを含み、前記第1の電極と前記第2の電極との間に印加される電圧パルスに応じて可逆的に抵抗値が変化する抵抗変化層と、
前記第1の電極に接続された第1の入出力端子と、第2の入出力端子と、前記第1の入出力端子と前記第2の入出力端子との間の導通を制御するゲート端子とを有する電界効果トランジスタと、
を備え、
前記抵抗変化層は、前記電界効果トランジスタを介して、前記第1の電極と前記第2の電極との間に第1の極性の消去電圧パルスが印加されることで低抵抗状態から高抵抗状態へ変化し、
前記抵抗変化層は、前記電界効果トランジスタを介して、前記第1の電極と前記第2の電極との間に前記第1の極性とは異なる第2の極性の書き込み電圧パルスが印加されることで高抵抗状態から低抵抗状態へ変化し、
前記書き込み電圧パルスの印加時に、前記電界効果トランジスタの前記第2の入出力端子はソース端子であり、
前記電界効果トランジスタは、前記抵抗変化層が前記消去電圧パルスの印加により低抵抗状態から高抵抗状態へ変化完了する時に前記抵抗変化層に流れる第1の電流値を、前記抵抗変化層が前記消去電圧パルスの印加により高抵抗状態から低抵抗状態へ変化完了するときに前記抵抗変化層に流れる第2電流値以下に抑制する、
不揮発性記憶素子。 A first electrode;
A second electrode;
A first resistance change layer formed between the first electrode and the second electrode and made of a first metal oxide; and an oxygen deficiency smaller than that of the first metal oxide. And a second resistance change layer composed of two metal oxides, and the resistance value reversibly changes according to a voltage pulse applied between the first electrode and the second electrode. A resistance change layer;
A first input / output terminal connected to the first electrode, a second input / output terminal, and a gate terminal for controlling conduction between the first input / output terminal and the second input / output terminal; A field effect transistor having:
With
The variable resistance layer is changed from a low resistance state to a high resistance state by applying an erase voltage pulse having a first polarity between the first electrode and the second electrode via the field effect transistor. Change to
A write voltage pulse having a second polarity different from the first polarity is applied to the variable resistance layer between the first electrode and the second electrode via the field effect transistor. To change from a high resistance state to a low resistance state,
When the write voltage pulse is applied, the second input / output terminal of the field effect transistor is a source terminal;
The field effect transistor has a first current value that flows through the resistance change layer when the resistance change layer is completely changed from a low resistance state to a high resistance state by application of the erase voltage pulse, and the resistance change layer has the erase value. When the change from the high resistance state to the low resistance state is completed by application of the voltage pulse, the second current value flowing in the resistance change layer is suppressed to be equal to or less than the second current value.
Nonvolatile memory element.
請求項1に記載の不揮発性記憶素子。 The field effect transistor is an N-type FET, the first variable resistance layer is in contact with the second electrode, and the second variable resistance layer is in contact with the first electrode;
The nonvolatile memory element according to claim 1.
請求項1に記載の不揮発性記憶素子。 The field effect transistor is a P-type FET, the first variable resistance layer is in contact with the first electrode, and the second variable resistance layer is in contact with the second electrode;
The nonvolatile memory element according to claim 1.
請求項1に記載の不揮発性記憶素子。 When the field effect transistor is an N-type FET, the standard electrode potential of the first electrode is E1, and the standard electrode potential of the second electrode is E2, E1> E2 is satisfied.
The nonvolatile memory element according to claim 1.
請求項1に記載の不揮発性記憶素子。 When the field effect transistor is a P-type FET, the standard electrode potential of the first electrode is E1, and the standard electrode potential of the second electrode is E2, E2> E1 is satisfied.
The nonvolatile memory element according to claim 1.
前記第1の金属酸化物の組成をMOxと表し、前記第2の金属酸化物の組成をMOyと表すとき、y>xを満足する、
請求項1から5の何れか1項に記載の不揮発性記憶素子。 The first metal oxide and the second metal oxide are oxides of the same metal;
When the composition of the first metal oxide is expressed as MO x and the composition of the second metal oxide is expressed as MO y , y> x is satisfied.
The nonvolatile memory element according to claim 1.
請求項6に記載の不揮発性記憶素子。 The first metal oxide and the second metal oxide are tantalum oxides;
The nonvolatile memory element according to claim 6.
請求項6に記載の不揮発性記憶素子。 The first metal oxide and the second metal oxide are hafnium oxides;
The nonvolatile memory element according to claim 6.
請求項6に記載の不揮発性記憶素子。 The first metal oxide and the second metal oxide are zirconium oxides;
The nonvolatile memory element according to claim 6.
前記第1の金属酸化物を構成する金属の標準電極電位をENとし、前記第2の金属酸化物を構成する金属の標準電極電位をEMとすると、EN<EMを満足する、
請求項1から5の何れか1項に記載の不揮発性記憶素子。 The first metal oxide and the second metal oxide layer are different metal oxides;
When the standard electrode potential of the metal constituting the first metal oxide is EN and the standard electrode potential of the metal constituting the second metal oxide is EM, EN <EM is satisfied.
The nonvolatile memory element according to claim 1.
請求項10に記載の不揮発性記憶素子。 The first metal oxide is a tantalum oxide, and the second metal oxide is an aluminum oxide;
The nonvolatile memory element according to claim 10.
請求項10に記載の不揮発性記憶素子。 The first metal oxide is tantalum oxide, and the second metal oxide is hafnium oxide;
The nonvolatile memory element according to claim 10.
第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に設けられ、第1の金属酸化物で構成される第1の抵抗変化層と、酸素不足度が前記第1の金属酸化物より小さい第2の金属酸化物で構成される第2の抵抗変化層とを含み、前記第1の電極と前記第2の電極との間に印加される電圧パルスに応じて可逆的に抵抗値が変化する抵抗変化層と、
前記抵抗変化層に流れる電流の経路に挿入された抵抗部と、
を備え、
前記抵抗変化層は、前記抵抗部を介して、前記第1の電極と前記第2の電極との間に第1の極性の消去電圧パルスが印加されることで低抵抗状態から高抵抗状態へ変化し、
前記抵抗変化層は、前記抵抗部を介して、前記第1の電極と前記第2の電極との間に前記第1の極性とは異なる第2の極性の書き込み電圧パルスが印加されることで高抵抗状態から低抵抗状態へ変化し、
前記抵抗部は、前記抵抗変化層が前記消去電圧パルスの印加により低抵抗状態から高抵抗状態へ変化完了する時に前記抵抗変化層に流れる第1の電流値を、前記抵抗変化層が前記書き込み電圧パルスの印加により高抵抗状態から低抵抗状態へ変化完了するときに前記抵抗変化層に流れる第2電流値以下に抑制する、
不揮発性記憶素子。 A first electrode;
A second electrode;
A first resistance change layer formed between the first electrode and the second electrode and made of a first metal oxide; and an oxygen deficiency smaller than that of the first metal oxide. And a second resistance change layer composed of two metal oxides, and the resistance value reversibly changes according to a voltage pulse applied between the first electrode and the second electrode. A resistance change layer;
A resistance portion inserted in a path of a current flowing through the resistance change layer;
With
The resistance change layer is changed from a low resistance state to a high resistance state by applying an erase voltage pulse having a first polarity between the first electrode and the second electrode via the resistance portion. Change,
The resistance change layer is configured such that a write voltage pulse having a second polarity different from the first polarity is applied between the first electrode and the second electrode via the resistance unit. Changing from a high resistance state to a low resistance state,
The resistance unit has a first current value that flows through the resistance change layer when the resistance change layer completes a change from a low resistance state to a high resistance state by application of the erase voltage pulse, and the resistance change layer has the write voltage. When the change from the high resistance state to the low resistance state is completed by applying a pulse, the second current value flowing in the resistance change layer is suppressed to a value equal to or less than
Nonvolatile memory element.
前記不揮発性記憶素子は、
第1の電極と、
第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に設けられ、第1の金属酸化物で構成される第1の抵抗変化層と、酸素不足度が前記第1の金属酸化物より小さい第2の金属酸化物で構成される第2の抵抗変化層とを含み、前記第1の電極と前記第2の電極との間に印加される電圧パルスに応じて可逆的に抵抗値が変化する抵抗変化層と、
前記抵抗変化層に流れる電流の経路に挿入され、前記第1の電極に接続された第1の入出力端子と、第2の入出力端子と、前記第1の入出力端子と前記第2の入出力端子との間の導通を制御するゲート端子とを有し、前記書き込みステップにおいて、前記電界効果トランジスタの前記第2の入出力端子はソース端子である電界効果トランジスタと、を備え、
前記不揮発性記憶素子の前記駆動方法は、
前記抵抗変化層を低抵抗状態から高抵抗状態へ変化させるために前記第1の電極と前記第2の電極との間に第1の極性の消去電圧パルスを印加する消去ステップと、
前記抵抗変化層を高抵抗状態から低抵抗状態へ変化させるために前記第1の電極と前記第2の電極との間に前記第1の極性とは異なる第2の極性の書き込み電圧パルスを印加する書き込みステップと、
前記電界効果トランジスタによって、前記消去ステップの完了時に前記抵抗変化層に流れる第1の電流値を、前記書き込みステップの完了時に前記抵抗変化層に流れる第2の電流値以下に抑制する制御ステップと、
を含む不揮発性記憶素子の駆動方法。 A method for driving a nonvolatile memory element, comprising:
The nonvolatile memory element is
A first electrode;
A second electrode;
A first resistance change layer formed between the first electrode and the second electrode and made of a first metal oxide; and an oxygen deficiency smaller than that of the first metal oxide. And a second resistance change layer composed of two metal oxides, and the resistance value reversibly changes according to a voltage pulse applied between the first electrode and the second electrode. A resistance change layer;
A first input / output terminal, a second input / output terminal, the first input / output terminal, and the second input, which are inserted into a path of a current flowing through the variable resistance layer and connected to the first electrode. A gate terminal for controlling conduction to and from the input / output terminal, and in the writing step, the second input / output terminal of the field effect transistor includes a field effect transistor that is a source terminal,
The driving method of the nonvolatile memory element is:
An erasing step of applying an erasing voltage pulse of a first polarity between the first electrode and the second electrode to change the resistance change layer from a low resistance state to a high resistance state;
A write voltage pulse having a second polarity different from the first polarity is applied between the first electrode and the second electrode in order to change the resistance change layer from a high resistance state to a low resistance state. Writing step to
A control step of suppressing, by the field effect transistor, a first current value that flows through the resistance change layer when the erasing step is completed to a second current value that flows through the resistance change layer when the write step is completed;
A method for driving a nonvolatile memory element including:
前記消去ステップにおいて前記ゲート端子に前記電圧Vwよりも絶対値の大きい電圧Veを与える、
請求項14に記載の不揮発性記憶素子の駆動方法。 Applying a voltage Vw to the gate terminal of the field effect transistor in the writing step;
A voltage Ve having an absolute value larger than the voltage Vw is applied to the gate terminal in the erasing step;
The method for driving a nonvolatile memory element according to claim 14.
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WO2015040927A1 (en) * | 2013-09-20 | 2015-03-26 | 株式会社 東芝 | Non-volatile memory device |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20150312 |