JP4628501B2 - 抵抗変化素子の駆動方法及び不揮発性記憶装置 - Google Patents
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Description
[抵抗変化素子の構成]
まず、本発明の実施の形態1に係る抵抗変化素子の構成について説明する。
次に、タンタル酸化物を用いた抵抗変化素子10の製造方法について説明する。
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。
図10は、比較例1の抵抗変化素子が備える金属酸化物層の抵抗状態の変化の一例を示すグラフである。この比較例1では、本実施の形態の場合と異なり、初期電圧パルスを両電極間に印加する初期過程が行われない。すなわち、電圧値が−1.2Vでパルス幅が100nsの書き込み電圧パルスを第1電極2と第2電極4との間に印加する書き込み過程と、電圧値が+2.0Vでパルス幅が100nsの消去電圧パルスを第1電極2と第2電極4との間に印加する消去過程とが繰り返し実行されるのみである。
図11は、比較例2の抵抗変化素子が備える金属酸化物層の抵抗状態の変化の一例を示すグラフである。この比較例2では、本実施の形態の場合と異なり、初期電圧パルス、書き込み電圧パルス、及び消去電圧パルスの電圧値が|V0|>|Ve|<|Vw|の関係にある。具体的には、初期電圧パルスの電圧値が+2.5Vに、書き込み電圧パルスの電圧値が−2.0Vに、消去電圧パルスの電圧値が+1.2Vにそれぞれ設定される。なお、何れの電圧パルスもパルス幅は100nsである。
図12は、比較例3の抵抗変化素子が備える金属酸化物層の抵抗状態の変化の他の例を示すグラフである。この比較例3においても、比較例2と同様に、各電圧パルスの電圧値が|V0|>|Ve|<|Vw|の関係にある。具体的には、初期電圧パルスの電圧値が+2.5Vに、書き込み電圧パルスの電圧値が−1.2Vに、消去電圧パルスの電圧値が+1.1Vにそれぞれ設定される。なお、何れの電圧パルスもパルス幅は100nsである。
図13は、本発明の実施の形態1に係る変形例の抵抗変化素子が備える金属酸化物層の抵抗状態の変化の一例を示すグラフである。この変形例では、初期電圧パルス、書き込み電圧パルス、及び消去電圧パルスの電圧値が|V0|>|Ve|=|Vw|の関係にある。具体的には、初期電圧パルスの電圧値が+2.5Vに、書き込み電圧パルスの電圧値が−1.2Vに、消去電圧パルスの電圧値が+1.2Vにそれぞれ設定される。なお、何れの電圧パルスもパルス幅は100nsである。
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を備える不揮発性記憶装置である。以下、実施の形態2に係る不揮発性記憶装置の構成及び動作について説明する。
図14は、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である。図14に示すように、記憶装置200は、抵抗変化素子およびアクセストランジスタ(電流抑制素子)を具備するメモリアレイ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。
以下、上述したように構成される記憶装置200の動作例を、上記の初期モード(第1回目の書き込みの前に選択されるモード)、書き込みモード(抵抗変化素子に入力データDinを書き込むモード)、リセットモード(抵抗変化素子に書き込まれたデータをリセット(消去)するモード)、及び読み出しモード(抵抗変化素子に書き込まれたデータを出力データDoutとして出力(読み出し)するモード)の各モードに分けて説明する。ここで、上記の初期過程は初期モードに、書き込み過程は書き込みモードに、消去過程はリセットモードにそれぞれ該当する。
制御部203は、第1回目の書き込みを実行する前に、「初期電圧印加」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。ビット線/プレート線ドライバ207は、制御部203から「初期電圧印加」を指示する制御信号CONTを受け取ると、各ビット線に初期電圧VINITIALを印加するとともに、各プレート線を接地状態にする。
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「1」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「0」である場合には制御信号CONTを出力しない。
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。
リセットモードにおいては、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選択された抵抗変化素子MC211の抵抗値の状態(記憶状態)を取得する。そして、選択された抵抗変化素子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(抵抗変化素子MC211が低抵抗状態にあると判定した場合)、制御部203は、「リセット電圧印加」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、抵抗変化素子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(抵抗変化素子MC211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。
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。
図15は、本発明の実施の形態3の不揮発性記憶装置の構成の一例を示すブロック図である。図15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106と、ワード線ドライバ107と、列デコーダ104と、ビット線ドライバ105とを備えている。また、ビット線ドライバ105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。
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、上記の初期モード、書き込み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。
初期モードにおいては、一度に複数の抵抗変化素子に対して初期電圧パルスV0を与えるか、1つずつ順に、すべての抵抗変化素子に対して初期電圧パルスV0を与える。すなわち、例えばビット線ドライバ105により各ビット線が接地されるとともに、ワード線ドライバ107により各ワード線と制御部103とが電気的に接続される。そして、制御部103により、各ワード線に初期電圧VINITIALが印加される。ここで、抵抗変化素子に印加される初期電圧パルスV0の電圧値は、例えば+2.5Vに、パルス幅は100nsに設定される。
抵抗変化素子MC221に「1」を表す1ビットデータを書き込む(記憶する)場合、例えばビット線ドライバ105によりビット線B2が接地され、ワード線ドライバ107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VWRITEが印加される。ここで、選択された抵抗変化素子に印加される書き込み電圧パルスVwの電圧値は、例えば−1.2Vに、パルス幅は100nsに設定される。
選択された抵抗変化素子MC221に書き込まれているデータを読み出す場合、例えばビット線ドライバ105によりビット線B2が接地され、ワード線ドライバ107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VREADが印加される。ここで、選択された抵抗変化素子MC221に印加される読出電圧Vrの電圧値は+0.5Vに設定される。
上記の各実施の形態において、金属酸化物層はタンタル酸化物の積層構造で構成されていたが、本発明はこれに限定されるわけではない。例えば、ハフニウム(Hf)酸化物の積層構造またはジルコニウム(Zr)酸化物の積層構造などであってもよい。
2 第1電極
3 金属酸化物層
3a 第1のタンタル酸化物層
3b 第2のタンタル酸化物層
4 第2電極
5 電源
10 抵抗変化素子
11 第1端子
12 第2端子
100 不揮発性記憶装置
101 メモリアレイ
102 アドレスバッファ
103 制御部
104 列デコーダ
105 ビット線ドライバ
106 行デコーダ
107 ワード線ドライバ
200 不揮発性記憶装置
201 メモリアレイ
202 アドレスバッファ
203 制御部
204 行デコーダ
205 ワード線ドライバ
206 列デコーダ
207 ビット線/プレート線ドライバ
W1,W2,W3 ワード線
B1,B2,B3 ビット線
MC111,MC121,MC131,MC211,MC221,MC231,MC311,MC321,MC331,MC211,MC212,MC213,MC214 抵抗変化素子
MC11,MC12,MC13,MC21,MC22,MC23,MC31,MC32,MC33 メモリセル
D11,D12,D13,D21,D22,D23,D31,D32,D33 電流抑制素子
T211,T212,T221,T222 アクセストランジスタ
Claims (9)
- 第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極間に介在し、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金属酸化物を備えた抵抗変化素子を駆動する駆動方法において、
前記金属酸化物は、前記第1電極に接続された第1の酸化物層と、当該第1の酸化物層よりも酸素含有率が高く、前記第2電極に接続された第2の酸化物層とが積層されて構成されており、前記金属酸化物は、タンタル酸化物、ハフニウム酸化物、およびジルコニウム酸化物のいずれかであり、
第1の極性を有する書き込み電圧パルスを前記第1電極と前記第2電極間に印加することによって、当該金属酸化物の抵抗状態を高から低へ変化させて書き込み状態にする書き込み過程と、
前記第1の極性とは異なる第2の極性を有する消去電圧パルスを前記第1電極と前記第2電極間に印加することによって、当該金属酸化物の抵抗状態を低から高へ変化させて消去状態にする消去過程と、
前記抵抗変化素子が製造されて出荷された後において、第1回目の書き込み過程の前に、前記第2の極性を有する初期電圧パルスを前記第1電極と前記第2電極間に印加することによって、当該金属酸化物の初期状態の抵抗値を変化させる初期過程とを有し、
前記金属酸化物の初期状態の抵抗値をR0、前記書き込み状態の抵抗値をRL、前記消去状態の抵抗値をRHとし、前記初期電圧パルスの電圧値をV0、前記書き込み電圧の電圧値をVw、前記消去電圧パルスの電圧値をVeとした場合に、
R0>RH>RL
且つ
|V0|>|Ve|≧|Vw|
を満たすことを特徴とする、抵抗変化素子の駆動方法。 - 前記初期過程後の前記金属酸化物の抵抗値をR1とした場合に、
R0>R1≧RH>RL
を満たす、請求項1に記載の抵抗変化素子の駆動方法。 - 前記第1の酸化物は、TaOx(但し、0.8≦x≦1.9)で表される組成を有するタンタル酸化物で構成され、
前記第2の酸化物は、TaOy(但し、2.1≦y≦2.5)で表される組成を有するタンタル酸化物で構成される、請求項1または2に記載の抵抗変化素子の駆動方法。 - 第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に介在し、両電極間に与えられる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金属酸化物を具備する抵抗変化素子と、
前記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手段と、
を備え、
前記金属酸化物は、前記第1電極に接続された第1の酸化物層と、当該第1の酸化物層よりも酸素含有率が高く、前記第2電極に接続された第2の酸化物層とが積層されて構成されており、前記金属酸化物は、タンタル酸化物、ハフニウム酸化物、およびジルコニウム酸化物のいずれかであり、
前記パルス電圧印加手段は、
第1の極性を有する書き込み電圧パルスを前記第1電極と前記第2電極間に印加することによって、前記金属酸化物の抵抗状態を高から低へ変化させて書き込み状態にし、
前記第1の極性とは異なる第2の極性を有する消去電圧パルスを前記第1電極と前記第2電極間に印加することによって、前記金属酸化物の抵抗状態を低から高へ変化させて消去状態にし、
前記抵抗変化素子が製造されて出荷された後において、第1回目の書き込み過程の前に、前記第2の極性を有する初期電圧パルスを前記第1電極と前記第2電極間に印加することによって、当該金属酸化物の初期状態の抵抗値を変化させ、
前記金属酸化物の初期状態の抵抗値をR0、前記書き込み状態の抵抗値をRL、前記消去状態の抵抗値をRHとし、前記初期電圧パルスの電圧値をV0、前記書き込み電圧の電圧値をVw、前記消去電圧パルスの電圧値をVeとした場合に、
R0>RH>RL
且つ
|V0|>|Ve|≧|Vw|
を満たす、不揮発性記憶装置。 - 前記初期電圧パルス印加後の前記金属酸化物の抵抗値をR1とした場合に、
R0>R1≧RH>RL
を満たす、請求項4に記載の不揮発性記憶装置。 - 前記第1の酸化物は、TaOx(但し、0.8≦x≦1.9)で表される組成を有するタンタル酸化物で構成され、
前記第2の酸化物は、TaOy(但し、2.1≦y≦2.5)で表される組成を有するタンタル酸化物で構成される、請求項4または5に記載の不揮発性記憶装置。 - 前記第1電極または前記第2電極に電気的に接続された電流抑制素子をさらに備える、請求項4から6のいずれか1項に記載の不揮発性記憶装置。
- 前記電流抑制素子がトランジスタである、請求項7に記載の不揮発性記憶装置。
- 前記電流抑制素子がダイオードである、請求項7に記載の不揮発性記憶装置。
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