JP4705204B1 - 抵抗変化型不揮発性記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図9
Description
準備として、本発明の基礎となる抵抗変化素子に関する新たな現象を見い出した基礎データについて説明する。
VPG−VT=VR 即ち
VPG=VR+VT ・・・ (1)
と近似することができる。
次に、低抵抗状態の抵抗値のばらつきを抑えた本発明の第1の実施の形態として、前述で説明した抵抗変化素子を用いた1T1R型の抵抗変化型不揮発性記憶装置(以下、単に「不揮発性記憶装置」ともいう。)について説明する。
従来の書き込み回路では、図6で示したように、低抵抗変化電圧VR(動作点B)が、低抵抗変化電圧のばらつきΔVRによってプラス方向(VR+ΔVR)になる(動作点B’’)と、抵抗変化電流が減少(IR−ΔIR)するため、以下の式(3)で示されるように抵抗変化素子R00の抵抗値LR(+)は増加する方向に大きく変化し、一方、低抵抗変化電圧VRが、低抵抗変化電圧のばらつきΔVRによってマイナス方向(VR−ΔVR)になる(動作点B’)と、抵抗変化電流が増加(IR+ΔIR)するため、以下の式(4)で示されるように抵抗変化素子R00の抵抗値LR(−)は大きく減少する方向に変化する。
LR(−)=(VR−ΔVR)/(IR+ΔIR) ・・・ (4)
一方、本願で示す第2駆動回路520は、前述したように、抵抗変化素子R00の両端の電圧の絶対値|VR00|がVR以上になるとH電位を供給するため、抵抗変化電流IRが増加する。このことにより、低抵抗変化電圧VRが、低抵抗変化電圧のばらつきΔVRによってプラス方向(VR+ΔVR)になると、抵抗変化電流が増加(IR+ΔIR)するため、以下の式(5)で示されるように抵抗変化素子R00の抵抗値LR(+)の変化は小さく、一方、低抵抗変化電圧VRが、低抵抗変化電圧のばらつきΔVRによってマイナス方向(VR−ΔVR)になると、抵抗変化電流が減少(IR−ΔIR)するため、以下の式(6)で示されるように抵抗変化素子R00の抵抗値LR(−)の変化も小さくなる。
LR’(−)=(VR−ΔVR)/(IR−ΔIR) ・・・ (6)
図11は、本発明の第1の実施の形態における抵抗変化型不揮発性記憶装置200における抵抗変化素子R00が高抵抗状態から低抵抗状態に変化するときの抵抗変化素子R00と、LR書き込み回路500の動作点を説明するための動作点解析図である。横軸は、メモリセルM00の選択トランジスタN00と抵抗変化素子R00との間のノードN1での電圧を、縦軸は書き込み回路206の出力端子WDから流れるメモリセル書き込み電流を示している。
(VD1+VR1)≦VREF1≦(VD2+VRa)
の範囲であればよい。
次に、本発明の第2の実施の形態における不揮発性記憶装置について説明する。
(VD1+VR1)≦VREF1≦(VD2+VRa)
の範囲であればよく、第2基準電圧発生回路232の第2基準電圧VREF2は、
(VD1+VRa) ≦VREF2≦(VD2+VR2)
の範囲であればよい。ただし、VREF1<VREF2
具体的には、前述したように抵抗変化素子R00は、VR=0.8V、VR1=0.7V、VR2=0.9Vでばらついており、LR書き込み回路500aから抵抗変化素子までの電圧降下の最小値をVD1=0.05V、最大値をVD2=0.3Vとすると、第1基準電圧発生回路231の第1基準電圧VREF1は、0.75V〜1.10Vで、第2基準電圧発生回路232の第2基準電圧VREF2は、0.85V〜1.20Vであればよい。
次に、本発明の第3の実施の形態における不揮発性記憶装置について説明する。なお、本実施の形態における不揮発性記憶装置は、基本的には、図7に示される第1の実施の形態における不揮発性記憶装置と同じ構成を備える。ただし、書き込み回路の詳細な構成が第1の実施の形態と異なる。以下、異なる点を説明する。
(VD1+VR1)≦VTH≦(VD2+VRa)
の範囲であればよい。
101 選択トランジスタ
102 メモリセル
103 下部電極
104 抵抗変化層
105 上部電極
110 抵抗変化素子
111 選択トランジスタ
112 メモリセル
200、200a (抵抗変化型)不揮発性記憶装置
201 メモリ本体部
202 メモリセルアレイ
203 列選択回路
204 読み出し回路
205 データ信号入出力回路
206、206a、206b 書き込み回路
209 行選択回路
210 行駆動回路
211 ワードライン駆動回路
212 ソースライン駆動回路
213 制御回路
214 制御信号入力回路
215 アドレス信号入力回路
220 低抵抗(LR)化用電源
221 高抵抗(HR)化用電源
230、231 第1基準電圧発生回路
232 第2基準電圧発生回路
300 メモリセル
301 NMOSトランジスタ
302 半導体基板
303a 第1のN型拡散層領域
303b 第2のN型拡散層領域
304a ゲート絶縁膜
304b ゲート電極
305 第1ビア
306 第1配線層
307 第2ビア
308 第2配線層
309 第3ビア
310 第3配線層
400 抵抗変化素子
400a 下部電極
400b 抵抗変化層
400c 上部電極
401 下部電極接続ビア
402 上部電極接続ビア
500、500a、500b、500c LR書き込み回路
510 第1駆動回路
520、540、560 第2駆動回路
530 HR書き込み回路
550 第3駆動回路
610、611、620、621、630、631、640、641、650、651、660 PMOSトランジスタ
612、613、632、633 NMOSトランジスタ
614、615、622、634、635、642、652 インバータ
623、643、653 電圧比較回路
661 2入力NAND
Claims (21)
- 第1電極と、第2電極と、前記第1及び第2電極の間に介在され、前記第1及び第2電極間に印加する電圧の極性に応じて可逆的に高抵抗状態又は低抵抗状態に遷移する不揮発性の抵抗変化層とで構成される抵抗変化素子と、前記抵抗変化素子と直列に接続された第1スイッチ素子とを備えたメモリセルがマトリックス状に配置されて構成されたメモリセルアレイと、
前記メモリセルアレイを構成するメモリセルから、少なくとも一つのメモリセルを選択する選択回路と、
前記選択回路で選択されたメモリセルに対して、当該メモリセルに含まれる抵抗変化素子を低抵抗状態から高抵抗状態に遷移させるための電圧として当該抵抗変化素子の第1電極を基準に第2電極に対して正の電圧が印加されるように、電圧を印加する高抵抗状態書き込み回路と、
前記選択回路で選択されたメモリセルに対して、当該メモリセルに含まれる抵抗変化素子を高抵抗状態から低抵抗状態に遷移させるための電圧として当該抵抗変化素子の第2電極を基準に第1電極に対して正の電圧が印加されるように、電圧を印加する低抵抗状態書き込み回路と、を備え、
前記低抵抗状態書き込み回路は、前記メモリセルに対して前記電圧を印加する、出力端子が相互に接続された第1及び第2駆動回路を有し、
前記第1駆動回路は、前記低抵抗状態書き込み回路が前記メモリセルに対して前記電圧を印加するときに、第1電流を出力し、
前記第2駆動回路は、前記低抵抗状態書き込み回路が前記メモリセルに対して前記電圧を印加するときに、前記第1駆動回路の出力端子での電圧が予め定められた第1基準電圧よりも高い場合に第2電流を出力し、前記出力端子での電圧が前記第1基準電圧よりも低い場合にハイインピーダンス状態になる
抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記第2駆動回路は、
前記第1駆動回路の出力端子での電圧と前記第1基準電圧とを比較する第1比較回路と、
前記第1比較回路での比較結果に応じて、前記第2電流を供給する第1駆動素子とを有する
請求項1記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - さらに、前記第1基準電圧を発生する第1基準電圧発生回路を有し、
前記第1比較回路は、前記第1駆動回路の出力端子での電圧と前記第1基準電圧発生回路で発生された前記第1基準電圧とを比較する
請求項2記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記第1比較回路は、論理演算素子であり、
前記論理演算素子は、前記第1基準電圧として、入力された論理値の状態を判別するための閾値電圧を用いることにより、前記比較を行う
請求項2記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記第1基準電圧は、前記抵抗変化素子に印加される電圧が、当該抵抗変化素子が高抵抗状態から低抵抗状態に遷移する閾値電圧である低抵抗変化電圧として起こり得る電圧の範囲内となるように前記低抵抗状態書き込み回路が出力すべき電圧の範囲内に設定されている
請求項1〜4のいずれか1項に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記抵抗変化素子の抵抗変化ごとに起こり得る前記低抵抗変化電圧の平均値をVR、最小値をVR1とし、
前記低抵抗状態書き込み回路から前記抵抗変化素子までの電圧降下の最小値をVD1、最大値をVD2とすると、
前記第1基準電圧VREF1は、
(VD1+VR1)≦VREF1≦(VD2+VR)
の範囲にある
請求項5記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記抵抗変化層は、タンタル及びハフニウムのいずれか一方の酸素不足型の遷移金属酸化物層で構成され、
前記第1電極と前記第2電極とは、異なる標準電極電位を有する材料によって構成され、
前記第1電極の標準電極電位V1と、前記第2電極の標準電極電位V2と、前記抵抗変化層に含まれるタンタル及びハフニウムのいずれか一方の標準電極電位Vtとが、Vt<V2、かつ、V1<V2を満足し、
前記低抵抗変化電圧のばらつきにおける前記低抵抗変化電圧の平均値が0.8V、最小値が0.7Vであり、
前記第1基準電圧は、0.75V〜1.10Vである
請求項6記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記第2電流は、前記第1電流よりも小さく、かつ、0アンペアよりも大きい
請求項1〜7のいずれか1項に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - さらに、
前記抵抗変化素子を低抵抗状態から高抵抗状態に遷移させるための電圧を供給する高抵抗化用電源と、
前記抵抗変化素子を高抵抗状態から低抵抗状態に遷移させるための電圧を供給する低抵抗化用電源とを備え、
前記高抵抗状態書き込み回路は、前記高抵抗化用電源から供給された電圧を前記メモリセルに印加し、
前記第1及び第2駆動回路は、それぞれ、前記低抵抗化用電源から供給された電圧に基づいて前記第1及び第2電流を出力する
請求項1〜8のいずれか1項に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記低抵抗状態書き込み回路はさらに、出力端子が前記第1及び第2駆動回路の出力端子と接続された第3駆動回路を有し、
前記第3駆動回路は、前記低抵抗状態書き込み回路が前記メモリセルに対して前記電圧を印加するときに、前記第1駆動回路の出力端子での電圧が予め定められた第2基準電圧よりも高い場合に第3電流を出力し、前記出力端子での電圧が前記第2基準電圧よりも低い場合にハイインピーダンス状態になる
請求項1記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記第2駆動回路は、
前記第1駆動回路の出力端子での電圧と前記第1基準電圧とを比較する第1比較回路と、
前記第1比較回路での比較結果に応じて、前記第2電流を供給する第1駆動素子とを有し、
前記第3駆動回路は、
前記第1駆動回路の出力端子での電圧と前記第2基準電圧とを比較する第2比較回路と、
前記第2比較回路での比較結果に応じて、前記第3電流を供給する第2駆動素子とを有する
請求項10記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - さらに、前記第1及び第2基準電圧をそれぞれ発生する第1及び第2基準電圧発生回路を有し、
前記第1比較回路は、前記第1駆動回路の出力端子での電圧と前記第1基準電圧発生回路で発生された前記第1基準電圧とを比較し、
前記第2比較回路は、前記第1駆動回路の出力端子での電圧と前記第2基準電圧発生回路で発生された前記第2基準電圧とを比較する
請求項11記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記第1及び第2基準電圧は、前記抵抗変化素子に印加される電圧が、当該抵抗変化素子が高抵抗状態から低抵抗状態に遷移する閾値電圧である低抵抗変化電圧として起こり得る電圧の範囲内となるように前記低抵抗状態書き込み回路が出力すべき電圧の範囲内に設定され、
前記第1基準電圧は、前記第2基準電圧と異なる
請求項10〜12のいずれか1項に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記抵抗変化素子の抵抗変化ごとに起こり得る前記低抵抗変化電圧の平均値をVR、最小値をVR1、最大値をVR2とし、
前記低抵抗状態書き込み回路から前記抵抗変化素子までの電圧降下の最小値をVD1、最大値をVD2とすると、
前記第1基準電圧VREF1は、
(VD1+VR1)≦VREF1≦(VD2+VR)、
前記第2基準電圧VREF2は、
(VD1+VR)≦VREF2≦(VD2+VR2)
の範囲にあり、かつ
VREF1<VREF2を満足する
請求項13記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記抵抗変化層は、タンタル及びハフニウムのいずれか一方の酸素不足型の遷移金属酸化物層で構成され、
前記第1電極と前記第2電極とは、異なる標準電極電位を有する材料によって構成され、
前記第1電極の標準電極電位V1と、前記第2電極の標準電極電位V2と、前記抵抗変化層に含まれるタンタル及びハフニウムのいずれか一方の標準電極電位Vtとが、Vt<V2、かつ、V1<V2を満足し、
前記低抵抗変化電圧のばらつきにおける前記低抵抗変化電圧の平均値が0.8V、最小値が0.7V、最大値が0.9Vであり、
前記第1基準電圧は、0.75V〜1.10Vであり、
前記第2基準電圧は、0.85V〜1.20Vである
請求項14記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記第2及び第3電流は、いずれも、前記第1電流よりも小さく、かつ、0アンペアよりも大きい
請求項10〜15のいずれか1項に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - さらに、
前記抵抗変化素子を低抵抗状態から高抵抗状態に遷移させるための電圧を供給する高抵抗化用電源と、
前記抵抗変化素子を高抵抗状態から低抵抗状態に遷移させるための電圧を供給する低抵抗化用電源とを備え、
前記高抵抗状態書き込み回路は、前記高抵抗化用電源から供給された電圧を前記メモリセルに印加し、
前記第1〜第3駆動回路は、それぞれ、前記低抵抗化用電源から供給された電圧に基づいて前記第1〜第3電流を出力する
請求項10〜16のいずれか1項に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記メモリセルアレイはさらに、複数のビットラインと、複数のソースラインとを有し、
前記ビットラインと前記ソースラインとの組み合わせごとに、1個の前記メモリセルが設けられ、
前記メモリセルの両端は、それぞれ、前記複数のビットライン及び前記複数のソースラインのうちの対応する1本に接続され、
前記選択回路は、前記複数のビットラインの少なくとも一つを選択する列選択回路と、前記複数のソースラインの少なくとも一つを選択する行選択回路とを有し、
前記低抵抗状態書き込み回路と前記高抵抗状態書き込み回路は、前記列選択回路で選択されたビットライン又は前記行選択回路で選択されたソースラインを駆動する
請求項1〜17のいずれか1項に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記第1スイッチ素子は、MOSトランジスタ又はダイオードで構成される
請求項18記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記メモリセルアレイはさらに、複数のワードラインを有し、
前記第1スイッチ素子は、MOSトランジスタであり、当該MOSトランジスタのゲート端子は、前記複数のワードラインのうちの対応する1本に接続され、
前記行選択回路はさらに、前記複数のワードラインの少なくとも一つを選択し、
前記抵抗変化型不揮発性記憶装置はさらに、前記行選択回路で選択されたワードラインを駆動するワードライン駆動回路を備える
請求項19記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 第1電極と、第2電極と、前記第1及び第2電極の間に介在され、前記第1及び第2電極間に印加する電圧の極性に応じて可逆的に高抵抗状態又は低抵抗状態に遷移する不揮発性の抵抗変化層とで構成される抵抗変化素子と、前記抵抗変化素子と直列に接続された第1スイッチ素子とを備えたメモリセルがマトリックス状に配置されて構成されたメモリセルアレイと、
前記メモリセルアレイを構成するメモリセルから、少なくとも一つのメモリセルを選択する選択回路と、
前記選択回路で選択されたメモリセルに対して、当該メモリセルに含まれる抵抗変化素子を低抵抗状態から高抵抗状態に遷移させるための電圧として当該抵抗変化素子の第1電極を基準に第2電極に対して正の電圧が印加されるように、電圧を印加する高抵抗状態書き込み回路と、
前記選択回路で選択されたメモリセルに対して、当該メモリセルに含まれる抵抗変化素子を高抵抗状態から低抵抗状態に遷移させるための電圧として当該抵抗変化素子の第2電極を基準に第1電極に対して正の電圧が印加されるように、電圧を印加する低抵抗状態書き込み回路とを備え、
前記低抵抗状態書き込み回路の負荷特性には、出力電圧の増加に伴って出力電流が減少する単調減少の負荷特性をもつ領域と、出力電圧の増加に伴って出力電流が増加する負荷特性をもつ領域とが含まれる
抵抗変化型不揮発性記憶装置。
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