JP5197402B2 - 抵抗変化型記憶装置 - Google Patents

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Description

本発明は、抵抗変化型記憶装置に関する。より詳しくは、電気的信号の印加によって抵抗状態が変化する不揮発性記憶素子を用いた抵抗変化型記憶装置に関する。
近年、半導体微細加工技術の進歩に伴い、記憶装置(メモリ)の高密度化、大容量化が著しく進んでいる。不揮発性記憶装置の分野では、FLASHメモリの技術的進歩が著しく、コストも低減されつつある。特にFLASHメモリのコストは年々低下している。かかる背景の下、FLASHメモリを使用したシステムは、家電製品等に内蔵するためのプログラムストレージデバイスから、音楽、画像、動画などのデータを記憶するデータストレージデバイスまで、多くの分野で利用されるようになってきている。更なるコストダウンを図ることにより、不揮発性記憶装置はあらゆる分野への応用が期待できる。従来の不揮発性記憶装置におけるコスト低減は、FLASHメモリの製造技術の進歩により成し遂げられてきた。しかし、近年では、フローティングゲートを用いたFLASHメモリの微細化には限界が迫りつつあると言われている。かかる状況の下で、更なるセル面積の縮小やコスト低減を実現するという観点から、新規な不揮発性記憶装置が注目されている。新規な不揮発性記憶装置として代表的なものには、強誘電体を利用するFeRAMや、磁気を利用するMRAM、相変化を利用するPRAM、抵抗変化型記憶装置であるReRAM等がある。
抵抗変化型記憶装置の記憶素子(抵抗変化型素子)を製造する場合には、抵抗変化膜に、2元系遷移金属酸化物やペロブスカイト型酸化物を有する抵抗変化型材料が使用される。抵抗変化型素子は、抵抗変化膜の電気抵抗(例えば、高抵抗状態と低抵抗状態)に基づいて、不揮発性の記憶を行う。抵抗変化膜の抵抗状態に変化を生じさせるためのバイアス条件は、抵抗変化型材料によってさまざまである。例えば、抵抗変化膜の両側に印加する電気的パルスの向きを切り換えることで2値変化させるバイポーラタイプの抵抗変化材料が知られている。また、同一極性の電気的パルスの強さ(電圧)やパルス幅(時間)の違いで2値変化させるユニポーラタイプの抵抗変化材料も知られている。例えば特許文献1には、ユニポーラタイプの抵抗変化材料と単方向ダイオードを用いた抵抗変化型記憶装置が開示されている。
特許文献2には、バイポーラタイプの抵抗変化型素子を用いたクロスポイント型の抵抗変化型記憶装置が示されている。この抵抗変化型記憶装置では、データ書込み時において、選択ビット線にVpp、選択ワード線にVss(0V)、非選択ワード線および非選択ビット線に1/2Vppが印加される。また、データ消去時において、選択ワード線にVpp、選択ビット線にVss(0V)、非選択ワード線および非選択ビット線にVpp/2が印加される。
特開2001−127263号公報 特開2006−203098号公報
しかしながら、前記従来の構成は、書込み動作および読出し動作の信頼性が必ずしも高くないという問題を有していた。本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、抵抗変化型記憶装置において、書込み動作や読出し動作の信頼性を向上させることを目的とする。
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討した。その結果、以下の点に気づいた。
特許文献2では、電流抑制素子としてバリスタを適用したクロスポイント型の抵抗変化型記憶装置が開示されている。一般に、クロスポイント型の抵抗変化型記憶装置では、電流抑制素子としてダイオードが用いられる。ダイオードは、電圧に対し指数関数的に電流が増加するという特性を有している。ダイオードを流れる電流値は、印加される電圧が閾値電圧Vthより低くても完全にゼロになるわけではない。特許文献2のように非選択のメモリセルにVpp/2の電位差が印加された場合、Schottky MIM型ダイオードモデルを採用すると、非選択セルを流れる電流は選択セルを流れる電流の百分の1から千分の1程度となる。大規模なメモリアレイでは、1行または1列に数百から数千のメモリセルが配設されるため、選択ビット線または選択ワード線に接続された非選択セルを流れる電流(漏れ電流)が、選択セルを流れる電流値と比較して必ずしも無視できなくなる。
漏れ電流が無視できなくなると、様々な問題が生じる。書込み動作においては、非選択セルへ流れる漏れ電流による電位降下も加味して、選択メモリセルへ書込み電圧を印加する必要が生じる。電圧が不十分だと、書込みが確実に行えなくなるなどの問題が生じる。また、電圧を高くしすぎると、非選択セルへのディスターブや消費電流の増大に繋がる場合がある。読出し動作においても問題が生じる。選択ビット線や選択ワード線を流れる電流は、選択セルを流れる電流に漏れ電流が加算された値になる。漏れ電流により、高抵抗状態と低抵抗状態との間で、読出し時に検出される電流の差が相対的に減少し、読出し動作の信頼性が低くなる。
Vppは、抵抗変化型素子の抵抗状態が変化するために必要な電圧と電流抑制素子の抵抗値(電流容量)で決まる電圧値との合計値から決定される。電流抑制素子の閾値電圧Vthは、主として電流抑制素子の電流−電圧特性により決まる。しかしながら、抵抗変化型素子と電流抑制素子の特性をそれぞれ調整して書込み動作や読出し動作における電圧や電流の条件を満たすことは困難である。漏れ電流量を積極的に低減することができれば、抵抗変化型記憶装置の設計は飛躍的に容易となる。具体的には、非選択ビット線に印加される電圧を特許文献2の値(Vpp/2)よりも選択ワード線に印加される電圧(Vpp)に近い値に制御するとともに、非選択ワード線に印加される電圧を特許文献2の値(Vpp/2)よりも選択ビット線に印加される電圧(Vss)に近い値に制御する。かかる構成により、選択ワード線および選択ビット線に接続されたメモリセルに印加される電圧が小さくなり、漏れ電流を低減することが可能となる。
さらに、電流抑制素子の閾値をVFとして、(V1−V4)<VFまたは(V3−V2)<VFを満たすように制御すれば、漏れ電流量を実質的にゼロにできる。
すなわち、上記課題を解決すべく、本発明の抵抗変化型記憶装置は、第1の平面内において互いに平行に形成された複数の第1の配線と前記第1の平面に平行な第2の平面内において互いに平行にかつ前記複数の第1の配線と立体交差するように形成された複数の第2の配線と前記複数の第1の配線および前記複数の第2の配線の立体交差点のそれぞれに対応して設けられ対応する第1の配線と対応する第2の配線との間に印加される電気的信号に基づいて可逆的に抵抗値が変化する可変抵抗層を備えた不揮発性記憶素子と前記立体交差点のそれぞれに対応して設けられ前記可変抵抗層と直列に接続された電流抑制素子とを備えたメモリアレイと、第1の配線または第2の配線に第1の電圧を印加する第1の電圧源と、第1の配線または第2の配線に第2の電圧を印加する第2の電圧源と、第1の配線または第2の配線に第3の電圧を印加する第3の電圧源と、第1の配線または第2の配線に第4の電圧を印加する第4の電圧源とを備えた抵抗変化型記憶装置であって、前記可変抵抗層は、高抵抗状態にある場合にはその両端に所定の電圧である低抵抗化電圧を印加した時に高抵抗状態から低抵抗状態へと変化し、低抵抗状態にある場合にはその両端に低抵抗化電圧と異なる極性をもつ所定の電圧である高抵抗化電圧を印加した時に低抵抗状態から高抵抗状態へと変化する特性を有し、前記電流抑制素子は、その両端に印加する電圧の絶対値が閾値VFを超えると急激に抵抗値が減少し、かつ、該印加する電圧の極性に応じて双方向に電流が流れる、非線形かつ双方向的な電流特性を有し、第1乃至第4の電圧をそれぞれV1乃至V4とし、V5=(V1+V2)/2を第5の電圧とするときV2≦V3<V5<V4≦V1を満たし、かつ、(V1−V4)<VFまたは(V3−V2)<VFを満たし、データを書き込むべきあるいはデータを読み出すべき不揮発性記憶素子である選択不揮発性記憶素子に対して、以下のAおよびBの動作を行うように構成された制御装置を備える。
A.選択不揮発性記憶素子に対応する第1の配線に第1の電圧源を接続し、選択不揮発性記憶素子に対応する第2の配線に第2の電圧源を接続し、選択不揮発性記憶素子に対応しない第1の配線に第3の電圧源を接続し、選択不揮発性記憶素子に対応しない第2の配線に第4の電圧源を接続する。
B.選択不揮発性記憶素子に対応する第2の配線に第1の電圧源を接続し、選択不揮発性記憶素子に対応する第1の配線に第2の電圧源を接続し、選択不揮発性記憶素子に対応しない第2の配線に第3の電圧源を接続し、選択不揮発性記憶素子に対応しない第1の配線に第4の電圧源を接続する。
かかる構成では、抵抗変化型記憶装置において、選択不揮発性記憶素子に接続されている配線から選択されていない不揮発性記憶素子へと流れ込む電流を抑制でき、書込み動作や読出し動作の信頼性を向上させることができる。
上記の抵抗変化型記憶装置において、さらに、前記制御装置の制御に基づいて電気的パルスを出力するパルス発生回路を備え、前記制御装置は、前記パルス発生回路が電気的パルスを出力している間に前記AまたはBの動作を行い、前記パルス発生回路が電気的パルスを出力している間に前記Aの動作を行う場合には、前記パルス発生回路が電気的パルスを出力していない間に、全ての第1の配線に第3の電圧源を接続し、全ての第2の配線に第4の電圧源を接続し、前記パルス発生回路が電気的パルスを出力している間に前記Bの動作を行う場合には、前記パルス発生回路が電気的パルスを出力していない間に、全ての第1の配線に第4の電圧源を接続し、全ての第2の配線に第3の電圧源を接続するように構成されていてもよい。
かかる構成では、抵抗変化型記憶装置において、単純な回路を用いて、書込み動作や読出し動作の信頼性を向上させることができる。
上記の抵抗変化型記憶装置において、さらに、前記制御装置の制御に基づいて電気的パルスを出力するパルス発生回路と、前記第5の電圧を印加する第5の電圧源とを備え、前記制御装置は、前記パルス発生回路が電気的パルスを出力している間に前記AまたはBの動作を行い、前記パルス発生回路が電気的パルスを出力していない間は全ての第1の配線および全ての第2の配線に第5の電圧源を接続するように構成されていてもよい。
かかる構成では、抵抗変化型記憶装置において、書込み動作や読出し動作の信頼性を向上させると同時に、消費電力を抑制することができる。
上記の抵抗変化型記憶装置において、さらに、前記制御装置の制御に基づいて電気的パルスを出力するパルス発生回路と、第1の配線を第3の電圧源および第4の電圧源に択一的に接続するための第1の非選択用スイッチ素子と、第2の配線を第3の電圧源および第4の電圧源に択一的に接続するための第2の非選択用スイッチ素子とを備え、前記制御装置は、前記パルス発生回路が電気的パルスを出力している間に前記AまたはBの動作を行うと同時に選択不揮発性記憶素子に対応しない第1の非選択用スイッチ素子と選択不揮発性記憶素子に対応しない第2の非選択用スイッチ素子とをハイインピーダンス状態に制御し、前記パルス発生回路が電気的パルスを出力している間に前記Aの動作を行う場合には、前記パルス発生回路が電気的パルスを出力していない間に、全ての第1の配線に第1の非選択用スイッチ素子を制御して第3の電圧源を接続し、全ての第2の配線に第2の非選択用スイッチ素子を制御して第4の電圧源を接続し、前記パルス発生回路が電気的パルスを出力している間に前記Bの動作を行う場合には、前記パルス発生回路が電気的パルスを出力していない間に、全ての第1の配線に第1の非選択用スイッチ素子を制御して第4の電圧源を接続し、全ての第2の配線に第2の非選択用スイッチ素子を制御して第3の電圧源を接続するように構成されていてもよい。
かかる構成では、抵抗変化型記憶装置において、書込み動作や読出し動作の信頼性を向上させると同時に、消費電力を抑制することができる。
上記の抵抗変化型記憶装置において、V1とV2との電圧差の絶対値が前記不揮発性記憶素子を高抵抗状態から低抵抗状態へと変化させるために必要な電圧の絶対値および前記不揮発性記憶素子を低抵抗状態から高抵抗状態へと変化させるために必要な電圧の絶対値のいずれよりも大きく、前記制御装置は、消去モードにおいて、前記Aの動作および前記Bの動作のいずれか一方を、データを書き込むべき不揮発性記憶素子の全てについて行うように構成されていてもよい。
かかる構成では、データを書き込む際にまずデータが消去されるため、プログラムモードにおいて書込み電圧を切り替える必要がなくなる。
上記の抵抗変化型記憶装置において、V1とV2との電圧差の絶対値が前記不揮発性記憶素子を高抵抗状態から低抵抗状態へと変化させるために必要な電圧の絶対値および前記不揮発性記憶素子を低抵抗状態から高抵抗状態へと変化させるために必要な電圧の絶対値のいずれよりも大きく、前記制御装置は、プログラムモードにおいて、前記Aの動作および前記Bの動作のいずれか一方を、データを書き込むべき不揮発性記憶素子の全てについて行うように構成されていてもよい。
かかる構成では、接続する電圧源を切り替えるだけで消去モードとプログラムモードとを簡単に切り替えることができる。
上記の抵抗変化型記憶装置において、V1とV2との電圧差の絶対値が前記不揮発性記憶素子を高抵抗状態から低抵抗状態へと変化させるために必要な電圧の絶対値および前記不揮発性記憶素子を低抵抗状態から高抵抗状態へと変化させるために必要な電圧の絶対値のいずれよりも小さく、前記制御装置は、読出しモードにおいて、前記Aの動作および前記Bの動作のいずれか一方を、データを読み出すべき不揮発性記憶素子の全てについて行うように構成されていてもよい。
かかる構成では、不揮発性記憶素子の抵抗状態が変化しないようにV1とV2の電圧差が調整されているため、書き込まれた値を破壊することなく読み出せる。
上記の抵抗変化型記憶装置において、第1の電圧源と第2の電圧源と第3の電圧源と第4の電圧源とが、それぞれ複数の電圧を択一的に出力可能に構成されていてもよい。
かかる構成では、各電圧源から複数の電圧を出力することができる。例えば、書込み時の電圧と読出し時の電圧を切り替えることで、書込み動作と読出し動作とを確実に行うことができる。
上記の抵抗変化型記憶装置において、第1の電圧源と第2の電圧源と第3の電圧源と第4の電圧源とが、それぞれ複数の電圧発生器を備えていてもよい。
かかる構成では、各電圧源から複数の電圧を出力することができる。例えば、書込み時の電圧と読出し時の電圧を切り替えることで、書込み動作と読出し動作とを確実に行うことができる。
上記の抵抗変化型記憶装置において、第2の電圧源は0Vを出力する電圧源であってもよい。
かかる構成では、接地点を電圧源の一つに利用することで、回路構成を単純化できる。
上記の抵抗変化型記憶装置において、前記制御装置は、スタンバイモードにおいて、第1の電圧V1と第2の電圧V2と第3の電圧V3と第4の電圧V4とを等しい値に制御するように構成されていてもよい。
かかる構成では、スタンバイモードにおける消費電力を削減できる。
上記の抵抗変化型記憶装置において、前記可変抵抗層に印加される電圧の絶対値が、前記可変抵抗層を高抵抗状態から低抵抗状態へと変化させる時よりも、前記可変抵抗層を低抵抗状態から高抵抗状態へと変化させる時に、より大きくなるように、V1及びV2が設定されていてもよい。また、(V1−V2)の絶対値が、前記可変抵抗層を高抵抗状態から低抵抗状態へと変化させる時よりも、前記可変抵抗層を低抵抗状態から高抵抗状態へと変化させる時に、より大きくなるように、V1及びV2が設定されていてもよい。
前記可変抵抗層を抵抗変化させる時に印加する電圧の絶対値は、高抵抗状態から低抵抗状態へ変化させる時よりも低抵抗状態から高抵抗状態へ変化させる時の方が大きい電圧を必要とするため、上記したV1、V2の設定とすることにより、低抵抗状態から高抵抗状態への確実かつ十分な抵抗変化を実現でき、安定した書込み動作が可能になる。
上記の抵抗変化型記憶装置において、前記不揮発性記憶素子は可変抵抗層を備え、前記可変抵抗層は、少なくともタンタル酸化物を含み、当該タンタル酸化物をTaOxと表した場合に、0.8≦x≦1.9を満足するように構成されていてもよい。
かかる構成では、タンタル酸化物が可変抵抗材料として良好な特性を持つため、動作の信頼性がさらに向上する。
上記の抵抗変化型記憶装置において、前記電流抑制素子は電流抑制層を備え、前記電流抑制層がSiN(0.2≦x≦0.7)により構成されていてもよい。
かかる構成では、電流抑制素子の良好なオン/オフ比を実現でき、安定した書込動作、読出動作が可能となる。
上記の抵抗変化型記憶装置において、前記メモリアレイが複数積層されてなっていてもよい。
かかる構成では、超大容量不揮発性メモリを実現することが可能となる。
上記の抵抗変化型記憶装置において、第1の電圧源と第2の電圧源と第3の電圧源と第4の電圧源とが、それぞれ出力電圧をマスク調整する電圧調整回路を備えてもよい。
かかる構成では、マスク調整により複数の電圧を容易に出力できる。
上記の抵抗変化型記憶装置において、第1の電圧源と第2の電圧源と第3の電圧源と第4の電圧源とが、それぞれ出力電圧をヒューズ調整する電圧調整回路を備え
かかる構成では、ヒューズ調整により複数の電圧を容易に出力できる。
また、本発明の抵抗変化型記憶装置の制御方法は、第1の平面内において互いに平行に形成された複数の第1の配線と前記第1の平面に平行な第2の平面内において互いに平行にかつ前記複数の第1の配線と立体交差するように形成された複数の第2の配線と前記複数の第1の配線および前記複数の第2の配線の立体交差点のそれぞれに対応して設けられた不揮発性記憶素子とを備えたメモリアレイと、を備えた抵抗変化型記憶装置の制御方法であって、データを書き込むべきあるいはデータを読み出すべき不揮発性記憶素子を選択不揮発性記憶素子とするとき、選択不揮発性記憶素子に対応する第1の配線に第1の電圧を印加し、選択不揮発性記憶素子に対応する第2の配線に第2の電圧を印加し、選択不揮発性記憶素子に対応しない第1の配線に第3の電圧を印加し、選択不揮発性記憶素子に対応しない第2の配線に第4の電圧を印加し、第1乃至第4の電圧をそれぞれV1乃至V4とし、V5=(V1+V2)/2を第5の電圧として、V2≦V3<V5およびV5<V4≦V1を満たす。
かかる構成では、抵抗変化型記憶装置において、選択不揮発性記憶素子に接続されている配線から選択されていない不揮発性記憶素子へと流れ込む電流を抑制でき、書込み動作や読出し動作の信頼性を向上させることができる。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
本発明は、上記のような構成を有し、抵抗変化型記憶装置において書込み動作や読出し動作の信頼性を向上させることができるという効果を奏する。
以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照しながら説明する。
(第1実施形態)
第1実施形態の抵抗変化型記憶装置は、ワード線とビット線との交点(立体交差点)に不揮発性記憶素子を配設した、いわゆるクロスポイント型の記憶装置である。
[装置の全体構成]
図1は、本発明の第1実施形態の抵抗変化型記憶装置の概略構成の一例を示すブロック図である。また、図2は、図1におけるA部の構成(4ビット分の構成)を示す斜視図である。
図1に示すように、本実施形態の抵抗変化型記憶装置100は、基板上に、メモリ本体部101と、外部から入力されるアドレス信号を受け取るアドレス入力回路108と、外部から入力されるコントロール信号に基づいてメモリ本体部101等の動作を制御する制御回路109と、制御回路109の制御に基づいて所定の電気的パルスを出力するパルス発生回路118と、複数の電圧を出力可能な電源回路119と、電源回路119から出力される電圧を切り換えてメモリ本体部101に供給する切換えスイッチ120とを備えている。
メモリ本体部101は、メモリアレイ102と、行デコーダ/ドライバ103と、列デコーダ/ドライバ104と、情報の書込み(消去およびプログラム)を行うための書込み回路105と、選択されたビット線(選択ビット線)に流れる電流量を検出しデータ「1」または「0」と判定するセンスアンプ106と、端子DQを介して入出力データの入出力処理を行うデータ入出力回路107とを具備している。
メモリアレイ102は、図1および図2に示すように、基板の上に、基板に平行な第1の平面内において互いに平行に形成されたm本のワード線WL1、WL2、WL3、…、WLm(第1の配線)と、これらの複数のワード線WL1、WL2、WL3、…、WLmの上方に第1の平面に平行な第2の平面内において互いに平行に、かつ複数のワード線WL1、WL2、WL3、…、WLmに立体交差するように形成されたn本のビット線BL1、BL2、BL3、…、BLn(第2の配線)とを備えている。ワード線およびビット線は、例えば銅配線とすることができる。
複数のワード線WL1、WL2、WL3、…、WLmと複数のビット線BL1、BL2、BL3、…、BLnとの立体交差点に対応して、m行n列のマトリクス状に、複数のメモリセルMC11、MC12、MC13、MC21、MC22、MC23、MC31、MC32、MC33、…、MCnm(以下、「メモリセルMC11、MC12、…、MCnm」と表す)が設けられている。メモリセルMC11、MC12、…、MCnmは、それぞれ直列に接続された不揮発性記憶素子と電流抑制素子とを備えている(詳細は後述)。図1におけるメモリセルMC11、MC12、…、MCnmは、図2において符号110で示されている。
行デコーダ/ドライバ103は、アドレス入力回路108から出力された行アドレス信号を受け取り、この行アドレス信号に応じて、複数のワード線WL1、WL2、WL3、…、WLmのうちの何れかを選択する。
列デコーダ/ドライバ104は、アドレス入力回路108から出力された列アドレス信号を受け取り、この列アドレス信号に応じて、複数のビット線BL1、BL2、BL3、…、BLnのうちの何れかを選択する。
書込み回路105は、データ入出力回路107から入力されたデータに基づいて、選択されたメモリセル(選択ワード線および選択ビット線に接続されたメモリセル:以下、選択メモリセル)に書き込み用(消去用またはプログラム用)または読出し用の電圧を印加するか否かを指示する信号を、行デコーダ/ドライバ103および列デコーダ/ドライバ104に出力する。選択メモリセルに含まれる不揮発性記憶素子129を、選択不揮発性記憶素子と呼ぶ。
センスアンプ106は、情報の読み出しサイクルにおいて、読み出し対象となる選択ビット線に流れる電流量を検出し、データ“1”または“0”と判定する。判定結果は、データ入出力回路107へと出力される。
データ入出力回路107は、外部から入力される書込みデータDin(“1”か“0”)を書込み回路105に入力するとともに、センスアンプ106から出力される読出しデータDO(“1”か“0”)を外部へと出力する。
アドレス入力回路108は、外部回路(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デコーダ/ドライバ103へ出力するとともに、列アドレス信号を列デコーダ/ドライバ104へ出力する。ここで、アドレス信号は、複数のメモリセルMC11、MC12、…、MCnmのうちの選択されるべきメモリセルのアドレスを示す信号である。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(ワード線に対応する)を示す信号であり、列アドレス信号は、アドレス信号に示されたアドレスのうちの列のアドレス(ビット線に対応する)を示す信号である。
制御回路109は、後述するように、外部からの入力される信号に基づいて、消去モード、プログラムモード、読出しモード、スタンバイモードのいずれのモードにすべきかを選択し、必要に応じて切換えスイッチ120やパルス発生回路118、書込み回路105、センスアンプ106、データ入出力回路107を制御する。
パルス発生回路118は、制御回路109の制御に基づいて、書込み用(消去用またはプログラム用)の電気的パルス(書込みパルス)を行デコーダ/ドライバ103および列デコーダ/ドライバ104に入力する。
電源回路119は、第1の電圧V1を出力する第1電源121(第1の電圧源)と、第2の電圧V2を出力する第2電源122(第2の電圧源)と、第3の電圧V3を出力する第3電源123(第3の電圧源)と、第4の電圧V4を出力する第4電源124(第4の電圧源)とを備えている。
切換えスイッチ120は、第1電源121と接続されて行デコーダ/ドライバ103および列デコーダ/ドライバ104のいずれか一方に第1電源を接続する第1スイッチ125と、第2電源122と接続され行デコーダ/ドライバ103および列デコーダ/ドライバ104のいずれか一方に第2電源を接続する第2スイッチ126と、第3電源123と接続され行デコーダ/ドライバ103および列デコーダ/ドライバ104のいずれか一方に第3電源を接続する第3スイッチ127と、第4電源124と接続され行デコーダ/ドライバ103および列デコーダ/ドライバ104のいずれか一方に第4電源を接続する第4スイッチ128とを備えている。
[メモリセルの構成]
図3は、本発明の第1実施形態の抵抗変化型記憶装置100が備えるメモリセル110の構成を示す断面図である。なお、図3では、図2のB部における構成が示されている。
図3に示すように、本実施形態の抵抗変化型記憶装置が備えるメモリセル110は、下部配線112(図2におけるワード線WL2に相当する)と上部配線111(図2におけるビット線BL2に相当する)との間に形成される。メモリセル110は、下部配線112の上に、下部電極117と、電流抑制素子116と、内部電極115と、可変抵抗層114と、上部電極113とがこの順に積層されて構成されている。上部電極113が上部配線111に接している。
下部電極117と内部電極115と上部電極113の材料としては、例えば、Pt(白金)、W(タングステン)、Cu(銅)、Al(アルミニウム)、TiN(窒化チタン)、TaN(窒化タンタル)およびTiAlN(窒化チタンアルミニウム)などを用いることができる。
可変抵抗層114は、タンタル酸化物で構成されている。ここで、このタンタル酸化物は、TaOxと表した場合に0<x<2.5を満足するものである。なお、Xは0.8≦X≦1.9を満足することが好ましい。本実施形態では、内部電極115と可変抵抗層114と上部電極113とで不揮発性記憶素子129が形成される。不揮発性記憶素子129の特性については後述する。タンタル酸化物は、可変抵抗材料として極めて優れた特性(動作の安定性や長期のデータ保持特性など)を有する。
電流抑制素子116は、内部電極115を介して、可変抵抗層114と直列に接続されている。電流抑制素子116は、MIM(Metal−Insulator−Metal:金属−絶縁体−金属の意味)ダイオード又はMSM(Metal−Semiconductor−Metal:金属−半導体−金属の意味)ダイオードに代表される素子であり、電圧に対して非線形な電流特性を示すものである。電流抑制素子116は、電圧に対して双方向性の電流特性を有しており、両端に印加された電圧の絶対値が所定の閾値電圧VFを超えると(一方の電極を基準にして例えば+1V以上または−1V以下)抵抗値が急減するように構成されている。電流抑制素子の特性については後述する。
タンタルおよびその酸化物は、半導体プロセスに一般的に用いられている材料である。そのため、タンタルは既存の半導体製造プロセスに容易に組み入れることが可能である。
図4(a)から(e)は、本発明の第1実施形態にかかる不揮発性記憶装置が備えるメモリセルの変形例の構成を示す断面図である。
図4(a)には、図3に示す構成と異なり、内部電極215を備えず、可変抵抗層214が電流抑制素子216の上に形成されている構成が示されている。この場合には、可変抵抗層214が不揮発性記憶素子を構成すると考えることができる。
図4(b)は、図3に示す構成と異なり、下部電極217、内部電極215、および上部電極213を備えず、可変抵抗層214が電流抑制素子216の上に形成されている構成が示されている。
図4(c)には、図3に示す構成と異なり、下部電極を備えていない構成が示されている。他方、図示はしないが、上部電極を備えていない構成も考えられる。
図4(d)には、図3に示す構成と異なり、内部電極215を備えず、その代わりにオーミック抵抗層218を備える構成が示されている。
図4(e)には、内部電極215の代わりに第2の可変抵抗層219を備える構成が示されている。
なお、以上に示した変形例において、上部電極213を備えていない場合は上部配線211が不揮発性記憶素子の上部電極として機能し、また、下部電極217を備えていない場合は下部配線212が不揮発性記憶素子の下部電極として機能することになる。
以上のように、本実施の形態にかかる不揮発性記憶装置が備える不揮発性記憶素子については、種々の構成が考えられる。
[メモリセルの形成方法]
以下、メモリセル110の形成方法について説明する。
基板上に、周知の方法により下部配線112が形成され、下部配線112を覆うように、厚さ200nmの酸化物層が熱酸化法により形成される。酸化物層を貫通して下部配線112に達するようにコンタクトホールが形成される。
該コンタクトホールの底に、厚さ100nmのPt薄膜が形成され、下部電極117とされる。成膜には、RFマグネトロンスパッタ法を用いることができる。成膜条件は、例えば、真空度を1.0Pa、RFパワーを250W、Ar流量を10sccm、成膜時間を20分とすることができる。
下部電極117の上に、窒素欠損型窒化シリコン薄膜がスパッタ法により形成され、電流抑制素子116とされる。条件は、例えば、多結晶シリコンターゲットを用いる場合には、真空度を0.4Pa、RFパワーを300W、Ar流量を16sccm、窒素流量を4sccm、成膜時間を2分とすることができる。
電流抑制素子116の上に、厚さ100nmのPt薄膜が形成され、内部電極115とされる。成膜の方法および条件は下部電極117と同様とすることができる。
内部電極115の上に、タンタル酸化物膜が形成され、可変抵抗層114とされる。成膜には、Taターゲットを用いた反応性RFスパッタ法を用いることができる。表1は可変抵抗層114を形成するための成膜条件の一例を示す。
Figure 0005197402
可変抵抗層114上に、厚さ150nmのPt薄膜が形成され、上部電極113とされる。成膜の方法および条件は下部電極117と同様とすることができる。
最後に、CMPにより上面が平坦化され、その上に上部配線111が形成されることにより、図3に示すメモリセル110が得られる。図3において酸化物層は図示されていないが、実際にはメモリセル110を取り巻くように存在することになる。
可変抵抗層114の形成において、タンタル酸化物をターゲットとすることによって、Oなどの反応性ガスを使用しないスパッタ法を用いるようにしてもよい。
基板としては、シリコン単結晶基板または半導体基板を用いることができるが、これらに限定されるわけではない。可変抵抗層114は比較的低い基板温度で形成することが可能であるため、樹脂材料などの上に可変抵抗層114を形成することができる。
図5は、本発明の第1実施形態に係る不揮発性記憶素子の電流−電圧特性の一例を示す図である。図5に示すように、電極間の電圧が約−0.5V(電圧は下部電極を基準とする上部電極の電圧とする、以下同様)で高抵抗状態から低抵抗状態に移行し、約+1Vで低抵抗状態から高抵抗状態に移行することが分かる。すなわち、高抵抗状態から低抵抗状態へ変化させる時の電圧の絶対値よりも、低抵抗状態から高抵抗状態へ変化させる時の電圧の絶対値の方が大きい。なお、図5の例における可変抵抗層の組成は、タンタル酸化物をTaOxと表記した場合におけるxの値が1.0付近の組成である。
[可変抵抗層の材料に関する実験]
1.O流量比と組成との関係
図6は、製造工程におけるスパッタガス中のO流量比(スパッタガス中のOの流量比率:流量は体積流量)と、RBS(ラザフォード後方散乱)法で分析したTa酸化物層の酸素含有率(原子比)との関係を示す図である。O流量比が7%以上の条件では酸素含有率が飽和する傾向が見られるが、O流量比により酸化タンタル層の組成を連続的に制御できることがわかる。つまり、タンタル酸化物層を反応性RFスパッタ法により形成する際に、スパッタガス中のO流量比を制御することにより、タンタル酸化物層の酸素含有率をタンタル酸化物層の厚み方向において所望の一定値に制御することができる。
2.O流量比と抵抗率との関係
図7は、可変抵抗層を酸化Taで構成した場合の、製造工程におけるスパッタガス中のO流量比と可変抵抗層の抵抗率との関係を示す図である。図7の各プロットは、図6の各プロットに対応するものである。両図において、O流量比が等しいプロットは同一の実験の結果を示す。
図8は、可変抵抗層を酸化Taで構成した場合の、RBS法で分析した可変抵抗層の酸素含有率(原子比)と、可変抵抗層の抵抗率との関係を示す図である。図8の各プロットは、図6および図7の各プロットに対応するものである。図6と図8において酸素含有量率が等しいプロットは同一の実験の結果を示す。図7と図8において抵抗率が等しいプロットは同一の実験の結果を示す。なお、ここで示す抵抗率は、基板(窒化膜を形成したシリコンウエハ)上に可変抵抗層のみを直接形成した試料について、シート抵抗値を4端子法により測定した結果に基づいて算出したものである。
図7に示すように、O流量比の値によって、可変抵抗層の抵抗率は連続的に変化している。より、詳しく説明すると、上述のように、O流量比の値によってタンタル酸化物層(可変抵抗層)の酸素含有率は連続的に変化する。そして、図8に示すように、酸素含有率によって、可変抵抗層の抵抗率は連続的に変化する。したがって、可変抵抗層の酸素含有率に基づいて、可変抵抗層の抵抗率を連続的に制御することができる。このことから、可変抵抗層において良好な抵抗変化現象を得るためには、可変抵抗層の酸素含有率が適切な範囲にあることが必要と考えられる。
3.O/Ta比の好適な数値範囲
本発明者等は、図8に示す各酸素含有率を有する試料の抵抗率を測定し、その測定データの回帰曲線を求めた。図8には、この測定データ(黒三角印で示す)とこの回帰曲線とを示す。また、本発明者等は、この各酸素含有率を有する試料に電気パルスを印加して抵抗変化特性が発現することを確認または推認した。上記回帰曲線によれば、可変抵抗層をTaOxと表記した場合のxの範囲が0<x<2.5の範囲で可変抵抗層が導体となり(導体として定義される抵抗率を有するものとなり)、各試料について確認したような抵抗変化現象を発現すると推認される。
図9は、可変抵抗層の酸素含有率が45〜65atm%の組成範囲における抵抗変化特性を説明する図であって、(a)は酸素含有率と抵抗率との関係を示す図、(b)は酸素含有率が45atm%の場合におけるパルス印加回数と抵抗値との関係を示す図、(c)は酸素含有率が65atm%の場合におけるパルス印加回数と抵抗値との関係を示す図である。
上述の抵抗変化特性の測定によれば、図9(a)に示すα点(酸素含有率45atm%)からβ点(酸素含有率65atm%)の酸素含有率の範囲においては、高抵抗状態の抵抗値が低抵抗状態の抵抗値の5倍以上と良好であった。α点(酸素含有率45atm%)およびβ点(酸素含有率65atm%)の酸素含有率を有する試料についてのパルス印加回数に対する抵抗変化特性を、それぞれ、図9(b)および図9(c)に示す。図9(b)および図9(c)によれば、α点およびβ点の酸素含有率においては、共に、高抵抗状態の抵抗値が低抵抗状態の抵抗値の5倍以上と良好であることが判る。この測定結果から、可変抵抗層をTaOxと表記した場合のXの範囲が0<x≦1.9の範囲において、良好な抵抗変化現象が見られるものと推認される。また、α点(酸素含有率45atm%)からβ点(酸素含有率65atm%)に渡る酸素含有率の範囲においては、高抵抗状態の抵抗値が低抵抗状態の抵抗値の5倍以上と良好である。よって、αからβまでの組成範囲は、記憶素子として安定した動作を実現できるより適切な組成範囲と考えられる。従って、酸素含有率が45〜65atm%の組成範囲、即ち可変抵抗層をTaOxと表記した場合におけるxの範囲が0.8≦x≦1.9の範囲が、より適切な可変抵抗層の組成範囲である(酸素含有率=45atm%がx=0.8に、酸素含有率=65atm%がx=1.9にそれぞれ対応する)。なお、RBS法による組成分析では、酸素含有量の分析値は±5atm%程度の精度である。従って、前記xの組成範囲もこの精度に起因する測定誤差を含んでおり、実際には、酸素含有率が40〜70atm%の組成範囲までこの適切な組成範囲である可能性がある。この組成範囲以外でも抵抗変化現象は確認され又は推認されるが、この組成範囲内に比べると抵抗率が小さくなり又は大きくなることから高抵抗状態の抵抗値が低抵抗状態の抵抗値の5倍未満になると考えられ、記憶素子として動作の安定性にやや欠けると考えられる。
[電流抑制素子の構成に関する実験]
電流抑制素子116は、下部電極117の主面上に、電流抑制層としてのSiN膜を形成することで形成される。この成膜の際には、例えば、多結晶シリコンターゲットをArと窒素との混合ガス雰囲気の下でスパッタする手法(いわゆる、反応性スパッタ法)を用いる。そして、典型的な成膜条件として、真空度を0.3〜2Paとし、基板温度を20〜300℃とし、窒素ガスの流量比(Arと窒素との総流量に対する窒素の流量の比率)を0〜40%とし、DCパワーを100〜300Wとした上で、SiN膜の厚さが5〜20nmとなるよう成膜時間を調節する。
その後、電流抑制層の主面上に、内部電極115をスパッタ法により形成する。ここで、電極の成膜条件は、使用する電極材料等によって変わるが、例えば、白金(Pt)を内部電極115の材料に用いる場合には、下部電極117の成膜時と同様にしてDCマグネトロンスパッタ法を用い、成膜の際の真空度を0.5Paとし、DCパワーを200Wとし、アルゴン(Ar)流量を6sccmとし、厚さが20〜100nmとなるよう成膜時間を調節する。
本実施形態において、SiN膜におけるxの値は、スパッタ条件(Arと窒素とのガス流量比等)を変えることにより、適宜変化させることが可能である。
図10は、窒素ガスの流量比を変化させて成膜した6種類のSiN膜におけるxの値をラザフォード後方散乱分光法により測定した結果を示す相関グラフである。尚、図10は、真空度を0.4Paとし、基板温度を20℃とし、DCパワーを300Wとした場合の測定結果を示している。又、図10において、横軸は窒素ガスの流量比(Arと窒素との総流量に対する窒素の流量の比率:流量は体積流量)を示し、縦軸はSiN膜におけるx値を示している。
図10に示すように、窒素ガスの流量比を0%から40%まで連続的に変化させることにより、SiN膜におけるxの値を連続的に変化させることが可能となる。このように、SiN膜における窒素の組成を窒素ガスの流量比により変化させることで、禁制帯幅を連続的に変化させることが可能となる。これにより、下部電極117、内部電極115とこれらに隣接する電流抑制層(電流抑制素子116)との間に形成される電位障壁の大きさを適切に制御することが可能となる。そして、これにより、電流抑制素子116にMSMダイオードと同様の電気抵抗特性を付与しながら、導通状態に流すことができる電流密度を十分に大きくすることが可能となる。
以下、SiNにおける適切なxの値の検討内容について説明する。
図11は、SiNからなる膜厚20nmの電流抑制層と、白金(Pt)からなる一対の電極とを備える電流抑制素子の電流−電圧特性を測定した結果を示す特性グラフである。尚、図11において、横軸は電流抑制素子への印加電圧を示し、縦軸は電流抑制素子に流れる電流値を示している。
この実験においては、基板の主面上にPt薄膜、SiN薄膜をこの順でスパッタ法により成膜した後、直径100μmの円孔を有するメタルマスクを介してPt薄膜をスパッタ法により成膜することで、電流抑制素子を形成した。ここで、SiN薄膜は、多結晶シリコンターゲットをアルゴンと窒素との混合ガス雰囲気の下でスパッタすることにより成膜した。又、SiN薄膜におけるxの値は、スパッタ条件(アルゴンと窒素とのガス流量比等)を変えることにより変化させた。又、SiN薄膜におけるxの値は、ラザフォード後方散乱分光法により求めた。尚、図11に示すように、この実験では、スパッタ条件を変えることにより、xの値が異なる4種類のSiN薄膜を作成した。ここで、xの値は、それぞれ0.52,0.67,0.85,1.38であった。
図11に示すように、電極にPtを用い、電流抑制層をSiNにより構成した電流抑制素子は、非線形の電気抵抗特性を示し、かつ、電流−電圧特性が印加電圧の極性に対して実質的に対称な素子となることが判明した。又、電流抑制層にSiNを適用する場合には、xの値が大きくなるに連れて電極とこれらに隣接する電流抑制層との間に形成される電位障壁が大きくなることに対応して、導通状態となる電圧が大きくなることが判明した。更には、xの値が0.85までの場合は、2つの電極の間に印加される電圧が4V未満であっても電流密度が500A/cmを優に超え、これに電圧を更に印加することにより更に大きな電流密度が得られることが図11より推察された。しかしながら、xの値が1.38である場合には、印加電圧が5Vであっても導通状態とはならず、更に印加電圧を高くすると、導通状態となる前に電流抑制素子そのものが破壊されてしまうことが判明した。これは、xの値を大きくすることにより電流抑制層の禁制帯幅が著しく大きくなり、その結果として、電流抑制層が絶縁体となってしまったことを示している。従って、電流抑制層にSiNを適用する場合には、xの値は0を超え0.85以下であることが好ましいことが判明した。この構成を採る場合、電流抑制層は半導体として機能し、電流抑制素子はMSMダイオードとして機能する。
図12は、SiNからなる膜厚10nmの電流抑制層と窒化タンタル(TaN)からなる一対の電極とを備える電流抑制素子の電流−電圧特性を測定した結果を示す特性グラフである。尚、図12では、SiNにおけるxの値が0.3,0.7,0.8である場合の電流−電圧特性を示している。又、図12では、便宜上、印加電圧の極性が負である場合の電流−電圧特性の図示を省略している。
本実験では、基板の主面上にTaN,SiN,TaNをこの順にスパッタ法により成膜して積層した後、通常のリソグラフィ及びドライエッチングを適用することにより、電極面積が1平方ミクロンメートルの電流抑制素子2を作成し、これを測定対象とした。
図12に示すように、SiNにおけるxの値を0.3から0.7とすることで、MSMダイオードの電気抵抗特性と同様の電気抵抗特性を示しながら、導通状態となる電圧が3V程度大きくなり、かつ、何れの場合も30000A/cmを超える大きな電流密度を実現できることが判明した。その一方で、図12に示すように、SiNにおけるxの値を0.8とすると、印加電圧が約6.3Vである場合には約3000A/cm程度の大きな電流密度の電流を流すことが可能であるが、印加電圧を更に上昇させると電流抑制素子が破壊(短絡)することが判明した。この現象は、いわゆる化学量論組成では基本的に絶縁体であるSiNの絶縁体的な特性が現出したためであると考えられ、更に大きな電流密度の電流を流すことが必要な場合には、xの値を0.8よりも小さくすることが好ましいことを示している。従って、窒化タンタル(TaN)からなる一対の電極を備える電流抑制素子を構成する場合、例えば30000A/cmを超える大きな電流密度を実現するためには、xの値を0.7以下とすることが好ましい。
図13は、電流抑制素子の電流抑制層をSiNにより構成した場合におけるxの値とオン/オフ比との関係を実験的に求めた結果を示す相関グラフである。尚、図13では、電流抑制層33の膜厚を10nmとし、第1及び第2の電極31,32として窒化タンタル(TaN)、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、窒化チタン(TiN)を用いた場合の実験結果を示している。又、図13では、横軸はSiNにおけるxの値を示し、縦軸はオン/オフ比を示している。
本実験では、電極にTaNを用いる場合、図12に示す測定結果を取得する際に用いた電流抑制素子の作成方法と同様にして、基板の主面上にTaN、SiN、TaNをこの順でスパッタ法により成膜して積層した後、通常のリソグラフィ及びドライエッチングを適用することにより、電極面積が1平方ミクロンメートルの電流抑制素子を作成した。ここで、本実験では、SiNにおけるxの値を、それぞれ0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.6とした。又、電極にPt、Al、或いはTiNを用いる場合には、基板の主面上に電極材料、SiN薄膜(本実験におけるxの値は0.52,0.67,或いは、0.85(電極材料がTaNである場合については、xの値は0.52、或いは、0.67))を順にスパッタ法により成膜した後、直径100μmの円孔を有するメタルマスクを介して電極材料をスパッタ法により成膜することで、電流抑制素子を形成した。
ここで、本実施の形態において、「オン/オフ比」とは、電流抑制素子の電流−電圧特性の測定結果から電流密度が500A/cmである場合の印加電圧(オン電圧)を求めると共に、印加電圧がオン電圧の半分の電圧である場合の電流抑制素子を流れる電流密度(オフ電流)を求め、オン電圧時の電流である500A/cmをオフ電流で割った値をオン/オフ比として定義する。このオン/オフ比は、データの書き込み動作時における、選択素子(データを書き込む記憶素子)に流れる電流と非選択素子(データを書き込まない記憶素子)に流れる電流との比を示している。尚、記憶装置の動作に関し、記憶装置を好適に動作させるためには、このオン/オフ比の値が大きいことが好ましい。
尚、電流密度が500A/cmである場合を1つの基準とした理由は、電流抑制素子を構成する電極の大きさが直径100μmの円孔を有するメタルマスクにより規定されると、30000A/cm程度の電流を実際に流すために必要となる電流が数A程度となり、これを測定するためには特別な測定系が必要となるためである。
図13において、電極材料がTaNである場合の実験結果を参照すると、xの値が0.1まではオン/オフ比は一桁の数字で殆ど変化せず、xの値が0.2以上ではオン/オフ比が10以上となり、xの値が大きくなるに連れてオン/オフ比が急激に大きくなることが分かる。ここで、xの値が0.1まではオン/オフ比が一桁の数字で殆ど変化しないという現象は、xの値が0.1までは電流抑制素子における電極と電流抑制層が概ねオーム性接触を形成しているためであると考えられる。従って、xの値が0.1までは、オン/オフ比がxの値に依存せず、小さい数字になっているものと考えられる。この実験結果から、電流抑制素子における電極と電流抑制層との間で形成される電位障壁が整流性を示すためには、xの値が0.2以上であることがより一層好ましいと考えられる。
[不揮発性記憶素子、電流抑制素子、およびメモリセルの電圧−電流特性]
図14は、本発明の第1実施形態における不揮発性記憶素子129の電圧−電流特性の一例を示す図である。図14では、内部電極115に対する上部電極113の電位を不揮発性記憶素子129に印加される「電圧」とし、該2つの電極間を流れる電流を不揮発性記憶素子129に流れる「電流」とする。図14では、電圧が線形軸で示され、電流の絶対値が対数軸で示されている。図14に示すように、不揮発性記憶素子129はバイポーラタイプの抵抗変化型記憶素子である。低抵抗状態(例えば100Ω程度)にある不揮発性記憶素子129に正の電圧を印加して行くと、ある時点(図14では約1V)で高抵抗状態(例えば1kΩ程度)へと遷移する。その後は、正の電圧を印加しても抵抗状態は変化しない。一方、高抵抗状態にある不揮発性記憶素子129に負の電圧を印加してゆくと、ある時点(図14では−1.2V程度)で低抵抗状態へと遷移する。その後は、負の電圧を印加しても抵抗状態は変化しない。低抵抗状態から高抵抗状態へと遷移する直前の電圧および電流をそれぞれVrwおよびIwとする。高抵抗状態から低抵抗状態へと遷移した直後の電圧および電流をそれぞれ−Vreおよび−Ieとする。
図15は、本発明の第1実施形態における電流抑制素子116の電圧−電流特性の一例を示す図である。図15では、下部電極117に対する内部電極115の電位を電流抑制素子116に印加される「電圧」とし、該2つの電極間を流れる電流を電流抑制素子116に流れる「電流」とする。図15では、電圧が線形軸で示され、電流の絶対値が対数軸で示されている。本実施形態において、電流抑制素子116は以下のSchottkyダイオードモデルの近似式である以下の式(1)に従うものと仮定する。
Figure 0005197402
式(1)において、Aはリチャードソン定数、Tは絶対温度、qは電荷量、Κはボルツマン定数、φはショットキー障壁、εは誘電率である。
図15に示すように、電流抑制素子116の電圧−電流特性は非線形であって、電圧の絶対値が所定の閾値VF(図15では閾値電圧、0.8V)未満では抵抗が大きく実質的に電流が流れないが、VFを超えると急激に抵抗値が低下して、大きな電流が流れるようになる(ここでは、1μAの電流が流れるときの電圧を閾値VFとする)。通常のダイオードが一方向にのみ電流を流すのに対し、本実施形態の電流抑制素子は、双方向に電流が流れるという特徴を有する。すなわち該電流抑制素子は、両端に印加される電圧の絶対値が所定の閾値を超えると、急激に抵抗値が低下して大きな電流を流すようになるという特性を有する。電流がIwおよびIeのときに電流抑制素子116に印加される電圧をそれぞれVdwおよび−Vdeとする。なお、図15では正電圧における電流の大きさと負電圧における電流の大きさが0Vの軸に対して対称であるように記載されているが、必ずしも対称である必要はない。
図16は、本発明の第1実施形態におけるメモリセル110の電圧−電流特性の一例を示す図である。図16では、下部電極117に対する上部電極113の電位をメモリセル110に印加される「電圧」とし、該2つの電極間を流れる電流をメモリセル110に流れる「電流」とする。図16では、電圧が線形軸で示され、電流の絶対値が対数軸で示されている。メモリセル110の電圧−電流特性は、不揮発性記憶素子129と電流抑制素子116の電圧−電流特性を合成したものである。電流がIwおよび−Ieのときにメモリセル110に印加される電圧をそれぞれVwおよび−Veとすると、以下の式が成り立つ。
Vw=Vrw+Vdw ・・・ (2)
Ve=Vre+Vde ・・・ (3)
図中、IwとIeはほぼ等しいものとして描かれているが、必ずしもIwとIeが一致している必要はない。
本実施形態では、VwおよびVeのいずれよりも絶対値が大きい所定の電圧をVPとして、電圧VPおよび−VPを印加することにより、メモリセル110に含まれる不揮発性記憶素子129の抵抗状態が変化させられる。本実施形態では、低抵抗状態に“1”、高抵抗状態に“0”を対応させることで、データを記録する。正の電圧VPを印加することで、可変抵抗層114の両端には所定の電圧(高抵抗化電圧)が印加され、低抵抗状態にある不揮発性記憶素子129は高抵抗状態へと遷移し、不揮発性記憶素子129に“0”が書き込まれる。負の電圧−VPを印加することで、可変抵抗層114の両端には所定の電圧(低抵抗化電圧:高抵抗化電圧とは極性が異なる)が印加され、高抵抗状態にある不揮発性記憶素子129は低抵抗状態へと遷移し、不揮発性記憶素子129に“1”が書き込まれる。なお、抵抗状態と値との対応関係は逆であってもよい。
本実施形態では、VwおよびVeのいずれよりも絶対値が小さい所定の電圧をVrrとして、電圧Vrr(または−Vrr)を印加することにより、メモリセル110に含まれる不揮発性記憶素子129の抵抗状態が読み出される。
上記において、各記号(Vw、Ieなど)は全て正の値を取るものとして記載したが、発明の本質を逸脱しない限度で各変数の取る値の絶対値や符号を適宜変更しうることは言うまでもない。
[行デコーダ/ドライバの構成]
図17は、本発明の第1実施形態における行デコーダ/ドライバ103のドライバ部分の回路構成の一例を示す回路図である。図に示すように、行デコーダ/ドライバ103のドライバ部分は、行デコーダ(図示せず)からの非選択信号が入力される非選択信号入力線WLD1、WLD2、・・・、WLDmと、非選択信号入力線WLD1、WLD2、・・・、WLDmのそれぞれに接続されたインバータWID1、WID2、・・・、WIDmと、非選択電圧供給線WVDと、非選択電圧供給線WVDに印加されている電圧をワード線WL1、WL2、・・・、WLmに入力する非選択用スイッチ素子WCD1、WCD2、・・・、WCDm(第1の非選択用スイッチ素子)と、行デコーダからの選択信号が入力される選択信号入力線WLS1、WLS2、・・・、WLSmと、選択信号入力線WLS1、WLS2、・・・、WLSmのそれぞれに接続されたインバータWIS1、WIS2、・・・、WISmと、選択電圧供給線WVSと、選択電圧供給線WVSに印加されている電圧をワード線WL1、WL2、・・・、WLmに入力する選択用スイッチ素子WCS1、WCS2、・・・、WCSm(第1の選択用スイッチ素子)と、を備えている。
非選択電圧供給線WVDには、切換えスイッチ120を介して電源回路119から非選択電圧(V3またはV4)が入力される。選択電圧供給線WVSには、切換えスイッチ120を介して電源回路119から選択電圧(V1またはV2)が入力される。
非選択用スイッチ素子WCD1、WCD2、・・・、WCDmは、CMOS型のスイッチ素子であり、それぞれPチャンネル型トランジスタ132とNチャンネル型トランジスタ133とを備える。Pチャンネル型トランジスタ132のゲートは、それぞれインバータWID1、WID2、・・・、WIDmを介して非選択信号入力線WLD1、WLD2、・・・、WLDmと接続されている。Nチャンネル型トランジスタ133のゲートは、それぞれ非選択信号入力線WLD1、WLD2、・・・、WLDmに直接に接続されている。Pチャンネル型トランジスタ132およびNチャンネル型トランジスタ133の一方の主端子(ドレインまたはソース)は非選択電圧供給線WVDと接続され、他方の主端子(ソースまたはドレイン)はワード線WL1、WL2、・・・、WLmと接続されている。
選択用スイッチ素子WCS1、WCS2、・・・、WCSmは、CMOS型のスイッチ素子であり、それぞれPチャンネル型トランジスタ134とNチャンネル型トランジスタ135とを備える。Pチャンネル型トランジスタ134のゲートは、それぞれがインバータWIS1、WIS2、・・・、WISmを介して選択信号入力線WLS1、WLS2、・・・、WLSmと接続されている。Nチャンネル型トランジスタ135のゲートは、それぞれが選択信号入力線WLS1、WLS2、・・・、WLSmに直接に接続されている。Pチャンネル型トランジスタ134およびNチャンネル型トランジスタ135の一方の主端子(ドレインまたはソース)は非選択電圧供給線WVSと接続され、他方の主端子(ソースまたはドレイン)はワード線WL1、WL2、・・・、WLmと接続されている。
行デコーダは、アドレス入力回路108から入力される行アドレス信号と、パルス発生回路118から入力される電気的パルスと、書込み回路105の制御とに基づいて、選択信号入力線WLSおよび非選択信号入力線WLDへ供給する電位を制御する。
以下、抵抗変化型記憶装置100が動作する時間を、パルス発生回路118が電気的パルスを出力している期間(以下、パルス期)とパルス期以外のタイミング(非パルス期)に分けて説明する。非パルス期では、選択信号入力線WLSへ供給する電圧は“L”とされ、非選択信号入力線WLDへ供給する電圧は“H”とされる。パルス期になると、選択ワード線に対応する選択信号入力線WLSへ供給する電圧は“H”とされ、選択ワード線に対応する非選択信号入力線WLDへ供給する電圧は“L”とされる。非選択ワード線に対応する選択信号入力線WLSへ供給する電圧は“L”に維持され、非選択ワード線に対応する非選択信号入力線WLDへ供給する電圧は“H”に維持される。
非パルス期では、それぞれのワード線について選択用スイッチ素子WCSがOFF、非選択用スイッチ素子WCDがONとなる。その結果、それぞれのワード線について非選択電圧(V3またはV4)が印加される。
パルス期では、選択ワード線について、対応する選択用スイッチ素子WCSがON、対応する非選択用スイッチ素子WCDがOFFとなる。その結果、選択用スイッチ素子WCSを介して、選択ワード線へと選択電圧(V1またはV2)が印加される。非選択ワード線については、対応する選択用スイッチ素子WCSがOFF、対応する非選択用スイッチ素子WCDがONに維持される。その結果、非選択用スイッチ素子WCDを介して、非選択ワード線へと非選択電圧(V3またはV4)が印加され続ける。
CMOSが用いられる理由は、選択電圧および非選択電圧がトランジスタにおいて電位降下することなくそのまま出力されるためである。選択電圧および非選択電圧を適宜調整することで、CMOS以外のトランジスタを用いることもできる。
[列デコーダ/ドライバの構成]
図18は、本発明の第1実施形態における列デコーダ/ドライバ104のドライバ部分の回路構成の一例を示す回路図である。図に示すように、列デコーダ/ドライバ104のドライバ部分は、列デコーダ(図示せず)からの非選択信号が入力される非選択信号入力線BLD1、BLD2、・・・、BLDnと、非選択信号入力線BLD1、BLD2、・・・、BLDnのそれぞれに接続されたインバータBID1、BID2、・・・、BIDnと、非選択電圧供給線BVDと、非選択電圧供給線BVDに印加されている電圧をビット線BL1、BL2、・・・、BLnに入力する非選択用スイッチ素子BCD1、BCD2、・・・、BCDn(第2の非選択用スイッチ素子)と、列デコーダからの選択信号が入力される選択信号入力線BLS1、BLS2、・・・、BLSnと、選択信号入力線BLS1、BLS2、・・・、BLSnのそれぞれに接続されたインバータBIS1、BIS2、・・・、BISnと、選択電圧供給線BVSと、選択電圧供給線BVSに印加されている電圧をビット線BL1、BL2、・・・、BLnに入力する選択用スイッチ素子BCS1、BCS2、・・・、BCSn(第2の選択用スイッチ素子)と、を備えている。
非選択電圧供給線BVDには、切換えスイッチ120を介して電源回路119から非選択電圧(V3またはV4)が入力される。選択電圧供給線BVSには、切換えスイッチ120を介して電源回路119から選択電圧(V1またはV2)が入力される。
非選択用スイッチ素子BCD1、BCD2、・・・、BCDnは、CMOS型のスイッチ素子であり、それぞれPチャンネル型トランジスタ136とNチャンネル型トランジスタ137とを備える。Pチャンネル型トランジスタ136のゲートは、それぞれインバータBID1、BID2、・・・、BIDnを介して非選択信号入力線BLD1、BLD2、・・・、BLDnと接続されている。Nチャンネル型トランジスタ137のゲートは、それぞれ非選択信号入力線BLD1、BLD2、・・・、BLDnに直接に接続されている。Pチャンネル型トランジスタ136およびNチャンネル型トランジスタ137の一方の主端子(ドレインまたはソース)は非選択電圧供給線BVDと接続され、他方の主端子(ソースまたはドレイン)はビット線BL1、BL2、・・・、BLnと接続されている。
選択用スイッチ素子BCS1、BCS2、・・・、BCSnは、CMOS型のスイッチ素子であり、それぞれPチャンネル型トランジスタ138とNチャンネル型トランジスタ139とを備える。Pチャンネル型トランジスタ138のゲートは、それぞれがインバータBIS1、BIS2、・・・、BISnを介して選択信号入力線BLS1、BLS2、・・・、BLSnと接続されている。Nチャンネル型トランジスタ139のゲートは、それぞれが選択信号入力線BLS1、BLS2、・・・、BLSnに直接に接続されている。Pチャンネル型トランジスタ138およびNチャンネル型トランジスタ139の一方の主端子(ドレインまたはソース)は非選択電圧供給線BVSと接続され、他方の主端子(ソースまたはドレイン)はビット線BL1、BL2、・・・、BLnと接続されている。
列デコーダは、アドレス入力回路108から入力される列アドレス信号と、パルス発生回路118から入力される電気的パルスと、書込み回路105の制御とに基づいて、選択信号入力線BLSおよび非選択信号入力線BLDへ供給する電位を制御する。
非パルス期では、選択信号入力線BLSへ供給する電圧は“L”とされ、非選択信号入力線BLDへ供給する電圧は“H”とされる。パルス期になると、選択ビット線に対応する選択信号入力線BLSへ供給する電圧は“H”とされ、選択ビット線に対応する非選択信号入力線BLDへ供給する電圧は“L”とされる。非選択ビット線に対応する選択信号入力線BLSへ供給する電圧は“L”に維持され、非選択ビット線に対応する非選択信号入力線BLDへ供給する電圧は“H”に維持される。
非パルス期では、それぞれのワード線について選択用スイッチ素子BCSがOFF、非選択用スイッチ素子BCDがONとなる。その結果、それぞれのワード線について非選択電圧(V3またはV4)が印加される。
パルス期では、選択ビット線について、対応する選択用スイッチ素子BCSがON、対応する非選択用スイッチ素子BCDがOFFとなる。その結果、選択用スイッチ素子BCSを介して、選択ビット線へと選択電圧(V1またはV2)が印加される。非選択ビット線については、対応する選択用スイッチ素子BCSがOFF、対応する非選択用スイッチ素子BCDがONに維持される。その結果、非選択用スイッチ素子BCDを介して、非選択ビット線へと非選択電圧(V3またはV4)が印加され続ける。
CMOSが用いられる理由は、選択電圧および非選択電圧がトランジスタにおいて電位降下することなくそのまま出力されるためである。選択電圧および非選択電圧を適宜調整することで、CMOS以外のトランジスタを用いることもできる。
[電源回路の構成]
図19は、第1電源121の回路構成の一例を示す回路図である。図に示すように、第1電源121は、オペアンプ130と基準電圧発生器131とを備えている。基準電圧発生器131は、周知の方法により、第1の電圧V1を基準電圧として出力するように構成されている。オペアンプ130の入力の一方に基準電圧発生器131の出力を接続し、オペアンプ130の入力端子の他方にオペアンプ130の出力を入力(フィードバック)することにより、基準電圧発生器131が出力する基準電圧に電圧が等しい電源(定電圧電源)が実現される。
第2電源122、第3電源123、第4電源124も、基準電圧発生器の出力する電圧を適宜調整することにより、同様の構成で実現可能である。
第1電源121、第2電源122、第3電源123、第4電源124において、それぞれの基準電圧発生器が出力する電圧V1、V2、V3、V4はそれぞれ大きさの異なる電圧である。さらに、V1乃至V4の値は各動作モード(後述)に応じて異なる。例えば、V1について複数の値が設定され、制御回路109の制御に基づき、動作モードに応じて、該複数の値から特定の値がスイッチング素子などにより選択されてもよい。電圧の設定方法としては、例えば電圧をマスク調整する電圧調整回路を用いるものや、電圧をヒューズ調整する電圧調整回路を用いるものなど、周知の方法が利用できる。これらの電圧調整回路は、一般には、基準電圧発生器131の中に構成される。第1電源121、第2電源122、第3電源123、第4電源124が出力電圧を切り替え可能に構成されていてもよい。第1電源121、第2電源122、第3電源123、第4電源124が複数の電圧発生器を備えていてもよい。
[動作]
図20は、本発明の第1実施形態においてワード線およびビット線に印加される電圧の一例を示すタイミングチャートであり、それぞれ(a)消去モード、(b)プログラムモード、(c)読出しモード、(d)スタンバイモード、の各動作モードを示す。
以下、図面を参照しつつ、本実施形態の抵抗変化型記憶装置100の動作について説明する。
1.データ書込み動作
データ書込み動作について以下説明する。本実施形態において、データ書込み動作は、消去モードでの書込みとプログラムモードでの書込みという、2つの動作モードでの書込みが順次実行されることにより行われる。消去モードにおいてデータを書き込むべきメモリセルの抵抗状態が高抵抗状態(“0”)に揃えられる。その後、プログラムモードにおいて低抵抗状態(“1”)を書き込むべきメモリセルについてのみ電気的パルスが印加されてそれらのメモリセルの抵抗状態が低抵抗状態へ変化し、データの書込みが完了する。
本実施形態において、データ書込み動作時にV1乃至V4は以下の式を満たす。なお、式中の変数は電圧であって、すべて0以上の数とする。
V1>V2 ・・・ (4)
V1−V2=VP ・・・ (5)
VP>Vw ・・・ (6)
VP>Ve ・・・ (7)
V4>V3 ・・・ (8)
V4−V2=(2/3)×VP ・・・ (9)
V3−V2=(1/3)×VP ・・・ (10)
データ書込み動作時には、以上の式を満たすように、制御回路109の制御により、V1乃至V4が設定される。なお、式(5)はVPの定義であって、消去モードおよびプログラムモードにおけるV1とV2との差分をVPと定義する。式(6)および(7)に示すように、VPの絶対値はVwおよびVeのいずれよりも十分大きい電圧に設定される。不揮発性記憶素子129の抵抗状態が確実に変化するようにするためである。
(1)消去モード
データ書込み動作においては、最初に、消去モードに入ることを示す信号が外部の制御装置から制御回路109へと入力される。制御回路109は、V1乃至V4が上述の条件を満たすように第1電源121と第2電源122と第3電源123と第4電源124とを制御した後、切換えスイッチ120を制御する。第1電源121は列デコーダ/ドライバ104の選択電圧供給線BVSに接続される。第2電源122は行デコーダ/ドライバ103の選択電圧供給線WVSに接続される。第3電源123は列デコーダ/ドライバ104の非選択電圧供給線BVDに接続される。第4電源124は行デコーダ/ドライバ103の非選択電圧供給線WVDに接続される。設定された切換えスイッチ120の状態は、消去モードを通じて一定に維持される。
切換えスイッチ120の切換えが終わると、外部の制御装置からアドレス入力回路108へと、データを書き込むべきメモリセルのアドレスが順次入力される。アドレスの入力と同期して、制御回路109はパルス発生回路118を制御して、書込みパルスを行デコーダ/ドライバ103および列デコーダ/ドライバ104へと入力する。消去モードにおける書込みパルスの周期はtEである。
アドレス入力回路108は、入力されたアドレスに基づいて、行アドレスデータおよび列アドレスデータをそれぞれ行デコーダ/ドライバ103および列デコーダ/ドライバ104へ入力する。
書込み回路105は、消去モードにおいて、書き込み用の電圧を印加すべき旨を示す信号を行デコーダ/ドライバ103および列デコーダ/ドライバ104に常時入力するように、制御回路109により制御される。
行デコーダ/ドライバ103の行デコーダは、非パルス期において、全てのワード線について非選択用スイッチ素子WCD1、WCD2、・・・、WCDnをON、選択用スイッチ素子WCS1、WCS2、・・・、WCSnをOFFにする。かかる動作により、非パルス期において、全てのワード線は非選択電圧供給線WVDを介して第4電源124に接続されることとなる。その結果、全てのワード線に第4の電圧V4が供給される。
行デコーダ/ドライバ103の行デコーダは、パルス期において、選択ワード線(アドレス入力回路108から入力された行アドレスに対応するワード線)についてのみ、対応する非選択用スイッチ素子WCDをOFF、選択用スイッチ素子WCSをONにする。かかる動作により、パルス期において、選択ワード線は選択電圧供給線WVSを介して第2電源122に接続されることとなる。その結果、選択ワード線にのみ第2の電圧V2が供給される。
列デコーダ/ドライバ104の列デコーダは、非パルス期において、全てのビット線について非選択用スイッチ素子BCD1、BCD2、・・・、BCDnをON、選択用スイッチ素子BCS1、BCS2、・・・、BCSnをOFFにする。かかる動作により、非パルス期において、全てのビット線は非選択電圧供給線BVDを介して第3電源123に接続されることとなる。その結果、全てのビット線に第3の電圧V3が供給される。
列デコーダ/ドライバ104の列デコーダは、パルス期において、選択ビット線(アドレス入力回路108から入力された列アドレスに対応するビット線)についてのみ、対応する非選択用スイッチ素子BCDをOFF、選択用スイッチ素子BCSをONにする。かかる動作により、パルス期において、選択ビット線は選択電圧供給線WVSを介して第1電源121に接続されることとなる。その結果、選択ビット線にのみ第1の電圧V1が供給される。
かかる動作により消去モードでは、データを書き込むべきメモリセル110の全てについて、順次、対応するワード線にV2が供給されると同時に対応するビット線にV1が供給される。その結果、メモリセル110に正の電圧VPが印加され、不揮発性記憶素子129が低抵抗状態から高抵抗状態へと遷移する(“0”が書き込まれる)。データを書き込むべき全てのメモリセルについて高抵抗状態への遷移が完了すると、消去モードは終了する。
図20(a)では、メモリセルMC11とメモリセルMC21について、書き込まれているデータを順次消去する(“0”にする)場合を示している。図に示すように、非パルス期には、ワード線WLにはV4が、ビット線BLにはV3が印加される。パルス期には、選択ワード線(MC11およびMC21のいずれについてもWL1)にV2が印加され、選択ビット線(MC11についてはBL1、MC21についてはBL2)にV1が印加される。非選択ワード線(MC11およびMC21のいずれについてもWL2)および非選択ビット線(MC11についてはBL2、MC21についてはBL1)に印加される電圧は、パルス期においても、それぞれV4およびV3のまま変わらない。かかる動作により、メモリセルMC11とメモリセルMC21に対し順次電圧VPが印加され、いずれもメモリセルも低抵抗状態となる。
本実施形態において不揮発性記憶素子129はいわゆる上書きが可能である。すなわち、すでに高抵抗状態にある不揮発性記憶素子129に正の電圧VPを印加しても抵抗値は変化しない。連続して正の電圧VPを印加した後でも、負の電圧−VPを印加すれば確実に低抵抗状態へと遷移する。かかる特性により、事前の読出しは不要である。不揮発性記憶素子129の特性によっては上書きができない場合がある。かかる場合には事前に読み出して、抵抗状態を変化させる必要がある場合にだけ、所定の電気的パルスを印加すればよい。いずれも場合においても本発明は有効である。
(2)プログラムモード
消去モードが終了すると、プログラムモードに入ることを示す信号が外部の制御装置から制御回路109へと入力される。制御回路109は切換えスイッチ120を制御する。第1電源121は行デコーダ/ドライバ103の選択電圧供給線WVSに接続される。第2電源122は列デコーダ/ドライバ104の選択電圧供給線BVSに接続される。第3電源123は行デコーダ/ドライバ103の非選択電圧供給線WVDに接続される。第4電源124は列デコーダ/ドライバ104の非選択電圧供給線BVDに接続される。設定された切換えスイッチ120の状態は、プログラムモードを通じて一定に維持される。電源回路109の出力電圧(V1乃至V4)は消去モードと同様である。
切換えスイッチ120の切換えが終わると、外部の制御装置からアドレス入力回路108へと、データを書き込むべきメモリセルのアドレスが順次入力される。アドレスの入力と同期して、制御回路109はパルス発生回路118を制御して、書込みパルスを行デコーダ/ドライバ103および列デコーダ/ドライバ104へと入力する。プログラムモードにおける書込みパルスの周期はtPである。tPは必ずしもtEと等しくなくても良い。
アドレス入力回路108は、入力されたアドレスに基づいて、行デコーダ/ドライバ103および列デコーダ/ドライバ104へそれぞれ行アドレスデータおよび列アドレスデータを入力する。
書込み回路105は、プログラムモードにおいて、データ入出力回路107を介して外部の制御装置から書込みデータを受け取る。書込み回路105は、書き込みデータが“1”であるときだけ(選択されたメモリセルに含まれる不揮発性記憶素子の抵抗状態を低抵抗状態へと変化させるべきときだけ)、書き込み用の電圧を印加すべき旨を示す信号を、行デコーダ/ドライバ103および列デコーダ/ドライバ104に入力する。
行デコーダ/ドライバ103の行デコーダは、非パルス期において、全てのワード線について非選択用スイッチ素子WCD1、WCD2、・・・、WCDnをON、選択用スイッチ素子WCS1、WCS2、・・・、WCSnをOFFにする。かかる動作により、非パルス期において、全てのワード線は非選択電圧供給線WVDを介して第3電源123に接続されることとなる。その結果、全てのワード線に第3の電圧V3が供給される。
行デコーダ/ドライバ103の行デコーダは、パルス期において、書込み回路105から書き込み用の電圧を印加すべき旨を示す信号が入力されている場合には、選択ワード線についてのみ、対応する非選択用スイッチ素子WCDをOFF、選択用スイッチ素子WCSをONにする。かかる動作により、対応するメモリセルに“1”を書き込むべき場合(対応する不揮発性記憶素子の抵抗状態絵を変化させるべき場合)にのみ、選択ワード線は選択電圧供給線WVSを介して第1電源121に接続され、第1の電圧V1が供給される。
列デコーダ/ドライバ104の列デコーダは、非パルス期において、全てのビット線について非選択用スイッチ素子BCD1、BCD2、・・・、BCDnをON、選択用スイッチ素子BCS1、BCS2、・・・、BCSnをOFFにする。かかる動作により、非パルス期において、全てのビット線は非選択電圧供給線BVDを介して第4電源124に接続されることとなる。その結果、全てのビット線に第4の電圧V4が供給される。
列デコーダ/ドライバ104の列デコーダは、パルス期において、書込み回路105から書き込み用の電圧を印加すべき旨を示す信号が入力されている場合には、選択ビット線についてのみ、対応する非選択用スイッチ素子BCDをOFF、選択用スイッチ素子BCSをONにする。かかる動作により、対応するメモリセルに“1”を書き込むべき場合にのみ、選択ビット線は選択電圧供給線WVSを介して第2電源122に接続され、第2の電圧V2が供給される。
かかる動作によりプログラムモードでは、“1”を書き込むべきメモリセル110についてのみ、順次、対応するワード線にV1が供給されると同時に対応するビット線にV2が供給される。その結果、該メモリセル110に負の電圧−VPが印加され、不揮発性記憶素子129が高抵抗状態から低抵抗状態へと遷移する(“1”が書き込まれる)。“1”を書き込むべき全てのメモリセルについて低抵抗状態への遷移が完了すると、プログラムモードは終了し、書込み動作が完了する。
図20(b)では、メモリセルMC11に“1”を、メモリセルMC21について“0”を書き込む場合を示している。図に示すように、非パルス期には、ワード線WLにはV3が、ビット線BLにはV4が印加される。まずメモリセルMC11について検討する。パルス期には、選択ワード線(WL1)にはV1が印加され、選択ビット線(BL1)にはV2が印加される。非選択ワード線(WL2)および非選択ビット線(BL2)に印加される電圧は、パルス期においても、それぞれV3およびV4のまま変わらない。かかる動作により、メモリセルMC11に対して電圧VPが印加され、メモリセルMC11は高抵抗状態となる。
メモリセルMC12について検討する。メモリセルMC12にデータを書き込むタイミングでは、書き込みデータとして“0”が入力される。“0”が入力された場合、書き込み用の電圧を印加すべき旨を示す信号は、書込み回路105から行デコーダ/ドライバ103および列デコーダ/ドライバ104に入力されない。行デコーダ/ドライバ103の行デコーダおよび列デコーダ/ドライバ104の列デコーダは、パルス発生回路118から書込みパルスを受け取っても選択用スイッチ素子WCS、BCSをONにしない。かかる動作により、メモリセルMC21に対しては電圧VPは印加されず、メモリセルMC11は低抵抗状態のまま変化しない。
消去モードでデータを書き込むべきメモリセルの全てについて“1”が書込まれ、プログラムモードで“0”を書き込むべきメモリセルのみについて“0”が書き込まれても良い。
2.データ読出し動作
データ読出し動作(読出しモード)について説明する。本実施形態において、データ読出し動作時にV1乃至V4は以下の式を満たす。なお、式中の変数は電圧であって、すべて0以上の数とする。
V1>V2 ・・・ (11)
V1−V2=Vrr ・・・ (12)
Vrr<Vw ・・・ (13)
Vrr<Ve ・・・ (14)
V4>V3 ・・・ (15)
V4−V2=(2/3)×Vrr ・・・ (16)
V3−V2=(1/3)×Vrr ・・・ (17)
データ読出し動作時には、以上の式を満たすように、制御回路109の制御により、V1乃至V4が設定される。なお、式(12)はVrrの定義であって、読出しモードにおけるV1とV2との差分をVrrと定義する。Vrrは読出し時にメモリセル110に印加される電圧である。式(13)および(14)に示すように、Vrrの絶対値はVwおよびVeのいずれよりも十分小さい電圧に設定される。不揮発性記憶素子129の抵抗状態が変化しないようにするためである。
データ読出し動作においては、最初に、データ読出しモードに入ることを示す信号が外部の制御装置から制御回路109へと入力される。制御回路109は、V1乃至V4が上述の条件を満たすように第1電源121と第2電源122と第3電源123と第4電源124とを制御した後、切換えスイッチ120を制御する。第1電源121は列デコーダ/ドライバ104の選択電圧供給線BVSに接続される。第2電源122は行デコーダ/ドライバ103の選択電圧供給線WVSに接続される。第3電源123は列デコーダ/ドライバ104の非選択電圧供給線BVDに接続される。第4電源124は行デコーダ/ドライバ103の非選択電圧供給線WVDに接続される。設定された切換えスイッチ120の状態は、データ読出しモードを通じて一定に維持される。
切換えスイッチ120の切換えが終わると、外部の制御装置からアドレス入力回路108へと、データを読み出すべきメモリセルのアドレスが順次入力される。アドレスの入力と同期して、制御回路109はパルス発生回路118を制御して、読出しパルスを行デコーダ/ドライバ103および列デコーダ/ドライバ104へと入力する。読出しモードにおける読み出し用の電気的パルス(読出しパルス)の周期はtRである。tRは必ずしもtEまたはtPと等しくなくても良い。本実施形態では、読出しパルスが外部から入力される。
アドレス入力回路108は、入力されたアドレスに基づいて、行デコーダ/ドライバ103および列デコーダ/ドライバ104へそれぞれ行アドレスデータおよび列アドレスデータを入力する。
書込み回路105は、読出しモードにおいて、読出し用の電圧を印加すべき旨を示す信号を行デコーダ/ドライバ103および列デコーダ/ドライバ104に常時入力するように、制御回路109により制御される。
行デコーダ/ドライバ103の行デコーダは、非パルス期において、全てのワード線について非選択用スイッチ素子WCD1、WCD2、・・・、WCDnをON、選択用スイッチ素子WCS1、WCS2、・・・、WCSnをOFFにする。かかる動作により、非パルス期において、全てのワード線は非選択電圧供給線WVDを介して第4電源124に接続されることとなる。その結果、全てのワード線に第4の電圧V4が供給される。
行デコーダ/ドライバ103の行デコーダは、パルス期において、選択ワード線についてのみ、対応する非選択用スイッチ素子WCDをOFF、選択用スイッチ素子WCSをONにする。かかる動作により、パルス期において、選択ワード線は選択電圧供給線WVSを介して第2電源122に接続されることとなる。その結果、選択ワード線にのみ第2の電圧V2が供給される。
列デコーダ/ドライバ104の列デコーダは、非パルス期において、全てのビット線について非選択用スイッチ素子BCD1、BCD2、・・・、BCDnをON、選択用スイッチ素子BCS1、BCS2、・・・、BCSnをOFFにする。かかる動作により、非パルス期において、全てのビット線は非選択電圧供給線BVDを介して第3電源123に接続されることとなる。その結果、全てのビット線に第3の電圧V3が供給される。
列デコーダ/ドライバ104の列デコーダは、パルス期において、選択ビット線についてのみ、対応する非選択用スイッチ素子BCDをOFF、選択用スイッチ素子BCSをONにする。かかる動作により、パルス期において、選択ビット線は選択電圧供給線WVSを介して第1電源121に接続されることとなる。その結果、選択ビット線にのみ第1の電圧V1が供給される。
かかる動作により読出しモードでは、データを読み出すべきメモリセル110の全てについて、順次、対応するワード線にV2が供給されると同時に対応するビット線にV1が供給される。その結果、メモリセル110に正の電圧Vrrが印加され、不揮発性記憶素子129の抵抗状態に応じて所定の電流が選択ビット線に流れる。センスアンプ106は、該電流に基づいて、選択されたメモリセル110に書き込まれている値が“1”か“0”かを判定する。判定結果はデータ入出力回路107を介して外部へと出力される。データを読み出すべき全てのメモリセルについてデータの読出しが完了すると、読出しモードは終了する。
図20(c)では、メモリセルMC11およびMC21から順次データを読み出す場合を示している。図に示すように、非パルス期には、ワード線WLにはV4が、ビット線BLにはV3が印加される。パルス期には、選択ワード線(MC11およびMC21のいずれについてもWL1)にV2が印加され、選択ビット線(MC11についてBL1、MC21についてBL2)にV1が印加される。非選択ワード線(MC11およびMC21のいずれについてもWL2)および非選択ビット線(MC11についてBL2、MC21についてBL1)に印加される電圧は、パルス期においても、それぞれV4およびV3のまま変わらない。かかる動作により、メモリセルMC11およびメモリセルMC21に対し順次電圧Vrrが印加され、センスアンプ106によりデータが読み出される。
3.スタンバイ動作
スタンバイ動作について以下説明する。本実施形態において、スタンバイ動作時にV1乃至V4は以下の式を満たす。なお、式中の変数は電圧であって、すべて0以上の数とする。
V1=(1/2)×Vrr ・・・ (18)
V2=(1/2)×Vrr ・・・ (19)
V3=(1/2)×Vrr ・・・ (20)
V4=(1/2)×Vrr ・・・ (21)
スタンバイ動作時には、以上の式を満たすように、制御回路109の制御により、V1乃至V4が設定される。Vrrは読出しモードにおけるVrrと同じ値としてよい。
データの書込みも読出しも不要である場合、スタンバイモードに入ることを示す信号が外部の制御装置から制御回路109へと入力される。制御回路109は、電源回路119の出力電圧を上述の条件を満たす値へと設定する。
スタンバイモードにおいては、アドレスやデータの入力は行われず、全てのワード線およびビット線の電位が(1/2)×Vrrに維持される。
図20(d)では、スタンバイモードにおけるワード線WL1、WL2およびビット線BL1、BL2の電位を示している。図に示すように、スタンバイモードにおいては、全てのワード線およびビット線の電位は(1/2)×Vrrで一定である。
[効果]
図21は、本発明の第1実施形態において、ビット線BL1とワード線WL1とに接続されたメモリセルMC11を選択した場合のメモリアレイ102の等価回路図である。以下、図面を参照しつつ、本実施形態の構成がもたらす効果について説明する。
図に示すように、選択メモリセルMC11は、ビット線BL1とワード線WL1との間を接続している。しかしながら、ビット線BL1とワード線WL1とを接続する経路は、1個のメモリセルMC11のみを経由する経路(以下、主経路)以外にも多数存在する。以下、主経路以外の経路につき説明する。
ビット線BL1に接続されているメモリセルは、メモリセルMC11以外に、ビット線BL1とワード線WLi(i=2〜m)との交点に対応するメモリセルMC12、MC13、・・・、MC1mがある。これらのメモリセルを以下、第1非選択メモリセル群150と呼ぶ。第1非選択メモリセル群150に属するメモリセルの個数は(m−1)個である。
ワード線WL1に接続されているメモリセルは、メモリセルMC11以外に、ワードWL1とビット線WLj(j=2〜n)の交点に対応するメモリセルMC21、MC31、・・・、MCn1がある。これらのメモリセルを以下、第3非選択メモリセル群154と呼ぶ。第3非選択メモリセル群154に属するメモリセルの個数は(n−1)個である。
第1非選択メモリセル群150から取り出したメモリセルをメモリセルMC1iとし、第3非選択メモリセル群154から取り出したメモリセルをメモリセルMCj1とするとき、メモリセルMC1iが接続されているワード線WLiとメモリセルj1が接続されているビット線BLjの交点に対応して、メモリセルMCjiが特定される。これらのメモリセルMCjiを以下、第2非選択メモリセル群152と呼ぶ。第2非選択メモリセル群152に属するメモリセルの個数は(m−1)×(n−1)個である。
ビット線BL1とワード線WL1とを接続する経路であってメモリセル3個を経由するもの(以下、副経路)は、第2非選択メモリセル群152に属するメモリセルのそれぞれに対応して1個ずつ存在する。副経路は、ビット線BL1、メモリセルMC1i、ワード線WLi(非選択ワード線に対応するノード151)、メモリセルMCji、ビット線BLj(非選択ビット線に対応するノード153)、メモリセルMCj1、ワード線WL1をこの順に接続する。副経路の個数は(m−1)×(n−1)個である。
より具体的に説明すれば以下の通りである。第1非選択メモリセル群150からメモリセルMC12を取り出したとする。第3非選択メモリセル群154からメモリセルMC31を取り出す。メモリセルMC12はワード線WL2に接続されている。メモリセル31はビット線BL3に接続されている。ワード線WL2とビット線BL3に対応して、第2非選択メモリセル群152に属するメモリセルMC32が特定される。メモリセルMC12、MC32、MC31からなる3個1組のメモリセルに対応して、ビット線BL1とワード線WL1とを接続する経路を考えることができる。すなわち、ビット線BL1、メモリセルMC12、ワード線WL2、メモリセルMC32、ビット線BL3、メモリセルMC31、ワード線WL1がこの順に接続された経路が存在する。
それぞれの経路の抵抗値と各経路を流れる電流を考える。配線抵抗および電極の抵抗は無視できるものと仮定する。各経路の抵抗値は、メモリセルに含まれる不揮発性記憶素子129および電流抑制素子116の抵抗値の合計に等しい。各メモリセルに含まれる電流抑制素子116の抵抗値は、図15に示すように、電流抑制素子116に印加される電圧によって異なる。電流抑制素子116に印加される電圧は、不揮発性記憶素子129の抵抗状態によっても異なるため、具体的に特定することは困難である。しかしながら図15に示すように、たとえ電流抑制素子116に印加される電圧が低くても電流抑制素子116の抵抗値は無限大ではなく、微小であっても電流は流れることに留意すべきである。
各経路の抵抗値を比べれば、通常、主経路の抵抗値が最も小さくなる。しかしながら、主経路に含まれるメモリセルMC11の不揮発性記憶素子129が高抵抗状態にあり、副経路に含まれる不揮発性記憶素子129がいずれも低抵抗状態にある場合には、副経路であっても、主経路と比較して相対的に抵抗値がそれほど高くならないこともありうる。副経路に含まれる電流抑制素子116は、印加される電圧が、主経路に含まれる電流抑制素子116よりも小さく、抵抗値は高くなる。その結果、副経路の抵抗値が相対的に高くなる。しかしながら、上述のようにかかる効果は完全ではないから、副経路にもある程度の電流は流れる。副経路の数は(m−1)×(n−1)個である。メモリアレイ102の規模が大きくなるほど副経路の数は多くなり、副経路を流れる電流が無視できなくなる。
5個以上のメモリセルを経由する経路を考えることもできる。それらの経路については、3個のメモリセルを経由する経路よりもさらに抵抗値が高くなり、流れる電流も小さくなる。以下の議論では、5個以上のメモリセルを経由する経路は無視する。
以下、メモリセルMC11に対する書込み動作および読出し動作を例に説明する。
メモリセルMC11に書込みを行う場合、メモリセルMC11に所定の電圧を印加して所定の電流を流す必要がある。ワード線WL1およびビット線BL1の間を流れる電流は、主経路を流れる電流に副経路を流れる電流を加えたものになる。副経路の数が多くなると、副経路を流れる電流が無視できなくなる。副経路を流れる電流が無視できなくなると、書込みを行うための選択電源(第1電源121および第2電源122)の容量や応答速度等が不足し、十分な電圧をメモリセルMC11に印加できなくなる場合がある。その結果、書込み動作の信頼性が低下するなどの問題が生じうる。
メモリセルMC11に書き込まれたデータを読み出す場合、メモリセルMC11に所定の電圧を印加し、メモリセルMC11(あるいは主経路)を流れる電流を検出する必要がある。ワード線WL1およびビット線BL1の間を流れる電流は、主経路を流れる電流に副経路を流れる電流を加えたものになる。副経路の数が多くなると、副経路を流れる電流が無視できなくなる。その結果、主経路を流れる電流を精度良く検出することができなくなり、読出し動作の信頼性が低下するなどの問題が生じうる。
選択ビット線に印加される電圧をVB、選択ワード線に印加される電圧をVWとして、非選択ビット線および非選択ワード線にVBとVWの丁度中間の電圧(VB+VW)/2(以下、中間電圧)を印加した場合を考える。
図22は、図1の構成において非選択ビット線および非選択ワード線に中間電圧を印加した場合の、ワード線およびビット線に印加される電圧の一例を示すタイミングチャートであり、それぞれ(a)消去モード、(b)プログラムモード、(c)読出しモード、(d)スタンバイモード、の各動作モードを示す。消去モードではデータを書き込むべきメモリセルに順次、正の電圧VPが印加される一方で、第1非選択セル群および第3非選択セル群に属するメモリセルには正の電圧VP/2が印加される。プログラムモードでは“1”を書き込むべきメモリセルに順次、負の電圧−VPが印加される一方で、第1非選択セル群および第3非選択セル群に属するメモリセルには負の電圧−VP/2が印加される。読出しモードではデータを読み出すべきメモリセルに順次、正の電圧Vrrが印加される一方で、第1非選択セル群および第3非選択セル群に属するメモリセルには正の電圧Vrr/2が印加される。以上のように、非選択ビット線および非選択ワード線に中間電圧を印加した場合、第1非選択セル群および第3非選択セル群のいずれに属するメモリセルにも、絶対値が選択メモリセルの半分である電圧が印加される。
図22(a)においてパルス期にビット線およびワード線のそれぞれに印加される電圧および各メモリセルに印加される電圧の一例を表2に示す。表2に示すように、非選択ビット線および非選択ワード線に中間電圧を印加した場合には、非選択メモリセルのうち選択ビット線にも選択ワード線にも接続されていないものに印加される電圧は0である一方で、非選択メモリセルのうち選択ビット線および選択ワード線のいずれか一方に接続されているものに印加される電圧はVP/2である。
Figure 0005197402
本実施形態では、非選択ビット線にはVMよりもVWに近い電圧を印加し、非選択ワード線にはVMよりもVBに近い電圧を印加する。図20に示すように、本実施形態において第1非選択セル群および第3非選択セル群に属するメモリセルに印加される電圧は、消去モードにおいては正の電圧VP/2よりも低く(絶対値は小さく)なり、プログラムモードにおいては負の電圧−VP/2よりも高く(絶対値は小さく)なり、読出しモードにおいては正の電圧Vrr/2よりも低く(絶対値は小さく)なる。
図20(a)においてパルス期にビット線およびワード線のそれぞれに印加される電圧および各メモリセルに印加される電圧の一例を表3に示す。表3に示すように、本実施形態では、いずれの非選択メモリセルに対しても、印加される電圧はVP/3となる。
Figure 0005197402
メモリアレイの規模が大きい場合、非選択ビット線および非選択ワード線に中間電圧を印加する場合(図22および表2)、副経路を流れる電流が無視できなくなり、書込み動作や読出し動作の信頼性が低下するなどの問題が生じうる。非選択ビット線および非選択ワード線の電圧を本実施形態のように制御した場合(図20および表3)には、非選択ビット線および非選択ワード線に中間電圧を印加する場合と比較して、副経路を流れる電流を小さくすることができ、書込み動作や読出し動作の信頼性を向上することが可能となる。
図23は、本発明の第1実施形態の抵抗変化型記憶装置において、選択ビット線と選択ワード線とにそれぞれ2Vと0Vとを印加した場合に、非選択ワード線の電位と副経路を流れる電流の合計値との関係を示す図である。図では、一本のビット線に32個のメモリセルが接続されている場合(ケース1)と、一本のビット線に256個のメモリセルが接続されている場合(ケース2)とが示されている。図に示すように、非選択ワード線の電位が2Vに近づくほど、副経路を流れる電流は小さくなる。メモリアレイの規模が大きくなる(ケース2)は、メモリアレイの規模が小さい場合(ケース1)よりも副経路を流れる電流が大きくなる。かかる場合においても、非選択ワード線に印加される電圧を選択ビット線の電位(2V)により近づけることで、副経路を流れる電流を小さくすることができ、書込み動作や読出し動作の信頼性を向上することが可能となる。
図23において、V1=+2V、V2=0Vとすれば、V3=+4/3V=+1.33V、V4=+2/3V=+0.66Vであり、V3−V2=0.66Vであるから、V3−V2<VF(なお、VF=+0.8V)を満たす。
なお、非選択ワード線の電位が2Vに近づくほど、非選択ワード線と非選択ビット線との間を流れる電流が大きくなり、非選択電源(第3電源123および第4電源124)への負荷が大きくなる。すなわち、非選択電源への負荷を大きくする代わりに選択電源への負荷を小さくすることで、書込み動作および読出し動作の信頼性が向上する。
[変形例]
消去モードとプログラムモードにおいて、第1電源121乃至第4電源124が出力する電圧が異なっていてもよい。V4は(V1+V2)/2より大きければよく、V3は(V1+V2)/2より小さければよい。電流抑制素子116の閾値(閾値電圧)をVFとして、V1−V4<VFまたはV3−V2<VFを満たすことが好ましい。V1−V4<VFかつV3−V2<VFを満たすことがより好ましい。
V4の電圧がV1の電圧に近づくほど、V1が印加された配線とV4が印加された配線との間を接続する副経路を流れる電流は小さくなる。また同様に、V3の電圧がV2の電圧に近づくほど、V2が印加された配線とV3が印加された配線との間を接続する副経路を流れる電流は小さくなる。
副経路を流れる電流量をどの程度まで削減するのが好ましいかを考える場合には、選択セルを流れる電流とアレイ規模との関係が重要である。選択セルを流れる電流量がどの程度か(あるいは必要か)、また、アレイの規模をどの程度まで大きくすることができるか、といった、素子特性やアレイ設計に対して、何らかの基準が必要となる。本実施形態の場合、電流抑制素子の閾値VFを利用することで、メモリセル特性の設計検討が可能となる。また、(V1−V4)<VF、(V3−V2)<VFを満たすようにすることで、電流抑制素子の効果により、副経路を流れる電流量を極めて少なく(実質的にゼロに)できる。VFを利用すれば、最適なアレイ設計(読み出しや書込み時を考慮したアレイ規模及びその構成)を容易に実現できる。メモリセルからアレイの規模や構成を含め、設計が明確かつ効率的に出来る様になり、より高性能かつ小面積な抵抗変化型不揮発性記憶装置が実現可能となる。
特に、副経路を流れる電流(リーク電流)の影響を効果的に抑制することができ、大容量のメモリにおいて書込動作や読出動作を安定して行なうことが可能となる。また、消費電力の低減も可能である。
なお、電流抑制素子116の閾値は以下のように決定してもよい。非選択セルの電流は、選択セルの電流よりも十分小さい電流が好ましい。非選択セルの電流が選択セルの10分の1以下、すなわち桁が異なる程度に非選択セルの電流を小さくする時の電流抑制素子の最大印加電圧をVFとすることが好ましい。例えば、非選択セルの電流を選択セルの電流の10分の1以下としたい場合、VFは非選択セル電流が選択セル電流の10分の1となる時の端子間電圧と位置付けることができる。非選択セルの電流を選択セルの電流の100分の1以下としたい場合、VFは非選択セル電流が選択セル電流の100分の1となる時の端子間電圧と位置付けることができる。
各モードにおいて第1電源121乃至第4電源124が出力する電圧が満たすべき条件の他の例を表4に示す。
Figure 0005197402
表中、VeとVwとは不揮発性記憶素子129の特性により決まる値である。VrrはVwよりも十分小さい値であって、誤ってデータの書込み(抵抗状態の変化)が起こらないような電圧に調整される。各電圧は相対的な値(電圧の差)が重要であるから、それぞれの電圧に所定の電圧が加えられてもよい。例えば、第2電源の供給する第2の電圧V2は必ずしもゼロでなくてもよい。V2がゼロでない場合、例えば消去モードにおけるV1はV2+Veより大きい値であればよい。
図1および図2に示した本実施形態の抵抗変化型記憶装置におけるメモリアレイを、3次元に積み重ねることによって、多層化構造の抵抗変化型記憶装置としてもよい。
図24は、本発明の第1実施形態の変形例において、多層化構造の抵抗変化型記憶装置が備えるメモリアレイの構成を示す斜視図である。図24に示すように、この抵抗変化型記憶装置は、図示しない基板の上に互いに平行に形成された複数の下部配線112と、これらの複数の下部配線112の上方にその基板の主面に平行な面内において互いに平行に、しかも複数の下部配線112に立体交差するように形成された複数の上部配線111と、これらの複数の下部配線112と複数の上部配線111との立体交差点に対応してマトリクス状に設けられた複数のメモリセル110とを備えるメモリアレイが、複数積層されてなる多層化メモリアレイを備えている。
図24に示す例では、配線層が5層であり、その立体交差点に配される不揮発性記憶素子が4層の構成となっているが、必要に応じてこれらの層数を増減してもよいことは勿論である。
このように構成された多層化メモリアレイを設けることによって、超大容量不揮発性メモリを実現することが可能となる。
上述したように、タンタル酸化物を含む材料で可変抵抗層を構成した場合には、低温(20〜400℃)で可変抵抗層を成膜することが可能である。したがって、上述のような工程で層を形成しても、下層工程で形成されたトランジスタおよびシリサイドなどの配線材料に影響を与えにくく、多層化メモリアレイを容易に実現することができる。
多層化メモリアレイを設ける場合、選択メモリセルを含まないメモリアレイのワード線およびビット線には、それぞれ第3の電圧源および第4の電圧源のいずれか一方が接続される。
第2電源122は接地された電圧源であってもよい。図25は、本発明の変形例の抵抗変化型記憶装置100’の構成を示すブロック図である。図に示すように、第2電源122は接地された電圧源122’(0Vの電圧を出力する電圧源)により置換されている。かかる構成では、V2=0V、V1=VP、V3=(2/3)×VP=(2/3)×V1、V4=(1/3)×VP=(1/3)×V1となる。本変形例では、図1の構成と同様の効果が得られると共に、回路構成を単純化できるという効果も奏する。
本実施形態において、可変抵抗層114の材料はTa酸化物であることが望ましいが、他の材料が用いられてもよい。
電圧や電流の向き、符号、絶対値などはあくまで例示であって、さまざまに変更可能であることは言うまでもない。
(第2実施形態)
第2実施形態の抵抗変化型記憶装置は、非パルス期にビット線およびワード線に印加される電圧が中間電圧に設定される点で第1実施形態の抵抗変化型記憶装置と異なっている。
図26は、本発明の第2実施形態の抵抗変化型記憶装置の概略構成の一例を示すブロック図である。図26に示すように、本実施形態の抵抗変化型記憶装置200は、第1実施形態の抵抗変化型記憶装置100の電源回路119に第5の電圧V5を出力する第5電源140が加えられている。さらに、第1実施形態の行デコーダ/ドライバ103および列デコーダ/ドライバ104が、行デコーダ/ドライバ141および列デコーダ/ドライバ142で置換されている。その他の構成要素については第1実施形態と同様であるため、図1と共通する構成要素については同一の符号および名称を付して説明を省略する。
第5電源140は、第5の電圧V5を行デコーダ/ドライバ141および列デコーダ/ドライバ142に供給する。本実施形態においてV5は中間電圧(V1+V2)/2である。第5電源140の構成は第1実施形態の第1電源121と同様の構成において基準電圧発生器の出力する電圧を適宜調整することにより実現可能であるため、詳細な説明は省略する。電圧の設定方法としては、例えば電圧をマスク調整する電圧調整回路を用いるものや、電圧をヒューズ調整する電圧調整回路を用いるものなど、周知の方法が利用できる。
図27は、本発明の第2実施形態における行デコーダ/ドライバ141のドライバ部分の回路構成の一例を示す回路図である。図に示すように、行デコーダ/ドライバ141のドライバ部分は、行デコーダ/ドライバ103のドライバ部分に、行デコーダ(図示せず)からの中間電圧選択信号が入力される中間電圧信号入力線WLM1、WLM2、・・・、WLMmと、中間電圧信号入力線WLM1、WLM2、・・・、WLMmのそれぞれに接続されたインバータWIM1、WIM2、・・・、WIMmと、中間電圧供給線WVMと、中間電圧供給線WVMに印加されている電圧をワード線WL1、WL2、・・・、WLmに入力する中間電圧選択用スイッチ素子WCM1、WCM2、・・・、WCMmとが付加されている。その他の構成要素については第1実施形態と同様であるため、図17と共通する構成要素については同一の符号および名称を付して説明を省略する。
中間電圧供給線WVMには、電源回路から中間電圧(V5)が入力される。
中間電圧選択用スイッチ素子WCM1、WCM2、・・・、WCMmは、CMOS型のスイッチ素子であり、それぞれPチャンネル型トランジスタ143とNチャンネル型トランジスタ144とを備える。Pチャンネル型トランジスタ143のゲートは、それぞれインバータWIM1、WIM2、・・・、WIMmを介して中間電圧信号入力線WLM1、WLM2、・・・、WLMmと接続されている。Nチャンネル型トランジスタ144のゲートは、それぞれ中間電圧信号入力線WLM1、WLM2、・・・、WLMmに直接に接続されている。Pチャンネル型トランジスタ143およびNチャンネル型トランジスタ144の一方の主端子(ドレインまたはソース)は中間電圧供給線WVMと接続され、他方の主端子(ソースまたはドレイン)はワード線WL1、WL2、・・・、WLmと接続されている。
行デコーダは、アドレス入力回路108から入力される行アドレス信号と、パルス発生回路118から入力されるパルスと、書込み回路105の制御とに基づいて、選択信号入力線WLSと非選択信号入力線WLDと中間電圧信号入力線WLMへ供給する電位を制御する。すなわち、非パルス期には、選択信号入力線WLSおよび非選択信号入力線WLDへ供給する電圧は“L”とされ、中間電圧信号入力線WLMへ供給する電圧は“H”とされる。パルス期になると、選択ワード線に対応する選択信号入力線WLSへ供給する電圧は“H”とされ、選択ワード線に対応する非選択信号入力線WLDへ供給する電圧は“L”に維持され、選択ワード線に対応する中間電圧信号入力線WLMへ供給する電圧は“L”とされる。非選択ワード線に対応する選択信号入力線WLSへ供給する電圧は“L”に維持され、非選択ワード線に対応する非選択信号入力線WLDへ供給する電圧は“H”とされ、非選択ワード線に対応する中間電圧信号入力線WLMへ供給する電圧は“L”とされる。
かかる構成により、非パルス期には、中間電圧選択用スイッチWCMがON、選択用スイッチ素子WCSおよび非選択用スイッチ素子WCDがOFFとなる。その結果、全てのワード線に第5電源140が接続されて、中間電圧が印加される。パルス期には、選択ワード線について、対応する選択用スイッチ素子WCSがON、対応する非選択用スイッチ素子WCDおよび中間電圧選択用スイッチWCMがOFFとなる。その結果、選択用スイッチ素子WCSを介して、選択ワード線へと選択電圧(V1またはV2)が印加される。パルス期には、非選択ワード線について、対応する選択用スイッチ素子WCSおよび中間電圧選択用スイッチWCMがOFF、対応する非選択用スイッチ素子WCDがONとなる。その結果、非選択用スイッチ素子WCDを介して、非選択ワード線へと非選択電圧(V3またはV4)が印加される。
図28は、本発明の第2実施形態における列デコーダ/ドライバ142のドライバ部分の回路構成の一例を示す回路図である。図に示すように、列デコーダ/ドライバ142のドライバ部分は、列デコーダ/ドライバ104のドライバ部分に、列デコーダ(図示せず)からの中間電圧選択信号が入力される中間電圧信号入力線BLM1、BLM2、・・・、BLMmと、中間電圧信号入力線BLM1、BLM2、・・・、BLMmのそれぞれに接続されたインバータBIM1、BIM2、・・・、BIMmと、中間電圧供給線BVMと、中間電圧供給線BVMに印加されている電圧をビット線BL1、BL2、・・・、BLmに入力する中間電圧選択用スイッチ素子BCM1、BCM2、・・・、BCMmとが付加されている。その他の構成要素については第1実施形態と同様であるため、図18と共通する構成要素については同一の符号および名称を付して説明を省略する。
中間電圧供給線BVMには、電源回路から中間電圧(V5)が入力される。
中間電圧選択用スイッチ素子BCM1、BCM2、・・・、BCMmは、CMOS型のスイッチ素子であり、それぞれPチャンネル型トランジスタ145とNチャンネル型トランジスタ146とを備える。Pチャンネル型トランジスタ145のゲートは、それぞれインバータBIM1、BIM2、・・・、BIMmを介して中間電圧信号入力線BLM1、BLM2、・・・、BLMmと接続されている。Nチャンネル型トランジスタ146のゲートは、それぞれ中間電圧信号入力線BLM1、BLM2、・・・、BLMmに直接に接続されている。Pチャンネル型トランジスタ145およびNチャンネル型トランジスタ146の一方の主端子(ドレインまたはソース)は中間電圧供給線BVMと接続され、他方の主端子(ソースまたはドレイン)はビット線BL1、BL2、・・・、BLmと接続されている。
列デコーダは、アドレス入力回路108から入力される列アドレス信号と、パルス発生回路118から入力されるパルスと、書込み回路105の制御とに基づいて、選択信号入力線BLSと非選択信号入力線BLDと中間電圧信号入力線BLMへ供給する電位を制御する。すなわち、非パルス期には、選択信号入力線BLSおよび非選択信号入力線BLDへ供給する電圧は“L”とされ、中間電圧信号入力線BLMへ供給する電圧は“H”とされる。パルス期になると、選択ビット線に対応する選択信号入力線BLSへ供給する電圧は“H”とされ、選択ビット線に対応する非選択信号入力線BLDへ供給する電圧は“L”に維持され、選択ビット線に対応する中間電圧信号入力線BLMへ供給する電圧は“L”とされる。非選択ビット線に対応する選択信号入力線BLSへ供給する電圧は“L”に維持され、非選択ビット線に対応する非選択信号入力線BLDへ供給する電圧は“H”とされ、非選択ビット線に対応する中間電圧信号入力線BLMへ供給する電圧は“L”とされる。
かかる構成により、非パルス期には、中間電圧選択用スイッチBCMがON、選択用スイッチ素子BCSおよび非選択用スイッチ素子BCDがOFFとなる。その結果、全てのビット線に第5電源150が接続されて、中間電圧が印加される。パルス期には、選択ビット線について、対応する選択用スイッチ素子BCSがON、対応する非選択用スイッチ素子BCDおよび中間電圧選択用スイッチWCMがOFFとなる。その結果、選択用スイッチ素子BCSを介して、選択ビット線へと選択電圧(V1またはV2)が印加される。パルス期には、非選択ビット線について、対応する選択用スイッチ素子BCSおよび中間電圧選択用スイッチBCMがOFF、対応する非選択用スイッチ素子BCDがONとなる。その結果、非選択用スイッチ素子BCDを介して、非選択ビット線へと非選択電圧(V3またはV4)が印加される。
パルス期の選択ワード線にV1が印加されるときは(消去モードおよび読出しモード)、パルス期の選択ビット線にはV2が印加され、非パルス期の全てのワード線および非パルス期の全てのビット線には中間電圧が印加され、パルス期の非選択ワード線にはV3が印加され、パルス期の非選択ビット線にはV4が印加される。
パルス期の選択ワード線にV2が印加されるとき(プログラムモード)は、パルス期の選択ビット線にはV1が印加され、非パルス期の全てのワード線および非パルス期の全てのビット線には中間電圧が印加され、パルス期の非選択ワード線にはV4が印加され、パルス期の非選択ビット線にはV3が印加される。
図29は、本発明の第2実施形態においてワード線およびビット線に印加される電圧の一例を示すタイミングチャートであり、それぞれ(a)消去モード、(b)プログラムモード、(c)読出しモード、(d)スタンバイモード、の各動作モードを示す。
図に示すように、本実施形態の抵抗変化型記憶装置200では、消去モード、プログラムモード、読出しモードのいずれにおいても、パルス期には、第1実施形態と同様に、選択メモリセルには±VPあるいはVrrの電圧が印加される一方で非選択メモリセルにはVP/2あるいはVrr/2よりも絶対値の小さい電圧しか印加されず、書込み動作や読出し動作の信頼性を向上することが可能となる。さらに本実施形態では、非パルス期には全てのビット線およびワード線の電位が中間電圧に維持される。その結果、非パルス期にメモリセルを流れる電流を抑制でき、消費電力が低減する。
(第3実施形態)
第3実施形態の抵抗変化型記憶装置は、パルス期において、非選択ビット線および非選択ワード線に接続された非選択用スイッチ素子がハイインピーダンス制御される点で、第1実施形態の抵抗変化型記憶装置と異なっている。装置の構成は図1乃至図19に示したものと同様であるので、共通する構成要素については同一の符号および名称を付して説明を省略する。
行デコーダは、アドレス入力回路108から入力される行アドレス信号と、パルス発生回路118から入力されるパルスと、書込み回路105の制御とに基づいて、選択信号入力線WLSおよび非選択信号入力線WLDへ供給する電位を制御する。すなわち、非パルス期には、選択信号入力線WLSへ供給する電圧は“L”とされ、非選択信号入力線WLDへ供給する電圧は“H”とされる。パルス期になると、選択ワード線に対応する選択信号入力線WLSへ供給する電圧は“H”とされ、選択ワード線に対応する非選択信号入力線WLDへ供給する電圧は“L”とされる。一方で、非選択ワード線に対応する選択信号入力線WLSへ供給する電圧は“L”に維持され、非選択ワード線に対応する非選択信号入力線WLDへ供給する電圧は非選択用スイッチ素子WCDがハイインピーダンス状態(完全導通状態となる“H”よりも低い電圧)となる値に制御される。
かかる構成により、非パルス期には、非選択用スイッチ素子WCDがON、選択用スイッチ素子WCSがOFFとなる。その結果、全てのワード線に非選択電圧(V3またはV4)が印加される。パルス期には、選択ワード線について、対応する選択用スイッチ素子WCSがON、対応する非選択用スイッチ素子WCDがOFFとなる。その結果、選択用スイッチ素子WCSを介して、選択ワード線へと選択電圧(V1またはV2)が印加される。パルス期には、非選択ワード線について、対応する選択用スイッチ素子WCSはOFFに維持される一方で、対応する非選択用スイッチ素子WCDがハイインピーダンス状態となる。その結果、非選択用スイッチ素子WCDを介して、非選択ワード線へと非選択電圧(V3またはV4)が印加されるが、電流はほとんど流れない。
列デコーダは、アドレス入力回路108から入力される列アドレス信号と、パルス発生回路118から入力されるパルスと、書込み回路105の制御とに基づいて、選択信号入力線BLSおよび非選択信号入力線BLDへ供給する電位を制御する。すなわち、非パルス期には、選択信号入力線BLSへ供給する電圧は“L”とされ、非選択信号入力線BLDへ供給する電圧は“H”とされる。パルス期になると、選択ビット線に対応する選択信号入力線BLSへ供給する電圧は“H”とされ、選択ビット線に対応する非選択信号入力線BLDへ供給する電圧は“L”とされる。一方で、非選択ビット線に対応する選択信号入力線BLSへ供給する電圧は“L”に維持され、非選択ビット線に対応する非選択信号入力線BLDへ供給する電圧は非選択用スイッチ素子WCDがハイインピーダンス状態となる値(完全導通状態となる“H”よりも低い電圧)に制御される。
かかる構成により、非パルス期には、非選択用スイッチ素子BCDがON、選択用スイッチ素子BCSがOFFとなる。その結果、全てのビット線に非選択電圧(V3またはV4)が印加される。パルス期には、選択ビット線について、対応する選択用スイッチ素子BCSがON、対応する非選択用スイッチ素子BCDがOFFとなる。その結果、選択用スイッチ素子BCSを介して、選択ビット線へと選択電圧(V1またはV2)が印加される。パルス期には、非選択ビット線について、対応する選択用スイッチ素子BCSはOFFに維持される一方で、対応する非選択用スイッチ素子BCDがハイインピーダンス状態となる。その結果、非選択用スイッチ素子BCDを介して、非選択ビット線へと非選択電圧(V3またはV4)が印加されるが、電流はほとんど流れない。
パルス期の選択ワード線にV1が印加されるとき(消去モードおよび読出しモード)は、パルス期の選択ビット線にはV2が印加され、非パルス期の全てのワード線およびパルス期の非選択ワード線にはV3が印加され、非パルス期の全てのビット線およびパルス期の非選択ビット線にはV4が印加される。
パルス期の選択ワード線にV2が印加されるとき(プログラムモード)は、パルス期の選択ビット線にはV1が印加され、非パルス期の全てのワード線およびパルス期の非選択ワード線にはV4が印加され、非パルス期の全てのビット線およびパルス期の非選択ビット線にはV3が印加される。
図30は、本発明の第3実施形態においてワード線およびビット線に印加される電圧の一例を示すタイミングチャートであり、それぞれ(a)消去モード、(b)プログラムモード、(c)読出しモード、(d)スタンバイモード、の各動作モードを示す。
図に示すように、本実施形態の抵抗変化型記憶装置では、消去モード、プログラムモード、読出しモードのいずれにおいても、パルス期には、第1実施形態と同様に、選択メモリセルには±VPあるいはVrrの電圧が印加される一方で非選択メモリセルにはVP/2あるいはVrr/2よりも絶対値の小さい電圧しか印加されず、書込み動作や読出し動作の信頼性を向上することが可能となる。さらに本実施形態では、パルス期において、非選択ビット線および非選択ワード線に対応する選択用スイッチ素子がOFFとされると共に、非選択用スイッチ素子がハイインピーダンス制御される。その結果、パルス期に非選択メモリセルを流れる電流を抑制でき、消費電力が低下する。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明の抵抗変化型記憶装置は、書込み動作および読出し動作の信頼性を向上することが可能な抵抗変化型記憶装置として有用である。
図1は、本発明の第1実施形態の抵抗変化型記憶装置の概略構成の一例を示すブロック図である。 図2は、図1におけるA部の構成(4ビット分の構成)を示す斜視図である。 図3は、本発明の第1実施形態の抵抗変化型記憶装置100が備えるメモリセル110の構成を示す断面図である。 図4(a)から(e)は、本発明の第1実施形態にかかる不揮発性記憶装置が備えるメモリセルの変形例の構成を示す断面図である。 図5は、本発明の第1実施形態に係る不揮発性記憶素子の電流−電圧特性の一例を示す図である。 図6は、製造工程におけるスパッタガス中のO流量比(スパッタガス中のOの流量比率)と、RBS法で分析したTa酸化物層の酸素含有率(原子比)との関係を示す図である。 図7は、可変抵抗層を酸化Taで構成した場合の、製造工程におけるスパッタガス中のO流量比と可変抵抗層の抵抗率との関係を示す図である。 図8は、可変抵抗層を酸化Taで構成した場合の、RBS法で分析した可変抵抗層の酸素含有率(原子比)と、可変抵抗層の抵抗率との関係を示す図である。 図9は、可変抵抗層の酸素含有率が45〜65atm%の組成範囲における抵抗変化特性を説明する図であって、(a)は酸素含有率と抵抗率との関係を示す図、(b)は酸素含有率が45atm%の場合におけるパルス印加回数と抵抗値との関係を示す図、(c)は酸素含有率が65atm%の場合におけるパルス印加回数と抵抗値との関係を示す図である。 図10は、窒素ガスの流量比を変化させて成膜した6種類のSiN膜におけるxの値をラザフォード後方散乱分光法により測定した結果を示す相関グラフである。 図11は、SiNからなる膜厚20nmの電流抑制層と、白金(Pt)からなる一対の電極とを備える電流抑制素子の電流−電圧特性を測定した結果を示す特性グラフである。 図12は、SiNからなる膜厚10nmの電流抑制層と窒化タンタル(TaN)からなる一対の電極とを備える電流抑制素子の電流−電圧特性を測定した結果を示す特性グラフである。 図13は、電流抑制素子の電流抑制層をSiNにより構成した場合におけるxの値とオン/オフ比との関係を実験的に求めた結果を示す相関グラフである。 図14は、本発明の第1実施形態における不揮発性記憶素子129の電圧−電流特性の一例を示す図である。 図15は、本発明の第1実施形態における電流抑制素子116の電圧−電流特性の一例を示す図である。 図16は、本発明の第1実施形態におけるメモリセル110の電圧−電流特性の一例を示す図である。 図17は、本発明の第1実施形態における行デコーダ/ドライバ103のドライバ部分の回路構成の一例を示す回路図である。 図18は、本発明の第1実施形態における列デコーダ/ドライバ104のドライバ部分の回路構成の一例を示す回路図である。 図19は、第1電源121の回路構成の一例を示す回路図である。 図20は、本発明の第1実施形態においてワード線およびビット線に印加される電圧の一例を示すタイミングチャートであり、それぞれ(a)消去モード、(b)プログラムモード、(c)読出しモード、(d)スタンバイモード、の各動作モードを示す。 図21は、本発明の第1実施形態において、ビット線BL1とワード線WL1とに接続されたメモリセルMC11を選択した場合のメモリアレイ102の等価回路図である。 図22は、図1の構成において非選択ビット線および非選択ワード線に中間電圧を印加した場合の、ワード線およびビット線に印加される電圧の一例を示すタイミングチャートであり、それぞれ(a)消去モード、(b)プログラムモード、(c)読出しモード、(d)スタンバイモード、の各動作モードを示す。 図23は、本発明の第1実施形態の抵抗変化型記憶装置において、選択ビット線と選択ワード線とにそれぞれ2Vと0Vとを印加した場合に、非選択ワード線の電位と副経路を流れる電流の合計値との関係を示す図である。 図24は、本発明の第1実施形態の変形例において、多層化構造の抵抗変化型記憶装置が備えるメモリアレイの構成を示す斜視図である。 図25は、本発明の変形例の抵抗変化型記憶装置100’の構成を示すブロック図である。 図26は、本発明の第2実施形態の抵抗変化型記憶装置の概略構成の一例を示すブロック図である。 図27は、本発明の第2実施形態における行デコーダ/ドライバ141のドライバ部分の回路構成の一例を示す回路図である。 図28は、本発明の第2実施形態における列デコーダ/ドライバ142のドライバ部分の回路構成の一例を示す回路図である。 図29は、本発明の第2実施形態においてワード線およびビット線に印加される電圧の一例を示すタイミングチャートであり、それぞれ(a)消去モード、(b)プログラムモード、(c)読出しモード、(d)スタンバイモード、の各動作モードを示す。 図30は、本発明の第3実施形態においてワード線およびビット線に印加される電圧の一例を示すタイミングチャートであり、それぞれ(a)消去モード、(b)プログラムモード、(c)読出しモード、(d)スタンバイモード、の各動作モードを示す。
100 抵抗変化型記憶装置
101 メモリ本体部
102 メモリアレイ
103 行選択回路/ドライバ
104 列選択回路/ドライバ
105 書き込み回路
106 センスアンプ
107 データ入出力回路
108 アドレス入力回路
109 制御回路
110 メモリセル
111 上部配線
112 下部配線
113 上部電極
114 可変抵抗層
115 内部電極
116 電流抑制素子
117 下部電極
118 パルス発生回路
119 電源回路
120 切換えスイッチ
121 第1電源
122 第2電源
122’ 接地された電圧源
123 第3電源
124 第4電源
125 第1スイッチ
126 第2スイッチ
127 第3スイッチ
128 第4スイッチ
129 不揮発性記憶素子
130 オペアンプ
131 基準電圧発生器
132 Pチャンネル型トランジスタ
133 Nチャンネル型トランジスタ
134 Pチャンネル型トランジスタ
135 Nチャンネル型トランジスタ
136 Pチャンネル型トランジスタ
137 Nチャンネル型トランジスタ
138 Pチャンネル型トランジスタ
139 Nチャンネル型トランジスタ
140 第5電源
141 行デコーダ/ドライバ
142 列デコーダ/ドライバ
143 Pチャンネル型トランジスタ
144 Nチャンネル型トランジスタ
145 Pチャンネル型トランジスタ
146 Nチャンネル型トランジスタ
150 第1非選択メモリセル群
151 非選択ワード線に対応するノード
152 第2非選択メモリセル群
153 非選択ビット線に対応するノード
154 第3非選択メモリセル群
200 抵抗変化型記憶装置
211 上部配線
212 下部配線
213 上部電極
214 可変抵抗層
215 内部電極
216 電流抑制素子
217 下部電極
218 オーミック抵抗層
219 第2の可変抵抗層
MC11、MC12、…、MCnm メモリセル
BL1、BL2、・・・、BLn ビット線
BVD 非選択電圧供給線
BVS 選択電圧供給線
BLD1、BLD2、・・・、BLDn 非選択信号入力線
BLS1、BLS2、・・・、BLSn 選択信号入力線
BID1、BID2、・・・、BIDn インバータ
BIS1、BIS2、・・・、BISn インバータ
BCD1、BCD2、・・・、BCDn 非選択用スイッチ素子
BCS1、BCS2、・・・、BCSn 選択用スイッチ素子
BVM 中間電圧供給線
BLM1、BLM2、・・・、BLMm 中間電圧信号入力線
BIM1、BIM2、・・・、BIMm インバータ
BCM1、BCM2、・・・、BCMm 中間電圧選択用スイッチ素子
WL1、WL2、・・・、WLm ワード線
WVD 非選択電圧供給線
WVS 選択電圧供給線
WLD1、WLD2、・・・、WLDm 非選択信号入力線
WLS1、WLS2、・・・、WLSm 選択信号入力線
WID1、WID2、・・・、WIDm インバータ
WIS1、WIS2、・・・、WISm インバータ
WCD1、WCD2、・・・、WCDm 非選択用スイッチ素子
WCS1、WCS2、・・・、WCSm 選択用スイッチ素子
WVM 中間電圧供給線
WLM1、WLM2、・・・、WLMm 中間電圧信号入力線
WIM1、WIM2、・・・、WIMm インバータ
WCM1、WCM2、・・・、WCMm 中間電圧選択用スイッチ素子

Claims (2)

  1. 第1の平面内において互いに平行に形成された複数の第1の配線と前記第1の平面に平行な第2の平面内において互いに平行にかつ前記複数の第1の配線と立体交差するように形成された複数の第2の配線と前記複数の第1の配線および前記複数の第2の配線の立体交差点のそれぞれに対応して設けられ対応する第1の配線と対応する第2の配線との間に印加される電気的信号に基づいて可逆的に抵抗値が変化する可変抵抗層を備えた不揮発性記憶素子と前記立体交差点のそれぞれに対応して設けられ前記可変抵抗層と直列に接続された電流抑制素子とを備えたメモリアレイと、
    第1の電圧を印加する第1の電圧源と、
    第2の電圧を印加する第2の電圧源と、
    第3の電圧を印加する第3の電圧源と、
    第4の電圧を印加する第4の電圧源と、
    第5の電圧を印加する第5の電圧源と、
    切換えスイッチと、
    第1のデコーダ/ドライバと、
    第2のデコーダ/ドライバと、
    アドレス入力回路と、
    制御回路と、
    前記制御回路の制御に基づいて電気的パルスを出力するパルス発生回路と、を備えた抵抗変化型記憶装置であって、
    前記可変抵抗層は、高抵抗状態にある場合にはその両端に所定の電圧である低抵抗化電圧を印加した時に高抵抗状態から低抵抗状態へと変化し、低抵抗状態にある場合にはその両端に前記低抵抗化電圧と異なる極性をもつ所定の電圧である高抵抗化電圧を印加した時に低抵抗状態から高抵抗状態へと変化する特性を有し、
    前記電流抑制素子は、その両端に印加する電圧の絶対値が閾値VFを超えると急激に抵抗値が減少し、かつ、該印加する電圧の極性に応じて双方向に電流が流れる、非線形かつ双方向的な電流特性を有し、
    前記切換えスイッチは、前記制御回路の制御に基づいて、前記第1の電圧源および前記第2の電圧源の一方の電圧を選択電圧として前記第1のデコーダ/ドライバに出力すると共に前記第1の電圧源および前記第2の電圧源の他方の電圧を選択電圧として前記第2のデコーダ/ドライバに出力し、かつ、前記制御回路の制御に基づいて、前記第3の電圧源および前記第4の電圧源の一方の電圧を非選択電圧として前記第1のデコーダ/ドライバに出力すると共に前記第3の電圧源および前記第4の電圧源の他方の電圧を非選択電圧として前記第2のデコーダ/ドライバに出力し、かつ、前記第5の電圧源を前記第1のデコーダ/ドライバおよび前記第2のデコーダ/ドライバに出力するように構成され、
    前記アドレス入力回路は、外部から入力されるアドレス信号に基づいて、第1のアドレス信号を前記第1のデコーダ/ドライバに出力すると共に第2のアドレス信号を前記第2のデコーダ/ドライバに出力するよう構成され、
    前記パルス発生回路は、前記制御回路の制御に基づいて、前記第1のデコーダ/ドライバおよび前記第2のデコーダ/ドライバに書込み用の電気的パルスを出力するよう構成され、
    前記第1のデコーダ/ドライバは、前記アドレス入力回路から入力される第1のアドレス信号と前記パルス発生回路から入力されるパルス信号とに基づいて、前記電気的パルスを出力している間は、選択された第1の配線に、前記切換えスイッチから入力される前記選択電圧を出力すると共に、選択されなかった第1の配線に、前記切換えスイッチから入力される前記非選択電圧を出力し、前記電気的パルスを出力していない間は、全ての第1の配線に、前記第5の電圧を出力するように構成され、
    前記第2のデコーダ/ドライバは、前記アドレス入力回路から入力される第2のアドレス信号と前記パルス発生回路から入力されるパルス信号とに基づいて、前記電気的パルスを出力している間は、選択された第2の配線に、前記切換えスイッチから入力される前記選択電圧を出力すると共に、選択されなかった第2の配線に、前記切換えスイッチから入力される前記非選択電圧を出力し、前記電気的パルスを出力していない間は、全ての第2の配線に、前記第5の電圧を出力するように構成され、
    前記制御回路は、外部から入力される信号に基づいて、前記切換えスイッチが前記第1のデコーダ/ドライバおよび前記第2のデコーダ/ドライバに出力する選択電圧および非選択電圧の切り換えを制御するよう構成され、
    第1乃至第4の電圧をそれぞれV1乃至V4とし、V5=(V1+V2)/2を第5の電圧とするとき、V2≦V3<V5<V4≦V1を満たし、かつ、(V1−V4)<VFまたは(V3−V2)<VFを満たし、
    前記第1乃至第5の電圧源と前記切換えスイッチと前記第1のデコーダ/ドライバと前記第2のデコーダ/ドライバと前記アドレス入力回路と前記制御回路と前記パルス発生回路は、データを書き込むべきあるいはデータを読み出すべき不揮発性記憶素子である選択不揮発性記憶素子に対して、以下のAおよびBの動作を行うように構成され、
    前記パルス発生回路が電気的パルスを出力している間に前記AまたはBの動作を行い、
    前記パルス発生回路が電気的パルスを出力していない間は全ての前記第1の配線および全ての前記第2の配線に前記第5の電圧源を接続するように構成されている、抵抗変化型記憶装置。
    A.前記選択不揮発性記憶素子に対応する前記第1の配線に前記第1の電圧源を接続し、前記選択不揮発性記憶素子に対応する前記第2の配線に前記第2の電圧源を接続し、前記選択不揮発性記憶素子に対応しない前記第1の配線に前記第3の電圧源を接続し、前記選択不揮発性記憶素子に対応しない前記第2の配線に前記第4の電圧源を接続する。
    B.前記選択不揮発性記憶素子に対応する前記第2の配線に前記第1の電圧源を接続し、前記選択不揮発性記憶素子に対応する前記第1の配線に前記第2の電圧源を接続し、前記選択不揮発性記憶素子に対応しない前記第2の配線に前記第3の電圧源を接続し、前記選択不揮発性記憶素子に対応しない前記第1の配線に前記第4の電圧源を接続する。
  2. 前記第1のデコーダ/ドライバは、
    それぞれが互いに並列に接続された第1のPチャンネル型MOSトランジスタ及び第1のNチャンネル型MOSトランジスタで構成された複数の第1の選択用スイッチ素子と、それぞれが互いに並列に接続された第2のPチャンネル型MOSトランジスタ及び第2のNチャンネル型MOSトランジスタで構成された複数の第1の非選択用スイッチ素子と、それぞれが互いに並列に接続された第5のPチャンネル型MOSトランジスタ及び第5のNチャンネル型MOSトランジスタで構成された複数の第1の中間電圧選択用スイッチ素子と、を備え、
    前記第1の配線に前記第1の選択用スイッチ素子を介して接続された第1の選択電圧供給線と、
    前記第1の配線に前記第1の非選択用スイッチ素子を介して接続された第1の非選択電圧供給線と、
    前記第1の配線に前記第1の中間電圧選択用スイッチ素子を介して接続された第1の中間電圧供給線と、
    それぞれの前記第1の選択用スイッチ素子の第1のPチャンネル型MOSトランジスタの制御端子にインバータを介して接続されると共に第1のNチャンネル型MOSトランジスタの制御端子に接続され、前記アドレス入力回路が出力する第1のアドレス信号がその接続されている第1の配線を選択する信号であり、かつ、前記パルス発生回路からパルス信号が出力される場合に”H”となる、複数の第1の選択信号入力線と、
    それぞれの前記第1の非選択用スイッチ素子の第2のPチャンネル型MOSトランジスタの制御端子にインバータを介して接続されると共に第2のNチャンネル型MOSトランジスタの制御端子に接続され、前記アドレス入力回路が出力する第1のアドレス信号がその接続されている第1の配線を選択しない信号であり、かつ、前記パルス発生回路からパルス信号が出力される場合に”H”となる、複数の第1の非選択信号入力線と
    それぞれの前記第1の全選択用スイッチ素子の第5のPチャンネル型MOSトランジスタの制御端子にインバータを介して接続されると共に第5のNチャンネル型MOSトランジスタの制御端子に接続され、前記パルス発生回路からパルス信号が出力されない場合に”H”となる、複数の第1の中間電圧選択信号入力線と、を備え、
    前記第2のデコーダ/ドライバは、
    それぞれが互いに並列に接続された第3のPチャンネル型MOSトランジスタ及び第3のNチャンネル型MOSトランジスタで構成された複数の第2の選択用スイッチ素子と、それぞれが互いに並列に接続された第4のPチャンネル型MOSトランジスタ及び第4のNチャンネル型MOSトランジスタで構成された複数の第2の非選択用スイッチ素子と、それぞれが互いに並列に接続された第6のPチャンネル型MOSトランジスタ及び第6のNチャンネル型MOSトランジスタで構成された複数の第2の中間電圧選択用スイッチ素子と、を備え、
    前記第2の配線に前記第2の選択用スイッチ素子を介して接続された第2の選択電圧供給線と、
    前記第2の配線に前記第2の非選択用スイッチ素子を介して接続された第2の非選択電圧供給線と、
    前記第2の配線に前記第2の中間電圧選択用スイッチ素子を介して接続された第2の中間電圧供給線と、
    それぞれの前記第2の選択用スイッチ素子の第3のPチャンネル型MOSトランジスタの制御端子にインバータを介して接続されると共に第3のNチャンネル型MOSトランジスタの制御端子に接続され、前記アドレス入力回路が出力する第2のアドレス信号がその接続されている第2の配線を選択する信号であり、かつ、前記パルス発生回路からパルス信号が出力される場合に”H”となる、複数の第2の選択信号入力線と、
    それぞれの前記第2の非選択用スイッチ素子の第4のPチャンネル型MOSトランジスタの制御端子にインバータを介して接続されると共に第4のNチャンネル型MOSトランジスタの制御端子に接続され、前記アドレス入力回路が出力する第2のアドレス信号がその接続されている第2の配線を選択しない信号であり、かつ、前記パルス発生回路からパルス信号が出力される場合に”H”となる、複数の第2の非選択信号入力線と
    それぞれの前記第2の全選択用スイッチ素子の第6のPチャンネル型MOSトランジスタの制御端子にインバータを介して接続されると共に第6のNチャンネル型MOSトランジスタの制御端子に接続され、前記パルス発生回路からパルス信号が出力されない場合に”H”となる、複数の第2の中間電圧選択信号入力線と、を備え、
    前記切換えスイッチは、前記制御回路の制御に基づいて、前記第1の電圧源及び前記第2の電圧源の一方を選択電圧として前記第1の選択電圧供給線に出力すると共に前記第1の電圧源及び前記第2の電圧源の他方を選択電圧として前記第2の選択電圧供給線に出力し、かつ、前記制御回路の制御に基づいて、前記第3の電圧源及び前記第4の電圧源の一方を非選択電圧として前記第1の非選択電圧供給線に出力すると共に前記第3の電圧源及び前記第4の電圧源の他方を非選択電圧として前記第2の非選択電圧供給線に出力し、更に、前記第5の電圧源を全ての前記第1の配線及び全ての前記第2の配線が非選択状態のときの非選択電圧として前記第1および第2の中間電圧供給線に出力するように構成されている、
    請求項1に記載の抵抗変化型記憶装置。
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