JP5380612B2 - 不揮発性記憶素子の駆動方法及び初期化方法、並びに不揮発性記憶装置 - Google Patents
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Description
本実施の形態に関連する基礎的なデータとして、本実施の形態の不揮発性記憶素子に用いられる抵抗変化素子の構成の一例、及びその効果について説明する。
発明者らは、抵抗変化素子の電気的特性の再現性及び動作の信頼性について検討するため、種々の条件で抵抗変化素子を作製し、その特性を検証した。
かかる知見に基づきさらに検討を加えた結果、発明者らは、Ptを含む電極の厚さを薄くすることで突起の発生を制御できることを見い出した。このことを検証した実験の結果について説明を続ける。
発明者らは、さらに検討を重ねた結果、Irを含む電極を用いることでも突起の発生が抑制できることを見い出した。このことを検証した実験について説明を続ける。
上述した基礎データを総括して、本明細書では、抵抗変化素子に含まれる電極の厚さが、その電極を構成する材料と同じ材料で構成された電極を持つ抵抗変化素子の電極の厚さと初期抵抗値との関係から予め定められた上限以下である場合に、その電極と抵抗変化層との界面が実質的に平坦であると定義する。
しかしながら、電極と抵抗変化層との界面が実質的に平坦な抵抗変化素子では、電極に初期抵抗値を低下させる要因となる突起がないことからその初期抵抗値は非常に高い。上述の実験では108Ω程度の高い抵抗値が測定された。
まず、本発明の第1の実施の形態に係る電流制御素子10について説明する。
以下、本発明の第1の実施の形態に係る不揮発性記憶素子の駆動方法について、図面を参照して詳細に説明する。
まず、第1の実施の形態の駆動方法によって駆動される不揮発性記憶素子の構成について説明する。
抵抗変化素子9は不揮発性の抵抗変化特性を有する。この抵抗変化素子9は抵抗変化層3を第1電極1(下部電極)と第2電極2(上部電極)とで挟んだ構成である。つまり、抵抗変化層3は、第1電極1と第2電極2との間に介在して、第1電極1と第2電極2とに接している。また、抵抗変化層3は、第1電極1と第2電極2との間に極性が異なる電気的信号が印加されることにより、高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に変化可能である。
電流制御素子10は、少なくとも初期化工程において、MSMダイオード4と負荷抵抗5とが直列に接続された構成である。また、MSMダイオード4は半導体層8を第3電極6と第4電極7とで挟んだ構成である。
負荷抵抗5とMSMダイオード4とを直列に接続した状態で、その両端に電圧を印加して電流を流した場合に、負荷抵抗5に生じる分圧は70mV以上であることが望ましい。
次に、不揮発性記憶素子の製造方法の一例について説明する。
まず、基板上に、スパッタリング法を用いて、厚さ30nmの第1電極1を形成する。その後、遷移金属の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反応性スパッタリング法を用いて、第1電極1の上に金属酸化物層を形成する。
次に、第2電極2と電気的に接続する形で、第3電極6を、スパッタリング法を用いて、厚さ50nm形成する。
負荷抵抗5として、MSMダイオード4の外部にコンタクトチェーンなどで固定抵抗を構成する場合には、一般的な半導体プロセスで実現できる。
次に、このように構成された不揮発性記憶素子100を駆動するための、本発明の第1の実施の形態に係る駆動方法について説明する。
不揮発性記憶素子100の通常動作について説明する。以下では、抵抗変化層3の抵抗値が所定の高い値(例えば、測定電圧が3.0Vで200〜500kΩ)にある場合を高抵抗状態といい、抵抗変化層3の抵抗値が所定の低い値(例えば、測定電圧が3.0Vで100〜150kΩ)にある場合を低抵抗状態という。
初期化工程とは、前述したように、抵抗変化素子9の抵抗値を、初期抵抗値から通常動作が可能となる抵抗値の範囲に下げるべく、抵抗変化素子9に対して、通常動作で用いられる電圧パルスと比べて、絶対値がより大きい電圧パルスを印加する処理である。
以下、実施例により本実施の形態に係る不揮発性記憶素子100及びその駆動方法を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
初期化工程における不揮発性記憶素子100の挙動を見るため、第1電極1を基準にして第2電極2が負となる負極性の複数の電圧パルスを、0.1Vから0.1Vステップで7.0Vまで増加させた後、0.1Vまで減少させながら、不揮発性記憶素子100に印加した。そして、各電圧パルスの印加中に不揮発性記憶素子100に流れた電流、及び、各電圧パルスの印加後の不揮発性記憶素子100の抵抗値を、都度測定した。なお抵抗値の測定は3.0Vで行った。
ここで、負荷抵抗5を取り外し、MSMダイオード4のみで電流制御素子10を構成した状態にする。
上記実施例では、初期化工程を負極性の電圧パルスを印加することから開始したが、正極性の電圧パルスを印加することから初期化工程を開始することも可能である。
初期化工程における不揮発性記憶素子100の挙動を見るため、第1電極1を基準にして第2電極2が正となる正極性の複数の電圧パルスを、0.1Vから0.1Vステップで7.5Vまで増加させた後で0.1Vまで減少させながら、不揮発性記憶素子100に印加した。そして、各電圧パルスの印加中に不揮発性記憶素子100に流れた電流、及び、各電圧パルスの印加後の不揮発性記憶素子100の抵抗値を、都度測定した。なお抵抗値の測定は3.0Vで行った。
ここでは、参考例として、通常動作時も負荷抵抗5を電流制御素子10が備えたまま動作を行った。
次に、比較例として電流制御素子10がMSMダイオード4のみで構成される場合の初期化工程における動作について述べる。
以下、本発明の第2の実施の形態に係る不揮発性記憶装置について、図面を参照して詳細に説明する。
図24Aは、本発明の第2の実施の形態に係る不揮発性記憶装置200の機能的な構成を示すブロック図である。
以下、参考例として、通常動作の際にも負荷抵抗5を抵抗変化素子9及びMSMダイオード4に接続したままで動作を行う例を説明する。
また、上記説明では、通常動作の際には負荷抵抗5を抵抗変化素子9及びMSMダイオード4に接続したまま、書き込み電圧が−4.5V、及び消去電圧が5.5Vの条件で動作を行っている。一方、<3.4 実施例>においては、通常動作の際に負荷抵抗5を取り外して書き込み電圧が−4.0V、及び消去電圧が5.0Vの条件で動作を行っている。
以下、上述したように構成される不揮発性記憶装置200の動作の一例を、上記の初期化モード、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BL及びワード線WL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、周知の方法が利用可能であるため、詳細な説明を省略する。
初期化モードでは、一度に複数のメモリセルMCに対して第1の初期化電圧パルスV0及び第2の初期化電圧パルスV1を与えるか、1つずつ順に、全てのメモリセルMCに対して第1の初期化電圧パルスV0及び第2の初期化電圧パルスV1を与えることにより、初期化工程が実行される。
低抵抗化モード(「1」書き込みモード)では、書き込み工程が実行される。
高抵抗化モード(「0」書き込みモード)では、消去工程が実行される。
読み出しモードでは、例えばビット線ドライバ205によりビット線BL2が接地され、ワード線ドライバ207によりワード線WL2と制御部203とが電気的に接続される。そして、制御部203により、ワード線WL2に読み出し電圧Vrが印加される。ここで、メモリセルMC22に印加される読み出し電圧Vrは、電圧値が+3.0Vである。
2 第2電極
3 抵抗変化層
3a 第1の酸化物層
3b 第2の酸化物層
4 MSMダイオード
5、Rx1、Rx2、Rx3 負荷抵抗(負荷抵抗層)
5A 可変負荷抵抗
6 第3電極
7 第4電極
8 半導体層
9 抵抗変化素子
10 電流制御素子
11a、11b 金属パッド
12a、12b 金属配線
20 測定器
21a、21b プローブ針
22 電圧測定器
23 基板
100、100A、100B、100C、100D 不揮発性記憶素子
103a、103b、103c、303、703a、703b、703c、703d 下部電極
104a、104b、104c、304、704a、704b 第1のタンタル酸化物層
105a、105b、105c、305、705a、705b 第2のタンタル酸化物層
107a、107b、107c、309、709a、709b、709c、709d 上部電極
108a、108b、108c 導電体層
200、200A、200B 不揮発性記憶装置
201 メモリセルアレイ
202 アドレスバッファ
203 制御部
204 列デコーダ
205 ビット線ドライバ
206 行デコーダ
207 ワード線ドライバ
210 駆動部
706c、706d 酸素不足型のハフニウム酸化物層
WL、WL1、WL2、WL3 ワード線
BL、BL1、BL2、BL3 ビット線
MC、MC11、MC12、MC13、MC21、MC22、MC23、MC31、MC32、MC33、MCA、MC11A、MC12A、MC13A、MC21A、MC22A、MC23A、MC31A、MC32A、MC33A メモリセル
Claims (16)
- 不揮発性の抵抗変化素子と、前記抵抗変化素子と直列に接続されている双方向ダイオードとを含む不揮発性記憶素子の駆動方法であって、
前記不揮発性記憶素子は、さらに、前記抵抗変化素子と直列に接続されており、抵抗値を切り替え可能な負荷抵抗を備え、
前記抵抗変化素子は、第1の遷移金属を含む第1の遷移金属酸化物層と、第2の遷移金属を含み、前記第1の遷移金属酸化物層より酸素不足度が小さい第2の遷移金属酸化物層とを有し、
前記駆動方法は、
高抵抗状態よりも抵抗値の高い初期状態の前記抵抗変化素子と、前記双方向ダイオードと、第1の抵抗値を有する前記負荷抵抗とが直列に接続された直列回路に対して初期化電圧パルスを印加することで、当該抵抗変化素子の抵抗値を前記初期状態の抵抗値より低下させる初期化工程と、
前記初期化工程の後、前記負荷抵抗の抵抗値を前記第1の抵抗値より低い第2の抵抗値にしたうえで、前記双方向ダイオードと前記抵抗変化素子と前記負荷抵抗とが直列に接続された直列回路に対して第1の極性の書き込み電圧パルスを印加することによって、前記抵抗変化素子を前記高抵抗状態から、当該高抵抗状態より抵抗値が低い低抵抗状態へと変化させる書き込み工程と、
前記初期化工程の後、前記負荷抵抗の抵抗値を前記第1の抵抗値より低い第3の抵抗値にしたうえで、前記双方向ダイオードと前記抵抗変化素子と前記負荷抵抗とが直列に接続された直列回路に対して前記第1の極性と逆の第2の極性の消去電圧パルスを印加することによって、前記抵抗変化素子を前記低抵抗状態から前記高抵抗状態へ変化させる消去工程とを含み、
前記初期化工程において、前記双方向ダイオードに流れる電流に応じて前記負荷抵抗にかかる分圧が変動する
不揮発性記憶素子の駆動方法。 - 前記双方向ダイオードはMSMダイオードである
請求項1記載の不揮発性記憶素子の駆動方法。 - 前記MSMダイオードは、
第1電極及び第2電極と、
SiNz(但し、0<z≦0.7)で表される組成を有する窒化シリコンで構成され、かつ前記第1電極と前記第2電極との間に挟まれており、前記第1電極及び前記第2電極とショットキー接合を形成する半導体層とを備える
請求項2記載の不揮発性記憶素子の駆動方法。 - 前記負荷抵抗と前記双方向ダイオードとの直列接続により構成される電流制御素子の両端に電圧を印加して電流を流した場合に、前記電流制御素子のブレークダウン電流は、700μA/μm2以上の電流密度である
請求項1〜3のいずれか1項に記載の不揮発性記憶素子の駆動方法。 - 前記負荷抵抗と前記双方向ダイオードとの直列接続により構成される電流制御素子の両端に電圧を印加して電流を流した場合に、前記負荷抵抗で生じる分圧は、70mV以上である
請求項1〜4のいずれか1項に記載の不揮発性記憶素子の駆動方法。 - 前記負荷抵抗は、100Ω以上である
請求項1〜5のいずれか1項に記載の不揮発性記憶素子の駆動方法。 - 前記第1の遷移金属酸化物層は、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の遷移金属酸化物層は、TaOy(但し、2.1≦y)で表される組成を有するタンタル酸化物で構成される
請求項1〜6のいずれか1項に記載の不揮発性記憶素子の駆動方法。 - 前記第1の遷移金属酸化物層を構成する前記第1の遷移金属の標準電極電位は、前記第2の遷移金属酸化物層を構成する前記第2の遷移金属の標準電極電位より高い遷移金属で構成される
請求項1〜6のいずれか1項に記載の不揮発性記憶素子の駆動方法。 - 前記第1の遷移金属と前記第2の遷移金属とは、異なる遷移金属である
請求項1〜6のいずれか1項に記載の不揮発性記憶素子の駆動方法。 - 前記負荷抵抗は、行列状に配置された前記不揮発性記憶素子ごとに設けられている
請求項1〜9のいずれか1項に記載の不揮発性記憶素子の駆動方法。 - 前記負荷抵抗は、行列状に配置された前記不揮発性記憶素子の行又は列ごとに設けられている
請求項1〜9のいずれか1項に記載の不揮発性記憶素子の駆動方法。 - 不揮発性の抵抗変化素子と、前記抵抗変化素子と直列に接続されている双方向ダイオードとを含む不揮発性記憶素子を備える不揮発性記憶装置であって、
前記不揮発性記憶装置は、さらに、前記抵抗変化素子と直列に接続されており、抵抗値を切り替え可能な負荷抵抗と、駆動部とを備え、
前記抵抗変化素子は、第1の遷移金属を含む第1の遷移金属酸化物層と、第2の遷移金属を含み、前記第1の遷移金属酸化物層より酸素不足度が小さい第2の遷移金属酸化物層とを有し、
前記駆動部は、
高抵抗状態よりも抵抗値の高い初期状態の前記抵抗変化素子と、前記双方向ダイオードと、第1の抵抗値を有する前記負荷抵抗とが直列に接続された直列回路に対して初期化電圧パルスを印加することで、当該抵抗変化素子の抵抗値を前記初期状態の抵抗値より低下させる初期化工程と、
前記初期化工程の後、前記負荷抵抗の抵抗値を前記第1の抵抗値より低い第2の抵抗値にしたうえで、前記双方向ダイオードと前記抵抗変化素子と前記負荷抵抗とが直列に接続された直列回路に対して、第1の極性の書き込み電圧パルスを印加することによって、前記抵抗変化素子を前記高抵抗状態から、当該高抵抗状態より抵抗値が低い低抵抗状態へと変化させる書き込み工程と、
前記初期化工程の後、前記負荷抵抗の抵抗値を前記第1の抵抗値より低い第3の抵抗値にしたうえで、前記双方向ダイオードと前記抵抗変化素子と前記負荷抵抗とが直列に接続された直列回路に対して、前記第1の極性と逆の第2の極性の消去電圧パルスを印加することによって、前記抵抗変化素子を前記低抵抗状態から前記高抵抗状態へ変化させる消去工程とを実行し、
前記直列回路は、前記双方向ダイオードに流れる電流に応じて前記負荷抵抗にかかる分圧が変動する特性を有する
不揮発性記憶装置。 - 不揮発性の抵抗変化素子と、前記抵抗変化素子と直列に接続されている双方向ダイオードとを含む不揮発性記憶素子に対して、高抵抗状態より抵抗値の高い初期状態の前記抵抗変化素子を、前記高抵抗状態と、前記高抵抗状態より抵抗値が低い低抵抗状態とを遷移可能な状態にする不揮発性記憶素子の初期化方法であって、
前記抵抗変化素子は、第1の遷移金属を含む第1の遷移金属酸化物層と、第2の遷移金属を含み、前記第1の遷移金属酸化物層より酸素不足度が小さい第2の遷移金属酸化物層とを有し、
前記初期化方法は、
前記初期状態の前記抵抗変化素子と、前記双方向ダイオードとに、負荷抵抗を直列に接続する工程と、
前記双方向ダイオードと前記抵抗変化素子と前記負荷抵抗とが直列に接続された直列回路に対して初期化電圧パルスを印加することで、当該抵抗変化素子の抵抗値を前記初期状態の抵抗値より低下させる初期化工程と、
前記初期化工程の後、前記双方向ダイオード及び前記抵抗変化素子から前記負荷抵抗を外す工程とを含み、
前記初期化工程において、前記双方向ダイオードに流れる電流に応じて前記負荷抵抗にかかる分圧が変動する
不揮発性記憶素子の初期化方法。 - 前記双方向ダイオードは、前記負荷抵抗の抵抗値に応じて破壊電流が変化する特性を有する
請求項1〜11のいずれか1項に記載の不揮発性記憶素子の駆動方法。 - 前記双方向ダイオードは、前記負荷抵抗の抵抗値に応じて破壊電流が変化する特性を有する
請求項12記載の不揮発性記憶装置。 - 前記双方向ダイオードは、前記負荷抵抗の抵抗値に応じて破壊電流が変化する特性を有する
請求項13記載の不揮発性記憶素子の初期化方法。
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