JP7155752B2 - 抵抗変化素子及びその製造方法、記憶装置 - Google Patents
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Description
しかしながら、正極活物質層には、抵抗率の高い物質が用いられているため、これを抵抗変化層として用いると抵抗が大きく、読出電流が小さくなって、誤動作の原因となることがわかった。
また、一つの態様では、記憶装置は、抵抗変化素子と、抵抗変化素子に接続され、抵抗変化素子へ情報の書き込みを行なう書込回路と、抵抗変化素子に接続され、抵抗変化素子から情報の読み出しを行なう読出回路とを備え、抵抗変化素子は、少なくとも1種類のイオンを吸蔵、放出でき、イオンの量に応じて抵抗が変化する層であって、イオンを放出すると抵抗が下がり、イオンを吸蔵すると抵抗が上がる第1抵抗変化層と、イオンを吸蔵、放出でき、イオンの量に応じて抵抗が変化する層であって、イオンを放出すると抵抗が上がり、イオンを吸蔵すると抵抗が下がる第2抵抗変化層と、第1抵抗変化層と第2抵抗変化層との間に設けられ、イオンを伝導するイオン伝導層とを備え、抵抗変化素子は、第1抵抗変化層に接続されるように互いに離間して設けられた第1電極及び第2電極と、第2抵抗変化層に接続されるように互いに離間して設けられた第3電極及び第4電極とを備え、書込回路は、第1電極及び第2電極の少なくとも一方と第3電極及び第4電極の少なくとも一方を介して第1抵抗変化層及び第2抵抗変化層に書込電圧を印加し、第1抵抗変化層及び第2抵抗変化層の抵抗を変化させて、情報の書き込みを行ない、読出回路は、第1電極及び第2電極を介して第1抵抗変化層に読出電圧を印加するとともに第3電極及び第4電極を介して第2抵抗変化層に読出電圧を印加し、第1抵抗変化層及び第2抵抗変化層に流れる電流を検出して、情報の読み出しを行なう。
1つの態様では、抵抗変化素子の製造方法は、少なくとも1種類のイオンを吸蔵、放出でき、イオンの量に応じて抵抗が変化する層であって、イオンを放出すると抵抗が下がり、イオンを吸蔵すると抵抗が上がる第1抵抗変化層を形成する工程と、第1抵抗変化層上に、イオンを伝導するイオン伝導層を形成する工程と、イオン伝導層上に、イオンを吸蔵、放出でき、イオンの量に応じて抵抗が変化する層であって、イオンを放出すると抵抗が上がり、イオンを吸蔵すると抵抗が下がる第2抵抗変化層を形成する工程と、第1抵抗変化層に接続されるように互いに離間して設けられた第1電極及び第2電極を形成する工程と、第2抵抗変化層に接続されるように互いに離間して設けられた第3電極及び第4電極を形成する工程とによって、第1抵抗変化層及び第2抵抗変化層が、第1電極及び第2電極の少なくとも一方と第3電極及び第4電極の少なくとも一方を介して書込電圧を印加されると、第1抵抗変化層及び第2抵抗変化層の抵抗を変化させることによって、情報の書き込みを可能とし、第1電極及び第2電極を介して第1抵抗変化層に読出電圧を印加されるとともに第3電極及び第4電極を介して第2抵抗変化層に読出電圧を印加されると、第1抵抗変化層及び第2抵抗変化層に流れる電流の検出によって、情報の読み出しを可能とする。
本実施形態にかかる抵抗変化素子は、図1に示すように、基板1上に、少なくとも1種類のイオンを吸蔵、放出でき、少なくとも1種類のイオンの量に応じて抵抗が変化する2つの抵抗変化層(第1抵抗変化層2及び第2抵抗変化層4)と、これらの第1抵抗変化層2と第2抵抗変化層4との間に設けられ、少なくとも1種類のイオンを伝導するイオン伝導層3とを備える。
この場合、第1抵抗変化層2と第2抵抗変化層4の間でイオン伝導層3を通ってイオンが移動することで、第1抵抗変化層2及び第2抵抗変化層4のイオンの量が変化し、これに応じて抵抗が変化するため、抵抗変化素子9として機能させることができる。
なお、ここでは、イオン伝導層3は、少なくとも1種類のイオンを伝導し、電子を伝導しないイオン伝導層である。また、イオン伝導層3を通って移動するイオンを、伝導イオンともいう。
本実施形態では、第1抵抗変化層2は、少なくとも1種類のイオンを吸蔵、放出でき、少なくとも1種類のイオンの量に応じて抵抗が変化する層であって、少なくとも1種類のイオンを放出すると抵抗が下がり、少なくとも1種類のイオンを吸蔵すると抵抗が上がる抵抗変化層である。
また、第2抵抗変化層4は、少なくとも1種類のイオンを吸蔵、放出でき、少なくとも1種類のイオンの量に応じて抵抗が変化する層であって、少なくとも1種類のイオンを放出すると抵抗が上がり、少なくとも1種類のイオンを吸蔵すると抵抗が下がる抵抗変化層である。
なお、本実施形態では、第1抵抗変化層2を、イオン伝導層3の下方、即ち、基板1に近い側に設け、第2抵抗変化層4を、イオン伝導層3の上方、即ち、基板1から遠い側に設けているが、これに限られるものではない。
そして、第1抵抗変化層2から放出されたイオンは、イオン伝導層3を通って、第2抵抗変化層4に吸蔵され、第2抵抗変化層4から放出されたイオンは、イオン伝導層3を通って、第1抵抗変化層2に吸蔵される。
ところで、本実施形態にかかる抵抗変化素子9は、正極活物質層と負極活物質層の間で電解質層を通ってイオンが移動することで充電、放電を行なう二次電池の構成を適用した抵抗変化素子である。なお、二次電池を固体二次電池又はイオン電池ともいう。
本実施形態では、第1抵抗変化層2は、イオン電池に用いられる正極活物質からなる正極活物質層であり、イオン伝導層3は、イオン電池に用いられる固体電解質からなる固体電解質層であり、第2抵抗変化層4は、イオン電池に用いられる負極活物質からなる負極活物質層である。
ここでは、第1抵抗変化層2は、イオンを放出すると抵抗が下がり、イオンを吸蔵すると抵抗が上がる正極活物質層である。
このように、第1抵抗変化層2を、イオンを放出するとその抵抗が下がる正極活物質からなるものとする場合、第2抵抗変化層4は、イオンを吸蔵するとその抵抗が下がる負極活物質からなるものとする。
なお、これに限られるものではなく、第1抵抗変化層2を、イオンを放出すると抵抗が下がり、イオンを吸蔵すると抵抗が上がる負極活物質層とし、第2抵抗変化層4を、イオンを放出すると抵抗が上がり、イオンを吸蔵すると抵抗が下がる正極活物質層としても良い。
また、第1抵抗変化層2は、イオンを吸蔵するとその抵抗が上がる負極活物質からなるものとする場合、第2抵抗変化層を、イオンを放出するとその抵抗が上がる正極活物質からなるものとしても良い。
例えば、Liイオンを用いる場合、第2抵抗変化層4を構成する負極活物質は、Liイオンを吸蔵すると抵抗が下がるLi4Ti5O12等、イオン伝導層3を構成する固体電解質は、Li3PO4、Li9Al3(P2O7)3(PO4)2、Li2.9PO3.3N0.46、(La,Li)TiO3等、第1抵抗変化層2を構成する正極活物質は、Liイオンを放出すると抵抗が下がるLiCoO2、LiNiO2、LiTi5O12、LiMnO2、LiFePO4等を用いれば良い。
ところで、本実施形態では、抵抗変化素子9は、図1に示すように、第1抵抗変化層2に接続されるように互いに離間して設けられた第1電極5及び第2電極6と、第2抵抗変化層4に接続されるように互いに離間して設けられた第3電極7及び第4電極8とを備える。
そして、情報(抵抗値)の書き込みを行なうときは、第1電極5及び第2電極6の少なくとも一方と第3電極7及び第4電極8の少なくとも一方を介して第1抵抗変化層2及び第2抵抗変化層4に書込電圧を印加し、第1抵抗変化層2及び第2抵抗変化層4の抵抗を変化させて、情報の書き込みを行なえば良い。
ここでは、図2に示すように、第1抵抗変化層2と第2抵抗変化層4が並列接続されるようにし、第1抵抗変化層2及び第2抵抗変化層4に読出電圧を印加して第1抵抗変化層2及び第2抵抗変化層4に流れる電流(読出電流)を検出して、情報(抵抗値)の読み出しを行なう。
このため、抵抗変化素子9として機能させるのに十分な抵抗の変化が得られるようにすることができ、その特性を向上させることができる。
つまり、抵抗率の高い物質である正極活物質を二次電池に使用する場合は正極活物質層に電極層を積層して、正極活物質層の全面に電極層を設けることで、その抵抗値を下げているため、問題は生じない。
このため、抵抗変化素子として機能させるのに十分な抵抗変化を得るのが難しい。
また、上述のようにして情報(抵抗値)の読み出しを行なう場合、第1抵抗変化層2の抵抗値と第2抵抗変化層4の抵抗値の合成抵抗値(合成抵抗)が、抵抗変化素子9に記憶されている情報(抵抗値)として読み出されることになる。
これにより、十分な読出電流が得られるようになり、例えば情報として記憶されている抵抗値が「0」であるか「1」であるかの判定を誤るなどの誤動作を防止できることになり、その特性を向上させることができる。
情報(抵抗値)の書き込みを行なう場合、即ち、抵抗変化素子9の抵抗値(素子抵抗)を変える場合、第1電極5及び第2電極6の一方又は両方と第3電極7及び第4電極8の一方又は両方との間に、イオンを移動させる電圧(書込電圧)を印加し、第1抵抗変化層2及び第2抵抗変化層4の抵抗(抵抗値)を変化させて、情報の書き込みを行なえば良い。
これにより、Liイオンは、第1抵抗変化層2を構成するLiCoO2から第2抵抗変化層4を構成するLi4Ti5O12へ向かって移動し、第1抵抗変化層2及び第2抵抗変化層4の抵抗(抵抗値)が変化し、情報の書き込みが行なわれることになる。
これにより、Liイオンは、第2抵抗変化層4を構成するLi4Ti5O12から第1抵抗変化層2を構成するLiCoO2へ向かって移動し、第1抵抗変化層2及び第2抵抗変化層4の抵抗(抵抗値)が変化し、情報の書き込みが行なわれることになる。
なお、Liイオンの移動量は、第1電極5及び第2電極6と第3電極7及び第4電極8との間に印加する電圧、パルス数、パルス時間等で制御可能である。
なお、図3中、実線Aは、本実施形態の抵抗変化素子9(例えば図1参照)の素子抵抗の変化を示している。
また、図3中、実線Bは、従来の抵抗変化素子、即ち、本実施形態の抵抗変化素子の上層の第2抵抗変化層4の変わりにLi層(Li金属;イオン吸蔵放出層)10を備え、抵抗変化層として下層の抵抗変化層2のみを備える抵抗変化素子11(例えば図4参照)の素子抵抗の変化を示している。
また、図3中、「充電2分」とは、第1電極5及び第2電極6に正電圧を印加し、第3電極7及び第4電極8を接地し、充電電流2μAを2分間流した場合を意味している。
また、図3中、「放電1分」とは、第1電極5及び第2電極6を接地し、第3電極7及び第4電極8に正電圧を印加し、放電電流2μAを1分間流した場合を意味している。
ここでは、まず、本実施形態の抵抗変化素子9、及び、従来の抵抗変化素子11のそれぞれの抵抗値を測定した。これを初期値とした。
続いて、さらに充電を5分間行ない、本実施形態の抵抗変化素子9、及び、従来の抵抗変化素子11のそれぞれの抵抗値を測定した。
次に、放電を1分間行ない、本実施形態の抵抗変化素子9、及び、従来の抵抗変化素子11のそれぞれの抵抗値を測定した。
このようにして抵抗値を測定した結果、図3に示すようになった。
図3に示すように、従来の抵抗変化素子11と本実施形態の抵抗変化素子9の両方とも、充電を行なうと抵抗値が下がり、放電を行なうと抵抗値が上がることが確認された。
ところで、上述のようにして情報(抵抗値)の書き込みを行なうことができるが、情報(抵抗値)の読み出しを行なう場合には、次のようにすれば良い。
そして、第1電極5及び第3電極7と第2電極6及び第4電極8との間、即ち、第1抵抗変化層2及び第2抵抗変化層4に読出電圧(例えば約0.1V)を印加して、これらの間、即ち、第1抵抗変化層2及び第2抵抗変化層4に流れる電流(読出電流)を検出して、情報の読み出しを行なえば良い。
そして、本実施形態の抵抗変化素子9では、情報の読み出しを行なう場合に、2つの抵抗変化層2、4に流れる電流(読出電流)を検出し、これに基づいて抵抗値(合成抵抗値)を求めることで、情報の読み出しを行なうことになる。このため、情報を読み出す際に抵抗変化素子に流れる電流(読出電流)を大きくすることができる。
また、本実施形態の抵抗変化素子9では、上述のような抵抗値低減効果、さらには、読出電流を大きくすることができ、誤動作を防止し、その特性を向上させることができるという効果だけでなく、以下のような効果も奏する。
なお、従来の抵抗変化素子11(例えば図4参照)では、抵抗変化層2からイオン(元素)を抜き出して、その抵抗値を下げる動作を「充電」と呼ぶことにし、充電特性を、図5中、実線Aで示している。
また、本実施形態の抵抗変化素子9(例えば図1参照)では、2つの抵抗変化層2、4のうち正極活物質を用いた第1抵抗変化層2の側に正電圧を印加して、第1抵抗変化層2からイオン(元素)を抜き出し、第2抵抗変化層4にイオン(元素)を入れて、第1抵抗変化層2及び第2抵抗変化層4の抵抗値を下げる動作を「充電」と呼ぶことにし、充電特性を、図6中、実線Aで示している。
図5に示すように、従来の抵抗変化素子11(例えば図4参照)では、充放電は狙った電圧(図5では3V)が生じると終了させるが(図5中、矢印の箇所)、その電圧に留まっておらず、戻りが生じてしまう。
これに対し、図6に示すように、本実施形態の抵抗変化素子9(例えば図1参照)では、2つの抵抗変化層2、4で充放電が同時に行なわれるため、即ち、2つの抵抗変化層2、4でイオンを抜き出す動作とイオンを入れる動作が同時に行なわれる。このため、それぞれの緩和現象が抑えられることとなり、狙った電圧(図6では2V)に対して、戻りによるずれが減少する効果が得られる。
次に、本実施形態にかかる抵抗変化素子の製造方法について説明する。
本実施形態にかかる抵抗変化素子の製造方法は、第1抵抗変化層2を形成する工程と、イオン伝導層3を形成する工程と、第2抵抗変化層4を形成する工程とを含む(例えば図1参照)。
また、イオン伝導層3を形成する工程では、第1抵抗変化層2上に、イオンを伝導するイオン伝導層3を形成する。
例えば、Liイオンを用いる場合、基板1上に、第1電極5及び第2電極6としてのPt/Ti層(Pt/Ti積層膜;ここではTi膜上にPt膜を積層した積層膜)、第1抵抗変化層2としてのLiCoO2層、イオン伝導層3としてのLi3PO4層、第2抵抗変化層4としてのLi4Ti5O12層、第3電極7及び第4電極8としてのTiN/Pt層(TiN/Pt積層膜;ここではPt膜上にTiN膜を積層した積層膜)を、マスクを用いて積層することで、抵抗変化素子9を製造することができる(例えば図1参照)。
ところで、上述のような構成を採用しているのは、以下の理由による。
機械学習は、事前に基本的なデータを用いて、データの各要素の重要度に応じて重み付けをしている。この重み付けにより、新たな大量のデータに対して、機械自身が判断し、結果を予測することが可能となる。したがって、この重み付けという工程は非常に重要な工程となる。
しかしながら、毎回、その重みを読み出すことになり、処理速度低下、消費電力増大の問題点がある。
そこで、重みを抵抗素子の抵抗値の変化を用いる方法が検討されている。つまり、抵抗素子の抵抗値の変化に応じて、流れる電流が変化するため、これを重み付けとして用いる方法である。
不揮発性抵抗メモリとしては、磁気を利用したMRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)、結晶状態を利用したPCRAM(Phase Change Random Access Memory)、酸化還元等を利用したReRAM(Resistive Random Access Memory)がある。
この重み付けは、例えば「0」と「1」の2値で表すよりも、例えば「0」、「1」、「2」のように多値で表す方が、より高精度の予測をする上で好ましい。
そこで、連続で抵抗値が変化する例えばリチウム電池等の二次電池、即ち、正極活物質層と負極活物質層の間で電解質層を通ってイオンが移動することで充電、放電を行なう二次電池の原理を用い、その構成を利用して、抵抗変化素子を構成することが考えられる。
この場合、正極活物質層2と負極活物質層10の間で固体電解質層3を通ってイオンが移動することで、正極活物質層2のイオンの量が変化し、これに応じて抵抗が変化するため、これを読出電極5、6間の抵抗値として読み出すことで、抵抗変化素子11として機能させることができる。
この場合、抵抗が変化する部分、即ち、抵抗変化層2として機能するのは、正極活物質層としてのLiCoO2層であり、その抵抗値はその内部のLi量によって変化する。
なお、固体電解質は、絶縁材料であり、電子の導電性はないが、Liイオンは流れる。また、読出電極5、6間で、電気は固体電解質層3を通してではなく、正極活物質層2を通して流れることになる。
このため、これを抵抗変化層2として用いると抵抗が大きく、読出電流が小さくなって、誤動作の原因となり、抵抗変化素子として機能させるには不十分であり、特性が得られないことがわかった。
また、上述の従来の抵抗変化素子11(例えば図4参照)のサイズを大きくすることも考えられるが、大型化してしまうため好ましくない。
また、上述の従来の抵抗変化素子11(例えば図4参照)を平面上に並べて配置し、これらを接続することも考えられるが、大型化してしまうため好ましくない。
また、上述の従来の抵抗変化素子11(例えば図4参照)では、負極活物質層10をLi層としているが、Liは水分や酸素と反応しやすいため、抵抗変化素子11を作製する半導体プロセスにおいて取り扱いが難しい。
また、上述の従来の抵抗変化素子11(例えば図4参照)では、負極活物質層10をLi層としているが、このほか、シリコン(Si)層や黒鉛(C)層などが用いられることもある。
なお、Siは、水に対しては問題ないが、酸素に対しては酸化され、シリコン酸化物(SiO2)、即ち、絶縁体を形成する。また、黒鉛は、水に対しては問題ないが、酸素に対しては酸化され、炭酸ガス(CO、CO2)となる。
これにより、容易に作製でき、大型化を招くこともなく、消費電力を増大させずに、抵抗変化素子9の全体の抵抗値を下げることができ、抵抗変化層2、4の抵抗値を読み出す際の読出電流を大きくすることができ、誤動作を防止し、その特性を向上させ、抵抗変化素子9として十分に機能させることが可能となる。
例えば、Liからなる負極活物質層は、固体電解質層を通してLiイオンを吸蔵・放出しても、当該イオンはそれ自身であるため、抵抗変化は生じない。このため、抵抗変化層として用いることはできない。
また、例えば、黒鉛からなる負極活物質層は、Siとは逆に抵抗が低すぎるため(例えば抵抗率10-3Ωcm)、抵抗変化層としては適さない。
また、リチウム(Li)、シリコン(Si)、黒鉛(C)などの材料は、水分や酸素と反応しやすいため、抵抗変化素子を作製する半導体プロセスにおいて取り扱いが難しい。このため、水分や酸素に対して耐性のある酸化物(酸化物化合物)を負極活物質層に用いることが好ましい。
これにより、1つの抵抗変化層を備える抵抗変化素子と比較して、次の利点が生じる。
つまり、1つの抵抗変化層を備える抵抗変化素子の場合、抵抗変化層が何らかの理由で抵抗変化しなくなると即不良素子となってしまう。
なお、2つの抵抗変化層を備える抵抗変化素子とする場合、2つの抵抗変化層に同じ材料を用い、これらに同様に動作させると、2つの抵抗変化層で抵抗変化が相殺されてしまうため、上述の読出電流が小さくなってしまうという課題を解決することはできない。
ところで、上述のように構成される抵抗変化素子9を備えるものとして、記憶装置を構成することができる。
また、このように構成されるメモリ素子22は、図8に示すように、トランジスタによって構成されるスイッチSW1~SW13を備えるものとすれば良い。
そして、例えば図9に示すように、記憶装置24を、このように構成されるメモリ素子22と、列選択部25と、行選択部26と、制御部27と、検出部28とを備えるものとすれば良い。
ここで、選択された抵抗変化素子9への情報(抵抗値)の書き込みは、以下のようにして行なわれる。
この場合、図10に示すように、トランジスタで構成されるスイッチSW2、SW3、SW6、SW8を切り替え、上層の第2抵抗変化層4に接続された第3電極7及び第4電極8に正電圧を印加し、下層の第1抵抗変化層2に接続された第1電極5及び第2電極6を接地する。
また、スイッチSW6、SW8をオンにして導通させ、配線L3、L4を接地してゼロ電位にすることによって、第1電極5及び第2電極6を接地してゼロ電位にする。
次に、イオン(例えばLiイオンなど)の移動を下層の第1抵抗変化層2から上層の第2抵抗変化層4へ移動させて、情報(抵抗値)の書き込みを行なう場合について説明する。
つまり、トランジスタで構成されるスイッチSW4、SW5、SW7をオンにして導通させ、配線L3、L4に書込電圧としての正電圧を印加することによって、第1電極5及び第2電極6に正電圧を印加する。
これにより、イオン(例えばLiイオンなど)の移動を下層の第1抵抗変化層2から上層の第2抵抗変化層4へ移動させ、第1抵抗変化層2及び第2抵抗変化層4の中のイオンの量を制御し、第1抵抗変化層2及び第2抵抗変化層4の抵抗を変化させることで、抵抗変化素子9への情報の書き込みが行なわれる。
また、制御部27からの読出し指令に基づいて列選択部25及び行選択部26によってメモリ素子22に備えられるいずれかの抵抗変化素子9が選択され、選択された抵抗変化素子9から検出部28によって情報(抵抗値)の読み出しが行なわれるようにすれば良い。
これにより、図12中、矢印で示すように、配線L1から、上層の第2抵抗変化層4を経由して、配線L2、L5、L4の順に電流が流れる。
そして、配線L4に、上層と下層のそれぞれの抵抗変化層2、4を流れた電流が合流することになる。
この電流を読出電流として検出部28によって検出(例えば電流計によって計測)することによって、情報(抵抗値)の読み出しが行なわれる。
この場合、記憶装置24は、上述のように構成される抵抗変化素子9と、抵抗変化素子9に接続され、抵抗変化素子9へ情報の書き込みを行なう書込回路29と、抵抗変化素子9に接続され、抵抗変化素子9から情報の読み出しを行なう読出回路30とを備えるものとして構成されることになる。
また、抵抗変化素子9が、第1抵抗変化層2に接続されるように互いに離間して設けられた第1電極5及び第2電極6と、第2抵抗変化層4に接続されるように互いに離間して設けられた第3電極7及び第4電極8とを備える場合、書込回路29、読出回路30は、以下のようにして、書き込み、読み出しを行なうことになる。
また、読出回路30は、第1電極5及び第2電極6を介して第1抵抗変化層2に読出電圧を印加するとともに第3電極7及び第4電極8を介して第2抵抗変化層4に読出電圧を印加し、第1抵抗変化層2及び第2抵抗変化層4に流れる電流を検出して、情報の読み出しを行なうことになる。
なお、上述の実施形態では、第1抵抗変化層2と第2抵抗変化層4が並列接続されるようにして情報の読み出しを行なうようにしているが、これに限られるものではない。
例えば図13に示すように、第1抵抗変化層2と第2抵抗変化層4が直列接続されるようにし、第1抵抗変化層2及び第2抵抗変化層4に読出電圧を印加して第1抵抗変化層2及び第2抵抗変化層4に流れる電流を検出して、情報の読み出しを行なうようにしても良い。
このように、上述の実施形態の抵抗変化素子9は、即不良素子となってしまうのを避けるために、第1抵抗変化層2と第2抵抗変化層4が直列接続されるようにして用いることもできる。
なお、図14では、読出時の電流の流れを矢印で示している。また、図15~図17におけるスイッチSW14~SW22は省略している。また、図14中、符号23は絶縁層(層間膜)を示している。
なお、図15~図17中、黒丸は接続を意味している。また、図15~図17中、符号L1~L4は配線を示しており、これらの配線L1~L4は、図14における配線16~20によって構成される。
そして、制御部27からの書き込み指令に基づいて列選択部25及び行選択部26によってメモリ素子22に備えられるいずれかの抵抗変化素子9が選択され、選択された抵抗変化素子9に情報(抵抗値)の書き込みが行なわれるようにすれば良い。
まず、イオン(例えばLiイオンなど)を上層の第2抵抗変化層4からの下層の第1抵抗変化層2へ移動させて、情報(抵抗値)の書き込みを行なう場合について説明する。
この場合、図15に示すように、トランジスタで構成されるスイッチSW14、SW15、SW17、SW20を切り替え、上層の第2抵抗変化層4に接続された第3電極7及び第4電極8に正電圧を印加し、下層の第1抵抗変化層2に接続された第1電極5及び第2電極6を接地する。
また、スイッチSW17、SW20をオンにして導通させ、配線L3、L4を接地してゼロ電位にすることによって、第1電極5及び第2電極6を接地してゼロ電位にする。
次に、イオン(例えばLiイオンなど)の移動を下層の第1抵抗変化層2から上層の第2抵抗変化層4へ移動させて、情報(抵抗値)の書き込みを行なう場合について説明する。
つまり、トランジスタで構成されるスイッチSW16、SW19をオンにして導通させ、配線L3、L4に書込電圧としての正電圧を印加することによって、第1電極5及び第2電極6に正電圧を印加する。
これにより、イオン(例えばLiイオンなど)の移動を下層の第1抵抗変化層2から上層の第2抵抗変化層4へ移動させ、第1抵抗変化層2及び第2抵抗変化層4の中のイオンの量を制御し、第1抵抗変化層2及び第2抵抗変化層4の抵抗を変化させることで、抵抗変化素子9への情報の書き込みが行なわれる。
また、制御部27からの読出し指令に基づいて列選択部25及び行選択部26によってメモリ素子22に備えられるいずれかの抵抗変化素子9が選択され、選択された抵抗変化素子9から検出部28によって情報(抵抗値)の読み出しが行なわれるようにすれば良い。
これにより、図17中、矢印で示すように、配線L1から、上層の第2抵抗変化層4を経由して、配線L2、L4の順に電流が流れ、さらに、下層の第1抵抗変化層2を経由して、配線L3に電流が流れる。
この電流を読出電流として検出部28によって検出(例えば電流計によって計測)することによって、情報(抵抗値)の読み出しが行なわれる。
このようにして抵抗変化素子9からの情報の読み出しが行なわれるため、配線16~20、L1~L4、列選択部25、行選択部26、制御部27、検出部28を含むものとして、読出回路30が構成される。
そして、読出回路30は、第1抵抗変化層2と第2抵抗変化層4が直列接続されるようにし、第1抵抗変化層2及び第2抵抗変化層4に読出電圧を印加して第1抵抗変化層2及び第2抵抗変化層4に流れる電流を検出して、情報の読み出しを行なうことになる。
つまり、書込回路29は、第1電極5及び第2電極6の少なくとも一方と第3電極7及び第4電極8の少なくとも一方を介して第1抵抗変化層2及び第2抵抗変化層4に書込電圧を印加し、第1抵抗変化層2及び第2抵抗変化層4の抵抗を変化させて、情報の書き込みを行なうことになる。
また、書込回路29は、第1電極5及び第2電極6の少なくとも一方に正電圧を印加し、かつ、第3電極7及び第4電極8の少なくとも一方を接地することによって、又は、第1電極5及び第2電極6の少なくとも一方を接地し、かつ、第3電極7及び第4電極8の少なくとも一方に正電圧を印加することによって、第1抵抗変化層2及び第2抵抗変化層4に書込電圧を印加することになる。
以下、上述の実施形態に関し、更に、付記を開示する。
(付記1)
少なくとも1種類のイオンを吸蔵、放出でき、前記イオンの量に応じて抵抗が変化する層であって、前記イオンを放出すると抵抗が下がり、前記イオンを吸蔵すると抵抗が上がる第1抵抗変化層と、
前記イオンを吸蔵、放出でき、前記イオンの量に応じて抵抗が変化する層であって、前記イオンを放出すると抵抗が上がり、前記イオンを吸蔵すると抵抗が下がる第2抵抗変化層と、
前記第1抵抗変化層と前記第2抵抗変化層との間に設けられ、前記イオンを伝導するイオン伝導層とを備えることを特徴とする抵抗変化素子。
前記第1抵抗変化層から放出された前記イオンは、前記イオン伝導層を通って、前記第2抵抗変化層に吸蔵され、
前記第2抵抗変化層から放出された前記イオンは、前記イオン伝導層を通って、前記第1抵抗変化層に吸蔵されることを特徴とする、付記1に記載の抵抗変化素子。
前記第1抵抗変化層から放出された前記イオンが前記イオン伝導層を通って前記第2抵抗変化層に吸蔵されることによって、前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層の両方の抵抗が下がり、
前記第2抵抗変化層から放出された前記イオンが前記イオン伝導層を通って前記第1抵抗変化層に吸蔵されることによって、前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層の両方の抵抗が上がることを特徴とする、付記1又は2に記載の抵抗変化素子。
前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層は、書込時に抵抗変化が同時に起こることを特徴とする、付記1~3のいずれか1項に記載の抵抗変化素子。
(付記5)
前記第1抵抗変化層は、イオン電池に用いられる正極活物質からなる正極活物質層であり、
前記イオン伝導層は、前記イオン電池に用いられる固体電解質からなる固体電解質層であり、
前記第2抵抗変化層は、前記イオン電池に用いられる負極活物質からなる負極活物質層であることを特徴とする、付記1~4のいずれか1項に記載の抵抗変化素子。
前記第1抵抗変化層に接続されるように互いに離間して設けられた第1電極及び第2電極と、
前記第2抵抗変化層に接続されるように互いに離間して設けられた第3電極及び第4電極とを備えることを特徴とする、付記1~5のいずれか1項に記載の抵抗変化素子。
抵抗変化素子と、
前記抵抗変化素子に接続され、前記抵抗変化素子へ情報の書き込みを行なう書込回路と、
前記抵抗変化素子に接続され、前記抵抗変化素子から情報の読み出しを行なう読出回路とを備え、
前記抵抗変化素子は、
少なくとも1種類のイオンを吸蔵、放出でき、前記イオンの量に応じて抵抗が変化する層であって、前記イオンを放出すると抵抗が下がり、前記イオンを吸蔵すると抵抗が上がる第1抵抗変化層と、
前記イオンを吸蔵、放出でき、前記イオンの量に応じて抵抗が変化する層であって、前記イオンを放出すると抵抗が上がり、前記イオンを吸蔵すると抵抗が下がる第2抵抗変化層と、
前記第1抵抗変化層と前記第2抵抗変化層との間に設けられ、前記イオンを伝導するイオン伝導層とを備えることを特徴とする記憶装置。
前記読出回路は、前記第1抵抗変化層と前記第2抵抗変化層が並列接続されるようにし、前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層に読出電圧を印加して前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層に流れる電流を検出して、情報の読み出しを行なうことを特徴とする、付記7に記載の記憶装置。
前記読出回路は、前記第1抵抗変化層と前記第2抵抗変化層が直列接続されるようにし、前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層に読出電圧を印加して前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層に流れる電流を検出して、情報の読み出しを行なうことを特徴とする、付記7に記載の記憶装置。
前記抵抗変化素子は、
前記第1抵抗変化層に接続されるように互いに離間して設けられた第1電極及び第2電極と、
前記第2抵抗変化層に接続されるように互いに離間して設けられた第3電極及び第4電極とを備え、
前記書込回路は、前記第1電極及び前記第2電極の少なくとも一方と前記第3電極及び前記第4電極の少なくとも一方を介して前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層に書込電圧を印加し、前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層の抵抗を変化させて、情報の書き込みを行ない、
前記読出回路は、前記第1電極及び前記第2電極を介して前記第1抵抗変化層に読出電圧を印加するとともに前記第3電極及び前記第4電極を介して前記第2抵抗変化層に読出電圧を印加し、前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層に流れる電流を検出して、情報の読み出しを行なうことを特徴とする、付記7~9のいずれか1項に記載の記憶装置。
前記書込回路は、前記第1電極及び前記第2電極の少なくとも一方に正電圧を印加し、かつ、前記第3電極及び前記第4電極の少なくとも一方を接地することによって、又は、前記第1電極及び前記第2電極の少なくとも一方を接地し、かつ、前記第3電極及び前記第4電極の少なくとも一方に正電圧を印加することによって、前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層に書込電圧を印加することを特徴とする、付記10に記載の記憶装置。
前記第1抵抗変化層から放出された前記イオンは、前記イオン伝導層を通って、前記第2抵抗変化層に吸蔵され、
前記第2抵抗変化層から放出された前記イオンは、前記イオン伝導層を通って、前記第1抵抗変化層に吸蔵されることを特徴とする、付記7~11のいずれか1項に記載の記憶装置。
前記第1抵抗変化層から放出された前記イオンが前記イオン伝導層を通って前記第2抵抗変化層に吸蔵されることによって、前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層の両方の抵抗が下がり、
前記第2抵抗変化層から放出された前記イオンが前記イオン伝導層を通って前記第1抵抗変化層に吸蔵されることによって、前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層の両方の抵抗が上がることを特徴とする、付記7~12のいずれか1項に記載の記憶装置。
前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層は、書込時に抵抗変化が同時に起こることを特徴とする、付記7~13のいずれか1項に記載の記憶装置。
(付記15)
前記第1抵抗変化層は、イオン電池に用いられる正極活物質からなる正極活物質層であり、
前記イオン伝導層は、前記イオン電池に用いられる固体電解質からなる固体電解質層であり、
前記第2抵抗変化層は、前記イオン電池に用いられる負極活物質からなる負極活物質層であることを特徴とする、付記7~14のいずれか1項に記載の記憶装置。
少なくとも1種類のイオンを吸蔵、放出でき、前記イオンの量に応じて抵抗が変化する層であって、前記イオンを放出すると抵抗が下がり、前記イオンを吸蔵すると抵抗が上がる第1抵抗変化層を形成する工程と、
前記第1抵抗変化層上に、前記イオンを伝導するイオン伝導層を形成する工程と、
前記イオン伝導層上に、前記イオンを吸蔵、放出でき、前記イオンの量に応じて抵抗が変化する層であって、前記イオンを放出すると抵抗が上がり、前記イオンを吸蔵すると抵抗が下がる第2抵抗変化層を形成する工程とを含むことを特徴とする抵抗変化素子の製造方法。
2 第1抵抗変化層(正極活物質層)
3 イオン伝導層(固体電解質層)
4 第2抵抗変化層(負極活物質層)
5 第1電極
6 第2電極
7 第3電極
8 第4電極
9 抵抗変化素子
10 負極活物質層(イオン吸蔵放出層;Li層)
11 従来の抵抗変化素子
12~15 コンタクト部
16~21 配線
22 メモリ素子
23 絶縁層
24 記憶装置
25 列選択部
26 行選択部
27 制御部
28 検出部
29 書込回路
30 読出回路
Claims (9)
- 少なくとも1種類のイオンを吸蔵、放出でき、前記イオンの量に応じて抵抗が変化する層であって、前記イオンを放出すると抵抗が下がり、前記イオンを吸蔵すると抵抗が上がる第1抵抗変化層と、
前記イオンを吸蔵、放出でき、前記イオンの量に応じて抵抗が変化する層であって、前記イオンを放出すると抵抗が上がり、前記イオンを吸蔵すると抵抗が下がる第2抵抗変化層と、
前記第1抵抗変化層と前記第2抵抗変化層との間に設けられ、前記イオンを伝導するイオン伝導層と、
前記第1抵抗変化層に接続されるように互いに離間して設けられた第1電極及び第2電極と、
前記第2抵抗変化層に接続されるように互いに離間して設けられた第3電極及び第4電極とを備え、
前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層は、
前記第1電極及び前記第2電極の少なくとも一方と前記第3電極及び前記第4電極の少なくとも一方を介して書込電圧を印加されると、前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層の抵抗を変化させることによって、情報の書き込みを可能とし、
前記第1電極及び前記第2電極を介して前記第1抵抗変化層に読出電圧を印加されるとともに前記第3電極及び前記第4電極を介して前記第2抵抗変化層に読出電圧を印加されると、前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層に流れる電流の検出によって、情報の読み出しを可能とする、抵抗変化素子。 - 前記第1抵抗変化層から放出された前記イオンは、前記イオン伝導層を通って、前記第2抵抗変化層に吸蔵され、
前記第2抵抗変化層から放出された前記イオンは、前記イオン伝導層を通って、前記第1抵抗変化層に吸蔵されることを特徴とする、請求項1に記載の抵抗変化素子。 - 前記第1抵抗変化層から放出された前記イオンが前記イオン伝導層を通って前記第2抵抗変化層に吸蔵されることによって、前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層の両方の抵抗が下がり、
前記第2抵抗変化層から放出された前記イオンが前記イオン伝導層を通って前記第1抵抗変化層に吸蔵されることによって、前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層の両方の抵抗が上がることを特徴とする、請求項1又は2に記載の抵抗変化素子。 - 前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層は、書込時に抵抗変化が同時に起こることを特徴とする、請求項1~3のいずれか1項に記載の抵抗変化素子。
- 前記第1抵抗変化層は、イオン電池に用いられる正極活物質からなる正極活物質層であり、
前記イオン伝導層は、前記イオン電池に用いられる固体電解質からなる固体電解質層であり、
前記第2抵抗変化層は、前記イオン電池に用いられる負極活物質からなる負極活物質層であることを特徴とする、請求項1~4のいずれか1項に記載の抵抗変化素子。 - 抵抗変化素子と、
前記抵抗変化素子に接続され、前記抵抗変化素子へ情報の書き込みを行なう書込回路と、
前記抵抗変化素子に接続され、前記抵抗変化素子から情報の読み出しを行なう読出回路とを備え、
前記抵抗変化素子は、
少なくとも1種類のイオンを吸蔵、放出でき、前記イオンの量に応じて抵抗が変化する層であって、前記イオンを放出すると抵抗が下がり、前記イオンを吸蔵すると抵抗が上がる第1抵抗変化層と、
前記イオンを吸蔵、放出でき、前記イオンの量に応じて抵抗が変化する層であって、前記イオンを放出すると抵抗が上がり、前記イオンを吸蔵すると抵抗が下がる第2抵抗変化層と、
前記第1抵抗変化層と前記第2抵抗変化層との間に設けられ、前記イオンを伝導するイオン伝導層とを備え、
前記読出回路は、前記第1抵抗変化層と前記第2抵抗変化層が並列接続されるようにし、前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層に読出電圧を印加して前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層に流れる電流を検出して、情報の読み出しを行なうことを特徴とする記憶装置。 - 前記抵抗変化素子は、
前記第1抵抗変化層に接続されるように互いに離間して設けられた第1電極及び第2電極と、
前記第2抵抗変化層に接続されるように互いに離間して設けられた第3電極及び第4電極とを備え、
前記書込回路は、前記第1電極及び前記第2電極の少なくとも一方と前記第3電極及び前記第4電極の少なくとも一方を介して前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層に書込電圧を印加し、前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層の抵抗を変化させて、情報の書き込みを行ない、
前記読出回路は、前記第1電極及び前記第2電極を介して前記第1抵抗変化層に読出電圧を印加するとともに前記第3電極及び前記第4電極を介して前記第2抵抗変化層に読出電圧を印加し、前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層に流れる電流を検出して、情報の読み出しを行なうことを特徴とする、請求項6に記載の記憶装置。 - 抵抗変化素子と、
前記抵抗変化素子に接続され、前記抵抗変化素子へ情報の書き込みを行なう書込回路と、
前記抵抗変化素子に接続され、前記抵抗変化素子から情報の読み出しを行なう読出回路とを備え、
前記抵抗変化素子は、
少なくとも1種類のイオンを吸蔵、放出でき、前記イオンの量に応じて抵抗が変化する層であって、前記イオンを放出すると抵抗が下がり、前記イオンを吸蔵すると抵抗が上がる第1抵抗変化層と、
前記イオンを吸蔵、放出でき、前記イオンの量に応じて抵抗が変化する層であって、前記イオンを放出すると抵抗が上がり、前記イオンを吸蔵すると抵抗が下がる第2抵抗変化層と、
前記第1抵抗変化層と前記第2抵抗変化層との間に設けられ、前記イオンを伝導するイオン伝導層とを備え、
前記抵抗変化素子は、
前記第1抵抗変化層に接続されるように互いに離間して設けられた第1電極及び第2電極と、
前記第2抵抗変化層に接続されるように互いに離間して設けられた第3電極及び第4電極とを備え、
前記書込回路は、前記第1電極及び前記第2電極の少なくとも一方と前記第3電極及び前記第4電極の少なくとも一方を介して前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層に書込電圧を印加し、前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層の抵抗を変化させて、情報の書き込みを行ない、
前記読出回路は、前記第1電極及び前記第2電極を介して前記第1抵抗変化層に読出電圧を印加するとともに前記第3電極及び前記第4電極を介して前記第2抵抗変化層に読出電圧を印加し、前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層に流れる電流を検出して、情報の読み出しを行なうことを特徴とする記憶装置。 - 少なくとも1種類のイオンを吸蔵、放出でき、前記イオンの量に応じて抵抗が変化する層であって、前記イオンを放出すると抵抗が下がり、前記イオンを吸蔵すると抵抗が上がる第1抵抗変化層を形成する工程と、
前記第1抵抗変化層上に、前記イオンを伝導するイオン伝導層を形成する工程と、
前記イオン伝導層上に、前記イオンを吸蔵、放出でき、前記イオンの量に応じて抵抗が変化する層であって、前記イオンを放出すると抵抗が上がり、前記イオンを吸蔵すると抵抗が下がる第2抵抗変化層を形成する工程と、
前記第1抵抗変化層に接続されるように互いに離間して設けられた第1電極及び第2電極を形成する工程と、
前記第2抵抗変化層に接続されるように互いに離間して設けられた第3電極及び第4電極を形成する工程とによって、
前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層が、前記第1電極及び前記第2電極の少なくとも一方と前記第3電極及び前記第4電極の少なくとも一方を介して書込電圧を印加されると、前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層の抵抗を変化させることによって、情報の書き込みを可能とし、前記第1電極及び前記第2電極を介して前記第1抵抗変化層に読出電圧を印加されるとともに前記第3電極及び前記第4電極を介して前記第2抵抗変化層に読出電圧を印加されると、前記第1抵抗変化層及び前記第2抵抗変化層に流れる電流の検出によって、情報の読み出しを可能とする、抵抗変化素子の製造方法。
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