JPWO2010116754A1 - 不揮発性記憶素子の駆動方法 - Google Patents
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Abstract
Description
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、図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る駆動方法に従って駆動される不揮発性記憶素子の一構成例を示した断面図である。
次に、本実施の形態の不揮発性記憶素子100の製造方法について説明する。
上記のようにして作製した不揮発性記憶素子の下部電極103と上部電極107との間にパルス状の電圧を印加して抵抗変化を起こさせ、抵抗値を測定した。
以上のようにして用意した素子A〜Cの抵抗値の保持特性の評価を行った。なお、素子A〜Cの抵抗値は室温程度の温度では、10年以上もほとんど劣化が見られないような特性を有している。そこで、不揮発性記憶素子を210℃の恒温槽中に保持し、劣化を加速させて、保持特性の評価を行った。なお、抵抗値の測定は恒温槽から不揮発性記憶素子を取り出して室温で行った。
次に、書き戻しを行って不揮発性記憶素子を第2高抵抗状態にする事で、データの保持特性がなぜ改善するかについて述べる。但し、現状では、上述の保持特性の改善のメカニズムについては確定的な結論を導出するまでには至っていないため、2つの可能性を述べるにとどめる。
上記のようなメカニズムに依れば、本発明のように書き戻しを行わずに、高抵抗化時に印加する電圧の大きさを調整する事によって、図4(c)のような状態を作りだせば良いとも考えられる。つまり、上記の例の場合、高抵抗化時に+1.7Vよりも小さな正の電圧を印加することによって、低抵抗状態から直接、書き戻し後と同等の第2高抵抗状態へと不揮発性記憶素子を設定すれば良いということである。しかしながらこのような方法によって高抵抗状態を作り出した場合、高抵抗状態の書き込み不足により高抵抗状態の再現性が悪くなるという別の課題が生じた。
第1の実施の形態では、一旦、正の電圧を不揮発性記憶素子に印加して第1高抵抗状態に変化させた後、最適な状態に調整した大きさの負の電圧を不揮発性記憶素子に直接的に印加して書き戻す方法について説明した。本実施の形態では、この書き戻しを行う際に、不揮発性記憶素子に負荷抵抗を接続して電圧を印加する方法について説明する。なお、以下で説明する不揮発性記憶素子は、第1の実施の形態で用いたものと全く同じ方法で作製したものである。
本実施の形態では、2つの不揮発性記憶素子を用意した。以下、これらの不揮発性記憶素子を、素子D及び素子E呼ぶ。第1の実施の形態と同じく、いずれの不揮発性記憶素子も、初期状態を揃える目的で、+1.7V(第2電圧)の電圧パルスの印加による第2書き込み工程と、−1.3V(第1電圧)の電気パルスの印加によるの第1書き込み工程を、交互に、それぞれ50回ずつ、計100回行った。このとき、電気パルスは不揮発性記憶素子に直接印加した。これの抵抗変化様子を図6(a)と(b)に示す(この図でも80回未満の変化の状態は省略している)。
以上のような方法で抵抗値を設定した素子E及びDのデータ保持特性の評価を行った。
次に、第1及び第2の実施の形態で説明した、第1書き込み工程、第2書き込み工程、及び書き戻し工程を含む不揮発性記憶素子の駆動方法を実行する不揮発性記憶装置について説明する。
101 基板
102 酸化物層
103 下部電極
104 第1の酸素不足型Ta酸化物層
105 第2の酸素不足型Ta酸化物層
106 抵抗変化層
107 上部電極
200 不揮発性記憶装置
201 駆動回路
202 メモリセルアレイ
203 列選択回路
204 センスアンプ
205 データ入出力回路
206 書き込み回路
207 行ドライバ
208 行選択回路
209 アドレス入力回路
210 制御回路
211 書き込み用電源
212 第1(低抵抗状態設定用)電源
213 第2(第1高抵抗状態設定用)電源
214 第3(第2高抵抗状態設定用)電源
401 下部電極
402 第1の酸素不足型Ta酸化物層
403 第2の酸素不足型Ta酸化物層
404 酸素イオン
405 上部電極
406 微小導通パス
407 不完全な微小導通パス
701 不揮発性記憶素子
702 負荷抵抗
703〜706 端子
901 不揮発性記憶素子
902 トランジスタ
903〜906 端子
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、図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る駆動方法に従って駆動される不揮発性記憶素子の一構成例を示した断面図である。
次に、本実施の形態の不揮発性記憶素子100の製造方法について説明する。
上記のようにして作製した不揮発性記憶素子の下部電極103と上部電極107との間にパルス状の電圧を印加して抵抗変化を起こさせ、抵抗値を測定した。
以上のようにして用意した素子A〜Cの抵抗値の保持特性の評価を行った。なお、素子A〜Cの抵抗値は室温程度の温度では、10年以上もほとんど劣化が見られないような特性を有している。そこで、不揮発性記憶素子を210℃の恒温槽中に保持し、劣化を加速させて、保持特性の評価を行った。なお、抵抗値の測定は恒温槽から不揮発性記憶素子を取り出して室温で行った。
次に、書き戻しを行って不揮発性記憶素子を第2高抵抗状態にする事で、データの保持特性がなぜ改善するかについて述べる。但し、現状では、上述の保持特性の改善のメカニズムについては確定的な結論を導出するまでには至っていないため、2つの可能性を述べるにとどめる。
上記のようなメカニズムに依れば、本発明のように書き戻しを行わずに、高抵抗化時に印加する電圧の大きさを調整する事によって、図4(c)のような状態を作りだせば良いとも考えられる。つまり、上記の例の場合、高抵抗化時に+1.7Vよりも小さな正の電圧を印加することによって、低抵抗状態から直接、書き戻し後と同等の第2高抵抗状態へと不揮発性記憶素子を設定すれば良いということである。しかしながらこのような方法によって高抵抗状態を作り出した場合、高抵抗状態の書き込み不足により高抵抗状態の再現性が悪くなるという別の課題が生じた。
第1の実施の形態では、一旦、正の電圧を不揮発性記憶素子に印加して第1高抵抗状態に変化させた後、最適な状態に調整した大きさの負の電圧を不揮発性記憶素子に直接的に印加して書き戻す方法について説明した。本実施の形態では、この書き戻しを行う際に、不揮発性記憶素子に負荷抵抗を接続して電圧を印加する方法について説明する。なお、以下で説明する不揮発性記憶素子は、第1の実施の形態で用いたものと全く同じ方法で作製したものである。
本実施の形態では、2つの不揮発性記憶素子を用意した。以下、これらの不揮発性記憶素子を、素子D及び素子E呼ぶ。第1の実施の形態と同じく、いずれの不揮発性記憶素子も、初期状態を揃える目的で、+1.7V(第2電圧)の電圧パルスの印加による第2書き込み工程と、−1.3V(第1電圧)の電気パルスの印加によるの第1書き込み工程を、交互に、それぞれ50回ずつ、計100回行った。このとき、電気パルスは不揮発性記憶素子に直接印加した。これの抵抗変化様子を図6(a)と(b)に示す(この図でも80回未満の変化の状態は省略している)。
以上のような方法で抵抗値を設定した素子E及びDのデータ保持特性の評価を行った。
次に、第1及び第2の実施の形態で説明した、第1書き込み工程、第2書き込み工程、及び書き戻し工程を含む不揮発性記憶素子の駆動方法を実行する不揮発性記憶装置について説明する。
101 基板
102 酸化物層
103 下部電極
104 第1の酸素不足型Ta酸化物層
105 第2の酸素不足型Ta酸化物層
106 抵抗変化層
107 上部電極
200 不揮発性記憶装置
201 駆動回路
202 メモリセルアレイ
203 列選択回路
204 センスアンプ
205 データ入出力回路
206 書き込み回路
207 行ドライバ
208 行選択回路
209 アドレス入力回路
210 制御回路
211 書き込み用電源
212 第1(低抵抗状態設定用)電源
213 第2(第1高抵抗状態設定用)電源
214 第3(第2高抵抗状態設定用)電源
401 下部電極
402 第1の酸素不足型Ta酸化物層
403 第2の酸素不足型Ta酸化物層
404 酸素イオン
405 上部電極
406 微小導通パス
407 不完全な微小導通パス
701 不揮発性記憶素子
702 負荷抵抗
703〜706 端子
901 不揮発性記憶素子
902 トランジスタ
903〜906 端子
Claims (14)
- 第1電極と、第2電極と、前記第1及び第2電極間に介在させ、前記第1及び第2電極と接するように設けられた抵抗変化層とを有し、前記第1及び第2電極間に与えられる極性の異なる電気的信号に基づいて、前記抵抗変化層の抵抗状態が可逆的に変化し、前記抵抗変化層は酸素不足型の遷移金属酸化物層を含んでいる不揮発性記憶素子の駆動方法であって、
前記第1及び第2電極間に第1の極性を有する第1電圧を印加することにより、前記抵抗変化層を、第1の論理情報を表す低抵抗状態にする第1書き込み工程と、
前記第1及び第2電極間に前記第1の極性とは異なる第2の極性を有する第2電圧を印加することにより、前記抵抗変化層を前記低抵抗状態よりも抵抗値が高い第1高抵抗状態にする第2書き込み工程と、
前記第2書き込み工程の後、前記第1及び第2電極間に前記第1の極性を有しかつ電圧の絶対値が前記第1電圧より小さい第3電圧を印加することにより、前記抵抗変化層を、前記低抵抗状態よりも抵抗値が高くかつ前記第1高抵抗状態よりも抵抗値が低い、前記第1の論理情報とは異なる第2の論理情報を表す第2高抵抗状態にする書き戻し工程と、
を含む不揮発性記憶素子の駆動方法。 - 前記書き戻し工程において、前記不揮発性記憶素子は負荷抵抗と直列に接続されて直列回路を構成し、前記直列回路に前記第1の極性を有する電圧を印加することにより、前記不揮発性記憶素子の前記第1及び第2電極間に前記第3電圧に相当する分圧を印加する
請求項1に記載の不揮発性記憶素子の駆動方法。 - 前記書き戻し工程において、前記不揮発性記憶素子は前記負荷抵抗としてのトランジスタのチャンネルと直列に接続されて前記直列回路を構成し、前記トランジスタのゲートに所定の電圧を印加することで前記トランジスタのチャンネル抵抗を所定の抵抗値にした状態で、前記直列回路に前記第1の極性を有する電圧を印加することにより、前記不揮発性記憶素子の前記第1及び第2電極間に前記第3電圧に相当する分圧を印加する
請求項2に記載の不揮発性記憶素子の駆動方法。 - 第1電極と、第2電極と、前記第1及び第2電極間に介在させ、前記第1及び第2電極と接するように設けられた抵抗変化層とを有し、前記第1及び第2電極間に与えられる極性の異なる電気的信号に基づいて、前記抵抗変化層の抵抗状態が可逆的に変化し、前記抵抗変化層は酸素不足型の遷移金属酸化物層を含んでいる不揮発性記憶素子と、
駆動回路と、を備え、
前記駆動回路は、
前記第1及び第2電極間に第1の極性を有する第1電圧を印加することにより、前記抵抗変化層を、第1の論理情報を表す低抵抗状態にする第1書き込み工程と、
前記第1及び第2電極間に前記第1の極性とは異なる第2の極性を有する第2電圧を印加することにより前記抵抗変化層を前記低抵抗状態よりも抵抗値が高い第1高抵抗状態にする第2書き込み工程と、
前記第2書き込み工程の後、前記第1及び第2電極間に前記第1の極性を有しかつ電圧の絶対値が前記第1電圧より小さい第3電圧を印加することにより、前記抵抗変化層を、前記低抵抗状態よりも抵抗値が高くかつ前記第1高抵抗状態よりも抵抗値が低い、前記第1の論理情報とは異なる第2の論理情報を表す第2高抵抗状態にする書き戻し工程と、を行う
不揮発性記憶装置。 - 前記第1電極と前記第2電極とは、第1配線と第2配線とにそれぞれ電気的に接続されており、
前記駆動回路は、
前記第1書き込み工程において前記第1及び第2電極間に前記第1電圧を印加するための電圧を前記第1及び第2配線間に供給する第1電源と、
前記第2書き込み工程において前記第1及び第2電極間に前記第2電圧を印加するための電圧を前記第1及び第2配線間に供給する第2電源と、
前記書き戻し工程において前記第1及び第2電極間に前記第3電圧を印加するための電圧を前記第1及び第2配線間に供給する第3電源と、を有する
請求項4に記載の不揮発性記憶装置。 - 前記第3電源は、前記不揮発性記憶素子と直列に接続された負荷抵抗素子を有する
請求項5に記載の不揮発性記憶装置。 - 前記負荷抵抗素子は、前記不揮発性記憶素子と直列に接続されたトランジスタである
請求項6に記載の不揮発性記憶装置。 - 前記抵抗変化層は、酸素濃度の異なる少なくとも2層の酸素不足型の遷移金属の酸化物層から形成されており、酸素濃度の高い酸素不足型の遷移金属の酸化物層が前記第1電極もしくは前記第2電極に接触している
請求項4から7のいずれかに記載の不揮発性記憶装置。 - 前記遷移金属はタンタルである
請求項4から8のいずれかに記載の不揮発性記憶装置。 - 前記駆動回路は、前記書き戻し工程を、前記第2書き込み工程に引き続いて毎回行う
請求項4から9のいずれかに記載の不揮発性記憶装置。 - 前記駆動回路は、不揮発性記憶装置に対する電源の遮断前またはスタンバイ状態への移行前もしくはその両方において、前記書き戻し工程を行う
請求項4から9のいずれかに記載の不揮発性記憶装置。 - 前記不揮発性記憶装置は、複数の不揮発性記憶素子をを備え、
前記駆動回路は、電源遮断前に、前記複数の不揮発性記憶素子の中から前記第1高抵抗状態にある不揮発性記憶素子を検出し、前記検出された不揮発性記憶素子に対して前記書き戻し工程を行う
請求項4から9のいずれかに記載の不揮発性記憶装置。 - 前記第1高抵抗状態にある不揮発性記憶素子の検出は、前記第1高抵抗状態の抵抗値と第2高抵抗状態の抵抗値との間にしきい値を定めておき、前記不揮発性記憶素子から読み出された抵抗値と前記しきい値との比較により検出する
請求項12に記載の不揮発性記憶装置。 - 前記駆動回路は、前記不揮発性記憶装置がアイドル状態の時、前記書き戻し工程を行う
請求項4から9のいずれかに記載の不揮発性記憶装置。
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