KR20120073086A - Variable resistance element, semiconductor device including the variable resistance element, and method of operation the semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 장치에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 가변 저항 소자, 상기 가변 저항 소자를 포함하는 반도체 장치 및 상기 반도체 장치의 동작 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a variable resistance element, a semiconductor device including the variable resistance element, and a method of operating the semiconductor device.
메모리 장치의 고용량화 및 저전력화의 요구에 따라 비휘발성인 동시에 리프레쉬가 필요없는 차세대 메모리 장치들에 대한 연구가 진행되고 있다. 이러한 차세대 메모리 장치는 DRAM(Dynamic Random Access Memory)의 고집적성, 플래쉬 메모리의 비휘발성, SRAM(Static RAM)의 고속성 등을 갖출 것이 요구된다. 현재 각광을 받고 있는 차세대 메모리 장치로는 PRAM(Phase change RAM), NFGM(Nano Floating Gate Memory), PoRAM(Polymer RAM), MRAM(Magnetic RAM), FeRAM(Ferroelectric RAM), RRAM(Resistive RAM) 등이 상술한 요구 사항에 부응하는 차세대 메모리 장치로 거론되고 있다. 이 중에서 RRAM은 부도체 물질에 충분히 높은 전압을 가하면 전류가 흐르는 통로가 생성되어 저항이 낮아지는 현상을 이용한 것이다. 이때, 일단 통로가 생성되면 적당한 전압을 가하여 없애거나 다시 생성할 수 있다.In accordance with the demand for higher capacity and lower power of memory devices, research on next-generation memory devices that are nonvolatile and do not require refresh is being conducted. Such next-generation memory devices are required to have high integration of DRAM (Dynamic Random Access Memory), nonvolatile flash memory, and high speed of static RAM (SRAM). Next-generation memory devices that are currently in the spotlight include Phase Change RAM (PRAM), Nano Floating Gate Memory (NFGM), Polymer RAM (PoRAM), Magnetic RAM (MRAM), Ferroelectric RAM (FeRAM), and RRAM (Resistive RAM). It is proposed as a next generation memory device that meets the above requirements. Among them, RRAM takes advantage of the phenomenon that when a sufficiently high voltage is applied to the non-conductive material, a passage through which a current flows is generated and the resistance is lowered. At this time, once the passage is created, it may be removed or regenerated by applying an appropriate voltage.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 가변 저항 소자의 전류 산포를 개선함으로써, 가변 저항 소자를 포함하는 반도체 장치의 신뢰성을 향상할 수 있는 가변 저항 소자, 상기 가변 저항 소자를 포함하는 반도체 장치 및 상기 반도체 장치의 동작 방법을 제공하는데 있다.The problem to be solved by the present invention is to improve the current distribution of the variable resistance element, a variable resistance element that can improve the reliability of the semiconductor device including the variable resistance element, a semiconductor device including the variable resistance element and the semiconductor device To provide a method of operation.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 저항 소자를 포함하는 반도체 장치의 동작 방법은, 상기 가변 저항 소자의 저항이 제1 저항에서 상기 제1 저항과 다른 값인 제2 저항으로 변경되도록 상기 가변 저항 소자에 제1 전압을 인가하는 단계; 상기 제1 전압이 인가된 상기 가변 저항 소자에 흐르는 제1 전류를 감지하는 단계; 상기 제1 전류가 미리 정한 제1 전류 범위 내에 포함되는지 판단하는 단계; 및 상기 제1 전류가 상기 미리 정한 제1 전류 범위 내에 포함되지 않는 경우, 상기 가변 저항 소자에 상기 제1 전압과 동일한 전압 레벨을 가지는 추가 제1 전압을 인가하는 단계를 포함한다.In an operation method of a semiconductor device including a variable resistance element according to an exemplary embodiment of the present disclosure, a resistance of the variable resistance element is changed from a first resistor to a second resistor having a different value from the first resistor. Applying a first voltage to the variable resistance element so as to be effective; Sensing a first current flowing through the variable resistance element to which the first voltage is applied; Determining whether the first current is within a predetermined first current range; And applying an additional first voltage having the same voltage level as the first voltage to the variable resistance element when the first current is not included within the predetermined first current range.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 저항은 셋 저항이고, 상기 제2 저항은 리셋 저항이며, 상기 제2 저항은 상기 제1 저항보다 클 수 있다.In some embodiments, the first resistor may be a set resistor, the second resistor may be a reset resistor, and the second resistor may be greater than the first resistor.
일부 실시예들에 있어서, 상기 가변 저항 소자에 흐르는 제1 전류를 감지하는 단계는, 절대값(magnitude)이 상기 제1 전압보다 작은 독출 전압을 인가하여, 상기 제1 전압이 인가된 상기 가변 저항 소자에 흐르는 상기 제1 전류를 감지할 수 있다.In some embodiments, the sensing of the first current flowing in the variable resistance element may include applying a read voltage having a magnitude smaller than the first voltage to apply the variable resistor to which the first voltage is applied. The first current flowing through the device may be sensed.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 전압의 인가 시간은 1 μs 내지 1 ns일 수 있다.In some embodiments, the application time of the first voltage may be 1 μs to 1 ns.
일부 실시예들에 있어서, 상기 추가 제1 전압은 상기 제1 전압과 동일한 펄스 폭을 가질 수 있다.In some embodiments, the additional first voltage may have the same pulse width as the first voltage.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 전류 범위는 상기 가변 저항 소자가 상기 제1 저항을 가질 때에 상기 가변 저항 소자에 흐르는 온 전류와 상기 가변 저항 소자가 상기 제2 저항을 가질 때에 상기 가변 저항 소자에 흐르는 오프 전류 사이에 소정의 센싱 마진(sensing margin)이 확보되도록 미리 결정될 수 있다.In some embodiments, the first current range is an ON current flowing through the variable resistance element when the variable resistance element has the first resistance and the variable resistance element when the variable resistance element has the second resistance. The predetermined sensing margin may be secured between the off currents flowing in the predetermined current.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 전류 범위는 상기 가변 저항 소자가 상기 제2 저항을 가질 때에 상기 가변 저항 소자에 흐르는 제1 오프 전류와 상기 가변 저항 소자가 상기 제2 저항보다 큰 제3 저항을 가질 때에 상기 가변 저항 소자에 흐르는 제2 오프 전류 사이에 소정의 센싱 마진이 확보되도록 미리 결정될 수 있다.In some embodiments, the first current range includes a first off current flowing through the variable resistance element when the variable resistance element has the second resistance and a third resistance in which the variable resistance element is larger than the second resistance. It may be predetermined so that a predetermined sensing margin is secured between the second off current flowing through the variable resistance element when having a.
일부 실시예들에 있어서, 상기 동작 방법은 상기 추가 제1 전압이 인가된 상기 가변 저항 소자에 대하여, 상기 제1 전류를 감지하는 단계 및 상기 제1 전류가 상기 미리 정한 제1 전류 범위 내에 포함되는지 판단하는 단계를 반복하여 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.In some embodiments, the method may further include: detecting the first current and whether the first current is within the predetermined first current range with respect to the variable resistance element to which the additional first voltage is applied. The method may further include repeatedly performing the determining.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 전류가 상기 미리 정한 제1 전류 범위 내에 포함될 때까지, 상기 가변 저항 소자에 상기 추가 제1 전압을 인가하는 단계, 상기 제1 전류를 감지하는 단계, 및 상기 제1 전류가 상기 미리 정한 제1 전류 범위 내에 포함되는지 판단하는 단계를 반복하여 수행할 수 있다.In some embodiments, applying the additional first voltage to the variable resistance element, sensing the first current until the first current is within the predetermined first current range, and the The determining of whether the first current is within the predetermined first current range may be repeatedly performed.
일부 실시예들에 있어서, 상기 동작 방법은 상기 제1 전류가 상기 미리 정한 제1 전류 범위 내에 포함되는지 판단하는 단계를 수행하기 전에, 상기 제1 전류가 상기 제2 저항에 대응되는 데이터의 전류 범위인 제2 전류 범위 내에 포함되는지 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.In some embodiments, the operation method includes before the step of determining whether the first current is within the predetermined first current range, the current range of the data corresponding to the second resistance, the first current The method may further include determining whether the current is within the second current range.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 전류 범위는 상기 제2 전류 범위 내에 포함될 수 있다.In some embodiments, the first current range can be included in the second current range.
일부 실시예들에 있어서, 상기 동작 방법은 상기 제1 전류가 상기 제2 전류 범위의 최대값보다 큰 경우, 상기 제1 전압의 전압 레벨을 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다.In some embodiments, the operating method may further include changing a voltage level of the first voltage when the first current is greater than a maximum value of the second current range.
일부 실시예들에 있어서, 상기 가변 저항 소자에 대하여, 상기 전압 레벨이 변경된 제1 전압을 인가하는 단계 및 상기 제1 전류를 감지하는 단계를 반복하여 수행할 수 있다.In some embodiments, the step of applying the first voltage whose voltage level is changed and sensing the first current may be repeatedly performed with respect to the variable resistance element.
일부 실시예들에 있어서, 상기 동작 방법은 상기 제1 전류가 상기 제2 전류 범위의 최소값보다 작은 경우, 상기 가변 저항 소자의 상기 저항이 상기 제2 저항에서 상기 제1 저항으로 변경되도록 상기 가변 저항 소자에 제2 전압을 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.In some embodiments, the method may further include changing the resistance of the variable resistance element from the second resistor to the first resistor when the first current is smaller than a minimum value of the second current range. The method may further include applying a second voltage to the device.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제2 전압이 인가된 상기 가변 저항 소자에 대하여, 상기 제1 전압을 인가하는 단계 및 상기 제1 전류를 감지하는 단계를 반복하여 수행할 수 있다.In some embodiments, the applying of the first voltage and the sensing of the first current may be repeatedly performed with respect to the variable resistance element to which the second voltage is applied.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 전류가 상기 미리 정한 제1 전류 범위 내에 포함되는지 판단하는 단계는, 상기 제1 전류가 상기 미리 정한 제1 전류 범위의 최대 값 이하인지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 제1 전류가 상기 미리 정한 제1 전류 범위의 최소 값 이상인지 여부를 판단하는 단계 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In some embodiments, determining whether the first current is within the predetermined first current range comprises: determining whether the first current is less than or equal to a maximum value of the predetermined first current range; And determining whether the first current is equal to or greater than a minimum value of the predetermined first current range.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 전류가 상기 제1 전류 범위 내에 포함되는지 판단하는 단계는, 상기 가변 저항 소자가 상기 제1 저항을 가질 때에 상기 가변 저항 소자에 흐르는 온 전류와 상기 제1 전류의 차이가 소정 레벨 이상인지 여부를 판단할 수 있다.In some embodiments, determining whether the first current is within the first current range includes: an on current flowing through the variable resistance element and the first current when the variable resistance element has the first resistance. It may be determined whether the difference is greater than or equal to a predetermined level.
일부 실시예들에 있어서, 상기 동작 방법은 상기 가변 저항 소자의 상기 저항이 상기 제2 저항에서 상기 제1 저항으로 변경되도록 상기 가변 저항 소자에 제2 전압을 인가하는 단계; 및 상기 제2 전압이 인가된 상기 가변 저항 소자에 흐르는 제2 전류를 감지하는 단계를 더 포함할 수 있다.In some embodiments, the method may further include applying a second voltage to the variable resistance element such that the resistance of the variable resistance element is changed from the second resistance to the first resistance; And sensing a second current flowing through the variable resistance element to which the second voltage is applied.
일부 실시예들에 있어서, 상기 가변 저항 소자에 흐르는 제2 전류를 감지하는 단계는, 절대값이 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압보다 작은 독출 전압을 인가하여, 상기 제2 전압이 인가된 상기 가변 저항 소자에 흐르는 상기 제2 전류를 감지할 수 있다. In some embodiments, the sensing of the second current flowing through the variable resistance element may include applying a read voltage having an absolute value smaller than the first voltage and the second voltage to apply the second voltage. The second current flowing through the variable resistance element may be sensed.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제2 전압의 인가 시간은 1 μs 내지 1 ns일 수 있다.In some embodiments, the application time of the second voltage may be 1 μs to 1 ns.
일부 실시예들에 있어서, 상기 가변 저항 소자에 제1 전압을 인가하는 단계는, 상기 제2 전류를 감지하는 단계를 수행한 이후에 수행될 수 있다.In some embodiments, the applying of the first voltage to the variable resistance element may be performed after the sensing of the second current.
일부 실시예들에 있어서, 상기 동작 방법은 상기 제2 전류가 제3 전류 범위 내에 포함되는 판단하는 단계; 및 상기 제2 전류가 상기 제3 전류 범위 내에 포함되지 않는 경우, 상기 가변 저항 소자에 상기 제2 전압과 동일한 전압 레벨을 가지는 추가 제2 전압을 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.In some embodiments, the operating method further comprises: determining that the second current is within a third current range; And when the second current is not included in the third current range, applying an additional second voltage having the same voltage level as the second voltage to the variable resistance element.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제2 전류가 상기 제3 전류 범위 내에 포함되는 경우, 상기 가변 저항 소자에 상기 제1 전압을 인가하는 단계를 수행할 수 있다.In some embodiments, when the second current is within the third current range, applying the first voltage to the variable resistance element may be performed.
일부 실시예들에 있어서, 상기 추가 제2 전압이 인가된 상기 가변 저항 소자에 대하여, 상기 제2 전류를 감지하는 단계 및 상기 제2 전류가 상기 제3 전류 범위 내에 포함되는지 판단하는 단계를 반복하여 수행할 수 있다.In some embodiments, for the variable resistance element to which the additional second voltage is applied, repeating the step of sensing the second current and determining whether the second current is within the third current range Can be done.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 저항 소자는, 제1 전극 및 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되어, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 제1 전압이 인가되면 제1 저항에서 상기 제1 저항보다 큰 제2 저항으로 변화하고, 제2 전압이 인가되면 상기 제2 저항에서 상기 제1 저항으로 변화하는 가변 저항 물질층을 포함하고, 상기 가변 저항 물질층이 상기 제2 저항을 가지는 경우 상기 가변 저항 소자에 흐르는 전류가 제1 전류 범위 내에 포함될 때까지, 상기 제1 전압을 상기 가변 저항 물질층에 반복적으로 인가할 수 있다.In addition, the variable resistance device according to an embodiment of the present invention for solving the above problems, the first electrode and the second electrode; And a first voltage disposed between the first electrode and the second electrode, and when a first voltage is applied between the first electrode and the second electrode, the first resistance is changed from a first resistor to a second resistor larger than the first resistor. And a variable resistance material layer that changes from the second resistor to the first resistor when a second voltage is applied, and when the variable resistance material layer has the second resistor, a current flowing through the variable resistance element is in a first current range. The first voltage may be repeatedly applied to the variable resistance material layer until included therein.
일부 실시예들에 있어서, 상기 가변 저항 물질층은 상기 제1 전압보다 전압 레벨이 높은 제3 전압이 인가되면 상기 제2 저항에서 상기 제2 저항보다 큰 제3 저항으로 변화하고, 상기 가변 저항 물질층이 상기 제3 저항을 가지는 경우 상기 가변 저항 소자에 흐르는 전류가 제2 전류 범위 내에 포함될 때까지, 상기 제3 전압을 상기 가변 저항 물질층에 반복적으로 인가할 수 있다.In some embodiments, the variable resistance material layer is changed from the second resistor to a third resistor larger than the second resistor when a third voltage having a voltage level higher than the first voltage is applied, and the variable resistance material When the layer has the third resistance, the third voltage may be repeatedly applied to the variable resistance material layer until the current flowing through the variable resistance element is within the second current range.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치는, 제1 전압이 인가되면 제1 저항에서 상기 제1 저항보다 큰 제2 저항으로 변화하고, 제2 전압이 인가되면 상기 제2 저항에서 제1 저항으로 변화하는 가변 저항 소자; 및 상기 가변 저항 소자에 직렬로 연결되는 선택 소자를 포함하고, 상기 가변 저항 소자가 상기 제2 저항을 가지는 경우 상기 가변 저항 소자에 흐르는 전류가 제1 전류 범위 내에 포함될 때까지, 상기 제1 전압을 상기 가변 저항 소자에 반복적으로 인가할 수 있다.In addition, the semiconductor device according to an embodiment of the present invention for solving the above problems, when a first voltage is applied is changed from the first resistor to a second resistor larger than the first resistor, and when the second voltage is applied A variable resistance element changing from the second resistor to the first resistor; And a selection element connected in series with the variable resistance element, wherein when the variable resistance element has the second resistance, the first voltage is applied until a current flowing in the variable resistance element is included in a first current range. The variable resistance element may be repeatedly applied.
일부 실시예들에 있어서, 상기 가변 저항 소자는 상기 제1 전압보다 전압 레벨이 높은 제3 전압이 인가되면 상기 제2 저항에서 상기 제2 저항보다 큰 제3 저항으로 변화하고, 상기 가변 저항 소자가 상기 제3 저항을 가지는 경우 상기 가변 저항 소자에 흐르는 전류가 제2 전류 범위 내에 포함될 때까지, 상기 제3 전압을 상기 가변 저항 소자에 반복적으로 인가할 수 있다.In some embodiments, the variable resistance element is changed from the second resistor to a third resistor larger than the second resistor when a third voltage having a voltage level higher than the first voltage is applied, and the variable resistor element is In the case of having the third resistor, the third voltage may be repeatedly applied to the variable resistance element until the current flowing in the variable resistance element is included in the second current range.
본 발명의 기술적 사상에 따르면, 오프 상태를 가지는 데이터를 반도체 장치에 기입하기 위하여 반도체 장치에 포함된 가변 저항 소자에 리셋 전압을 인가하는 경우, 리셋 전압이 인가된 가변 저항 소자에 흐르는 리셋 전류가 소정의 전류 범위 내에 포함될 때까지 동일한 전압 레벨 및 동일한 펄스 폭을 가지는 리셋 전압을 반복적으로 인가함으로써, 반도체 장치의 오프 전류의 산포를 크게 개선할 수 있고, 이로써, 반도체 장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.According to the inventive concept, when a reset voltage is applied to a variable resistance element included in a semiconductor device to write data having an off state to a semiconductor device, a reset current flowing through the variable resistance element to which the reset voltage is applied is predetermined. By repeatedly applying the reset voltage having the same voltage level and the same pulse width until it is within the current range of, the distribution of the off current of the semiconductor device can be greatly improved, thereby improving the reliability of the semiconductor device.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 따르면, 반도체 장치에 포함된 가변 저항 소자에 리셋 전압을 인가하고, 리셋 전압이 인가된 가변 저항 소자에 흐르는 리셋 전류를 감지하여, 감지된 리셋 전류가 소정의 전류 범위 내에 포함되는지 검증함으로써, 반도체 장치의 내구성을 향상시킬 수 있고, 반도체 장치에 대한 구동 회로를 더욱 단순하게 구현함으로써 반도체 장치의 동작 속도를 향상시키고, 전력 소모를 줄일 수 있다.In addition, according to the spirit of the present invention, by applying a reset voltage to the variable resistance element included in the semiconductor device, and detects the reset current flowing through the variable resistance element is applied to the reset voltage, the detected reset current is a predetermined current range It is possible to improve the durability of the semiconductor device by verifying whether it is included in the semiconductor device, and to improve the operating speed of the semiconductor device and reduce power consumption by implementing a driving circuit for the semiconductor device more simply.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 저항 소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 저항 소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 저항 소자가 싱글 비트 메모리 장치에 포함되는 경우 가변 저항 소자의 저항 분포를 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 저항 소자가 멀티 비트 메모리 장치에 포함되는 경우 가변 저항 소자의 저항 분포를 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 1의 가변 저항 소자에 인가되는 동작 전압들의 일 예를 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 5에 따른 동작 전압들을 인가한 경우 가변 저항 소자에 흐르는 전류를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 저항 소자를 포함하는 반도체 장치의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8은 도 7에 따른 반도체 장치에 인가되는 동작 전압들의 일 예를 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 7에 도시된 반도체 장치의 동작 방법에 포함된 140 단계의 일 예를 설명하기 위하여 가변 저항 소자에 흐르는 전류를 나타내는 그래프이다.
도 10은 도 9에 따라 리셋 전류가 소정 전류 범위 내에 포함되는지 판단하는 단계를 수행한 경우, 가변 저항 소자의 전류에 따른 데이터의 산포를 나타내는 그래프이다.
도 11은 도 7에 도시된 반도체 장치의 동작 방법에 포함된 140 단계의 다른 예를 설명하기 위하여 가변 저항 소자에 흐르는 전류를 나타내는 그래프이다.
도 12는 도 11에 따라 리셋 전류가 소정 전류 범위 내에 포함되는지 판단하는 단계를 수행한 경우, 가변 저항 소자의 전류에 따른 데이터의 산포를 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 저항 소자를 포함하는 반도체 장치의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 14는 도 13에 따른 반도체 장치에 인가되는 동작 전압들의 일 예를 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 저항 소자를 포함하는 반도체 장치의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 16은 도 15에 따른 반도체 장치에 인가되는 동작 전압들의 일 예를 나타내는 그래프이다.
도 17은 도 15에 따른 반도체 장치에 인가되는 동작 전압들의 다른 예를 나타내는 그래프이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 저항 소자를 포함하는 반도체 장치의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 19는 도 18에 따른 반도체 장치에 인가되는 동작 전압들의 일 예를 나타내는 그래프이다.
도 20은 종래의 반도체 장치의 동작 방법을 수행한 경우 상기 반도체 장치에 포함된 가변 저항 소자의 전류 분포를 나타내는 그래프이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치의 동작 방법을 수행한 경우 상기 반도체 장치에 포함된 가변 저항 소자의 전류 분포를 나타내는 그래프이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 저항 소자를 포함하는 반도체 장치의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 저항 소자를 포함하는 반도체 장치의 다른 예를 나타내는 회로도이다.
도 24는 도 23의 반도체 장치의 일 예를 나타내는 단면도이다.
도 25는 본 발명의 실시예들에 따른 가변 저항 소자를 포함하는 반도체 장치를 나타내는 블록도이다.
도 26는 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 카드를 나타내는 개략도이다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 시스템을 개략적으로 나타내는 블록도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing a variable resistance device according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view schematically illustrating a variable resistance device according to another exemplary embodiment of the present invention.
3 is a graph schematically illustrating a resistance distribution of a variable resistance element when the variable resistance element according to an exemplary embodiment of the present invention is included in a single bit memory device.
4 is a graph schematically illustrating a resistance distribution of a variable resistance element when the variable resistance element according to an exemplary embodiment of the present invention is included in a multi-bit memory device.
5 is a graph illustrating an example of operating voltages applied to the variable resistance device of FIG. 1.
6 is a graph illustrating a current flowing through the variable resistance element when the operating voltages according to FIG. 5 are applied.
7 is a flowchart illustrating a method of operating a semiconductor device including a variable resistance device according to an example embodiment.
FIG. 8 is a graph illustrating an example of operating voltages applied to the semiconductor device of FIG. 7.
FIG. 9 is a graph illustrating a current flowing through the variable resistance element to explain an example of
FIG. 10 is a graph illustrating the distribution of data according to the current of the variable resistance element when the determining whether the reset current is within a predetermined current range according to FIG. 9 is performed.
FIG. 11 is a graph illustrating a current flowing through the variable resistance element to explain another example of
FIG. 12 is a graph illustrating the distribution of data according to the current of the variable resistance element when the determining whether the reset current is included in the predetermined current range according to FIG. 11 is performed.
13 is a flowchart illustrating a method of operating a semiconductor device including a variable resistance device according to another exemplary embodiment of the present disclosure.
14 is a graph illustrating an example of operating voltages applied to the semiconductor device of FIG. 13.
15 is a flowchart illustrating a method of operating a semiconductor device including a variable resistance device according to another exemplary embodiment of the present disclosure.
16 is a graph illustrating an example of operating voltages applied to the semiconductor device of FIG. 15.
17 is a graph illustrating another example of operating voltages applied to the semiconductor device of FIG. 15.
18 is a flowchart illustrating a method of operating a semiconductor device including a variable resistance device according to another exemplary embodiment of the present disclosure.
19 is a graph illustrating an example of operating voltages applied to the semiconductor device of FIG. 18.
20 is a graph illustrating a current distribution of a variable resistance element included in the semiconductor device when the conventional method of operating the semiconductor device is performed.
FIG. 21 is a graph illustrating a current distribution of a variable resistance element included in the semiconductor device when the method of operating the semiconductor device according to the embodiment is performed.
22 is a circuit diagram illustrating an example of a semiconductor device including a variable resistance device according to an example embodiment.
FIG. 23 is a circuit diagram illustrating another example of a semiconductor device including a variable resistance device according to an example embodiment. FIG.
24 is a cross-sectional view illustrating an example of the semiconductor device of FIG. 23.
25 is a block diagram illustrating a semiconductor device including a variable resistance device according to example embodiments.
26 is a schematic diagram illustrating a memory card according to an embodiment of the present invention.
27 is a block diagram schematically illustrating an electronic system according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기가 과장될 수 있다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various forms, and only the present embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention and to those skilled in the art to fully understand the scope of the invention. It is provided to inform you. In the drawings, the size of components may be exaggerated for convenience of explanation.
이하에서 상술되는 본 발명의 실시예들에서 이용되는 용어들은 해당 기술분야에서 통상적으로 알려진 의미를 가질 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나는 최소한 하나, 즉, 하나 또는 그 이상의 수를 의미하며, 하나 또는 복수와도 동일한 의미로 사용될 수 있다. Terms used in the embodiments of the present invention described below may have a meaning commonly known in the art. For example, at least one means at least one, that is, one or more numbers and may be used in the same sense as one or a plurality.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 저항 소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing a variable resistance device according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 가변 저항 소자(10)는 하부 전극(11), 가변 저항 물질층(12) 및 상부 전극(13)을 포함할 수 있고, 가변 저항 물질층(12)은 하부 전극(11)과 상부 전극(13) 사이에 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 가변 저항 소자(10)는 하부 전극(11) 상에 또는 가변 저항 물질층(12) 상에 버퍼층(미도시)을 더 포함할 수도 있다.Referring to FIG. 1, the
하부 전극(11) 및 상부 전극(13)은 도전성 물질을 포함할 수 있는데, 예를 들어, 내산화성 금속막(oxidation resistant metal layer) 또는 폴리실리콘막을 포함할 수 있다. 예를 들어, 내산화성 금속막은 백금(Pt), 이리듐(Ir), 이리듐 산화물(IrO), 티타늄 질화물(TiN), 티타늄 알루미늄 질화물(TiAlN), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru) 및 루테늄 산화물(RuO) 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 내산화성 금속막은 버퍼층(미도시)을 형성한 후에 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 하부 전극(11) 및 상부 전극(13)은 가변 저항 물질층(12)의 상하에 각각 배치되지만, 하부 전극(11) 및 상부 전극(13)의 배치는 그 용어에 한정되지 않는다. 다른 실시예에서, 하부 전극(11) 및 상부 전극(13)은 가변 저항 물질층(12)의 좌우에 각각 배치될 수도 있다.The
가변 저항 물질층(12)은 페로브스카이트(perovskite)계 산화물 또는 전이 금속 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 페로브스카이트계 산화물은 Pr1-xCaxMnO3, La1-xCaxMnO3, SrZrO3/SrTiO3, CrTiO3, 또는 Pb(Zr, Ti)O3/Zn1-xCdxS 등이 있고, 전이 금속은 니켈, 니오븀, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 코발트, 철, 구리, 망간, 아연 또는 크롬 등이 있다. 이때, 가변 저항 물질층(12)은 하부 전극(11)과 상부 전극(13) 사이의 전압에 따라 저항이 변화할 수 있다.The variable
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 저항 소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.2 is a cross-sectional view schematically illustrating a variable resistance device according to another exemplary embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 가변 저항 소자(10')는 하부 전극(11), 가변 저항 물질층(12') 및 상부 전극(13)을 포함할 수 있고, 가변 저항 물질층(12')은 하부 전극(11)과 상부 전극(13) 사이에 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 가변 저항 물질층(12')은 기저 박막(12a) 및 산소 교환층(12b)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기저 박막(12a)은 TaOx를 포함할 수 있고, 산소 교환층(12b)은 Ta2O5를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 가변 저항 소자(10')는 도 1에 도시된 가변 저항 소자(10)의 변형 실시예이므로, 도 1에서 상술된 내용은 본 실시예에도 적용될 수 있다. Referring to FIG. 2, the variable
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 저항 소자가 싱글 비트 메모리 장치에 포함되는 경우 가변 저항 소자의 저항 분포를 개략적으로 나타내는 그래프이다.3 is a graph schematically illustrating a resistance distribution of a variable resistance element when the variable resistance element according to an exemplary embodiment of the present invention is included in a single bit memory device.
도 3을 참조하면, X축은 가변 저항 소자를 포함하는 싱글 비트 메모리 장치의 저항을 나타내고, Y축은 싱글 비트 메모리 셀들의 개수를 나타낸다. 도 1에 도시된 가변 저항 소자(10) 또는 도 2에 도시된 가변 저항 소자(10')는 가변 저항 물질층(12)의 저항 상태에 따라 데이터 '0' 또는 데이터 '1'을 기억하는 싱글 비트(single bit) 비휘발성 메모리 소자와 같은 반도체 장치로 이용될 수 있다.Referring to FIG. 3, the X axis represents a resistance of a single bit memory device including a variable resistance element, and the Y axis represents the number of single bit memory cells. The
본 실시예에서, 데이터 '1'은 저저항 상태인 경우에 대응되고, 데이터 '0'은 고저항 상태인 경우에 대응되는 것으로 결정될 수 있다. 가변 저항 소자(10)에 데이터 '1'을 기입하는 동작은 셋(set) 동작이라고 할 수 있고, 데이터 '0'을 기입하는 동작은 리셋(reset) 동작이라고 할 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 다른 실시예에서, 데이터 '1'이 고저항 상태에 대응되고, 데이터 '0'이 저저항 상태에 대응되는 것으로 결정될 수도 있다.In the present embodiment, the data '1' may correspond to the case of the low resistance state, and the data '0' may be determined to correspond to the case of the high resistance state. The operation of writing data '1' into the
싱글 비트 비휘발성 메모리 소자에 데이터 '1'이 기입된 경우 싱글 비트 비휘발성 메모리 소자는 '온(ON)' 상태이고, 싱글 비트 비휘발성 메모리 소자에 데이터 '0'이 기입된 경우 싱글 비트 비휘발성 메모리 소자는 '오프(OFF)' 상태에 대응될 수 있다. 이때, 싱글 비트 비휘발성 메모리 소자의 신뢰성을 향상시키기 위해서는, 싱글 비트 비휘발성 메모리 소자의 '온' 상태와 '오프' 상태 사이에 충분한 센싱 마진(sensing margin, SM)이 확보되어야 한다.When data '1' is written to a single bit nonvolatile memory device The single bit nonvolatile memory device is in an 'ON' state and when the data '0' is written to the single bit nonvolatile memory device Single bit nonvolatile The memory device may correspond to an 'off' state. In this case, in order to improve the reliability of the single bit nonvolatile memory device, a sufficient sensing margin SM must be secured between an 'on' state and an 'off' state of the single bit nonvolatile memory device.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 저항 소자가 멀티 비트 메모리 장치에 포함되는 경우 가변 저항 소자의 저항 분포를 개략적으로 나타내는 그래프이다.4 is a graph schematically illustrating a resistance distribution of a variable resistance element when the variable resistance element according to an exemplary embodiment of the present invention is included in a multi-bit memory device.
도 4를 참조하면, X축은 가변 저항 소자를 포함하는 멀티 비트 메모리 장치의 저항을 나타내고, Y축은 멀티 비트 메모리 셀들의 개수를 나타낸다. 도 1에 도시된 가변 저항 소자(10) 또는 도 2에 도시된 가변 저항 소자(10')는 가변 저항 물질층(12)의 저항 상태에 따라 데이터 '00', 데이터 '01', 데이터 '10' 또는 데이터 '11'을 기억하는 멀티 비트(multi bit) 비휘발성 메모리 소자와 같은 반도체 장치로 이용될 수 있다.Referring to FIG. 4, the X axis represents a resistance of a multi bit memory device including a variable resistance element, and the Y axis represents the number of multi bit memory cells. The variable
본 실시예에서, 데이터 '11'은 저저항 상태인 경우에 대응되고, 데이터 '01', 데이터 '10' 및 데이터 '00'은 고저항 상태인 경우에 대응되는 것으로 결정될 수 있다. 가변 저항 소자(10)에 데이터 '11'을 기입하는 동작은 셋 동작이라고 할 수 있고, 데이터 '01', 데이터 '10' 및 데이터 '00'을 기입하는 동작은 리셋 동작이라고 할 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 다른 실시예에서, 데이터 '11'이 고저항 상태에 대응되고, 데이터 '01', 데이터 '10' 및 데이터 '00'이 저저항 상태에 대응되는 것으로 결정될 수도 있다.In the present embodiment, the data '11' may correspond to the case of the low resistance state, and the data '01', the data '10' and the data '00' may be determined to correspond to the case of the high resistance state. Writing data '11' into the
멀티 비트 비휘발성 메모리 소자에 데이터 '11'이 기입된 경우 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자는 '온' 상태이고, 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자에 데이터 '01', 데이터 '10' 또는 데이터 '00'이 기입된 경우 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자는 '오프' 상태에 대응될 수 있다. 이때, 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자의 신뢰성을 향상시키기 위해서는, 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자의 '온' 상태와 '오프' 상태 사이에 충분한 센싱 마진(SM1)이 확보되어야 한다. 나아가, 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자는 세 가지의 데이터가 '오프' 상태에 대응될 수 있으므로, '오프' 상태에 대응되는 데이터들 사이에도 충분한 센싱 마진(SM2, SM3)이 확보되어야 한다.When data '11' is written in the multi-bit nonvolatile memory device The multi-bit nonvolatile memory device is in an 'on' state, and data '01', data '10' or data '00' is stored in the multi-bit nonvolatile memory device. When written, the multi-bit nonvolatile memory device may correspond to an 'off' state. At this time, in order to improve the reliability of the multi-bit nonvolatile memory device, a sufficient sensing margin SM1 must be secured between an 'on' state and an 'off' state of the multi-bit nonvolatile memory device. Furthermore, in the multi-bit nonvolatile memory device, since three pieces of data may correspond to an 'off' state, sufficient sensing margins SM2 and SM3 must be secured even between data corresponding to the 'off' state.
나아가, 도 1에 도시된 가변 저항 소자(10) 또는 도 2에 도시된 가변 저항 소자(10')는 가변 저항 물질층(12)의 저항 상태에 따라 데이터 '000', 데이터 '001', 데이터 '010', 데이터 '011', 데이터 '100', 데이터 '101', 데이터 '110' 또는 데이터 '111'을 기억하는 3-비트 비휘발성 메모리 소자와 같은 반도체 장치로 이용될 수 있다. 더 나아가, 도 1에 도시된 가변 저항 소자(10) 또는 도 2에 도시된 가변 저항 소자(10')는 가변 저항 물질층(12)의 저항 상태에 따라 4-비트 이상의 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자와 같은 반도체 장치에도 이용될 수 있다.In addition, the
도 5는 도 1의 가변 저항 소자에 인가되는 동작 전압들의 일 예를 나타내는 그래프이다. 도 6은 도 5에 따른 동작 전압들을 인가한 경우 가변 저항 소자에 흐르는 전류를 나타내는 그래프이다.5 is a graph illustrating an example of operating voltages applied to the variable resistance device of FIG. 1. 6 is a graph illustrating a current flowing through the variable resistance element when the operating voltages according to FIG. 5 are applied.
도 5를 참조하면, X축은 시간을 초 단위로 나타내고, Y축은 가변 저항 소자에 인가되는 전압을 V 단위로 나타낸다. 이때, 가변 저항 소자(10)에 인가되는 전압은 상부 전극(13)과 하부 전극(11)에 인가되는 전압의 차이로서, 구체적으로, 하부 전극(11)의 전압을 기준으로 할 때에 상부 전극(13)의 전압일 수 있다.Referring to FIG. 5, the X axis represents time in seconds, and the Y axis represents voltage applied to the variable resistance element in V units. In this case, the voltage applied to the
먼저, 가변 저항 소자(10)에 셋 전압(VSET)이 인가되고, 셋 전압(VSET)이 인가된 가변 저항 소자(10)에 흐르는 전류를 감지하기 위하여 독출 전압(VREAD)이 인가될 수 있다. 이와 같이, 가변 저항 소자(10)에 셋 전압(VSET)과 독출 전압(VREAD)이 연속적으로 인가되는 것을 셋 사이클(set cycle)이라고 할 수 있다. 가변 저항 소자(10)에 셋 전압(VSET)이 인가되면, 가변 저항 소자(10)는 고저항 상태에서 저저항 상태로 전환될 수 있고, 이로써, 가변 저항 소자(10)에는 전류가 흐를 수 있다.First, a set voltage VSET may be applied to the
다음으로, 가변 저항 소자(10)에 리셋 전압(VRESET)이 인가되고, 리셋 전압(VRESET)이 인가된 가변 저항 소자(10)에 흐르는 전류를 감지하기 위하여 독출 전압(VREAD)이 인가될 수 있다. 이와 같이, 가변 저항 소자(10)에 리셋 전압(VRESET)과 독출 전압(VREAD)이 연속적으로 인가되는 것을 리셋 사이클(reset cycle)이라고 할 수 있다. 가변 저항 소자(10)에 리셋 전압(VRESET)이 인가되면, 가변 저항 소자(10)는 저저항 상태에서 고저항 상태로 전환될 수 있고, 이로써, 가변 저항 소자(10)에는 전류가 거의 흐르지 않을 수 있다.Next, a reset voltage VRESET may be applied to the
본 실시예에서, 셋 전압(VSET)과 리셋 전압(VRESET)은 서로 반대되는 극성을 가질 수 있고, 이와 같이, 셋 전압(VSET)과 리셋 전압(VRESET)의 극성이 서로 반대되는 가변 저항 소자(10)를 양극성(bipolar) 가변 저항 소자라고 한다. 도 5의 그래프에서, 가변 저항 소자(10)의 셋 전압(VSET)은 음의 값을 가지고, 리셋 전압(VRESET)은 양의 값을 가진다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 다른 실시예에서, 가변 저항 소자(10)의 가변 저항 물질층(12)에 포함된 물질의 종류에 따라 셋 전압(VSET)은 양의 값을 가지고, 리셋 전압(VRESET)은 음의 값을 가질 수도 있다.In the present embodiment, the set voltage VSET and the reset voltage VRESET may have polarities opposite to each other. As described above, the variable resistance element in which the polarities of the set voltage VSET and the reset voltage VRESET are opposite to each other ( 10) is called a bipolar variable resistance element. In the graph of FIG. 5, the set voltage VSET of the
가변 저항 소자(10)에서 셋 전압(VSET)과 리셋 전압(VRESET)의 인가 시간은 1 μs 내지 1ns 범위일 수 있으며, 인가되는 펄스의 형태는 직사각형, 톱니형, 사다리꼴 등 다양한 형태로 조절될 수 있다.The application time of the set voltage VSET and the reset voltage VRESET in the
한편, 도시되지는 않았으나, 가변 저항 소자(10)가 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자에 이용되는 경우에는, 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자에 오프 상태에 해당하는 서로 다른 데이터를 기입하기 위하여 서로 다른 전압 레벨을 가지는 제1 내지 제3 리셋 전압이 인가될 수 있다. 예를 들어, 데이터 '00'을 기입하기 위한 제3 리셋 전압의 전압 레벨은 데이터 '10'을 기입하기 위한 제2 리셋 전압의 전압 레벨보다 높을 수 있고, 제2 리셋 전압의 전압 레벨은 데이터 '01'을 기입하기 위한 제1 리셋 전압의 전압 레벨보다 높을 수 있다.Although not shown, when the
도 6은 도 5에 따른 동작 전압들을 인가한 경우 가변 저항 소자에 흐르는 전류를 나타내는 그래프이다.6 is a graph illustrating a current flowing through the variable resistance element when the operating voltages according to FIG. 5 are applied.
도 6을 참조하면, X축은 셋 사이클 또는 리셋 사이클의 횟수를 나타내고, Y축은 전류를 A 단위로 나타낸다. 이때, 셋 사이클 이후에 가변 저항 소자(10)에 흐르는 전류, 즉, 가변 저항 소자(10)에 셋 전압(VSET)을 인가한 후 독출 전압(VREAD)을 인가함으로써 감지한 전류를 셋 전류(ISET)라고 한다. 또한, 리셋 사이클 이후에 가변 저항 소자(10)에 흐르는 전류, 즉, 가변 저항 소자(10)에 리셋 전압(VRESET)을 인가한 후 독출 전압(VREAD)을 인가함으로써 감지한 전류를 리셋 전류(IRESET)라고 한다.Referring to FIG. 6, the X axis represents the number of set cycles or reset cycles, and the Y axis represents current in A units. At this time, the current flowing through the
도 6에서, 셋 전류(ISET)는 약 1.00E-5 A 정도의 전류 레벨을 유지하는데, 이때, 셋 전류(ISET)는 셋 사이클의 횟수에 관계 없이 일정한 전류 레벨을 유지하는 것을 알 수 있다. 반면, 리셋 전류(IRESET)는 상대적으로 큰 산포를 가지며, 약 1.00E-9 내지 약 1.00E-7 정도의 전류 레벨을 가지는데, 이때, 리셋 전류(IRESET)는 리셋 사이클의 횟수에 관계 없이 비선형적인 분포를 보이는 것을 알 수 있다.In FIG. 6, the set current IST maintains a current level of about 1.00E-5 A, where the set current ISET maintains a constant current level regardless of the number of set cycles. On the other hand, the reset current IRESET has a relatively large dispersion and has a current level of about 1.00E-9 to about 1.00E-7, where the reset current IRESET is nonlinear regardless of the number of reset cycles. It can be seen that the distribution.
이와 같이, 가변 저항 소자(10)의 셋 전류(ISET)는 산포가 크지 않은 반면, 리셋 전류(IRESET)는 산포가 상대적으로 크다. 이에 따라, 가변 저항 소자(10)의 '온' 상태와 '오프' 상태 사이에 센싱 마진이 충분히 확보되지 않을 경우 가변 저항 소자(10)는 메모리 소자로 이용되기가 어렵다. 특히, 가변 저항 소자(10)가 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자에 이용되는 경우에는 오프 상태에 해당하는 데이터들을 명확하게 구분해야 할 필요성이 더욱 커지는데, 해당 데이터들 사이에 센싱 마진이 충분히 확보되지 않을 경우 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자의 신뢰성은 크게 떨어진다.As described above, the set current IISE of the
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 저항 소자를 포함하는 반도체 장치의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 8은 도 7에 따른 반도체 장치에 인가되는 동작 전압들의 일 예를 나타내는 그래프이다.7 is a flowchart illustrating a method of operating a semiconductor device including a variable resistance device according to an example embodiment. FIG. 8 is a graph illustrating an example of operating voltages applied to the semiconductor device of FIG. 7.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 반도체 장치의 동작 방법은 예를 들어, 도 1에 도시된 가변 저항 소자(10)를 포함하는 반도체 장치의 동작 방법일 수 있다. 이하에서는, 도 1에 도시된 가변 저항 소자(10)를 예로 하여 본 실시예에 따른 반도체 장치의 동작 방법을 상술하기로 한다. 이때, 가변 저항 소자(10)는 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자에 이용되는 경우를 중심으로 본 실시예를 상술하기로 한다. 도 8에서 X축은 시간을 초 단위로 나타내고, Y축은 반도체 장치에 인가되는 동작 전압들을 V 단위로 나타낸다.7 and 8, the method of operating the semiconductor device according to the present exemplary embodiment may be, for example, a method of operating the semiconductor device including the
110 단계에서, 가변 저항 소자(10)에 셋 전압(VSET)을 인가한다. 이때, 셋 전압(VSET)은 도 8에 도시된 셋 전압(VSET)에 대응될 수 있다. 도 8에 도시된 셋 전압(VSET)은 음의 전압 레벨을 가질 수 있는데, 예를 들어, 약 -3.0 V일 수 있다.In
120 단계에서, 가변 저항 소자(10)에 리셋 전압(VRESET)을 인가한다. 이때, 리셋 전압(VRESET)은 도 8에 도시된 리셋 전압(VRESET)에 대응될 수 있다. 도 8에 도시된 리셋 전압(VRESET)은 양의 전압 레벨을 가질 수 있으며, 리셋 전압(VRESET)의 전압 레벨은 독출 전압(VREAD)의 전압 레벨보다 높을 수 있다. In
가변 저항 소자(10)가 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자에 이용되는 경우, 오프 상태를 가지는 서로 다른 데이터 '01', '10' 또는 '00'을 기입하기 위하여 제1 내지 제3 리셋 전압이 각각 인가될 수 있다. 예를 들어, 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자에 데이터 '01'을 기입하기 위한 제1 리셋 전압은 약 3.2 V이고, 데이터 '10'을 기입하기 위한 제2 리셋 전압은 약 3.3 V이며, 데이터 '00'을 기입하기 위한 제3 리셋 전압은 약 3.4 V일 수 있다. When the
130 단계에서, 리셋 전압(VRESET)이 인가된 가변 저항 소자(10)에 흐르는 리셋 전류(IRESET)를 감지한다. 구체적으로, 리셋 전압(VRESET)이 인가된 가변 저항 소자(10)에 독출 전압(VREAD)을 인가하고, 독출 전압(VREAD)이 인가된 가변 저항 소자(10)에 흐르는 리셋 전류(IRESET)를 감지할 수 있다. 이때, 독출 전압(VREAD)은 도 8에 도시된 독출 전압(VREAD)에 대응될 수 있다. 도 8에 도시된 독출 전압(VREAD)은 양의 전압 레벨을 가질 수 있는데, 예를 들어, 약 0.5 V일 수 있다.In
140 단계에서, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제1 전류 범위(I1) 내에 포함되는지 판단한다. 여기서, 제1 전류 범위(I1)는 가변 저항 소자(10)에 흐르는 리셋 전류(IRESET), 즉, 오프 전류의 산포를 개선시키기 위하여 미리 결정될 수 있다. 구체적으로, 제1 전류 범위(I1)는 가변 저항 소자(10)의 온 전류와 오프 전류 사이에 충분한 센싱 마진을 확보하기 위하여 미리 결정될 수 있다. 140 단계에서 대한 상세한 설명은 이하에서 도 9 내지 도 12를 참조하여 상술하기로 한다.In
판단 결과, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제1 전류 범위(I1) 내에 포함되는 경우 절차는 종료되고, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제1 전류 범위(I1) 내에 포함되지 않는 경우 120 단계를 수행한다. 이와 같이, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제1 전류 범위(I1) 내에 포함되지 않으면 120 단계를 수행하여, 가변 저항 소자(10)에 추가 리셋 전압(VRESET)을 인가할 수 있다. 이때, 추가 리셋 전압(VRESET)은 도 8에 도시된 리셋 전압(VRESET)에 대응될 수 있다. 따라서, 추가 리셋 전압(VRESET)은 기존에 인가된 리셋 전압(VRESET)과 동일한 전압 레벨을 가지고 동일한 펄스 폭을 가질 수 있다.As a result of the determination, if the detected reset current IRESET is included in the first current range I1, the procedure ends, and if the detected reset current IRESET is not included in the first current range I1,
도 9는 도 7에 도시된 반도체 장치의 동작 방법에 포함된 140 단계의 일 예를 설명하기 위하여 가변 저항 소자에 흐르는 전류를 나타내는 그래프이다.FIG. 9 is a graph illustrating a current flowing through the variable resistance element to explain an example of
도 9를 참조하면, X축은 셋 사이클 또는 리셋 사이클의 횟수를 나타내고, Y축은 전류를 A 단위로 나타낸다. 이때, 셋 사이클 이후에 가변 저항 소자(10)에 흐르는 전류, 즉, 가변 저항 소자(10)에 셋 전압(VSET)을 인가한 후 독출 전압(VREAD)을 인가함으로써 감지한 전류를 셋 전류(ISET)라고 한다. 또한, 리셋 사이클 이후에 가변 저항 소자(10)에 흐르는 전류, 즉, 가변 저항 소자(10)에 리셋 전압(VRESET)을 인가한 후 독출 전압(VREAD)을 인가함으로써 감지한 전류를 리셋 전류(IRESET)라고 한다. 예를 들어, 셋 전압은 약 -5V의 전압 레벨을 가지고 약 1 μs 동안 인가될 수 있고, 리셋 전압은 약 7V의 전압 레벨을 가지고 약 1 μs 동안 인가될 수 있다.Referring to FIG. 9, the X axis represents the number of set cycles or reset cycles, and the Y axis represents current in A units. At this time, the current flowing through the
도 7에 도시된 140 단계에서는, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제1 전류 범위(I1) 내에 포함되는지 판단하는데, 본 실시예에 따르면, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제1 전류 범위(I1)의 최대 값(I1_max) 이하인지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 제1 전류 범위(I1)의 최대 값(I1_max)은 약 5E-8 A로 설정할 수 있다.In
감지된 리셋 전류(IRESET)가 설정된 최대 값(I1_max) 이하이면, 감지된 리셋 전류(IRESET)는 제1 전류 범위(I1) 내에 포함되는 것으로 판단한다. 도 9에서, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제1 전류 범위(I1) 내에 포함되는 경우는 '□'로 표시하였다. 한편, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 설정된 최대 값(I1_max) 이하가 아니면, 즉, 설정된 최대 값(I1_max)보다 큰 경우, 감지된 리셋 전류(IRESET)는 제1 전류 범위(I1) 내에 포함되지 않는 것으로 판단할 수 있다. 도 9에서, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제1 전류 범위(I1) 내에 포함되지 않는 경우는 '■'로 표시하였다. If the sensed reset current IRESET is less than or equal to the set maximum value I1_max, it is determined that the sensed reset current IRESET is included in the first current range I1. In FIG. 9, when the detected reset current IRESET is included in the first current range I1, it is indicated by '□'. On the other hand, if the sensed reset current IRESET is not less than or equal to the set maximum value I1_max, that is, greater than the set maximum value I1_max, the sensed reset current IRESET is not included in the first current range I1. You can judge that you do not. In FIG. 9, when the detected reset current IRESET is not included in the first current range I1, it is indicated by '■'.
또한, 도 7에 도시된 140 단계에서는, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제1 전류 범위(I1) 내에 포함되는지 판단하는데, 본 실시예에 따르면, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제1 전류 범위(I1)의 최소 값(I1_min) 이상인지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 제1 전류 범위(I1)의 최소 값(I1_min)은 약 8E-9 A로 설정할 수 있다.In addition, in
감지된 리셋 전류(IRESET)가 설정된 최소 값(I1_min) 이상이면, 감지된 리셋 전류(IRESET)는 제1 전류 범위(I1) 내에 포함되는 것으로 판단한다. 도 9에서, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제1 전류 범위(I1) 내에 포함되는 경우는 '□'로 표시하였다. 한편, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 설정된 최소 값(I1_min) 이상이 아니면, 즉, 설정된 최소 값(I1_min)보다 작은 경우, 감지된 리셋 전류(IRESET)는 제1 전류 범위(I1) 내에 포함되지 않는 것으로 판단할 수 있다. If the sensed reset current IRESET is equal to or greater than the set minimum value I1_min, it is determined that the sensed reset current IRESET is included in the first current range I1. In FIG. 9, when the detected reset current IRESET is included in the first current range I1, it is indicated by '□'. If the detected reset current IRESET is not greater than or equal to the set minimum value I1_min, that is, smaller than the set minimum value I1_min, the sensed reset current IRESET is not included in the first current range I1. You can judge that you do not.
도 10은 도 9에 따라 리셋 전류가 소정 전류 범위 내에 포함되는지 판단하는 단계를 수행한 경우, 가변 저항 소자의 전류에 따른 데이터의 산포를 나타내는 그래프이다.FIG. 10 is a graph illustrating the distribution of data according to the current of the variable resistance element when the determining whether the reset current is within a predetermined current range according to FIG. 9 is performed.
도 10을 참조하면, X축은 가변 저항 소자에 흐르는 전류를 로그 스케일에 따른 A 단위로 나타내고, Y축은 해당 전류 값을 가지는 데이터의 개수를 나타낸다. 이때, 빗금으로 표시한 영역은 종래 기술에 따를 때에 가변 저항 소자의 전류에 따른 데이터의 산포를 나타내고, 점으로 표시한 영역은 본 실시예에 따를 때에 가변 저항 소자의 전류에 따른 데이터의 산포를 나타낸다.Referring to FIG. 10, the X axis represents a current flowing through the variable resistance element in A units along a log scale, and the Y axis represents the number of data having a corresponding current value. At this time, the area indicated by hatched lines indicates the distribution of data according to the current of the variable resistance element according to the prior art, and the area indicated by dots indicates the distribution of data according to the current of the variable resistance element according to the present embodiment. .
본 실시예에서, 셋 전압(VSET)을 인가하는 경우에는 셋 전압(VSET)이 소정의 전류 범위 내에 포함되는지에 대한 별도의 판단 단계를 수행하지 않았으므로, 셋 상태의 경우에는 데이터의 산포는 종래와 크게 다르지 않다. 한편, 본 실시예에서, 리셋 전압(VRESET)을 인가하는 경우에는 리셋 전압(VRESET)이 소정의 전류 범위 내에 포함되는지에 대한 별도의 판단 단계를 수행하고, 리셋 전압(VRESET)이 소정의 전류 범위 내에 포함되지 않을 경우에는 추가적으로 리셋 전압(VRESET)을 인가하는 단계를 수행한다. 이에 따라, 본 실시예에 따를 경우 종래에 비하여 데이터의 산포가 개선된 것을 알 수 있다.In the present embodiment, when the set voltage VSET is applied, a separate determination step for determining whether the set voltage VSET falls within a predetermined current range is not performed. Not very different from Meanwhile, in the present embodiment, when the reset voltage VRESET is applied, a separate determination step of whether the reset voltage VRESET is included in the predetermined current range is performed, and the reset voltage VRESET is in the predetermined current range. If not included in the range, an additional step of applying a reset voltage VRESET is performed. Accordingly, according to this embodiment, it can be seen that the distribution of data is improved as compared with the conventional case.
도 11은 도 7에 도시된 반도체 장치의 동작 방법에 포함된 140 단계의 다른 예를 설명하기 위하여 가변 저항 소자에 흐르는 전류를 나타내는 그래프이다.FIG. 11 is a graph illustrating a current flowing through the variable resistance element to explain another example of
도 11을 참조하면, X축은 셋 사이클 또는 리셋 사이클의 횟수를 나타내고, Y축은 전류를 A 단위로 나타낸다. 이때, 셋 사이클 이후에 가변 저항 소자(10)에 흐르는 전류, 즉, 가변 저항 소자(10)에 셋 전압(VSET)을 인가한 후 독출 전압(VREAD)을 인가함으로써 감지한 전류를 셋 전류(ISET)라고 한다. 또한, 리셋 사이클 이후에 가변 저항 소자(10)에 흐르는 전류, 즉, 가변 저항 소자(10)에 리셋 전압(VRESET)을 인가한 후 독출 전압(VREAD)을 인가함으로써 감지한 전류를 리셋 전류(IRESET)라고 한다. 예를 들어, 셋 전압은 약 -5V의 전압 레벨을 가지고 약 1 μs 동안 인가될 수 있고, 리셋 전압은 약 7V의 전압 레벨을 가지고 약 1 μs 동안 인가될 수 있다.Referring to FIG. 11, the X axis represents the number of set cycles or reset cycles, and the Y axis represents current in A units. At this time, the current flowing through the
도 7에 도시된 140 단계에서는, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제1 전류 범위(I1) 내에 포함되는지 판단하는데, 본 실시예에 따르면, 가변 저항 소자(10)가 온 상태일 때에 가변 저항 소자(10)에 흐르는 온 전류와 감지된 리셋 전류(IRESET)의 차이, 즉, 센싱 마진이 소정 레벨 이상인지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 소정 레벨은 약 1000배 정도일 수 있다.In
가변 저항 소자(10)에 흐르는 온 전류와 감지된 리셋 전류(IRESET)의 차이가 설정된 소정 레벨 이상인 경우, 감지된 리셋 전류(IRESET)는 제1 전류 범위(I1) 내에 포함되는 것으로 판단한다. 도 11에서, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제1 전류 범위(I1) 내에 포함되는 경우는 '□'로 표시하였다. 한편, 가변 저항 소자(10)에 흐르는 온 전류와 리셋 전류(IRESET)의 차이가 설정된 소정 레벨보다 작은 경우, 감지된 리셋 전류(IRESET)는 제1 전류 범위(I1) 내에 포함되지 않는 것으로 판단할 수 있다. 도 11에서, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제1 전류 범위(I1) 내에 포함되지 않는 경우는 '■'로 표시하였다. When the difference between the ON current flowing through the
도 12는 도 11에 따라 리셋 전류가 소정 전류 범위 내에 포함되는지 판단하는 단계를 수행한 경우, 가변 저항 소자의 전류에 따른 데이터의 산포를 나타내는 그래프이다.FIG. 12 is a graph illustrating the distribution of data according to the current of the variable resistance element when the determining whether the reset current is included in the predetermined current range according to FIG. 11 is performed.
도 12를 참조하면, X축은 가변 저항 소자에 흐르는 전류를 로그 스케일에 따른 A로 나타내고, Y축은 해당 전류 값을 가지는 데이터의 개수를 나타낸다. 이때, 빗금으로 표시한 영역은 종래 기술에 따를 때에 가변 저항 소자의 전류에 따른 데이터의 산포를 나타내고, 점으로 표시한 영역은 본 실시예에 따를 때에 가변 저항 소자의 전류에 따른 데이터의 산포를 나타낸다.Referring to FIG. 12, the X axis represents the current flowing through the variable resistance element as A along a log scale, and the Y axis represents the number of data having the current value. At this time, the area indicated by hatched lines indicates the distribution of data according to the current of the variable resistance element according to the prior art, and the area indicated by dots indicates the distribution of data according to the current of the variable resistance element according to the present embodiment. .
본 실시예에서, 셋 전압(VSET)을 인가하는 경우에는 셋 전압(VSET)이 소정의 전류 범위 내에 포함되는지에 대한 별도의 판단 단계를 수행하지 않았으므로, 셋 상태의 경우에는 데이터의 산포는 종래와 크게 다르지 않다. 한편, 본 실시예에서, 리셋 전압(VRESET)을 인가하는 경우에는 리셋 전압(VRESET)이 소정의 전류 범위 내에 포함되는지에 대한 별도의 판단 단계를 수행하고, 리셋 전압(VRESET)이 소정의 전류 범위 내에 포함되지 않을 경우에는 추가적으로 리셋 전압(VRESET)을 인가하는 단계를 수행한다. 이에 따라, 본 실시예에 따를 경우 종래에 비하여 데이터의 산포가 개선된 것을 알 수 있다. 이로써, 셋 전류(ISET), 즉, 온 전류와 리셋 전류(IRESET), 즉, 오프 전류 사이에 충분한 센싱 마진을 확보할 수 있다.In the present embodiment, when the set voltage VSET is applied, a separate determination step for determining whether the set voltage VSET falls within a predetermined current range is not performed. Not very different from Meanwhile, in the present embodiment, when the reset voltage VRESET is applied, a separate determination step of whether the reset voltage VRESET is included in the predetermined current range is performed, and the reset voltage VRESET is in the predetermined current range. If not included in the range, an additional step of applying a reset voltage VRESET is performed. Accordingly, according to this embodiment, it can be seen that the distribution of data is improved as compared with the conventional case. Thus, a sufficient sensing margin can be secured between the set current ISET, that is, the on current and the reset current IRESET, that is, the off current.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 저항 소자를 포함하는 반도체 장치의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 14는 도 13에 따른 반도체 장치에 인가되는 동작 전압들의 일 예를 나타내는 그래프이다.13 is a flowchart illustrating a method of operating a semiconductor device including a variable resistance device according to another exemplary embodiment of the present disclosure. 14 is a graph illustrating an example of operating voltages applied to the semiconductor device of FIG. 13.
도 13 및 도 14를 참조하면, 본 실시예에 따른 반도체 장치의 동작 방법은 예를 들어, 도 1에 도시된 가변 저항 소자(10)를 포함하는 반도체 장치의 동작 방법일 수 있다. 이하에서는, 도 1에 도시된 가변 저항 소자(10)를 예로 하여 본 실시예에 따른 반도체 장치의 동작 방법을 상술하기로 한다. 이때, 가변 저항 소자(10)는 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자에 이용되는 경우를 중심으로 본 실시예를 상술하기로 한다. 도 14에서 X축은 시간을 초 단위로 나타내고, Y축은 반도체 장치에 인가되는 동작 전압들을 V 단위로 나타낸다.13 and 14, a method of operating a semiconductor device according to the present exemplary embodiment may be, for example, a method of operating a semiconductor device including the
210 단계에서, 가변 저항 소자(10)에 셋 전압(VSET)을 인가한다. 이때, 셋 전압(VSET)은 도 10에 도시된 셋 전압(VSET)에 대응될 수 있다. 도 14에 도시된 셋 전압(VSET)은 음의 전압 레벨을 가질 수 있는데, 예를 들어, 약 -3.0 V일 수 있다.In
220 단계에서, 셋 전압(VSET)이 인가된 가변 저항 소자(10)에 흐르는 셋 전류(ISET)를 감지한다. 구체적으로, 셋 전압(VSET)이 인가된 가변 저항 소자(10)에 독출 전압(VREAD)을 인가하고, 독출 전압(VREAD)이 인가된 가변 저항 소자(10)에 흐르는 셋 전류(ISET)를 감지할 수 있다. 이때, 독출 전압(VREAD)은 도 14에 도시된 독출 전압(VREAD)에 대응될 수 있다. 도 14에 도시된 독출 전압(VREAD)은 양의 전압 레벨을 가질 수 있는데, 예를 들어, 약 0.5 V일 수 있다.In
230 단계에서, 감지된 셋 전류(ISET)가 제1 전류 범위(I1) 내에 포함되는지 판단한다. 여기서, 제1 전류 범위(I1)는 가변 저항 소자(10)에 흐르는 셋 전류(ISET), 즉, 온 전류의 산포를 개선시키기 위하여 미리 결정될 수 있다. 구체적으로, 제1 전류 범위(I1)는 가변 저항 소자(10)의 온 전류와 오프 전류 사이에 충분한 센싱 마진을 확보하기 위하여 미리 결정될 수 있다.In
판단 결과, 감지된 셋 전류(ISET)가 제1 전류 범위(I1) 내에 포함되는 경우 240 단계를 수행하고, 감지된 셋 전류(ISET)가 제1 전류 범위(I1) 내에 포함되지 않는 경우 210 단계를 수행한다. 이와 같이, 감지된 셋 전류(ISET)가 제1 전류 범위(I1) 내에 포함되지 않으면 210 단계를 수행하여, 가변 저항 소자(10)에 추가 셋 전압(VSET)을 인가할 수 있다. 이때, 추가 셋 전압(VSET)은 도 14에 도시된 셋 전압(VSET)에 대응될 수 있다. 따라서, 추가 셋 전압(VSET)은 기존에 인가된 셋 전압(VSET)과 동일한 전압 레벨을 가지고 동일한 펄스 폭을 가질 수 있다.As a result of the determination,
240 단계에서, 가변 저항 소자(10)에 리셋 전압(VRESET)을 인가한다. 이때, 리셋 전압(VRESET)은 도 14에 도시된 리셋 전압(VRESET)에 대응될 수 있다. 도 14에 도시된 리셋 전압(VRESET)은 양의 전압 레벨을 가질 수 있으며, 리셋 전압(VRESET)의 전압 레벨은 독출 전압(VREAD)의 전압 레벨보다 높을 수 있다.In
가변 저항 소자(10)가 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자에 이용되는 경우, 오프 상태를 가지는 서로 다른 데이터 '01', '10' 또는 '00'을 기입하기 위하여 제1 내지 제3 리셋 전압이 각각 인가될 수 있다. 예를 들어, 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자에 데이터 '01'을 기입하기 위한 제1 리셋 전압은 약 3.2 V이고, 데이터 '10'을 기입하기 위한 제2 리셋 전압은 약 3.3 V이며, 데이터 '00'을 기입하기 위한 제3 리셋 전압은 약 3.4 V일 수 있다. When the
250 단계에서, 리셋 전압(VRESET)이 인가된 가변 저항 소자(10)에 흐르는 리셋 전류(IRESET)를 감지한다. 구체적으로, 리셋 전압(VRESET)이 인가된 가변 저항 소자(10)에 독출 전압(VREAD)을 인가하고, 독출 전압(VREAD)이 인가된 가변 저항 소자(10)에 흐르는 리셋 전류(IRESET)를 감지할 수 있다. 이때, 독출 전압(VREAD)은 도 14에 도시된 독출 전압(VREAD)에 대응될 수 있다. 도 14에 도시된 독출 전압(VREAD)은 양의 전압 레벨을 가질 수 있는데, 예를 들어, 약 0.5 V일 수 있다.In
260 단계에서, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제2 전류 범위(I2) 내에 포함되는지 판단한다. 여기서, 제2 전류 범위(I2)는 가변 저항 소자(10)에 흐르는 리셋 전류(IRESET), 즉, 오프 전류의 산포를 개선시키기 위하여 미리 결정될 수 있다. 구체적으로, 제2 전류 범위(I2)는 가변 저항 소자(10)의 온 전류와 오프 전류 사이의 충분한 센싱 마진을 확보하기 위하여 미리 결정될 수 있다. 여기서, 260 단계는 도 9 내지 12를 참조하여 상술된 내용이 적용될 수 있다.In
판단 결과, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제2 전류 범위(I2) 내에 포함되는 경우 절차는 종료되고, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제2 전류 범위(I2) 내에 포함되지 않는 경우 240 단계를 수행한다. 이와 같이, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제2 전류 범위(I2) 내에 포함되지 않으면 240 단계를 수행하여, 가변 저항 소자(10)에 추가 리셋 전압(VRESET)을 인가할 수 있다. 이때, 추가 리셋 전압(VRESET)은 도 14에 도시된 리셋 전압(VRESET)에 대응될 수 있다. 따라서, 추가 리셋 전압 (VRESET)은 기존에 인가된 리셋 전압(VRESET)과 동일한 전압 레벨을 가지고 동일한 펄스 폭을 가질 수 있다.As a result of the determination, if the detected reset current IRESET is included in the second current range I2, the procedure is terminated, and if the detected reset current IRESET is not included in the second current range I2,
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 저항 소자를 포함하는 반도체 장치의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 16은 도 15에 따른 반도체 장치에 인가되는 동작 전압들의 일 예를 나타내는 그래프이다. 도 17은 도 17에 따른 반도체 장치에 인가되는 동작 전압들의 다른 예를 나타내는 그래프이다.15 is a flowchart illustrating a method of operating a semiconductor device including a variable resistance device according to another exemplary embodiment of the present disclosure. 16 is a graph illustrating an example of operating voltages applied to the semiconductor device of FIG. 15. 17 is a graph illustrating another example of operating voltages applied to the semiconductor device of FIG. 17.
도 15 내지 도 17을 참조하면, 본 실시예에 따른 반도체 장치의 동작 방법은 예를 들어, 도 1에 도시된 가변 저항 소자(10)를 포함하는 반도체 장치의 동작 방법일 수 있다. 이하에서는, 도 1에 도시된 가변 저항 소자(10)를 예로 하여 본 실시예에 따른 반도체 장치의 동작 방법을 상술하기로 한다. 이때, 가변 저항 소자(10)는 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자에 이용되는 경우를 중심으로 본 실시예를 상술하기로 한다. 도 16 및 도 17에서 X축은 시간을 초 단위로 나타내고, Y축은 반도체 장치에 인가되는 동작 전압들을 V 단위로 나타낸다.15 to 17, a method of operating a semiconductor device according to the present exemplary embodiment may be, for example, a method of operating a semiconductor device including the
310 단계에서, 가변 저항 소자(10)에 셋 전압(VSET)을 인가한다. 이때, 셋 전압(VSET)은 도 16 및 도 17에 도시된 셋 전압(VSET)에 대응될 수 있다. 도 16 및 도 17에 도시된 셋 전압(VSET)은 음의 전압 레벨을 가질 수 있는데, 예를 들어, 약 -3.0 V일 수 있다.In
320 단계에서, 가변 저항 소자(10)에 리셋 전압(VRESET)을 인가한다. 이때, 리셋 전압(VRESET)은 도 16 및 도 17에 도시된 리셋 전압(VRESET)에 대응될 수 있다. 도 16 및 도 17에 도시된 리셋 전압(VRESET)은 양의 전압 레벨을 가질 수 있으며, 리셋 전압(VRESET)의 전압 레벨은 독출 전압(VREAD)의 전압 레벨보다 높을 수 있다.In
가변 저항 소자(10)가 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자에 이용되는 경우, 오프 상태를 가지는 서로 다른 데이터 '01', '10' 또는 '00'을 기입하기 위하여 제1 내지 제3 리셋 전압이 각각 인가될 수 있다. 예를 들어, 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자에 데이터 '01'을 기입하기 위한 제1 리셋 전압은 약 3.2 V이고, 데이터 '10'을 기입하기 위한 제2 리셋 전압은 약 3.3 V이며, 데이터 '00'을 기입하기 위한 제3 리셋 전압은 약 3.4 V일 수 있다. When the
330 단계에서, 리셋 전압(VRESET)이 인가된 가변 저항 소자(10)에 흐르는 리셋 전류(IRESET)를 감지한다. 구체적으로, 리셋 전압(VRESET)이 인가된 가변 저항 소자(10)에 독출 전압(VREAD)을 인가하고, 독출 전압(VREAD)이 인가된 가변 저항 소자(10)에 흐르는 리셋 전류(IRESET)를 감지할 수 있다. 이때, 독출 전압(VREAD)은 도 16 및 도 17에 도시된 독출 전압(VREAD)에 대응될 수 있다. 도 12 및 도 13에 도시된 독출 전압(VREAD)은 양의 전압 레벨을 가질 수 있는데, 예를 들어, 약 0.5 V일 수 있다.In
340 단계에서, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제1 전류 범위(I1) 내에 포함되는지 판단한다. 여기서, 제1 전류 범위(I1)는 기입하고자 하는 데이터의 전류 범위일 수 있다. 가변 저항 소자(10)가 멀티 비트 메모리 소자에 이용되는 경우, 제1 전류 범위(I1)는 기입하고자 하는 데이터가 '01'일 때, 데이터 '01'이 기입된 멀티 비트 메모리 소자에 흐르는 전류 범위일 수 있고, 기입하고자 하는 데이터가 '10'일 때, 데이터 '10'이 기입된 멀티 비트 메모리 소자에 흐르는 전류 범위일 수 있으며, 기입하고자 하는 데이터가 '00'일 때, 데이터 '00'이 기입된 멀티 비트 메모리 소자에 흐르는 전류 범위일 수 있다.In
판단 결과, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제1 전류 범위(I1)의 최대값(I1_max)보다 큰 경우 350 단계를 수행하고, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제1 전류 범위(I1)의 최소값(I1_min)보다 작은 경우 360 단계를 수행하며, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제1 전류 범위(I1) 내에 포함되는 경우 370 단계를 수행한다.As a result of determination, when the detected reset current IRESET is greater than the maximum value I1_max of the first current range I1,
350 단계에서, 가변 저항 소자(10)에 인가할 리셋 전압(VRESET)을 변경한다. 이때, 변경된 리셋 전압(VRESET)은 도 16에 도시된 리셋 전압(VRESET')에 대응될 수 있다. 구체적으로, 360 단계에서, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제1 전류 범위(I1)의 최대값(I1_max)보다 크면, 인가된 리셋 전압(VRESET)의 전압 레벨이 가변 저항 소자(10)에 기입하고자 하는 데이터를 프로그램 하기에 충분하지 않은 것으로 볼 수 있다. 따라서, 이 경우 기존에 인가한 리셋 전압(VRESET) 보다 전압 레벨이 높도록 변경된 리셋 전압(VRESET')을 가변 저항 소자(10)에 인가해야 한다.In
360 단계에서, 가변 저항 소자(10)에 셋 전압(VSET)을 인가한다. 이때, 셋 전압(VSET)은 도 17에 도시된 셋 전압(VSET)에 대응될 수 있다. 구체적으로, 340 단계에서, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제1 전류 범위(I1)의 최소값(I1_min)보다 작으면, 가변 저항 소자(10)에 대하여 다시 셋 전압(VSET)을 인가한다. 이때, 셋 전압(VSET)은 도 17에 도시된 셋 전압(VSET)에 대응될 수 있다.In
370 단계에서, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제2 전류 범위(I2) 내에 포함되는지 판단한다. 여기서, 제2 전류 범위(I2)는 가변 저항 소자(10)에 흐르는 리셋 전류(IRESET), 즉, 오프 전류의 산포를 개선시키기 위하여 미리 결정될 수 있다. 구체적으로, 제2 전류 범위(I2)는 가변 저항 소자(10)의 온 전류와 오프 전류 사이의 충분한 센싱 마진을 확보하기 위하여 미리 결정될 수 있다. 여기서, 370 단계는 도 9 내지 12를 참조하여 상술된 내용이 적용될 수 있다.In
판단 결과, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제2 전류 범위(I2) 내에 포함되는 경우 절차는 종료되고, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제2 전류 범위(I2) 내에 포함되지 않는 경우 320 단계를 수행한다. 이와 같이, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제2 전류 범위(I2) 내에 포함되지 않으면 320 단계를 수행하여, 가변 저항 소자(10)에 추가 리셋 전압(VRESET)을 인가할 수 있다. 이때, 추가 리셋 전압(VRESET)은 도 16 및 도 17에 도시된 리셋 전압(VRESET)에 대응될 수 있다. 따라서, 추가 리셋 전압 (VRESET)은 기존에 인가된 리셋 전압(VRESET)과 동일한 전압 레벨을 가지고 동일한 펄스 폭을 가질 수 있다.As a result of the determination, when the detected reset current IRESET is included in the second current range I2, the procedure ends, and when the detected reset current IRESET is not included in the second current range I2,
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 저항 소자를 포함하는 반도체 장치의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 19는 도 18에 따른 반도체 장치에 인가되는 동작 전압들의 일 예를 나타내는 그래프이다.18 is a flowchart illustrating a method of operating a semiconductor device including a variable resistance device according to another exemplary embodiment of the present disclosure. 19 is a graph illustrating an example of operating voltages applied to the semiconductor device of FIG. 18.
도 18 및 도 19를 참조하면, 본 실시예에 따른 반도체 장치의 동작 방법은 예를 들어, 도 1에 도시된 가변 저항 소자(10)를 포함하는 반도체 장치의 동작 방법일 수 있다. 이하에서는, 도 1에 도시된 가변 저항 소자(10)를 예로 하여 본 실시예에 따른 반도체 장치의 동작 방법을 상술하기로 한다. 이때, 가변 저항 소자(10)는 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자에 이용되는 경우를 중심으로 본 실시예를 상술하기로 한다. 도 19에서 X축은 시간을 초 단위로 나타내고, Y축은 반도체 장치에 인가되는 동작 전압들을 V 단위로 나타낸다.18 and 19, the method of operating the semiconductor device according to the present exemplary embodiment may be, for example, a method of operating the semiconductor device including the
410 단계에서, 가변 저항 소자(10)에 셋 전압(VSET)을 인가한다. 이때, 셋 전압(VSET)은 도 19에 도시된 셋 전압(VSET)에 대응될 수 있다. 도 19에 도시된 셋 전압(VSET)은 음의 전압 레벨을 가질 수 있는데, 예를 들어, 약 -3.0 V일 수 있다.In
420 단계에서, 가변 저항 소자(10)에 리셋 전압(VRESET)을 인가한다. 이때, 리셋 전압(VRESET)은 도 19에 도시된 리셋 전압(VRESET)에 대응될 수 있다. 도 19에 도시된 리셋 전압(VRESET)은 양의 전압 레벨을 가질 수 있으며, 리셋 전압(VRESET)의 전압 레벨은 독출 전압(VREAD)의 전압 레벨보다 높을 수 있다.In
가변 저항 소자(10)가 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자에 이용되는 경우, 오프 상태를 가지는 서로 다른 데이터 '01', '10' 또는 '00'을 기입하기 위하여 제1 내지 제3 리셋 전압이 각각 인가될 수 있다. 예를 들어, 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자에 데이터 '01'을 기입하기 위한 제1 리셋 전압은 약 3.2 V이고, 데이터 '10'을 기입하기 위한 제2 리셋 전압은 약 3.3 V이며, 데이터 '00'을 기입하기 위한 제3 리셋 전압은 약 3.4 V일 수 있다. When the
430 단계에서, 리셋 전압(VRESET)이 인가된 가변 저항 소자(10)에 흐르는 리셋 전류(IRESET)를 감지한다. 구체적으로, 리셋 전압(VRESET)이 인가된 가변 저항 소자(10)에 독출 전압(VREAD)을 인가하고, 독출 전압(VREAD)이 인가된 가변 저항 소자(10)에 흐르는 리셋 전류(IRESET)를 감지할 수 있다. 이때, 독출 전압(VREAD)은 도 19에 도시된 독출 전압(VREAD)에 대응될 수 있다. 도 19에 도시된 독출 전압(VREAD)은 양의 전압 레벨을 가질 수 있는데, 예를 들어, 약 0.5 V일 수 있다.In
440 단계에서, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제1 전류 범위(I1) 내에 포함되는지 판단한다. 여기서, 제1 전류 범위(I1)는 기입하고자 하는 데이터의 전류 범위일 수 있다. 가변 저항 소자(10)가 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자에 이용되는 경우, 제1 전류 범위(I1)은 기입하고자 하는 데이터가 '01'일 때, 데이터 '01'이 기입된 멀티 비트 메모리 소자에 흐르는 전류 범위일 수 있고, 기입하고자 하는 데이터가 '10'일 때, 데이터 '10'이 기입된 멀티 비트 메모리 소자에 흐르는 전류 범위일 수 있으며, 기입하고자 하는 데이터가 '00'일 때, 데이터 '00'이 기입된 멀티 비트 메모리 소자에 흐르는 전류 범위일 수 있다.In
판단 결과, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제1 전류 범위(I1)의 최대값(I1_max)보다 큰 경우 450 단계를 수행하고, 감지된 리셋 전류(IRESET_n)가 제1 전류 범위(I1)의 최소값(I1_min)보다 작은 경우 410 단계를 수행하며, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제1 전류 범위(I1) 내에 포함되는 경우 460 단계를 수행한다.As a result of determination, when the detected reset current IRESET is greater than the maximum value I1_max of the first current range I1,
450 단계에서, 가변 저항 소자(10)에 인가할 리셋 전압(VRESET)을 변경한다. 이때, 변경된 리셋 전압(VRESET)은 도 19에 도시된 리셋 전압(VRESET')에 대응될 수 있다. 구체적으로, 440 단계에서, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제1 전류 범위(I1)의 최대값(I1_max)보다 크면, 인가된 리셋 전압(VRESET)의 전압 레벨이 가변 저항 소자(10)에 기입하고자 하는 데이터를 프로그램 하기에 충분하지 않은 것으로 볼 수 있다. 따라서, 이 경우 기존에 인가한 리셋 전압(VRESET) 보다 전압 레벨이 높도록 변경된 리셋 전압(VRESET')을 가변 저항 소자(10)에 인가해야 한다.In
한편, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제1 전류 범위(I1)의 최소값(I1_min)보다 작은 경우 410 단계를 수행하여 가변 저항 소자(10)에 셋 전압(VSET)을 인가한다. 이때, 셋 전압(VSET)은 도 19에 도시된 셋 전압(VSET)에 대응될 수 있다. Meanwhile, when the sensed reset current IRESET is smaller than the minimum value I1_min of the first current range I1,
460 단계에서, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제2 전류 범위(I2) 내에 포함되는지 판단한다. 여기서, 제2 전류 범위(I2)는 가변 저항 소자(10)에 흐르는 리셋 전류(IRESET), 즉, 오프 전류의 산포를 개선시키기 위하여 미리 결정될 수 있다. 구체적으로, 제2 전류 범위(I2)는 가변 저항 소자(10)의 온 전류와 오프 전류 사이의 충분한 센싱 마진을 확보하기 위하여 미리 결정될 수 있다. 여기서, 460 단계는 도 9 내지 12를 참조하여 상술된 내용이 적용될 수 있다.In
판단 결과, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제2 전류 범위(I2) 내에 포함되는 경우 절차는 종료되고, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제2 전류 범위(I2) 내에 포함되지 않는 경우 420 단계를 수행한다. 이와 같이, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제2 전류 범위(I2) 내에 포함되지 않으면 420 단계를 수행하여, 가변 저항 소자(10)에 추가 리셋 전압(VRESET)을 인가할 수 있다. As a result of the determination, if the detected reset current IRESET is included in the second current range I2, the procedure is terminated, and if the detected reset current IRESET is not included in the second current range I2,
이때, 추가 리셋 전압(VRESET)은 도 19에 도시된 리셋 전압(VRESET) 또는 변경된 리셋 전압(VRESET')에 대응될 수 있다. 구체적으로, 440 단계에서, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제1 전류 범위(I1) 내에 포함된 경우, 추가 리셋 전압(VRESET)은 도 19에 도시된 리셋 전압(VRESET)에 대응될 수 있다. 이에 따라, 추가 리셋 전압(VRESET)은 기존에 인가된 리셋 전압(VRESET)과 동일한 전압 레벨을 가지고 동일한 펄스 폭을 가질 수 있다. 한편, 440 단계에서, 감지된 리셋 전류(IRESET)가 제1 전류 범위(I1) 내에 포함되지 않아서 450 단계가 수행된 경우, 추가 리셋 전압(VRESET)은 도 19에 도시된 변경된 리셋 전압(VRESET')에 대응될 수 있다. 이에 따라, 추가 리셋 전압(VRESET)은 기존에 인가된 변경된 리셋 전압(VRESET')과 동일한 전압 레벨을 가지고 동일한 펄스 폭을 가질 수 있다.In this case, the additional reset voltage VRESET may correspond to the reset voltage VRESET or the changed reset voltage VRESET ′ shown in FIG. 19. In detail, in
이상에서는, 도 1의 가변 저항 소자(10)가 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자에 이용되는 경우를 중심으로 하여 본 발명의 일부 실시예들에 따른 반도체 장치의 동작 방법을 상술하였다. 그러나, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 반도체 장치의 동작 방법은, 도 1의 가변 저항 소자(10)가 싱글 비트 비휘발성 메모리 소자에 이용되는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다. 가변 저항 소자(10)가 싱글 비트 비휘발성 메모리 소자에 이용되는 경우, 리셋 전압(VRESET)은 예를 들어, 약 3.0 V일 수 있다.In the above, the method of operating the semiconductor device according to some exemplary embodiments of the present disclosure has been described above, with a focus on the case in which the
도 20은 종래의 반도체 장치의 동작 방법을 수행한 경우 상기 반도체 장치에 포함된 가변 저항 소자의 전류 분포를 나타내는 그래프이다.20 is a graph illustrating a current distribution of a variable resistance element included in the semiconductor device when the conventional method of operating the semiconductor device is performed.
도 20을 참조하면, X축은 셋 사이클 횟수 또는 리셋 사이클 횟수를 나타내고, Y축은 가변 저항 소자의 전류 분포를 A 단위로 나타낸다. 이때, 셋 전류(ISET)는 셋 전압(VSET)이 인가된 경우 가변 저항 소자에 흐르는 전류를 나타내는데, 예를 들어, 셋 전압은 약 -3.0 V일 수 있고, 이로써, 반도체 장치에 데이터 '11'이 기입될 수 있다. 제1 리셋 전류(IRESET_1)는 '□'로 도시되었으며, 제1 리셋 전압(VRESET_1)이 인가된 경우 가변 저항 소자에 흐르는 전류를 나타내는데, 예를 들어, 제1 리셋 전압(VRESET_1)은 약 3.2 V일 수 있고, 이로써, 반도체 장치에 데이터 '01'이 기입될 수 있다. 제2 리셋 전류(IRESET_2)는 '○'로 도시되었으며, 제2 리셋 전압(VRESET_2)이 인가된 경우 가변 저항 소자에 흐르는 전류를 나타내는데, 예를 들어, 제2 리셋 전압(VRESET_2)은 약 3.3 V일 수 있고, 이로써, 반도체 장치에 데이터 '10'이 기입될 수 있다. 제3 리셋 전류(IRESET_3)는 '△'로 도시되었으며, 제3 리셋 전압(VRESET_3)이 인가된 경우 가변 저항 소자에 흐르는 전류를 나타내는데, 예를 들어, 제3 리셋 전압(VRESET_3)은 약 3.4 V일 수 있고, 이로써, 반도체 장치에 데이터 '00'이 기입될 수 있다.Referring to FIG. 20, the X axis represents the number of set cycles or the number of reset cycles, and the Y axis represents the current distribution of the variable resistance element in A units. In this case, the set current ISET represents a current flowing through the variable resistance element when the set voltage VSET is applied. For example, the set voltage may be about −3.0 V, thereby providing data '11' to the semiconductor device. Can be written. The first reset current IRESET_1 is shown as '□' and represents the current flowing through the variable resistance element when the first reset voltage VRESET_1 is applied. For example, the first reset voltage VRESET_1 is about 3.2 V. In this way, data '01' may be written in the semiconductor device. The second reset current IRESET_2 is shown as '○' and represents the current flowing through the variable resistance element when the second reset voltage VRESET_2 is applied. For example, the second reset voltage VRESET_2 is about 3.3V. In this way, data '10' may be written in the semiconductor device. The third reset current IRESET_3 is shown as 'Δ' and represents a current flowing through the variable resistance element when the third reset voltage VRESET_3 is applied. For example, the third reset voltage VRESET_3 is about 3.4 V. In this way, data '00' may be written to the semiconductor device.
도 20에서, 셋 전류(ISET)는 일정한 레벨을 유지하는 반면, 제1 내지 제3 리셋 전류(IRESET_1, IRESET_2, IRESET_3)는 산포가 매우 크다. 따라서, 제1 리셋 전류(IRESET_1)와 제2 리셋 전류(IRESET_2) 사이에 충분한 센싱 마진이 확보되지 않을 수 있고, 이에 따라, 반도체 장치에 데이터 '01' 또는 데이터 '10'을 효과적으로 기입할 수 없는 문제가 발생한다. 또한, 제2 리셋 전류(IRESET_2)와 제3 리셋 전류(IRESET_3) 사이에 충분한 센싱 마진이 확보되지 않은 것을 알 수 있고, 이에 따라, 반도체 장치에 데이터 '10' 또는 데이터 '00'을 효과적으로 기입할 수 없는 문제가 발생한다.In FIG. 20, the set current IST maintains a constant level, while the first to third reset currents IRESET_1, IRESET_2, and IRESET_3 have a large dispersion. Therefore, sufficient sensing margin may not be secured between the first reset current IRESET_1 and the second reset current IRESET_2, and thus, data '01' or data '10' cannot be effectively written to the semiconductor device. A problem arises. Also, it can be seen that a sufficient sensing margin is not secured between the second reset current IRESET_2 and the third reset current IRESET_3. Accordingly, data '10' or data '00' can be effectively written to the semiconductor device. Unable problem occurs.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치의 동작 방법을 수행한 경우 상기 반도체 장치에 포함된 가변 저항 소자의 전류 분포를 나타내는 그래프이다.FIG. 21 is a graph illustrating a current distribution of a variable resistance element included in the semiconductor device when the method of operating the semiconductor device according to the embodiment is performed.
도 21을 참조하면, X축은 셋 사이클 횟수 또는 리셋 사이클 횟수를 나타내고, Y축은 가변 저항 소자의 전류 분포를 A 단위로 나타낸다. 이때, 셋 전류(ISET)는 셋 전압(VSET)이 인가된 경우 가변 저항 소자에 흐르는 전류를 나타내는데, 예를 들어, 셋 전압은 약 -3.0 V일 수 있고, 이로써, 반도체 장치에 데이터 '11'이 기입될 수 있다. 제1 리셋 전류(IRESET_1)는 '□'로 도시되었으며, 제1 리셋 전압(VRESET_1)이 인가된 경우 가변 저항 소자에 흐르는 전류를 나타내는데, 예를 들어, 제1 리셋 전압(VRESET_1)은 약 3.2 V일 수 있고, 이로써, 반도체 장치에 데이터 '01'이 기입될 수 있다. 제2 리셋 전류(IRESET_2)는 '○'로 도시되었으며, 제2 리셋 전압(VRESET_2)이 인가된 경우 가변 저항 소자에 흐르는 전류를 나타내는데, 예를 들어, 제2 리셋 전압(VRESET_2)은 약 3.3 V일 수 있고, 이로써, 반도체 장치에 데이터 '10'이 기입될 수 있다. 제3 리셋 전류(IRESET_3)는 '△'로 도시되었으며, 제3 리셋 전압(VRESET_3)이 인가된 경우 가변 저항 소자에 흐르는 전류를 나타내는데, 예를 들어, 제3 리셋 전압(VRESET_3)은 약 3.4 V일 수 있고, 이로써, 반도체 장치에 데이터 '00'이 기입될 수 있다.Referring to FIG. 21, the X axis represents the number of set cycles or the number of reset cycles, and the Y axis represents the current distribution of the variable resistance element in A units. In this case, the set current ISET represents a current flowing through the variable resistance element when the set voltage VSET is applied. For example, the set voltage may be about −3.0 V, thereby providing data '11' to the semiconductor device. Can be written. The first reset current IRESET_1 is shown as '□' and represents the current flowing through the variable resistance element when the first reset voltage VRESET_1 is applied. For example, the first reset voltage VRESET_1 is about 3.2 V. In this way, data '01' may be written in the semiconductor device. The second reset current IRESET_2 is shown as '○' and represents the current flowing through the variable resistance element when the second reset voltage VRESET_2 is applied. For example, the second reset voltage VRESET_2 is about 3.3V. In this way, data '10' may be written in the semiconductor device. The third reset current IRESET_3 is shown as 'Δ' and represents a current flowing through the variable resistance element when the third reset voltage VRESET_3 is applied. For example, the third reset voltage VRESET_3 is about 3.4 V. In this way, data '00' may be written to the semiconductor device.
도 21에서, 셋 전류(ISET)는 일정한 레벨을 유지하고, 제1, 제2 및 제3 리셋 전류(IRESET_1, IRESET_2, IRESET_3)의 산포도 도 20에 비하여 크게 개선된 것을 알 수 있다. 따라서, 제1 리셋 전류(IRESET_1)와 제2 리셋 전류(IRESET_2) 사이에 충분한 센싱 마진이 확보될 수 있고, 이에 따라, 반도체 장치에 데이터 '01' 또는 데이터 '10'을 효과적으로 기입할 수 있다. 또한, 제2 리셋 전류(IRESET_2)와 제3 리셋 전류(IRESET_3) 사이에 충분한 센싱 마진이 확보될 수 있고, 이에 따라, 반도체 장치에 데이터 '10' 또는 데이터 '00'을 효과적으로 기입할 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에 따르면, 가변 저항 소자의 오프 전류의 산포를 개선함으로써, 가변 저항 소자를 포함하는 반도체 장치의 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.In FIG. 21, it can be seen that the set current IST maintains a constant level, and the distribution of the first, second, and third reset currents IRESET_1, IRESET_2, and IRESET_3 is greatly improved compared to FIG. 20. Accordingly, sufficient sensing margin can be secured between the first reset current IRESET_1 and the second reset current IRESET_2, thereby effectively writing data '01' or data '10' into the semiconductor device. In addition, sufficient sensing margin may be secured between the second reset current IRESET_2 and the third reset current IRESET_3, thereby effectively writing data '10' or data '00' into the semiconductor device. As described above, according to the present embodiment, by improving the distribution of the off current of the variable resistance element, the reliability of the semiconductor device including the variable resistance element can be greatly improved.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 저항 소자를 포함하는 반도체 장치를 나타내는 회로도이다.FIG. 22 is a circuit diagram illustrating a semiconductor device including a variable resistance device according to an example embodiment. FIG.
도 22를 참조하면, 반도체 장치는 예를 들어, 비휘발성 메모리 장치일 수 있고, 비휘발성 메모리 장치의 단위 셀(MC1)은 가변 저항 소자(R) 및 다이오드(D)를 포함할 수 있다. 여기서, 가변 저항 소자(R)는 도 1에 도시된 가변 저항 소자(10)와 실질적으로 동일하게 구현될 수 있다. 가변 저항 소자(R)의 일단은 비트라인(BL)에 연결되고 타단은 다이오드(D)에 연결된다. 다이오드(D)는 양방향으로 동작 가능하며, 워드라인(WL)에 인가되는 전압에 따라 단위 셀(MC1)에 대한 선택 동작을 수행할 수 있다.Referring to FIG. 22, the semiconductor device may be, for example, a nonvolatile memory device, and the unit cell MC1 of the nonvolatile memory device may include a variable resistance element R and a diode D. Here, the variable resistance element R may be implemented substantially the same as the
반도체 장치가 싱글 비트 비휘발성 메모리 소자인 경우, 가변 저항 소자(R)에 리셋 전압이 인가되면 가변 저항 소자(R)는 저저항에서 고저항으로 변화되어 데이터 '0'이 기입될 수 있고, 셋 전압이 인가되면 가변 저항 소자(R)는 고저항에서 저저항으로 변화되어 데이터 '1'이 기입될 수 있다. 이때, 반도체 장치에 데이터 '0'을 기입하는 동작을 수행할 경우에, 가변 저항 소자(R)에 흐르는 전류가 소정의 전류 범위 내에 포함될 때까지, 리셋 전압은 가변 저항 소자(R)에 반복적으로 인가될 수 있다.When the semiconductor device is a single bit nonvolatile memory device, when a reset voltage is applied to the variable resistor device R, the variable resistor device R may change from low resistance to high resistance so that data '0' may be written. When a voltage is applied, the variable resistance element R is changed from high resistance to low resistance so that data '1' may be written. At this time, when the data '0' is written to the semiconductor device, the reset voltage is repeatedly applied to the variable resistance element R until the current flowing through the variable resistance element R is included in the predetermined current range. Can be applied.
한편, 반도체 장치가 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자인 경우, 가변 저항 소자(R)에 제1 리셋 전압이 인가되면 가변 저항 소자(R)는 저저항에서 제1 고저항으로 변화되어 데이터 '01'이 기입될 수 있고, 제1 리셋 전압보다 전압 레벨이 높은 제2 리셋 전압이 인가되면 가변 저항 소자(R)는 제2 고저항으로 변화되어 데이터 '10'이 기입될 수 있으며, 제2 리셋 전압보다 전압 레벨이 높은 제3 리셋 전압이 인가되면 가변 저항 소자(R)는 제3 고저항으로 변화되어 데이터 '00'이 기입될 수 있고, 셋 전압이 인가되면 가변 저항 소자(R)는 제1 내지 제3 고저항에서 저저항으로 변화되어 데이터 '11'이 기입될 수 있다. On the other hand, when the semiconductor device is a multi-bit nonvolatile memory device, when the first reset voltage is applied to the variable resistance device R, the variable resistance device R is changed from a low resistance to a first high resistance so that the data '01' is stored. When the second reset voltage having a higher voltage level than the first reset voltage is applied, the variable resistance element R may be changed to a second high resistance so that the data '10' may be written. When a third reset voltage having a high voltage level is applied, the variable resistance element R may be changed to a third high resistance to write data '00', and when the set voltage is applied, the variable resistance element R may be first to first. The data '11' may be written by changing from the third high resistance to the low resistance.
반도체 장치에 대해 데이터 '01'을 기입하는 동작을 수행할 경우에, 제1 리셋 전압이 인가된 가변 저항 소자(R)에 흐르는 전류가 제1 전류 범위 내에 포함될 때까지, 제1 리셋 전압은 가변 저항 소자(R)에 반복적으로 인가될 수 있다. 또한, 반도체 장치에 데이터 '10'을 기입하는 동작을 수행할 경우에, 제2 리셋 전압이 인가된 가변 저항 소자(R)에 흐르는 전류가 제1 전류 범위 내에 포함될 때까지, 제2 리셋 전압은 가변 저항 소자(R)에 반복적으로 인가될 수 있다. 또한, 반도체 장치에 데이터 '00'을 기입하는 동작을 수행할 경우에 제3 리셋 전압이 인가된 가변 저항 소자(R)에 흐르는 전류가 제1 전류 범위 내에 포함될 때까지, 제3 리셋 전압은 가변 저항 소자(R)에 반복적으로 인가될 수 있다.When the data '01' is written to the semiconductor device, the first reset voltage is variable until the current flowing in the variable resistance element R to which the first reset voltage is applied is included in the first current range. The resistance element R may be repeatedly applied. In addition, when an operation of writing data '10' into the semiconductor device is performed, the second reset voltage is maintained until the current flowing in the variable resistance element R to which the second reset voltage is applied is included in the first current range. The variable resistance element R may be repeatedly applied. In addition, when the data '00' is written to the semiconductor device, the third reset voltage is variable until the current flowing in the variable resistance element R to which the third reset voltage is applied is included in the first current range. The resistance element R may be repeatedly applied.
도 23은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 저항 소자를 포함하는 반도체 장치를 나타내는 회로도이다.FIG. 23 is a circuit diagram illustrating a semiconductor device including a variable resistance device according to example embodiments. FIG.
도 22를 참조하면, 반도체 장치는 예를 들어, 비휘발성 메모리 장치일 수 있고, 비휘발성 메모리 장치의 단위 셀(MC2)은 가변 저항 소자(R) 및 액세스 트랜지스터(T)를 포함할 수 있다. 여기서, 가변 저항 소자(R)는 도 1에 도시된 가변 저항 소자(10)와 실질적으로 동일하게 구현될 수 있다. 가변 저항 소자(R)의 일단은 비트라인(BL)에 연결되고 타단은 액세스 트랜지스터(T)에 연결된다. 액세스 트랜지스터(T)는 워드라인(WL)에 연결되는 게이트, 가변 저항 소자(R)의 타단에 연결되는 드레인 및 소스 라인(SL)에 연결되는 소스를 가진다. 이때, 액세스 트랜지스터(T)는 워드라인(WL)에 인가되는 전압에 따라 온/오프되어 단위 셀(MC2)에 대한 선택 동작을 수행할 수 있다.Referring to FIG. 22, a semiconductor device may be, for example, a nonvolatile memory device, and the unit cell MC2 of the nonvolatile memory device may include a variable resistance element R and an access transistor T. Referring to FIG. Here, the variable resistance element R may be implemented substantially the same as the
반도체 장치가 싱글 비트 비휘발성 메모리 소자인 경우, 가변 저항 소자(R)에 리셋 전압이 인가되면 가변 저항 소자(R)는 저저항에서 고저항으로 변화되어 데이터 '0'이 기입될 수 있고, 셋 전압이 인가되면 가변 저항 소자(R)는 고저항에서 저저항으로 변화되어 데이터 '1'이 기입될 수 있다. 이때, 반도체 장치에 데이터 '0'을 기입하는 동작을 수행할 경우에, 가변 저항 소자(R)에 흐르는 전류가 소정의 전류 범위 내에 포함될 때까지, 리셋 전압은 가변 저항 소자(R)에 반복적으로 인가될 수 있다.When the semiconductor device is a single bit nonvolatile memory device, when a reset voltage is applied to the variable resistor device R, the variable resistor device R may change from low resistance to high resistance so that data '0' may be written. When a voltage is applied, the variable resistance element R is changed from high resistance to low resistance so that data '1' may be written. At this time, when the data '0' is written to the semiconductor device, the reset voltage is repeatedly applied to the variable resistance element R until the current flowing through the variable resistance element R is included in the predetermined current range. Can be applied.
한편, 반도체 장치가 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자인 경우, 가변 저항 소자(R)에 제1 리셋 전압이 인가되면 가변 저항 소자(R)는 저저항에서 제1 고저항으로 변화되어 데이터 '01'이 기입될 수 있고, 제1 리셋 전압보다 전압 레벨이 높은 제2 리셋 전압이 인가되면 가변 저항 소자(R)는 제2 고저항으로 변화되어 데이터 '10'이 기입될 수 있으며, 제2 리셋 전압보다 전압 레벨이 높은 제3 리셋 전압이 인가되면 가변 저항 소자(R)는 제3 고저항으로 변화되어 데이터 '00'이 기입될 수 있고, 셋 전압이 인가되면 가변 저항 소자(R)는 제1 내지 제3 고저항에서 저저항으로 변화되어 데이터 '11'이 기입될 수 있다. On the other hand, when the semiconductor device is a multi-bit nonvolatile memory device, when the first reset voltage is applied to the variable resistance device R, the variable resistance device R is changed from a low resistance to a first high resistance so that the data '01' is stored. When the second reset voltage having a higher voltage level than the first reset voltage is applied, the variable resistance element R may be changed to a second high resistance so that the data '10' may be written. When a third reset voltage having a high voltage level is applied, the variable resistance element R may be changed to a third high resistance to write data '00', and when the set voltage is applied, the variable resistance element R may be first to first. The data '11' may be written by changing from the third high resistance to the low resistance.
반도체 장치에 대해 데이터 '01'을 기입하는 동작을 수행할 경우에, 제1 리셋 전압이 인가된 가변 저항 소자(R)에 흐르는 전류가 제1 전류 범위 내에 포함될 때까지, 제1 리셋 전압은 가변 저항 소자(R)에 반복적으로 인가될 수 있다. 또한, 반도체 장치에 데이터 '10'을 기입하는 동작을 수행할 경우에, 제2 리셋 전압이 인가된 가변 저항 소자(R)에 흐르는 전류가 제1 전류 범위 내에 포함될 때까지, 제2 리셋 전압은 가변 저항 소자(R)에 반복적으로 인가될 수 있다. 또한, 반도체 장치에 데이터 '00'을 기입하는 동작을 수행할 경우에 제3 리셋 전압이 인가된 가변 저항 소자(R)에 흐르는 전류가 제1 전류 범위 내에 포함될 때까지, 제3 리셋 전압은 가변 저항 소자(R)에 반복적으로 인가될 수 있다.When the data '01' is written to the semiconductor device, the first reset voltage is variable until the current flowing in the variable resistance element R to which the first reset voltage is applied is included in the first current range. The resistance element R may be repeatedly applied. In addition, when an operation of writing data '10' into the semiconductor device is performed, the second reset voltage is maintained until the current flowing in the variable resistance element R to which the second reset voltage is applied is included in the first current range. The variable resistance element R may be repeatedly applied. In addition, when the data '00' is written to the semiconductor device, the third reset voltage is variable until the current flowing in the variable resistance element R to which the third reset voltage is applied is included in the first current range. The resistance element R may be repeatedly applied.
도 24는 도 23의 반도체 장치의 일 예를 나타내는 단면도이다.24 is a cross-sectional view illustrating an example of the semiconductor device of FIG. 23.
도 24를 참조하면, 반도체 기판(500)의 소정 영역에 소자 분리막(505)이 제공되어 활성 영역을 한정한다. 활성 영역 내에 서로 이격된 드레인 영역(510) 및 소스 영역(515)이 제공된다. 드레인 영역(510) 및 소스 영역(515) 사이의 활성 영역 상에는 게이트 절연막(520)이 배치되고, 게이트 절연막(520) 상에는 게이트 전극(525)이 배치된다. 이때, 게이트 전극(525)은 연장되어 워드라인의 역할을 하거나 워드라인과 연결될 수 있다. 이러한 게이트 전극(525), 드레인 영역(510) 및 소스 영역(515)은 액세스 트랜지스터(T)를 구성한다.Referring to FIG. 24, an
액세스 트랜지스터(T) 상에는 제1 층간 절연막(530)이 형성되고, 제1 층간 절연막(530) 내에는 제1 및 제2 콘택 플러그들(CP1, CP2)이 형성된다. 소스 영역(515)은 제1 콘택 플러그(CP1)에 의해 소스 라인(SL)에 연결될 수 있고, 드레인 영역(510)은 제2 콘택 플러그(CP2)에 의해 하부 전극(540)에 연결될 수 있다.A first
제1 층간 절연막(530) 상에는 제2 층간 절연막(560)이 형성되고, 제2 층간 절연막(560) 내의 일부 영역에는 하부 전극(540), 가변 저항 물질층(545) 및 상부 전극(550)이 순차적으로 형성된다. 상부 전극(550)은 제3 콘택 플러그(CP3)를 통해 비트라인(570)과 연결될 수 있다. 이러한 하부 전극(540), 가변 저항 물질층(545) 및 상부 전극(550)은 가변 저항 소자(R)를 구성하고, 가변 저항 소자(R)는 도 1의 가변 저항 소자(10)에 대응된다.The second
이상에서는, 본 발명의 실시예들에 따른 가변 저항 소자가 싱글 비트 비휘발성 메모리 소자 또는 멀티 비트 비휘발성 메모리 소자와 같은 반도체 장치에 포함되는 경우에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 실시예들에 따른 가변 저항 소자는 논리 게이트에 포함되어 로직 회로에도 적용될 수 있으며, 이때, 로직 회로의 면적을 줄일 수 있고, 집적도를 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 저항 소자는 멤리스터(memristor)에 적용될 수 있다. 따라서, 멤리스터의 동작 방법은 도 7 내지 19에 도시된 반도체 장치의 동작과 실질적으로 유사하게 구현할 수 있다. 여기서, 멤리스터는 전류의 방향과 양 등을 기억하고 기억된 전류의 방향과 양 등에 따라 저항이 변화하는 특성을 가지는 소자를 나타낸다. In the above, the case where the variable resistance device according to the embodiments of the present invention is included in a semiconductor device such as a single bit nonvolatile memory device or a multibit nonvolatile memory device has been described above. However, the variable resistance device according to the embodiments of the present invention may be included in a logic gate and applied to a logic circuit. In this case, the area of the logic circuit may be reduced and the degree of integration may be improved. Specifically, the variable resistance device according to an embodiment of the present invention may be applied to a memristor. Therefore, the operation method of the memristor can be implemented substantially similarly to the operation of the semiconductor device illustrated in FIGS. 7 to 19. Here, the memristor represents an element having a characteristic in which the resistance changes according to the stored direction and amount of the current and the like, which stores the direction and amount of the current and the like.
도 25는 본 발명의 실시예들에 따른 가변 저항 소자를 포함하는 반도체 장치를 나타내는 블록도이다.25 is a block diagram illustrating a semiconductor device including a variable resistance device according to example embodiments.
도 25를 참조하면, 비휘발성 메모리 소자(100)는, 행과 열을 따라 매트릭스 형태로 배열된 다수의 단위 셀들(예를 들어, 도 22의 MC1 또는 도 23의 MC2)을 갖는 메모리 셀 어레이(101), 한 행씩 순차적으로 메모리 셀 어레이(101) 내의 단위 셀들을 활성화시키는 로우 디코더(102), 한 열씩 순차적으로 메모리 셀 어레이(101) 내의 단위 셀들을 활성화시키는 컬럼 디코더(103), 컬럼 디코더(103)로부터 출력되는 전류값을 증폭시키는 감지 앰프(104), 기준 전류값을 저장하는 버퍼(105), 상기 감지 앰프(104)로부터 증폭된 전류값과 버퍼(105)에 저장된 상기 기준 전류값을 비교하는 비교기(106), 로우 디코더(102)와 컬럼 디코더(103)를 통해 활성화된 단위 메모리 셀에 셋/리셋 신호를 인가하는 기록 회로(108), 및 상기 버퍼(105), 상기 비교기(106) 및 상기 기록 회로(108)의 동작을 제어하는 제어 회로(107)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 25, a
예를 들어, 기록 회로(108)에 의해 단위 셀 내 가변 저항 소자에 리셋 전압이 인가된 후(도 7의 120 단계), 리셋 전류를 감지(도 7의 130 단계)하기 위해, 로우 디코더(102)는 메모리 셀 어레이(101)의 어느 한 행을 활성화시키고, 컬럼 디코더(103)는 메모리 셀 어레이(101)의 어느 한 열을 활성화시킨다. 따라서 활성화된 행 및 열에 위차하는 단위 셀의 OFF 상태의 전류값(즉, 리셋 전류)이 감지될 수 있다. 컬럼 디코더(103)에서 감지된 전류값은 감지 앰프(104)에 의해 증폭된 후, 비교기(106)에 제공될 수 있다.For example, after the reset voltage is applied to the variable resistance element in the unit cell by the write circuit 108 (
이후, 리셋 전류가 제1 전류 범위 내에 포함되는지를 판단(도 7의 140 단계)하기 위해, 비교기(106)는 상기 감지된 전류값과 기준 전류값을 비교할 수 있다. 여기서 상기 기준 전류값은 오프 전류의 산포를 개선시키기 위하여 미리 결정된 전류값으로서, 상기 기준 전류값은 버퍼(105)에 저장될 수 있다. 상기 기준 전류값을 저장하기 위해, 수동 소자 또는 트랜지스터와 같은 기준 소자(미도시)가 이용될 수도 있다.Thereafter, to determine whether the reset current is within the first current range (step 140 of FIG. 7), the
비교기(106)는 감지된 전류값(즉, 리셋 전류)과 제1 전류 범위를 비교하여, 그 결과를 제어 회로(107)에 제공할 수 있다. 예를 들어, 감지된 전류값(즉, 리셋 전류)이 제1 전류 범위 내에 포함되는 경우, 비교기(106)는 제1 상태의 출력 신호를 제어 회로에 전달할 수 있다. 반대로, 감지된 전류값(즉, 리셋 전류)이 제1 전류 범위 내에 포함되지 않는 경우, 비교기(106)는 제2 상태의 출력 신호를 제어 회로에 전달할 수 있다.
제어 회로(107)는 상술한 실시예들에 따른 동작 방법을 구현하도록 동작한다. 예를 들어, 제어 회로(107)가 비교기(106)로부터 제1 상태의 출력 신호를 수신한 경우, 리셋 동작이 정상적으로 수행된 것으로 판단하여 절차가 종료된다(도 7의 종료 단계). 반면에, 제어 회로(107)가 비교기(106)로부터 제2 상태의 출력 신호를 수신한 경우, 제어 회로(107)는, 단계들(도 7의 120 단계, 130 단계, 140 단계)을 추가적으로 수행하기 위해, 기록 회로(108), 감지 앰프(104), 버퍼(105), 비교기(106) 등을 제어할 수 있다. 따라서 가변 저항 소자(도 1의 10, 도 2의 10')의 '온' 상태와 '오프' 상태 사이에 센싱 마진이 충분히 확보될 수 있다.The
제어 회로(107)는 버퍼(105)에 기준 전류값을 저장할 수도 있다. 반도체 장치가 높은 센싱 마진을 달성하고자 할 경우, 제어 회로(107)는 제1 전류 범위가 좁아지도록 기준 전류값을 설정하고, 상기 기준 전류값을 버퍼(106)에 저장할 수 있다. 반도체 장치가 상대적으로 낮은 센싱 마진을 달성하고자 하는 경우, 제어 회로(107)는 제1 전류 범위가 커지도록 기준 전류값을 설정하고, 상기 기준 전류값을 버퍼(106)에 저장할 수 있다.The
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 카드를 나타내는 개략도이다.26 is a schematic diagram illustrating a memory card according to an embodiment of the present invention.
도 26을 참조하면, 메모리 카드(600)은 제어기(610)와 메모리(620)를 포함하는데, 제어기(610)와 메모리(620)는 전기적인 신호를 교환하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 제어기(610)에서 명령을 내리면, 메모리(620)는 데이터를 전송할 수 있다. 메모리(620)는 상술된 본 발명의 실시예들 중 어느 하나에 따른 가변 저항 소자를 포함하는 비휘발성 메모리 장치를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 26, the
이러한 메모리 카드(600)는 다양한 종류의 카드, 예를 들어 메모리 스틱 카드(memory stick card), 스마트 미디어 카드(smart media card, SM), 씨큐어 디지털 카드(secure digital, SD), 미니 씨큐어 디지털 카드(mini secure digital card, mini SD), 또는 멀티 미디어 카드(multi media card, MMC)와 같은 메모리 장치에 이용될 수 있다.The
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 시스템을 개략적으로 나타내는 블록도이다.27 is a block diagram schematically illustrating an electronic system according to an embodiment of the present invention.
도 27을 참조하면, 전자 시스템(700)은 프로세서(710), 메모리(720), 입/출력 장치(730) 및 인터페이스(740)를 포함할 수 있다. 전자 시스템(700)은 모바일 시스템 또는 정보를 전송하거나 전송받는 시스템일 수 있다. 상기 모바일 시스템은 PDA, 휴대용 컴퓨터(portable computer), 웹 타블렛(web tablet), 무선 폰(wireless phone), 모바일 폰(mobile phone), 디지털 뮤직 플레이어(digital music player) 또는 메모리 카드(memory card)일 수 있다. Referring to FIG. 27, the
프로세서(710)는 프로그램을 실행하고, 전자 시스템(700)을 제어하는 역할을 할 수 있다. 여기서, 프로세서(710)는, 예를 들어 마이크로프로세서(microprocessor), 디지털 신호 처리기(digital signal processor), 마이크로콘트롤러(microcontroller) 또는 이와 유사한 장치일 수 있다. The
입/출력 장치(730)는 전자 시스템(700)의 데이터를 입력 또는 출력하는데 이용될 수 있다. 전자 시스템(700)은 입/출력 장치(730)를 이용하여 외부 장치, 예컨대 개인용 컴퓨터 또는 네트워크에 연결되어, 외부 장치와 서로 데이터를 교환할 수 있다. 여기서, 입/출력 장치(730)는, 예를 들어 키패드(keypad), 키보드(keyboard) 또는 표시장치(display)일 수 있다. The input /
메모리(720)는 프로세서(710)의 동작을 위한 코드 및/또는 데이터를 저장하거나, 및/또는 프로세서(710)에서 처리된 데이터를 저장할 수 있다. 여기서, 메모리(720)는 상술된 본 발명의 실시예들 중 어느 하나에 따른 가변 저항 소자를 포함하는 비휘발성 메모리 장치를 포함할 수 있다. The
인터페이스(740)는 전자 시스템(700)과 외부의 다른 장치 사이의 데이터 전송 통로일 수 있다. 프로세서(710), 메모리(730), 입/출력 장치(730) 및 인터페이스(740)는 버스(750)를 통하여 서로 통신할 수 있다. The
예를 들어, 전자 시스템(700)은 모바일 폰(mobile phone), MP3 플레이어, 네비게이션(navigation), 휴대용 멀티미디어 재생기(portable multimedia player, PMP), 고상 디스크(solid state drive, SSD) 또는 가전 제품(household appliances)에 이용될 수 있다.For example,
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. Will be clear to those who have knowledge of.
Claims (28)
상기 가변 저항 소자의 저항이 제1 저항에서 상기 제1 저항과 다른 값인 제2 저항으로 변경되도록 상기 가변 저항 소자에 제1 전압을 인가하는 단계;
상기 제1 전압이 인가된 상기 가변 저항 소자에 흐르는 제1 전류를 감지하는 단계;
상기 제1 전류가 미리 정한 제1 전류 범위 내에 포함되는지 판단하는 단계; 및
상기 제1 전류가 상기 미리 정한 제1 전류 범위 내에 포함되지 않는 경우, 상기 가변 저항 소자에 상기 제1 전압과 동일한 전압 레벨을 가지는 추가 제1 전압을 인가하는 단계를 포함하는 반도체 장치의 동작 방법.A method of operating a semiconductor device including a variable resistance element,
Applying a first voltage to the variable resistance element such that the resistance of the variable resistance element is changed from a first resistance to a second resistance that is different from the first resistance;
Sensing a first current flowing through the variable resistance element to which the first voltage is applied;
Determining whether the first current is within a predetermined first current range; And
And applying an additional first voltage having the same voltage level as the first voltage to the variable resistance element when the first current is not within the predetermined first current range.
상기 제1 저항은 셋 저항이고, 상기 제2 저항은 리셋 저항이며, 상기 제2 저항은 상기 제1 저항보다 큰 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 동작 방법.The method of claim 1,
The first resistor is a set resistor, the second resistor is a reset resistor, and the second resistor is larger than the first resistor.
상기 가변 저항 소자에 흐르는 제1 전류를 감지하는 단계는, 절대값(magnitude)이 상기 제1 전압보다 작은 독출 전압을 인가하여, 상기 제1 전압이 인가된 상기 가변 저항 소자에 흐르는 상기 제1 전류를 감지하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 동작 방법.The method of claim 1,
The sensing of the first current flowing through the variable resistance element may include applying a read voltage having an absolute magnitude smaller than the first voltage, thereby flowing the first current flowing through the variable resistance element to which the first voltage is applied. Operating method of a semiconductor device, characterized in that for detecting.
상기 제1 전압의 인가 시간은 1 μs 내지 1 ns인 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 동작 방법.The method of claim 1,
The application time of the first voltage is a method of operating a semiconductor device, characterized in that 1 μs to 1 ns.
상기 추가 제1 전압은 상기 제1 전압과 동일한 펄스 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 동작 방법.The method of claim 1,
And the additional first voltage has the same pulse width as the first voltage.
상기 제1 전류 범위는 상기 가변 저항 소자가 상기 제1 저항을 가질 때에 상기 가변 저항 소자에 흐르는 온 전류와 상기 가변 저항 소자가 상기 제2 저항을 가질 때에 상기 가변 저항 소자에 흐르는 오프 전류 사이에 소정의 센싱 마진(sensing margin)이 확보되도록 미리 결정되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 동작 방법.The method of claim 2,
The first current range is predetermined between an on current flowing through the variable resistance element when the variable resistance element has the first resistance and an off current flowing through the variable resistance element when the variable resistance element has the second resistance. And a predetermined sensing margin of the sensing margin.
상기 제1 전류 범위는 상기 가변 저항 소자가 상기 제2 저항을 가질 때에 상기 가변 저항 소자에 흐르는 제1 오프 전류와 상기 가변 저항 소자가 상기 제2 저항보다 큰 제3 저항을 가질 때에 상기 가변 저항 소자에 흐르는 제2 오프 전류 사이에 소정의 센싱 마진이 확보되도록 미리 결정되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 동작 방법.The method of claim 2,
The first current range may include a first off current flowing through the variable resistance element when the variable resistance element has the second resistance, and a variable resistance element when the variable resistance element has a third resistance greater than the second resistance. And a predetermined sensing margin is secured between the second off currents flowing in the semiconductor device.
상기 추가 제1 전압이 인가된 상기 가변 저항 소자에 대하여, 상기 제1 전류를 감지하는 단계 및 상기 제1 전류가 상기 미리 정한 제1 전류 범위 내에 포함되는지 판단하는 단계를 반복하여 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 동작 방법.The method of claim 1,
Detecting the first current and determining whether the first current is within the predetermined first current range with respect to the variable resistance element to which the additional first voltage is applied. Method of operation of a semiconductor device comprising a.
상기 제1 전류가 상기 미리 정한 제1 전류 범위 내에 포함될 때까지, 상기 가변 저항 소자에 상기 추가 제1 전압을 인가하는 단계, 상기 제1 전류를 감지하는 단계, 및 상기 제1 전류가 상기 미리 정한 제1 전류 범위 내에 포함되는지 판단하는 단계를 반복하여 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 동작 방법.The method of claim 8,
Applying the additional first voltage to the variable resistance element, sensing the first current, and the first current until the first current is within the predetermined first current range; And repeating the step of determining whether it is within the first current range.
상기 제1 전류가 상기 미리 정한 제1 전류 범위 내에 포함되는지 판단하는 단계를 수행하기 전에, 상기 제1 전류가 상기 제2 저항에 대응되는 데이터의 전류 범위인 제2 전류 범위 내에 포함되는지 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 동작 방법.The method of claim 1,
Before performing the step of determining whether the first current falls within the predetermined first current range, determining whether the first current falls within a second current range that is a current range of data corresponding to the second resistance. The method of operating a semiconductor device further comprising.
상기 제1 전류 범위는 상기 제2 전류 범위 내에 포함되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 동작 방법.The method of claim 10,
And wherein the first current range is included in the second current range.
상기 제1 전류가 상기 제2 전류 범위의 최대값보다 큰 경우, 상기 제1 전압의 전압 레벨을 변경하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 동작 방법.The method of claim 10,
Changing the voltage level of the first voltage when the first current is greater than the maximum value of the second current range.
상기 가변 저항 소자에 대하여, 상기 전압 레벨이 변경된 제1 전압을 인가하는 단계 및 상기 제1 전류를 감지하는 단계를 반복하여 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 동작 방법.The method of claim 12,
And applying the first voltage having the voltage level changed and sensing the first current to the variable resistance element repeatedly.
상기 제1 전류가 상기 제2 전류 범위의 최소값보다 작은 경우, 상기 가변 저항 소자의 상기 저항이 상기 제2 저항에서 상기 제1 저항으로 변경되도록 상기 가변 저항 소자에 제2 전압을 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 동작 방법.The method of claim 10,
If the first current is less than a minimum value of the second current range, applying a second voltage to the variable resistance element such that the resistance of the variable resistance element is changed from the second resistance to the first resistance. Method of operation of a semiconductor device comprising a.
상기 제2 전압이 인가된 상기 가변 저항 소자에 대하여, 상기 제1 전압을 인가하는 단계 및 상기 제1 전류를 감지하는 단계를 반복하여 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 동작 방법.The method of claim 14,
And repeating the step of applying the first voltage and sensing the first current to the variable resistance element to which the second voltage is applied.
상기 제1 전류가 상기 미리 정한 제1 전류 범위 내에 포함되는지 판단하는 단계는,
상기 제1 전류가 상기 미리 정한 제1 전류 범위의 최대 값 이하인지 여부를 판단하는 단계; 및
상기 제1 전류가 상기 미리 정한 제1 전류 범위의 최소 값 이상인지 여부를 판단하는 단계 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 동작 방법.The method of claim 1,
Determining whether the first current is within the predetermined first current range,
Determining whether the first current is equal to or less than a maximum value of the predetermined first current range; And
And determining whether the first current is equal to or greater than a minimum value of the predetermined first current range.
상기 제1 전류가 상기 제1 전류 범위 내에 포함되는지 판단하는 단계는, 상기 가변 저항 소자가 상기 제1 저항을 가질 때에 상기 가변 저항 소자에 흐르는 온 전류와 상기 제1 전류의 차이가 소정 레벨 이상인지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 동작 방법.The method of claim 1,
The determining whether the first current is within the first current range may include determining whether a difference between the on current flowing through the variable resistance element and the first current is greater than or equal to a predetermined level when the variable resistance element has the first resistance. It is determined whether or not the operation method of a semiconductor device.
상기 가변 저항 소자의 상기 저항이 상기 제2 저항에서 상기 제1 저항으로 변경되도록 상기 가변 저항 소자에 제2 전압을 인가하는 단계; 및
상기 제2 전압이 인가된 상기 가변 저항 소자에 흐르는 제2 전류를 감지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 동작 방법.The method of claim 1,
Applying a second voltage to the variable resistance element such that the resistance of the variable resistance element is changed from the second resistor to the first resistor; And
And detecting a second current flowing through the variable resistance element to which the second voltage is applied.
상기 가변 저항 소자에 흐르는 제2 전류를 감지하는 단계는, 절대값이 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압보다 작은 독출 전압을 인가하여, 상기 제2 전압이 인가된 상기 가변 저항 소자에 흐르는 상기 제2 전류를 감지하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 동작 방법. The method of claim 18,
The sensing of the second current flowing through the variable resistance element may include applying a read voltage having an absolute value smaller than the first voltage and the second voltage to supply the second voltage applied to the variable resistance element to which the second voltage is applied. 2 A method for operating a semiconductor device, characterized by sensing current.
상기 제2 전압의 인가 시간은 1 μs 내지 1 ns인 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 동작 방법.The method of claim 18,
The application time of the second voltage is a method of operating a semiconductor device, characterized in that 1 μs to 1 ns.
상기 가변 저항 소자에 제1 전압을 인가하는 단계는, 상기 제2 전류를 감지하는 단계를 수행한 이후에 수행되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 동작 방법.The method of claim 18,
The applying of the first voltage to the variable resistance element is performed after the step of sensing the second current.
상기 제2 전류가 제3 전류 범위 내에 포함되는 판단하는 단계; 및
상기 제2 전류가 상기 제3 전류 범위 내에 포함되지 않는 경우, 상기 가변 저항 소자에 상기 제2 전압과 동일한 전압 레벨을 가지는 추가 제2 전압을 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 동작 방법.The method of claim 18,
Determining that the second current is within a third current range; And
If the second current is not within the third current range, further comprising applying an additional second voltage having the same voltage level as the second voltage to the variable resistance element. How it works.
상기 제2 전류가 상기 제3 전류 범위 내에 포함되는 경우, 상기 가변 저항 소자에 상기 제1 전압을 인가하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 동작 방법.The method of claim 22,
And when the second current is within the third current range, applying the first voltage to the variable resistance element.
상기 추가 제2 전압이 인가된 상기 가변 저항 소자에 대하여, 상기 제2 전류를 감지하는 단계 및 상기 제2 전류가 상기 제3 전류 범위 내에 포함되는지 판단하는 단계를 반복하여 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 동작 방법.The method of claim 22,
And sensing the second current and determining whether the second current is within the third current range with respect to the variable resistance element to which the additional second voltage is applied. How the device works.
제1 전극 및 제2 전극; 및
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되어, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 제1 전압이 인가되면 제1 저항에서 상기 제1 저항보다 큰 제2 저항으로 변화하고, 제2 전압이 인가되면 상기 제2 저항에서 상기 제1 저항으로 변화하는 가변 저항 물질층을 포함하고,
상기 가변 저항 물질층이 상기 제2 저항을 가지는 경우 상기 가변 저항 소자에 흐르는 전류가 제1 전류 범위 내에 포함될 때까지, 상기 제1 전압을 상기 가변 저항 물질층에 반복적으로 인가하는 것을 특징으로 하는 가변 저항 소자.As a variable resistance element,
A first electrode and a second electrode; And
Disposed between the first electrode and the second electrode, and when a first voltage is applied between the first electrode and the second electrode, the first resistance is changed from a first resistor to a second resistor that is larger than the first resistor; A variable resistance material layer that changes from the second resistor to the first resistor when a voltage is applied,
When the variable resistance material layer has the second resistance, the variable voltage is repeatedly applied to the variable resistance material layer until the current flowing through the variable resistance element is within the first current range. Resistance element.
상기 가변 저항 물질층은 상기 제1 전압보다 전압 레벨이 높은 제3 전압이 인가되면 상기 제2 저항에서 상기 제2 저항보다 큰 제3 저항으로 변화하고,
상기 가변 저항 물질층이 상기 제3 저항을 가지는 경우 상기 가변 저항 소자에 흐르는 전류가 제2 전류 범위 내에 포함될 때까지, 상기 제3 전압을 상기 가변 저항 물질층에 반복적으로 인가하는 것을 특징으로 하는 가변 저항 소자.26. The method of claim 25,
The variable resistance material layer is changed from the second resistor to a third resistor larger than the second resistor when a third voltage having a voltage level higher than the first voltage is applied,
When the variable resistance material layer has the third resistance, the variable voltage is repeatedly applied to the variable resistance material layer until a current flowing through the variable resistance element is within a second current range. Resistance element.
상기 가변 저항 소자에 직렬로 연결되는 선택 소자를 포함하고,
상기 가변 저항 소자가 상기 제2 저항을 가지는 경우 상기 가변 저항 소자에 흐르는 전류가 제1 전류 범위 내에 포함될 때까지, 상기 제1 전압을 상기 가변 저항 소자에 반복적으로 인가하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.A variable resistance element that changes from a first resistor to a second resistor larger than the first resistor when a first voltage is applied, and changes from the second resistor to a first resistor when a second voltage is applied; And
A selection device connected in series with the variable resistance device;
And when the variable resistance element has the second resistor, repeatedly applying the first voltage to the variable resistance element until a current flowing through the variable resistance element is within a first current range.
상기 가변 저항 소자는 상기 제1 전압보다 전압 레벨이 높은 제3 전압이 인가되면 상기 제2 저항에서 상기 제2 저항보다 큰 제3 저항으로 변화하고,
상기 가변 저항 소자가 상기 제3 저항을 가지는 경우 상기 가변 저항 소자에 흐르는 전류가 제2 전류 범위 내에 포함될 때까지, 상기 제3 전압을 상기 가변 저항 소자에 반복적으로 인가하는 것을 특징으로 하는 가변 저항 소자.The method of claim 27,
The variable resistance element is changed from the second resistor to a third resistor larger than the second resistor when a third voltage having a voltage level higher than the first voltage is applied,
When the variable resistance element has the third resistor, the variable resistance element is repeatedly applied to the variable resistance element until the current flowing through the variable resistance element is within the second current range. .
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