抵抗変化メモリ
【課題】抵抗変化素子の低抵抗状態の抵抗値のばらつきを防止する。
【解決手段】実施形態に係わる抵抗変化メモリのメモリセルは、直列接続される抵抗変化素子RW及び積層構造Cを備える。抵抗変化素子RWを第1の抵抗値からそれよりも低い第2の抵抗値に変化させる第1の動作において、メモリセルMCに第1の電圧パルスを印加する。第1の電圧パルスの振幅は、積層構造Cがキャパシタとして機能する第1の電圧領域内にあり、第1の電圧パルスは、Ron×C < T-lead < Roff×C、 Ron×C < T-trailを満たす。但し、T-leadは、第1の電圧パルスの立ち上がり時間[sec]であり、T-trailは、第1の電圧パルスの立ち下り時間[sec]であり、Roffは、第1の抵抗値[Ω]であり、Ronは、第2の抵抗値[Ω]であり、Cは、キャパシタの容量[F]である。
【解決手段】実施形態に係わる抵抗変化メモリのメモリセルは、直列接続される抵抗変化素子RW及び積層構造Cを備える。抵抗変化素子RWを第1の抵抗値からそれよりも低い第2の抵抗値に変化させる第1の動作において、メモリセルMCに第1の電圧パルスを印加する。第1の電圧パルスの振幅は、積層構造Cがキャパシタとして機能する第1の電圧領域内にあり、第1の電圧パルスは、Ron×C < T-lead < Roff×C、 Ron×C < T-trailを満たす。但し、T-leadは、第1の電圧パルスの立ち上がり時間[sec]であり、T-trailは、第1の電圧パルスの立ち下り時間[sec]であり、Roffは、第1の抵抗値[Ω]であり、Ronは、第2の抵抗値[Ω]であり、Cは、キャパシタの容量[F]である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
実施形態は、抵抗変化メモリに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、半導体装置の集積度が高くなるに伴い、これを構成するトランジスタ等の回路パターンがますます微細化している。この微細化による配線の細線化に伴い、回路パターンの寸法精度と位置精度とを向上させるための技術が要請される。この事情は、半導体メモリの分野においても例外ではない。
【0003】
従来知られており、市場に投入されているDRAM、SRAM、フラッシュメモリ等の半導体メモリは、MOSFETをメモリセルとして使用する。このような半導体メモリでは、回路パターンの微細化の比率を上回る比率での寸法精度の向上が要請される。このため、微細な回路パターンを形成するフォトリソグラフィー技術に大きな負荷が課せられており、これが製品コストを上昇させる要因の一つになっている。
【0004】
この問題点を打破するメモリの後継候補として抵抗変化メモリが注目されている。
【0005】
抵抗変化メモリは、抵抗変化素子の抵抗値の変化によりデータを記憶する。抵抗変化メモリは、2端子素子であることから、簡易プロセスによる低コスト化や、メモリセルアレイ(クロスポイント型)の3次元化による大容量化などを実現可能であり、次世代不揮発性半導体メモリとして期待される。
【0006】
ここで、抵抗変化メモリにおいて、抵抗変化素子の抵抗値を高抵抗状態から低抵抗状態に変化させる動作は、電圧パルスを抵抗変化素子に印加することにより行われる。また、この動作が終了した後の低抵抗状態の抵抗値は、この動作中に抵抗変化素子に流れた最大電流に依存することが知られている。即ち、この動作中に抵抗変化素子に流れる最大電流のばらつきに応じて低抵抗状態の抵抗値にもばらつきが生じる。
【0007】
これを防ぐために、抵抗変化素子の抵抗値を高抵抗状態から低抵抗状態に変化させる動作において、抵抗変化素子に流れる最大電流を制限する電流制限機能を付加する技術が開発されている。この技術によれば、電流制限トランジスタの飽和領域を利用することにより、理論的には、低抵抗状態となった抵抗変化素子に流れる最大電流を電流制限トランジスタの制限電流値に一定化できるため、低抵抗状態の抵抗値のばらつきを防止できる。
【0008】
しかし、電流制限トランジスタは、一般的には、メモリセルアレイ領域内の一行又は一列に対して1つずつ、周辺回路領域内に配置される。このため、抵抗変化素子の抵抗値が高抵抗状態から低抵抗状態に変化してから電流制限トランジスタによる電流制限機能が効き始めるまでには、メモリセルアレイ領域内の配線(ワード線、ビット線等)の寄生容量に起因するRC遅延(タイムラグ)が発生する。
【0009】
従って、現実的には、このタイムラグの期間、低抵抗状態の抵抗変化素子には、電流制限トランジスタの制限電流値を越える電流が流れる。このため、新たに付加した電流制限機能が十分に発揮されずに、結果として、抵抗変化素子の低抵抗状態の抵抗値が必要以上に低下すると共に、それらにばらつきが発生する。
【0010】
この現象は、メモリセルアレイ領域内のメモリセルが微細化され、メモリセルアレイ領域内の配線(ワード線、ビット線等)が長くなることによりさらに顕著となる。
【0011】
一方、1つの抵抗変化素子に対して1つの電流制限トランジスタを付加すれば、RC遅延による上述の問題が解消されるが、簡易プロセスによる低コスト化や、メモリセルアレイ(クロスポイント型)の3次元化による大容量化などといった特徴を犠牲にしなければならないため、これを採用することは現実的ではない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0012】
【非特許文献1】K.Kinoshita et al., Applied Physics Letters 93, 033506 (2008)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
実施形態は、抵抗変化素子を高抵抗状態から低抵抗状態に変化させる動作において、抵抗変化素子に流れる電流を制限する新たな技術について提案する。
【課題を解決するための手段】
【0014】
実施形態によれば、抵抗変化メモリは、直列接続される抵抗変化素子及び積層構造を備えるメモリセルと、前記抵抗変化素子を第1の抵抗値からそれよりも低い第2の抵抗値に変化させる第1の動作を制御する制御回路と、前記第1の動作において前記メモリセルに印加する第1の電圧パルスを生成する電圧パルス生成回路とを備える。前記積層構造は、2つの導電層とこれらの間の絶縁層とを備え、前記第1の電圧パルスの振幅は、前記積層構造がキャパシタとして機能する第1の電圧領域内にあり、前記第1の電圧パルスは、Ron×C < T-lead < Roff×C、 Ron×C < T-trailを満たす。但し、T-leadは、前記第1の電圧パルスの立ち上がり時間[sec]であり、T-trailは、前記第1の電圧パルスの立ち下り時間[sec]であり、Roffは、前記第1の抵抗値[Ω]であり、Ronは、前記第2の抵抗値[Ω]であり、Cは、前記キャパシタの容量[F]である。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】抵抗変化メモリを示す図。
【図2】メモリセルアレイを示す図。
【図3】セット動作時の等価回路を示す図。
【図4】メモリセル構造を示す図。
【図5】メモリセル構造を示す図。
【図6】電圧パルスの波形例を示す図。
【図7】抵抗変化素子及び積層構造に分配される電圧を示す図。
【図8】オフ状態の抵抗変化素子に分配される電圧の変化を示す図。
【図9】オン状態の抵抗変化素子に分配される電圧の変化を示す図。
【図10】積層構造に分配される電圧の変化を示す図。
【図11】セット電圧、リセット電圧及び読み出し電圧の関係を示す図。
【図12】セット電圧、リセット電圧及び読み出し電圧の関係を示す図。
【図13】セット電圧、リセット電圧及び読み出し電圧の関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。
【0017】
まず、実施形態を説明するに当たり、抵抗変化素子の抵抗値を変化させる動作について以下のように定義する。この定義は、以下の説明を分かり易くするために採用するものであり、実施形態がこれに限定されるという主旨ではない。
【0018】
抵抗変化素子の抵抗値は、2通り(低抵抗状態/高抵抗状態)に変化させる。即ち、1つの抵抗変化素子は、2値(1ビット)を記憶するものとする。当然、抵抗変化素子の抵抗値を3通り以上に変化させて多値化を図ることも可能であるが、ここでは、説明の簡略化のため、以上のように定義する。
【0019】
抵抗変化素子の初期状態は、高抵抗状態であるものとする。これについても、一例であって、抵抗変化素子の初期状態を低抵抗状態としても構わない。
【0020】
以下の実施形態では、抵抗変化素子の抵抗値を高抵抗状態から低抵抗状態に変化させる動作をセット動作と定義する。多値化された抵抗変化素子の場合、低抵抗状態は、2通り以上(例えば、4値のときは3通り)の状態を備える。セット動作は、例えば、抵抗変化素子に電圧パルスを印加することにより行う。
【0021】
また、抵抗変化素子の抵抗値を低抵抗状態から高抵抗状態に変化させる動作をリセット動作と定義する。リセット動作は、例えば、抵抗変化素子にリセット電圧を印加(若しくはリセット電流を流す)ことにより行う。
【0022】
また、抵抗変化素子の抵抗値に関して、高抵抗状態をオフ状態と称し、低抵抗状態をオン状態と称することにする。
【0023】
図1は、実施形態の抵抗変化メモリを示している。図2は、メモリセルアレイの例を示している。
【0024】
メモリセルアレイ11は、クロスポイント型であり、第1の方向に延びる上部ビット線UBL1,UBL2と第2の方向に延びる下部ビット線LBL1,LBL2との交差部にメモリセルMCが配置される。
【0025】
本例では、説明を簡単化するため、4つのメモリセル(2つのロウと2つのカラム)MCを示すが、実際は、これよりも多くのメモリセルが存在する。
【0026】
第1のデコーダ/ドライバ12は、メモリセルアレイ11の第1の方向の一端に配置される。また、第2のデコーダ/ドライバ13は、メモリセルアレイ11の第2の方向の一端に配置される。
【0027】
ドライバDとしてのFET(Field effect transistor)は、上部ビット線UBL1,UBL2の第1の方向の一端に接続され、かつ、下部ビット線LBL1,LBL2の第2の方向の一端に接続される。これらのFETのオン/オフは、デコーダからのデコード信号RA1,RA2,CA1,CA2により制御される。
【0028】
カラム/ロウアドレス信号は、アドレスバッファ14を経由して、第1及び第2のデコーダ/ドライバ12,13に入力される。
【0029】
第1のデコーダ/ドライバ12は、ロウアドレス信号に基づいてデコード信号RA1,RA2を生成し、例えば、メモリセルアレイ11の複数のロウのうちの1つを選択する。また、第2のデコーダ/ドライバ13は、カラムアドレス信号に基づいてデコード信号CA1,CA2を生成し、例えば、メモリセルアレイ11の複数のカラムのうちの1つを選択する。
【0030】
制御回路22は、セット動作、リセット動作及び読み出し動作を制御する。
【0031】
電圧パルス生成回路21は、例えば、セット動作において第1の電圧パルスを生成し、リセット動作において第2の電圧パルスを生成し、読み出し動作において第3の電圧パルスを生成する。
【0032】
電圧パルス生成回路21は、セット動作、リセット動作及び読み出し動作において、第1乃至第3の電圧パルスの振幅、幅、周期、立ち上がり時間、立ち下がり時間などを決めるための波形整形回路を含んでいる。
【0033】
図3は、セット動作時のメモリセルアレイの等価回路を示している。
【0034】
セット動作時において、例えば、電圧パルスは、上部ビット線UBL1側からメモリセルMCに与えられる。この時、デコード信号RA1,CA1は、共に、“H(high)”であり、ドライバ(FET)Dは、オンである。
【0035】
電流制限トランジスタTRcは、抵抗変化素子の抵抗値を高抵抗状態から低抵抗状態に変化させる動作(本例では、セット動作)において、抵抗変化素子に流れる最大電流を制限する電流制限機能を有する。
【0036】
セット動作時において、制御信号φは、“H”となる。
【0037】
ここで、PCは、下部ビット線LBL1に生じる寄生容量である。コンベンショナルな技術では、この寄生容量PCのため、抵抗変化素子の抵抗値が高抵抗状態から低抵抗状態に変化してから電流制限トランジスタTRcによる電流制限機能が効き始めるまでにRC遅延(タイムラグ)が発生する。
【0038】
そこで、実施形態では、寄生容量PCによらず、抵抗変化素子の抵抗値が高抵抗状態から低抵抗状態に変化すると、直ちに、抵抗変化素子に流れる電流を制限することができる新たな技術について提案する。
【0039】
実施形態では、後述するように、このような電流制限機能を、メモリセルMCの構造と、セット動作時にメモリセルMCに与える電圧パルスの波形(振幅、幅、周期、立ち上がり時間、立ち下がり時間など)とにより実現する。
【0040】
従って、実施形態によれば、抵抗変化素子の低抵抗状態の抵抗値の制御性(ばらつきの防止)が向上すると共に、電流制限トランジスタTRcを省略することが可能になるため、周辺回路のサイズの縮小にも貢献できる。
【0041】
但し、電流制限トランジスタTRcを省略せずに、実施形態による電流制限機能と電流制限トランジスタTRcによる電流制限機能とを併せて使用してもよい。
【0042】
まず、実施形態の抵抗変化メモリの第1の条件であるメモリセル構造を説明する。
【0043】
図4は、メモリセル構造の例を示している。
【0044】
第1の例では、積層構造Cは、下部ビット線LBL1上に配置される。積層構造Cは、第1の導電層(例えば、金属層)M1と、第1の導電層M1上の絶縁層Iと、絶縁層I上の第2の導電層(例えば、金属層)M2とを備える。
【0045】
積層構造Cは、第1及び第2の導電層M1,M2間に印加される電圧が第1の電圧領域内にあるときは、電流を殆ど流さないキャパシタとして機能する。また、積層構造Cは、第1及び第2の導電層M1,M2間に印加される電圧が第2の電圧領域内にあるときは、整流素子(例えば、MIMダイオード、PINダイオードなど)の閾値電圧以上の領域と同様に機能する。
【0046】
抵抗変化素子RWは、積層構造C上に配置される。抵抗変化素子RWは、電圧パルスや電流により抵抗値が変化する抵抗変化材料を備える。
【0047】
ここで、ReRAM(Resistive Random Access Memory)では、抵抗変化素子RWは、金属酸化物、例えば、Al酸化物、Hf酸化物、Ti酸化物、La酸化物、又は、それらの混合物を備える。
【0048】
この時、積層構造C内の絶縁層Iも、例えば、Al酸化物、Hf酸化物、Ti酸化物、La酸化物、又は、それらの混合物を備えるのが望ましい。なぜなら、絶縁層Iと抵抗変化素子RWとを同一の金属元素及び酸素元素から構成すれば、ウェハプロセスが簡略化され、製造コストが低減されるからである。
【0049】
また、これらの金属酸化物は、酸素濃度に応じて、抵抗変化材料として、又は、絶縁材料として機能するからである。例えば、これら金属酸化物の酸素濃度が一定値よりも低いときは、それらは抵抗変化材料として機能し、これら金属酸化物の酸素濃度が一定値よりも高いときは、それらは絶縁材料として機能する。
【0050】
積層構造C内の絶縁層Iと抵抗変化素子RWとが同一の金属元素及び酸素元素を備える例について、図5に示す。同図において、酸素元素Oの組成比は、抵抗変化素子RWよりも絶縁層Iのほうが大きい。
【0051】
第3の導電層(例えば、金属層)M3は、抵抗変化素子RW上に配置される。上部ビット線UBL1は、第3の導電層M3上に配置される。
【0052】
第2の例では、第1の導電層(例えば、金属層)M1は、下部ビット線LBL1上に配置される。抵抗変化素子RWは、第1の導電層M1上に配置される。積層構造Cは、抵抗変化素子RW上に配置される。上部ビット線UBL1は、積層構造C上に配置される。
【0053】
積層構造Cは、第2の導電層(例えば、金属層)M2と、第2の導電層M2上の絶縁層Iと、絶縁層I上の第3の導電層(例えば、金属層)M3とを備える。
【0054】
積層構造Cの機能、並びに、絶縁層I及び抵抗変化素子RWを構成する材料については、上述の第1の例と同じであるため、ここでの説明は省略する。
【0055】
尚、第1及び第2の例において、第1、第2及び第3の導電層M1,M2,M3は、同一の材料を備えるのが望ましいが、互いに異なる材料を備えていてもよい。
【0056】
次に、実施形態の抵抗変化メモリの第2の条件であるセット動作時にメモリセルに与える第1の電圧パルスの波形を説明する。
【0057】
第1の電圧パルスは、1つの電圧パルスでもよいし、また、連続する複数の電圧パルスの集合でもよい。以下の説明では、第1の電圧パルスは、図6に示すように、後者の連続する複数の電圧パルスの集合であるものとする。
【0058】
また、第1の電圧パルスの振幅、幅、周期、立ち上がり時間及び立ち下がり時間について、図6に示すように定義する。
【0059】
同図において、Vampは、振幅であり、T-widthは、パルス幅、T-periodは、パルス周期、T-leadは、立ち上がり時間、T-trailは、立ち下り時間である。T-widthは、T-leadの中点からT-trailの中点までとし、T-periodは、T-leadの中点から次のT-leadの中点までとする。
【0060】
第1の電圧パルスの振幅は、図4の積層構造Cがキャパシタとして機能する第1の電圧領域内にある(第1の電圧領域については図11及び図12を参照)。
【0061】
また、第1の電圧パルスは、
A. 抵抗変化素子RWが高抵抗状態(オフ状態)のときに、抵抗変化素子RWを高抵抗状態から低抵抗状態に変化させるのに十分な大きさのセット電圧が、抵抗変化素子RWに印加されること、
B. 抵抗変化素子RWが低抵抗状態(オン状態)のときに、抵抗変化素子RWに流れる電流(抵抗変化素子RWに印加される電圧)が引き起こす低抵抗状態の抵抗値の変化が十分に小さいこと、
を条件に決定される。
【0062】
[条件A]
図4の抵抗変化素子RW及び積層構造(キャパシタ)Cから構成される直列回路(メモリセルMC)には、定常的に電流が流れない(抵抗変化素子RWには電圧が印加されない)が、過渡的な応答を利用すれば、オフ状態の抵抗変化素子RWに十分に大きなセット電圧を印加することができる。
【0063】
そのために、第1の電圧パルスは、
T-lead < Roff×C …(1)
を満たす。
【0064】
但し、T-leadは、第1の電圧パルスの立ち上がり時間[sec]であり、Roffは、抵抗変化素子RWのオフ状態の抵抗値(第1の抵抗値)[Ω]であり、Cは、積層構造(キャパシタ)Cの容量[F]である。
【0065】
[条件B]
図4の抵抗変化素子RW及び積層構造(キャパシタ)Cから構成される直列回路(メモリセルMC)の過渡的な応答を利用すれば、オン状態の抵抗変化素子RWに印加される電圧を小さくし、それに流れる電流を十分に小さくすることができる。
【0066】
そのために、第1の電圧パルスは、
Ron×C < T-lead …(2)
Ron×C < T-trail …(3)
を満たす。
【0067】
但し、T-leadは、第1の電圧パルスの立ち上がり時間[sec]であり、T-trailは、第1の電圧パルスの立ち下り時間[sec]であり、Ronは、抵抗変化素子RWのオン状態の抵抗値(第2の抵抗値)[Ω]であり、Cは、積層構造(キャパシタ)Cの容量[F]である。
【0068】
上述の第1の条件(メモリセル構造)及び第2の条件(第1の電圧パルスの波形)を満たしたときの効果を説明する。
【0069】
図7は、セット動作の前後において、抵抗変化素子及び積層構造(キャパシタ)に分配される電圧を示している。
【0070】
同図において、V(RW)は、抵抗変化素子RWに分配される電圧であり、V(C)は、積層構造(キャパシタ)に分配される電圧であり、V(total)は、抵抗変化素子RWに分配される電圧V(RW)と積層構造(キャパシタ)に分配される電圧V(C)との合計である。
【0071】
セット動作前(抵抗変化素子RWがオフ状態のとき)は、第1の電圧パルスの振幅(電圧)の殆どが抵抗変化素子RWに分配される。これに対し、セット動作後(抵抗変化素子RWがオン状態のとき)は、第1の電圧パルスの振幅(電圧)の殆どが積層構造(キャパシタ)Cに分配される。
【0072】
但し、第1の電圧パルスは、図6に示す波形を有し、T-lead = T-trail = 3[ns]とし、T-width = 10[ns]とし、Tperiod = 100[ns]とする。
【0073】
また、第1の電圧パルスが印加されるメモリセルとしては、図4に示す構造を用い、かつ、抵抗変化素子RWのオン状態の抵抗値Ronは、10[MΩ]とし、抵抗変化素子RWのオフ状態の抵抗値Roffは、10[GΩ]とする。また、積層構造内の絶縁層の厚さは、5[nm]とし、積層構造内の絶縁層の比誘電率は、15とする。
【0074】
図7の結果から明らかなように、抵抗変化素子RWがオフ状態のときは、第1の電圧パルスの振幅(電圧)の90%以上が抵抗変化素子RWに分配される。これに対し、抵抗変化素子RWがオン状態のときは、第1の電圧パルスの振幅(電圧)の10%以下が抵抗変化素子RWに分配される。
【0075】
従って、抵抗変化素子RWが高抵抗状態から低抵抗状態になると、瞬時に、抵抗変化素子RWに分配される電圧が低下するため、抵抗変化素子RWに流れる電流を、コンベンショナルな技術で発生するタイムラグなしに、直ちに制限することができる。
【0076】
[条件Aについての第1の変形例]
抵抗変化素子RWがオフ状態のときにそれに印加される最大電圧は、T-leadが短いほど大きくなる。
【0077】
従って、第1の電圧パルスは、さらに、
T-lead ≦ Roff×C×0.3 …(4)
を満たしているのが望ましい。
【0078】
なぜなら、式(4)を満たしていれば、図8に示すように、第1の電圧パルスの振幅の80%以上の電圧が抵抗変化素子RWに分配されるため、第1の電圧パルスの振幅が大きくなり過ぎることを防止できるからである。
【0079】
同図によれば、T-lead = Roff×C×1のとき、第1の電圧パルスの振幅の約60%が抵抗変化素子RWに分配される。これでも抵抗変化素子RWを高抵抗状態から低抵抗状態に変化させることができるが、セット電圧が一定であると仮定すると、T-lead = Roff×C×1のときは、T-lead = Roff×C×0.3のときよりも、第1の電圧パルスの振幅を大きくしなければならない。
【0080】
従って、メモリチップ(抵抗変化メモリ)内の昇圧回路により高電圧を生成することを考慮すると、式(4)に示す条件により、第1の電圧パルスの振幅の80%以上の電圧を抵抗変化素子RWに分配することは、設計上、非常に有効である。
【0081】
[条件Aについての第2の変形例]
抵抗変化素子RWがオフ状態のときにそれに十分な大きさのセット電圧が印加されると共に、積層構造C内の絶縁層Iに不要な電圧ストレスを与えないための条件を説明する。
【0082】
第1の変形例で説明したように、抵抗変化素子RWがオフ状態のときにそれに印加される最大電圧は、T-leadが短いほど大きくなる。従って、抵抗変化素子RWを高抵抗状態から低抵抗状態へ変化させる目的に限っては、T-widthに制限はない。
【0083】
しかし、T-widthがRoff×Cで記述される時定数よりも十分長い場合、積層構造C内の絶縁層Iに印加される電圧は、時間の経過に従って増加していく。このため、積層構造C内の絶縁層Iに不要な電圧ストレスが印加されることになり、その結果、絶縁層Iが劣化し、キャパシタとしての積層構造Cの機能が低下する。
【0084】
従って、第1の電圧パルスは、さらに、
T-width ≦ Roff×C×0.3 …(5)
を満たしているのが望ましい。
【0085】
尚、T-lead<T-width及びT-trail<T-widthとしたときは、第2の変形例の条件が満たされると、同時に、第1の変形例の条件も満たされる。
【0086】
[条件Bについての変形例]
セット動作中においては、条件Bに示すように、セット(オフ状態からオン状態への変化)が完了したとき、オン状態の抵抗変化素子RWに印加される電圧を十分に小さくし、それに流れる電流を十分に小さくすることが必要である。
【0087】
但し、第1の電圧パルスが、条件B、即ち、式(2)及び(3)を満たしていても、T-lead及びT-trailが短くなるに従い、オン状態の抵抗変化素子RWに印加される電圧は大きくなる。そこで、抵抗変化素子RWのオン状態の抵抗値の制御性をさらに向上させるための条件について説明する。
【0088】
図9は、T-lead及びT-trailをパラメータに、オン状態の抵抗変化素子RWに印加される電圧がどのように変化するかを示している。
【0089】
この例では、T-leadとT-trailは、等しいと仮定する。
【0090】
また、第1の電圧パルスの立ち上がり時(T-lead)に抵抗変化素子RWに印加される電圧をプラスの場合、第1の電圧パルスの立ち下がり時(T-trail)に抵抗変化素子RWに印加される電圧をマイナスである。
【0091】
即ち、第1の電圧パルスの立ち上がり時(T-lead)に流れる電流の向きと第1の電圧パルスの立ち下がり時(T-trail)に流れる電流の向きとは、逆となる。
【0092】
さらに、第1の電圧パルスのパルス幅T-widthは、第1の電圧パルスの立ち下がり時(T-trail)に抵抗変化素子RWに印加される電圧がT-widthに因らない程度に十分に長いと仮定する。第1の電圧パルスの立ち上がり時(T-lead)に抵抗変化素子RWに印加される電圧は、第1の電圧パルスのパルス幅T-widthに因らない。
【0093】
同図によれば、T-lead及びT-trailがRon×C×10又はそれよりも長いとき、オン状態の抵抗変化素子RWに印加される電圧は、第1の電圧パルスの振幅の0.1以下となることが分かる。
【0094】
従って、第1の電圧パルスは、さらに、
T-lead ≧ Ron×C×10 …(6)
T-trail ≧ Ron×C×10 …(7)
を満たしているのが望ましい。
【0095】
[その他の条件]
第1の電圧パルスが連続する複数の電圧パルスの集合であるとき、抵抗変化素子RWに印加される最大電圧が一定値を下回らないための条件(抵抗変化素子RWに印加される最大電圧の変化を抑制するための条件)を説明する。
【0096】
図10は、複数の電圧パルスを連続して与えるときの積層構造(キャパシタ)Cに印加される電圧の変化を示している。
【0097】
本例では、電圧パルス数は、10と仮定する。
【0098】
抵抗変化素子RWに印加される電圧V(RW)は、
V(RW) = V(total)-V(C) …(8)
で表される。
【0099】
同図から明らかなように、複数の電圧パルスをメモリセルに連続して与えるとき、積層構造(キャパシタ)Cに印加される電圧は、次第に増加していく。これは、抵抗変化素子RWに印加される最大電圧が次第に低下していくことを意味する。
【0100】
ところで、抵抗変化素子RWに印加される最大電圧がセット動作に必要な一定値を下回らないためには、V(C)/V(total)は、0.15以下であることが望ましい。
【0101】
一方、10個の電圧パルスを印加した後に、V(C)/V(total)が0.15以下である例は、同図から明らかなように、T-period = T-width×5と、T-period = T-width×10の2つのケースである。
【0102】
従って、第1の電圧パルスが10以下の複数の電圧パルスの集合であるとき、
T-period ≧ T-width×5 …(9)
を満たしているのが望ましい。
【0103】
式(9)を満たすことにより、セット動作において、抵抗変化素子RWに印加される最大電圧の変化を抑制できるため、抵抗変化素子RWに印加される最大電圧が一定値を下回ってしまうという事態を回避できる。
【0104】
次に、リセット動作及び読み出し動作について説明する。
【0105】
リセット動作及び読み出し動作は、セット動作と同様に積層構造Cをキャパシタとして用いたときの過渡応答を利用する第1の動作、又は、積層構造Cを電流を流す素子として用いたときの定常状態を利用する第2の動作により行うことができる。
【0106】
[第1の動作]
・ リセット動作
リセット動作は、セット動作と同様に、過渡応答を利用する。この場合、オン状態の抵抗変化素子RWに十分な電圧を印加するためには、セット時と同じ理由により、第2の電圧パルスは、
T-lead ≦ Ron×C×0.3 …(10)
T-trail ≦ Ron×C×0.3 …(11)
であることが必要である。
【0107】
また、セット時と同じ理由により、
T-width ≦ Ron×C×0.3 …(12)
T-period ≧ Twidth ×5 …(13)
であることが望ましい。
【0108】
・ 読み出し動作
第3の電圧パルスを印加して、読み出し動作も、セット動作と同様に、過渡応答を利用する。この場合、オン状態及びオフ状態の抵抗変化素子RWに共に十分な電圧を印加するためには、セット時と同じ理由により、第3の電圧パルスは、
T-lead ≦ Ron×C×0.3 …(14)
T-trail ≦ Ron×C×0.3 …(15)
であることが必要である。
【0109】
また、セット時と同じ理由により、
T-width ≦ Ron×C×0.3 …(16)
T-period ≧ Twidth ×5 …(17)
であることが望ましい。
【0110】
図11に、セット電圧Vset、リセット電圧Vreset及び読み出し電圧Vreadとの関係を、いくつかの例について示す。
【0111】
図11(a)は、セット電圧の極性と、リセット電圧の極性が同じユニポーラ型の抵抗変化素子を用いた場合の例である。同じユニポーラ型抵抗変化素子を使用する場合には以下に注意する必要がある。リセット動作により抵抗変化素子RWをオン状態からオフ状態にすると、与えるパルスの立ち上がり時間Tleadが、メモリセルの時定数に対して相対的に小さくなる(メモリセルの時定数がRon×C→Roff×Cに変化する)。
【0112】
このとき抵抗変化素子RWに分配される電圧が条件によっては大きくなる。この電圧がセット電圧を超えると、一旦オフ状態になった抵抗変化素子が再度セットされ、動作が不安定になる。この問題を回避するためには、オフ状態になった際に抵抗変化素子RWに分配される電圧がセット電圧Vsetよりも十分に小さいことが必要であり、それにはリセット電圧がセット電圧よりも小さくなければならない。
【0113】
一方、本実施例では、セット動作の場合、抵抗変化素子がオン状態になった瞬間に、抵抗変化素子にかかる電圧が抑制される。そのため、セット電圧がリセット電圧よりも大きくても、セット動作時に一旦オン状態になった抵抗変化素子が再度リセットされることはない。
【0114】
なお、図11(a)では、読み出し電圧Vreadの振幅は、セット電圧Vset及びリセット電圧Vresetの振幅よりも小さくすることが必要である。即ち、読み出し時における誤書き込みや誤消去を防ぐために、読み出し電圧の絶対値|Vread|は、セット電圧の絶対値|Vset|及びリセット電圧の絶対値|Vreset|よりも十分に小さい。
【0115】
また、図11(a)では、読み出し電圧Vreadの極性がセット電圧Vset及びリセット電圧Vresetの極性と同じ場合について示したが、読み出し電圧Vreadの極性は、セット電圧Vset及びリセット電圧Vresetの極性と異なっていてもよい。この場合、読み出し電圧Vreadの振幅は、特に制限されない。
【0116】
図11(b)は、セット電圧の極性と、リセット電圧の極性が逆であるバイポーラ型の抵抗変化素子を用いた場合の例である。この場合、リセットとセットでは動作する電圧の極性が異なるため、ユニポーラ型のようにリセット時の再セットによる動作不安定化の問題は生じない。その為、セット電圧の絶対値|Vset|とリセット電圧の絶対値|Vreset|の大小関係が特に制限されることはない。
【0117】
また、図11(b)では、読み出し電圧Vreadの極性がセット電圧Vsetの極性と同じ場合について示したが、読み出し電圧Vreadの極性はリセット電圧Vresetの極性と同じであってもよい。前者の場合は読み出し電圧の絶対値|Vread|はセット電圧の絶対値|Vset|よりも小さく、後者の場合は読み出し電圧の絶対値|Vread|はリセット電圧の絶対値|Vreset|よりも小さいことが必要となる。
【0118】
[第2の動作]
・ リセット動作
リセット動作で定常状態を利用する場合について説明する。
【0119】
リセット動作では、積層構造Cが電流を流すようになる電圧領域を用いて、オン状態の抵抗変化素子RWにリセット動作に必要な第2の電圧パルスを印加する。
【0120】
定常状態で抵抗変化素子RWに電圧を印加するためには、キャパシタの絶縁層Iは、抵抗変化素子RWをリセットさせる際に必要な電流Iresetを流す必要があり、図12(a)及び(b)に示すようなMIMダイオードの特性を利用する必要がある。一方で、本例は、セット時に過渡応答を利用することが特徴であることから、Vsetは、絶縁層Iが容量として機能する第1の電圧領域の範囲内になければならない。
【0121】
そのため、図12(a)に示すように、|Vset| < |Vreset|であるか、若しくは、図12(b)に示すように、MIMダイオードは、IV特性が極性に対して非対称であり、かつ、そのIV特性は、Vreset側の極性において、|Vset|よりも低い電圧で電流が流れ始めなければならない。この場合、図12(a)及び(b)のいずれの方法においても、抵抗変化素子RWの動作方法は、VsetとVresetの極性が逆でなければならない(バイポーラ型)。
【0122】
図12(a)に示す方法においてもバイポーラ型である必要があるのは、|Vreset|>|Vset|である必要がある本実施例では、リセット動作時に抵抗変化素子がOFF状態になっても|Vset|を超える電圧が抵抗変化素子には印加されているため、ユニポーラ型の場合には再度セットが起こり、抵抗変化素子RWを高抵抗状態に保つことが困難となるからである。
【0123】
・ 読み出し動作
第3の電圧パルスを印加して読み出し動作で定常状態を利用する場合について説明する。ここでは、キャパシタの絶縁層Iは、読み出しに必要な電圧が抵抗変化素子に印加された場合に抵抗変化素子RWに流れる電流Ireadを流す必要があり、図13(a)及び(b)に示すようなMIMダイオードの特性を利用して、読み出し電圧Vreadは、第2の電圧領域の範囲内になければならない。
【0124】
一方で、本例は、セット時に過渡応答を利用することが特徴であることから、Vsetは、絶縁層Iが容量として機能する第1の電圧領域の範囲内になければならない。ここで、前述した理由により、読み出し時の誤書き込みを回避するためには、読み出し電圧とセット電圧の極性が同じであってはならない。読み出し電圧とセット電圧の極性が同じである場合には、本実施例においては必然的に読み出し電圧の絶対値|Vread|はセット電圧の絶対値|Vset|より大きくなり、読み出し時の誤書き込みが回避できない為である。
【0125】
図13(a)は、ユニポーラ型の抵抗変化素子を用いた場合の例である。読み出し電圧Vreadの極性は、セット電圧Vset及びリセット電圧Vresetの極性とは異なり、読み出し電圧Vreadは、第2の電圧領域の範囲内にある。
【0126】
図13(b)は、バイポーラ型の抵抗変化素子を用いた場合の例である。先述のように、読み出し時に定常状態を利用する場合、読み出し電圧Vreadとセット電圧Vsetの極性が同じであってはならない。即ち、バイポーラ型の場合は、読み出し電圧Vreadの極性とリセット電圧Vresetの極性とが同じになる。
【0127】
ここで、図13(b)では、読み出し及びリセットに定常状態を利用し、読み出し電圧Vreadとリセット電圧Vresetが共に第2の電圧領域にある。この場合、読み出し電圧の絶対値|Vread|は、リセット電圧の絶対値|Vreset|よりも小さくする。
【0128】
また、この場合、読み出しについて過渡応答を利用し、読み出し電圧Vreadを第1の電圧領域内にしても構わない。読み出し電圧Vreadをリセット電圧Vresetの極性と同じとした場合は、読み出し電圧Vreadの振幅をリセット電圧Vresetの振幅よりも小さくすることが必要である。読み出し電圧Vreadをセット電圧Vsetの極性と同じとした場合は、読み出し電圧Vreadの振幅をセット電圧Vsetの振幅よりも小さくすることが必要である。
【0129】
4. むすび
以上、実施形態によれば、抵抗変化素子を高抵抗状態から低抵抗状態に変化させる動作において、抵抗変化素子に流れる電流を制限する新たな技術により、低抵抗状態の抵抗値のばらつきを防止することができる。
【0130】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0131】
11: メモリセルアレイ、 12: 第1のデコーダ/ドライバ、 13: 第2のデコーダ/ドライバ、 14: アドレスバッファ、 21: 電圧パルス生成回路、 22: 制御回路。
【技術分野】
【0001】
実施形態は、抵抗変化メモリに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、半導体装置の集積度が高くなるに伴い、これを構成するトランジスタ等の回路パターンがますます微細化している。この微細化による配線の細線化に伴い、回路パターンの寸法精度と位置精度とを向上させるための技術が要請される。この事情は、半導体メモリの分野においても例外ではない。
【0003】
従来知られており、市場に投入されているDRAM、SRAM、フラッシュメモリ等の半導体メモリは、MOSFETをメモリセルとして使用する。このような半導体メモリでは、回路パターンの微細化の比率を上回る比率での寸法精度の向上が要請される。このため、微細な回路パターンを形成するフォトリソグラフィー技術に大きな負荷が課せられており、これが製品コストを上昇させる要因の一つになっている。
【0004】
この問題点を打破するメモリの後継候補として抵抗変化メモリが注目されている。
【0005】
抵抗変化メモリは、抵抗変化素子の抵抗値の変化によりデータを記憶する。抵抗変化メモリは、2端子素子であることから、簡易プロセスによる低コスト化や、メモリセルアレイ(クロスポイント型)の3次元化による大容量化などを実現可能であり、次世代不揮発性半導体メモリとして期待される。
【0006】
ここで、抵抗変化メモリにおいて、抵抗変化素子の抵抗値を高抵抗状態から低抵抗状態に変化させる動作は、電圧パルスを抵抗変化素子に印加することにより行われる。また、この動作が終了した後の低抵抗状態の抵抗値は、この動作中に抵抗変化素子に流れた最大電流に依存することが知られている。即ち、この動作中に抵抗変化素子に流れる最大電流のばらつきに応じて低抵抗状態の抵抗値にもばらつきが生じる。
【0007】
これを防ぐために、抵抗変化素子の抵抗値を高抵抗状態から低抵抗状態に変化させる動作において、抵抗変化素子に流れる最大電流を制限する電流制限機能を付加する技術が開発されている。この技術によれば、電流制限トランジスタの飽和領域を利用することにより、理論的には、低抵抗状態となった抵抗変化素子に流れる最大電流を電流制限トランジスタの制限電流値に一定化できるため、低抵抗状態の抵抗値のばらつきを防止できる。
【0008】
しかし、電流制限トランジスタは、一般的には、メモリセルアレイ領域内の一行又は一列に対して1つずつ、周辺回路領域内に配置される。このため、抵抗変化素子の抵抗値が高抵抗状態から低抵抗状態に変化してから電流制限トランジスタによる電流制限機能が効き始めるまでには、メモリセルアレイ領域内の配線(ワード線、ビット線等)の寄生容量に起因するRC遅延(タイムラグ)が発生する。
【0009】
従って、現実的には、このタイムラグの期間、低抵抗状態の抵抗変化素子には、電流制限トランジスタの制限電流値を越える電流が流れる。このため、新たに付加した電流制限機能が十分に発揮されずに、結果として、抵抗変化素子の低抵抗状態の抵抗値が必要以上に低下すると共に、それらにばらつきが発生する。
【0010】
この現象は、メモリセルアレイ領域内のメモリセルが微細化され、メモリセルアレイ領域内の配線(ワード線、ビット線等)が長くなることによりさらに顕著となる。
【0011】
一方、1つの抵抗変化素子に対して1つの電流制限トランジスタを付加すれば、RC遅延による上述の問題が解消されるが、簡易プロセスによる低コスト化や、メモリセルアレイ(クロスポイント型)の3次元化による大容量化などといった特徴を犠牲にしなければならないため、これを採用することは現実的ではない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0012】
【非特許文献1】K.Kinoshita et al., Applied Physics Letters 93, 033506 (2008)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
実施形態は、抵抗変化素子を高抵抗状態から低抵抗状態に変化させる動作において、抵抗変化素子に流れる電流を制限する新たな技術について提案する。
【課題を解決するための手段】
【0014】
実施形態によれば、抵抗変化メモリは、直列接続される抵抗変化素子及び積層構造を備えるメモリセルと、前記抵抗変化素子を第1の抵抗値からそれよりも低い第2の抵抗値に変化させる第1の動作を制御する制御回路と、前記第1の動作において前記メモリセルに印加する第1の電圧パルスを生成する電圧パルス生成回路とを備える。前記積層構造は、2つの導電層とこれらの間の絶縁層とを備え、前記第1の電圧パルスの振幅は、前記積層構造がキャパシタとして機能する第1の電圧領域内にあり、前記第1の電圧パルスは、Ron×C < T-lead < Roff×C、 Ron×C < T-trailを満たす。但し、T-leadは、前記第1の電圧パルスの立ち上がり時間[sec]であり、T-trailは、前記第1の電圧パルスの立ち下り時間[sec]であり、Roffは、前記第1の抵抗値[Ω]であり、Ronは、前記第2の抵抗値[Ω]であり、Cは、前記キャパシタの容量[F]である。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】抵抗変化メモリを示す図。
【図2】メモリセルアレイを示す図。
【図3】セット動作時の等価回路を示す図。
【図4】メモリセル構造を示す図。
【図5】メモリセル構造を示す図。
【図6】電圧パルスの波形例を示す図。
【図7】抵抗変化素子及び積層構造に分配される電圧を示す図。
【図8】オフ状態の抵抗変化素子に分配される電圧の変化を示す図。
【図9】オン状態の抵抗変化素子に分配される電圧の変化を示す図。
【図10】積層構造に分配される電圧の変化を示す図。
【図11】セット電圧、リセット電圧及び読み出し電圧の関係を示す図。
【図12】セット電圧、リセット電圧及び読み出し電圧の関係を示す図。
【図13】セット電圧、リセット電圧及び読み出し電圧の関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。
【0017】
まず、実施形態を説明するに当たり、抵抗変化素子の抵抗値を変化させる動作について以下のように定義する。この定義は、以下の説明を分かり易くするために採用するものであり、実施形態がこれに限定されるという主旨ではない。
【0018】
抵抗変化素子の抵抗値は、2通り(低抵抗状態/高抵抗状態)に変化させる。即ち、1つの抵抗変化素子は、2値(1ビット)を記憶するものとする。当然、抵抗変化素子の抵抗値を3通り以上に変化させて多値化を図ることも可能であるが、ここでは、説明の簡略化のため、以上のように定義する。
【0019】
抵抗変化素子の初期状態は、高抵抗状態であるものとする。これについても、一例であって、抵抗変化素子の初期状態を低抵抗状態としても構わない。
【0020】
以下の実施形態では、抵抗変化素子の抵抗値を高抵抗状態から低抵抗状態に変化させる動作をセット動作と定義する。多値化された抵抗変化素子の場合、低抵抗状態は、2通り以上(例えば、4値のときは3通り)の状態を備える。セット動作は、例えば、抵抗変化素子に電圧パルスを印加することにより行う。
【0021】
また、抵抗変化素子の抵抗値を低抵抗状態から高抵抗状態に変化させる動作をリセット動作と定義する。リセット動作は、例えば、抵抗変化素子にリセット電圧を印加(若しくはリセット電流を流す)ことにより行う。
【0022】
また、抵抗変化素子の抵抗値に関して、高抵抗状態をオフ状態と称し、低抵抗状態をオン状態と称することにする。
【0023】
図1は、実施形態の抵抗変化メモリを示している。図2は、メモリセルアレイの例を示している。
【0024】
メモリセルアレイ11は、クロスポイント型であり、第1の方向に延びる上部ビット線UBL1,UBL2と第2の方向に延びる下部ビット線LBL1,LBL2との交差部にメモリセルMCが配置される。
【0025】
本例では、説明を簡単化するため、4つのメモリセル(2つのロウと2つのカラム)MCを示すが、実際は、これよりも多くのメモリセルが存在する。
【0026】
第1のデコーダ/ドライバ12は、メモリセルアレイ11の第1の方向の一端に配置される。また、第2のデコーダ/ドライバ13は、メモリセルアレイ11の第2の方向の一端に配置される。
【0027】
ドライバDとしてのFET(Field effect transistor)は、上部ビット線UBL1,UBL2の第1の方向の一端に接続され、かつ、下部ビット線LBL1,LBL2の第2の方向の一端に接続される。これらのFETのオン/オフは、デコーダからのデコード信号RA1,RA2,CA1,CA2により制御される。
【0028】
カラム/ロウアドレス信号は、アドレスバッファ14を経由して、第1及び第2のデコーダ/ドライバ12,13に入力される。
【0029】
第1のデコーダ/ドライバ12は、ロウアドレス信号に基づいてデコード信号RA1,RA2を生成し、例えば、メモリセルアレイ11の複数のロウのうちの1つを選択する。また、第2のデコーダ/ドライバ13は、カラムアドレス信号に基づいてデコード信号CA1,CA2を生成し、例えば、メモリセルアレイ11の複数のカラムのうちの1つを選択する。
【0030】
制御回路22は、セット動作、リセット動作及び読み出し動作を制御する。
【0031】
電圧パルス生成回路21は、例えば、セット動作において第1の電圧パルスを生成し、リセット動作において第2の電圧パルスを生成し、読み出し動作において第3の電圧パルスを生成する。
【0032】
電圧パルス生成回路21は、セット動作、リセット動作及び読み出し動作において、第1乃至第3の電圧パルスの振幅、幅、周期、立ち上がり時間、立ち下がり時間などを決めるための波形整形回路を含んでいる。
【0033】
図3は、セット動作時のメモリセルアレイの等価回路を示している。
【0034】
セット動作時において、例えば、電圧パルスは、上部ビット線UBL1側からメモリセルMCに与えられる。この時、デコード信号RA1,CA1は、共に、“H(high)”であり、ドライバ(FET)Dは、オンである。
【0035】
電流制限トランジスタTRcは、抵抗変化素子の抵抗値を高抵抗状態から低抵抗状態に変化させる動作(本例では、セット動作)において、抵抗変化素子に流れる最大電流を制限する電流制限機能を有する。
【0036】
セット動作時において、制御信号φは、“H”となる。
【0037】
ここで、PCは、下部ビット線LBL1に生じる寄生容量である。コンベンショナルな技術では、この寄生容量PCのため、抵抗変化素子の抵抗値が高抵抗状態から低抵抗状態に変化してから電流制限トランジスタTRcによる電流制限機能が効き始めるまでにRC遅延(タイムラグ)が発生する。
【0038】
そこで、実施形態では、寄生容量PCによらず、抵抗変化素子の抵抗値が高抵抗状態から低抵抗状態に変化すると、直ちに、抵抗変化素子に流れる電流を制限することができる新たな技術について提案する。
【0039】
実施形態では、後述するように、このような電流制限機能を、メモリセルMCの構造と、セット動作時にメモリセルMCに与える電圧パルスの波形(振幅、幅、周期、立ち上がり時間、立ち下がり時間など)とにより実現する。
【0040】
従って、実施形態によれば、抵抗変化素子の低抵抗状態の抵抗値の制御性(ばらつきの防止)が向上すると共に、電流制限トランジスタTRcを省略することが可能になるため、周辺回路のサイズの縮小にも貢献できる。
【0041】
但し、電流制限トランジスタTRcを省略せずに、実施形態による電流制限機能と電流制限トランジスタTRcによる電流制限機能とを併せて使用してもよい。
【0042】
まず、実施形態の抵抗変化メモリの第1の条件であるメモリセル構造を説明する。
【0043】
図4は、メモリセル構造の例を示している。
【0044】
第1の例では、積層構造Cは、下部ビット線LBL1上に配置される。積層構造Cは、第1の導電層(例えば、金属層)M1と、第1の導電層M1上の絶縁層Iと、絶縁層I上の第2の導電層(例えば、金属層)M2とを備える。
【0045】
積層構造Cは、第1及び第2の導電層M1,M2間に印加される電圧が第1の電圧領域内にあるときは、電流を殆ど流さないキャパシタとして機能する。また、積層構造Cは、第1及び第2の導電層M1,M2間に印加される電圧が第2の電圧領域内にあるときは、整流素子(例えば、MIMダイオード、PINダイオードなど)の閾値電圧以上の領域と同様に機能する。
【0046】
抵抗変化素子RWは、積層構造C上に配置される。抵抗変化素子RWは、電圧パルスや電流により抵抗値が変化する抵抗変化材料を備える。
【0047】
ここで、ReRAM(Resistive Random Access Memory)では、抵抗変化素子RWは、金属酸化物、例えば、Al酸化物、Hf酸化物、Ti酸化物、La酸化物、又は、それらの混合物を備える。
【0048】
この時、積層構造C内の絶縁層Iも、例えば、Al酸化物、Hf酸化物、Ti酸化物、La酸化物、又は、それらの混合物を備えるのが望ましい。なぜなら、絶縁層Iと抵抗変化素子RWとを同一の金属元素及び酸素元素から構成すれば、ウェハプロセスが簡略化され、製造コストが低減されるからである。
【0049】
また、これらの金属酸化物は、酸素濃度に応じて、抵抗変化材料として、又は、絶縁材料として機能するからである。例えば、これら金属酸化物の酸素濃度が一定値よりも低いときは、それらは抵抗変化材料として機能し、これら金属酸化物の酸素濃度が一定値よりも高いときは、それらは絶縁材料として機能する。
【0050】
積層構造C内の絶縁層Iと抵抗変化素子RWとが同一の金属元素及び酸素元素を備える例について、図5に示す。同図において、酸素元素Oの組成比は、抵抗変化素子RWよりも絶縁層Iのほうが大きい。
【0051】
第3の導電層(例えば、金属層)M3は、抵抗変化素子RW上に配置される。上部ビット線UBL1は、第3の導電層M3上に配置される。
【0052】
第2の例では、第1の導電層(例えば、金属層)M1は、下部ビット線LBL1上に配置される。抵抗変化素子RWは、第1の導電層M1上に配置される。積層構造Cは、抵抗変化素子RW上に配置される。上部ビット線UBL1は、積層構造C上に配置される。
【0053】
積層構造Cは、第2の導電層(例えば、金属層)M2と、第2の導電層M2上の絶縁層Iと、絶縁層I上の第3の導電層(例えば、金属層)M3とを備える。
【0054】
積層構造Cの機能、並びに、絶縁層I及び抵抗変化素子RWを構成する材料については、上述の第1の例と同じであるため、ここでの説明は省略する。
【0055】
尚、第1及び第2の例において、第1、第2及び第3の導電層M1,M2,M3は、同一の材料を備えるのが望ましいが、互いに異なる材料を備えていてもよい。
【0056】
次に、実施形態の抵抗変化メモリの第2の条件であるセット動作時にメモリセルに与える第1の電圧パルスの波形を説明する。
【0057】
第1の電圧パルスは、1つの電圧パルスでもよいし、また、連続する複数の電圧パルスの集合でもよい。以下の説明では、第1の電圧パルスは、図6に示すように、後者の連続する複数の電圧パルスの集合であるものとする。
【0058】
また、第1の電圧パルスの振幅、幅、周期、立ち上がり時間及び立ち下がり時間について、図6に示すように定義する。
【0059】
同図において、Vampは、振幅であり、T-widthは、パルス幅、T-periodは、パルス周期、T-leadは、立ち上がり時間、T-trailは、立ち下り時間である。T-widthは、T-leadの中点からT-trailの中点までとし、T-periodは、T-leadの中点から次のT-leadの中点までとする。
【0060】
第1の電圧パルスの振幅は、図4の積層構造Cがキャパシタとして機能する第1の電圧領域内にある(第1の電圧領域については図11及び図12を参照)。
【0061】
また、第1の電圧パルスは、
A. 抵抗変化素子RWが高抵抗状態(オフ状態)のときに、抵抗変化素子RWを高抵抗状態から低抵抗状態に変化させるのに十分な大きさのセット電圧が、抵抗変化素子RWに印加されること、
B. 抵抗変化素子RWが低抵抗状態(オン状態)のときに、抵抗変化素子RWに流れる電流(抵抗変化素子RWに印加される電圧)が引き起こす低抵抗状態の抵抗値の変化が十分に小さいこと、
を条件に決定される。
【0062】
[条件A]
図4の抵抗変化素子RW及び積層構造(キャパシタ)Cから構成される直列回路(メモリセルMC)には、定常的に電流が流れない(抵抗変化素子RWには電圧が印加されない)が、過渡的な応答を利用すれば、オフ状態の抵抗変化素子RWに十分に大きなセット電圧を印加することができる。
【0063】
そのために、第1の電圧パルスは、
T-lead < Roff×C …(1)
を満たす。
【0064】
但し、T-leadは、第1の電圧パルスの立ち上がり時間[sec]であり、Roffは、抵抗変化素子RWのオフ状態の抵抗値(第1の抵抗値)[Ω]であり、Cは、積層構造(キャパシタ)Cの容量[F]である。
【0065】
[条件B]
図4の抵抗変化素子RW及び積層構造(キャパシタ)Cから構成される直列回路(メモリセルMC)の過渡的な応答を利用すれば、オン状態の抵抗変化素子RWに印加される電圧を小さくし、それに流れる電流を十分に小さくすることができる。
【0066】
そのために、第1の電圧パルスは、
Ron×C < T-lead …(2)
Ron×C < T-trail …(3)
を満たす。
【0067】
但し、T-leadは、第1の電圧パルスの立ち上がり時間[sec]であり、T-trailは、第1の電圧パルスの立ち下り時間[sec]であり、Ronは、抵抗変化素子RWのオン状態の抵抗値(第2の抵抗値)[Ω]であり、Cは、積層構造(キャパシタ)Cの容量[F]である。
【0068】
上述の第1の条件(メモリセル構造)及び第2の条件(第1の電圧パルスの波形)を満たしたときの効果を説明する。
【0069】
図7は、セット動作の前後において、抵抗変化素子及び積層構造(キャパシタ)に分配される電圧を示している。
【0070】
同図において、V(RW)は、抵抗変化素子RWに分配される電圧であり、V(C)は、積層構造(キャパシタ)に分配される電圧であり、V(total)は、抵抗変化素子RWに分配される電圧V(RW)と積層構造(キャパシタ)に分配される電圧V(C)との合計である。
【0071】
セット動作前(抵抗変化素子RWがオフ状態のとき)は、第1の電圧パルスの振幅(電圧)の殆どが抵抗変化素子RWに分配される。これに対し、セット動作後(抵抗変化素子RWがオン状態のとき)は、第1の電圧パルスの振幅(電圧)の殆どが積層構造(キャパシタ)Cに分配される。
【0072】
但し、第1の電圧パルスは、図6に示す波形を有し、T-lead = T-trail = 3[ns]とし、T-width = 10[ns]とし、Tperiod = 100[ns]とする。
【0073】
また、第1の電圧パルスが印加されるメモリセルとしては、図4に示す構造を用い、かつ、抵抗変化素子RWのオン状態の抵抗値Ronは、10[MΩ]とし、抵抗変化素子RWのオフ状態の抵抗値Roffは、10[GΩ]とする。また、積層構造内の絶縁層の厚さは、5[nm]とし、積層構造内の絶縁層の比誘電率は、15とする。
【0074】
図7の結果から明らかなように、抵抗変化素子RWがオフ状態のときは、第1の電圧パルスの振幅(電圧)の90%以上が抵抗変化素子RWに分配される。これに対し、抵抗変化素子RWがオン状態のときは、第1の電圧パルスの振幅(電圧)の10%以下が抵抗変化素子RWに分配される。
【0075】
従って、抵抗変化素子RWが高抵抗状態から低抵抗状態になると、瞬時に、抵抗変化素子RWに分配される電圧が低下するため、抵抗変化素子RWに流れる電流を、コンベンショナルな技術で発生するタイムラグなしに、直ちに制限することができる。
【0076】
[条件Aについての第1の変形例]
抵抗変化素子RWがオフ状態のときにそれに印加される最大電圧は、T-leadが短いほど大きくなる。
【0077】
従って、第1の電圧パルスは、さらに、
T-lead ≦ Roff×C×0.3 …(4)
を満たしているのが望ましい。
【0078】
なぜなら、式(4)を満たしていれば、図8に示すように、第1の電圧パルスの振幅の80%以上の電圧が抵抗変化素子RWに分配されるため、第1の電圧パルスの振幅が大きくなり過ぎることを防止できるからである。
【0079】
同図によれば、T-lead = Roff×C×1のとき、第1の電圧パルスの振幅の約60%が抵抗変化素子RWに分配される。これでも抵抗変化素子RWを高抵抗状態から低抵抗状態に変化させることができるが、セット電圧が一定であると仮定すると、T-lead = Roff×C×1のときは、T-lead = Roff×C×0.3のときよりも、第1の電圧パルスの振幅を大きくしなければならない。
【0080】
従って、メモリチップ(抵抗変化メモリ)内の昇圧回路により高電圧を生成することを考慮すると、式(4)に示す条件により、第1の電圧パルスの振幅の80%以上の電圧を抵抗変化素子RWに分配することは、設計上、非常に有効である。
【0081】
[条件Aについての第2の変形例]
抵抗変化素子RWがオフ状態のときにそれに十分な大きさのセット電圧が印加されると共に、積層構造C内の絶縁層Iに不要な電圧ストレスを与えないための条件を説明する。
【0082】
第1の変形例で説明したように、抵抗変化素子RWがオフ状態のときにそれに印加される最大電圧は、T-leadが短いほど大きくなる。従って、抵抗変化素子RWを高抵抗状態から低抵抗状態へ変化させる目的に限っては、T-widthに制限はない。
【0083】
しかし、T-widthがRoff×Cで記述される時定数よりも十分長い場合、積層構造C内の絶縁層Iに印加される電圧は、時間の経過に従って増加していく。このため、積層構造C内の絶縁層Iに不要な電圧ストレスが印加されることになり、その結果、絶縁層Iが劣化し、キャパシタとしての積層構造Cの機能が低下する。
【0084】
従って、第1の電圧パルスは、さらに、
T-width ≦ Roff×C×0.3 …(5)
を満たしているのが望ましい。
【0085】
尚、T-lead<T-width及びT-trail<T-widthとしたときは、第2の変形例の条件が満たされると、同時に、第1の変形例の条件も満たされる。
【0086】
[条件Bについての変形例]
セット動作中においては、条件Bに示すように、セット(オフ状態からオン状態への変化)が完了したとき、オン状態の抵抗変化素子RWに印加される電圧を十分に小さくし、それに流れる電流を十分に小さくすることが必要である。
【0087】
但し、第1の電圧パルスが、条件B、即ち、式(2)及び(3)を満たしていても、T-lead及びT-trailが短くなるに従い、オン状態の抵抗変化素子RWに印加される電圧は大きくなる。そこで、抵抗変化素子RWのオン状態の抵抗値の制御性をさらに向上させるための条件について説明する。
【0088】
図9は、T-lead及びT-trailをパラメータに、オン状態の抵抗変化素子RWに印加される電圧がどのように変化するかを示している。
【0089】
この例では、T-leadとT-trailは、等しいと仮定する。
【0090】
また、第1の電圧パルスの立ち上がり時(T-lead)に抵抗変化素子RWに印加される電圧をプラスの場合、第1の電圧パルスの立ち下がり時(T-trail)に抵抗変化素子RWに印加される電圧をマイナスである。
【0091】
即ち、第1の電圧パルスの立ち上がり時(T-lead)に流れる電流の向きと第1の電圧パルスの立ち下がり時(T-trail)に流れる電流の向きとは、逆となる。
【0092】
さらに、第1の電圧パルスのパルス幅T-widthは、第1の電圧パルスの立ち下がり時(T-trail)に抵抗変化素子RWに印加される電圧がT-widthに因らない程度に十分に長いと仮定する。第1の電圧パルスの立ち上がり時(T-lead)に抵抗変化素子RWに印加される電圧は、第1の電圧パルスのパルス幅T-widthに因らない。
【0093】
同図によれば、T-lead及びT-trailがRon×C×10又はそれよりも長いとき、オン状態の抵抗変化素子RWに印加される電圧は、第1の電圧パルスの振幅の0.1以下となることが分かる。
【0094】
従って、第1の電圧パルスは、さらに、
T-lead ≧ Ron×C×10 …(6)
T-trail ≧ Ron×C×10 …(7)
を満たしているのが望ましい。
【0095】
[その他の条件]
第1の電圧パルスが連続する複数の電圧パルスの集合であるとき、抵抗変化素子RWに印加される最大電圧が一定値を下回らないための条件(抵抗変化素子RWに印加される最大電圧の変化を抑制するための条件)を説明する。
【0096】
図10は、複数の電圧パルスを連続して与えるときの積層構造(キャパシタ)Cに印加される電圧の変化を示している。
【0097】
本例では、電圧パルス数は、10と仮定する。
【0098】
抵抗変化素子RWに印加される電圧V(RW)は、
V(RW) = V(total)-V(C) …(8)
で表される。
【0099】
同図から明らかなように、複数の電圧パルスをメモリセルに連続して与えるとき、積層構造(キャパシタ)Cに印加される電圧は、次第に増加していく。これは、抵抗変化素子RWに印加される最大電圧が次第に低下していくことを意味する。
【0100】
ところで、抵抗変化素子RWに印加される最大電圧がセット動作に必要な一定値を下回らないためには、V(C)/V(total)は、0.15以下であることが望ましい。
【0101】
一方、10個の電圧パルスを印加した後に、V(C)/V(total)が0.15以下である例は、同図から明らかなように、T-period = T-width×5と、T-period = T-width×10の2つのケースである。
【0102】
従って、第1の電圧パルスが10以下の複数の電圧パルスの集合であるとき、
T-period ≧ T-width×5 …(9)
を満たしているのが望ましい。
【0103】
式(9)を満たすことにより、セット動作において、抵抗変化素子RWに印加される最大電圧の変化を抑制できるため、抵抗変化素子RWに印加される最大電圧が一定値を下回ってしまうという事態を回避できる。
【0104】
次に、リセット動作及び読み出し動作について説明する。
【0105】
リセット動作及び読み出し動作は、セット動作と同様に積層構造Cをキャパシタとして用いたときの過渡応答を利用する第1の動作、又は、積層構造Cを電流を流す素子として用いたときの定常状態を利用する第2の動作により行うことができる。
【0106】
[第1の動作]
・ リセット動作
リセット動作は、セット動作と同様に、過渡応答を利用する。この場合、オン状態の抵抗変化素子RWに十分な電圧を印加するためには、セット時と同じ理由により、第2の電圧パルスは、
T-lead ≦ Ron×C×0.3 …(10)
T-trail ≦ Ron×C×0.3 …(11)
であることが必要である。
【0107】
また、セット時と同じ理由により、
T-width ≦ Ron×C×0.3 …(12)
T-period ≧ Twidth ×5 …(13)
であることが望ましい。
【0108】
・ 読み出し動作
第3の電圧パルスを印加して、読み出し動作も、セット動作と同様に、過渡応答を利用する。この場合、オン状態及びオフ状態の抵抗変化素子RWに共に十分な電圧を印加するためには、セット時と同じ理由により、第3の電圧パルスは、
T-lead ≦ Ron×C×0.3 …(14)
T-trail ≦ Ron×C×0.3 …(15)
であることが必要である。
【0109】
また、セット時と同じ理由により、
T-width ≦ Ron×C×0.3 …(16)
T-period ≧ Twidth ×5 …(17)
であることが望ましい。
【0110】
図11に、セット電圧Vset、リセット電圧Vreset及び読み出し電圧Vreadとの関係を、いくつかの例について示す。
【0111】
図11(a)は、セット電圧の極性と、リセット電圧の極性が同じユニポーラ型の抵抗変化素子を用いた場合の例である。同じユニポーラ型抵抗変化素子を使用する場合には以下に注意する必要がある。リセット動作により抵抗変化素子RWをオン状態からオフ状態にすると、与えるパルスの立ち上がり時間Tleadが、メモリセルの時定数に対して相対的に小さくなる(メモリセルの時定数がRon×C→Roff×Cに変化する)。
【0112】
このとき抵抗変化素子RWに分配される電圧が条件によっては大きくなる。この電圧がセット電圧を超えると、一旦オフ状態になった抵抗変化素子が再度セットされ、動作が不安定になる。この問題を回避するためには、オフ状態になった際に抵抗変化素子RWに分配される電圧がセット電圧Vsetよりも十分に小さいことが必要であり、それにはリセット電圧がセット電圧よりも小さくなければならない。
【0113】
一方、本実施例では、セット動作の場合、抵抗変化素子がオン状態になった瞬間に、抵抗変化素子にかかる電圧が抑制される。そのため、セット電圧がリセット電圧よりも大きくても、セット動作時に一旦オン状態になった抵抗変化素子が再度リセットされることはない。
【0114】
なお、図11(a)では、読み出し電圧Vreadの振幅は、セット電圧Vset及びリセット電圧Vresetの振幅よりも小さくすることが必要である。即ち、読み出し時における誤書き込みや誤消去を防ぐために、読み出し電圧の絶対値|Vread|は、セット電圧の絶対値|Vset|及びリセット電圧の絶対値|Vreset|よりも十分に小さい。
【0115】
また、図11(a)では、読み出し電圧Vreadの極性がセット電圧Vset及びリセット電圧Vresetの極性と同じ場合について示したが、読み出し電圧Vreadの極性は、セット電圧Vset及びリセット電圧Vresetの極性と異なっていてもよい。この場合、読み出し電圧Vreadの振幅は、特に制限されない。
【0116】
図11(b)は、セット電圧の極性と、リセット電圧の極性が逆であるバイポーラ型の抵抗変化素子を用いた場合の例である。この場合、リセットとセットでは動作する電圧の極性が異なるため、ユニポーラ型のようにリセット時の再セットによる動作不安定化の問題は生じない。その為、セット電圧の絶対値|Vset|とリセット電圧の絶対値|Vreset|の大小関係が特に制限されることはない。
【0117】
また、図11(b)では、読み出し電圧Vreadの極性がセット電圧Vsetの極性と同じ場合について示したが、読み出し電圧Vreadの極性はリセット電圧Vresetの極性と同じであってもよい。前者の場合は読み出し電圧の絶対値|Vread|はセット電圧の絶対値|Vset|よりも小さく、後者の場合は読み出し電圧の絶対値|Vread|はリセット電圧の絶対値|Vreset|よりも小さいことが必要となる。
【0118】
[第2の動作]
・ リセット動作
リセット動作で定常状態を利用する場合について説明する。
【0119】
リセット動作では、積層構造Cが電流を流すようになる電圧領域を用いて、オン状態の抵抗変化素子RWにリセット動作に必要な第2の電圧パルスを印加する。
【0120】
定常状態で抵抗変化素子RWに電圧を印加するためには、キャパシタの絶縁層Iは、抵抗変化素子RWをリセットさせる際に必要な電流Iresetを流す必要があり、図12(a)及び(b)に示すようなMIMダイオードの特性を利用する必要がある。一方で、本例は、セット時に過渡応答を利用することが特徴であることから、Vsetは、絶縁層Iが容量として機能する第1の電圧領域の範囲内になければならない。
【0121】
そのため、図12(a)に示すように、|Vset| < |Vreset|であるか、若しくは、図12(b)に示すように、MIMダイオードは、IV特性が極性に対して非対称であり、かつ、そのIV特性は、Vreset側の極性において、|Vset|よりも低い電圧で電流が流れ始めなければならない。この場合、図12(a)及び(b)のいずれの方法においても、抵抗変化素子RWの動作方法は、VsetとVresetの極性が逆でなければならない(バイポーラ型)。
【0122】
図12(a)に示す方法においてもバイポーラ型である必要があるのは、|Vreset|>|Vset|である必要がある本実施例では、リセット動作時に抵抗変化素子がOFF状態になっても|Vset|を超える電圧が抵抗変化素子には印加されているため、ユニポーラ型の場合には再度セットが起こり、抵抗変化素子RWを高抵抗状態に保つことが困難となるからである。
【0123】
・ 読み出し動作
第3の電圧パルスを印加して読み出し動作で定常状態を利用する場合について説明する。ここでは、キャパシタの絶縁層Iは、読み出しに必要な電圧が抵抗変化素子に印加された場合に抵抗変化素子RWに流れる電流Ireadを流す必要があり、図13(a)及び(b)に示すようなMIMダイオードの特性を利用して、読み出し電圧Vreadは、第2の電圧領域の範囲内になければならない。
【0124】
一方で、本例は、セット時に過渡応答を利用することが特徴であることから、Vsetは、絶縁層Iが容量として機能する第1の電圧領域の範囲内になければならない。ここで、前述した理由により、読み出し時の誤書き込みを回避するためには、読み出し電圧とセット電圧の極性が同じであってはならない。読み出し電圧とセット電圧の極性が同じである場合には、本実施例においては必然的に読み出し電圧の絶対値|Vread|はセット電圧の絶対値|Vset|より大きくなり、読み出し時の誤書き込みが回避できない為である。
【0125】
図13(a)は、ユニポーラ型の抵抗変化素子を用いた場合の例である。読み出し電圧Vreadの極性は、セット電圧Vset及びリセット電圧Vresetの極性とは異なり、読み出し電圧Vreadは、第2の電圧領域の範囲内にある。
【0126】
図13(b)は、バイポーラ型の抵抗変化素子を用いた場合の例である。先述のように、読み出し時に定常状態を利用する場合、読み出し電圧Vreadとセット電圧Vsetの極性が同じであってはならない。即ち、バイポーラ型の場合は、読み出し電圧Vreadの極性とリセット電圧Vresetの極性とが同じになる。
【0127】
ここで、図13(b)では、読み出し及びリセットに定常状態を利用し、読み出し電圧Vreadとリセット電圧Vresetが共に第2の電圧領域にある。この場合、読み出し電圧の絶対値|Vread|は、リセット電圧の絶対値|Vreset|よりも小さくする。
【0128】
また、この場合、読み出しについて過渡応答を利用し、読み出し電圧Vreadを第1の電圧領域内にしても構わない。読み出し電圧Vreadをリセット電圧Vresetの極性と同じとした場合は、読み出し電圧Vreadの振幅をリセット電圧Vresetの振幅よりも小さくすることが必要である。読み出し電圧Vreadをセット電圧Vsetの極性と同じとした場合は、読み出し電圧Vreadの振幅をセット電圧Vsetの振幅よりも小さくすることが必要である。
【0129】
4. むすび
以上、実施形態によれば、抵抗変化素子を高抵抗状態から低抵抗状態に変化させる動作において、抵抗変化素子に流れる電流を制限する新たな技術により、低抵抗状態の抵抗値のばらつきを防止することができる。
【0130】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0131】
11: メモリセルアレイ、 12: 第1のデコーダ/ドライバ、 13: 第2のデコーダ/ドライバ、 14: アドレスバッファ、 21: 電圧パルス生成回路、 22: 制御回路。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
直列接続される抵抗変化素子及び積層構造を備えるメモリセルと、前記抵抗変化素子を第1の抵抗値からそれよりも低い第2の抵抗値に変化させる第1の動作を制御する制御回路と、前記第1の動作において前記メモリセルに印加する第1の電圧パルスを生成する電圧パルス生成回路とを具備し、
前記積層構造は、2つの導電層とこれらの間の絶縁層とを備え、
前記第1の電圧パルスの振幅は、前記積層構造がキャパシタとして機能する第1の電圧領域内にあり、
前記第1の電圧パルスは、
Ron×C < T-lead < Roff×C
Ron×C < T-trail
但し、T-leadは、前記第1の電圧パルスの立ち上がり時間[sec]であり、T-trailは、前記第1の電圧パルスの立ち下り時間[sec]であり、Roffは、前記第1の抵抗値[Ω]であり、Ronは、前記第2の抵抗値[Ω]であり、Cは、前記キャパシタの容量[F]である
を満たすことを特徴とする抵抗変化メモリ。
【請求項2】
前記第1の電圧パルスは、さらに、T-lead ≦ Roff×C×0.3を満たすことを特徴とする請求項1に記載の抵抗変化メモリ。
【請求項3】
前記第1の電圧パルスは、さらに、T-lead ≧ Ron×C×10、及び、T-trail ≧ Ron×C×10を満たすことを特徴とする請求項1又は2に記載の抵抗変化メモリ。
【請求項4】
前記第1の電圧パルスは、連続する10以下の複数の電圧パルスの集合であり、かつ、
T-period ≧ T-width×5
但し、T-periodは、前記複数の電圧パルスの周期であり、T-widthは、前記複数の電圧パルスのパルス幅である
を満たすことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の抵抗変化メモリ。
【請求項5】
前記第1の電圧パルスは、さらに、T-width ≦ Roff×C×0.3を満たすことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の抵抗変化メモリ。
【請求項6】
前記絶縁層は、Al酸化物、Hf酸化物、Ti酸化物及びLa酸化物の少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の抵抗変化メモリ。
【請求項7】
前記抵抗変化素子は、Al酸化物、Hf酸化物、Ti酸化物及びLa酸化物の少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の抵抗変化メモリ。
【請求項8】
前記絶縁層と前記抵抗変化素子は、同一の金属元素及び酸素元素を含み、前記絶縁層内の酸素濃度は、前記抵抗変化素子内の酸素濃度よりも高いことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の抵抗変化メモリ。
【請求項9】
前記制御回路は、前記抵抗変化素子を前記第2の抵抗値から前記第1の抵抗値に変化させる第2の動作を制御し、
前記電圧パルス生成回路は、前記第2の動作において前記メモリセルに印加する第2の電圧パルスを生成し、
前記第2の電圧パルスの極性は、前記第1の電圧パルスの極性と同じであり、
前記第2の電圧パルスの振幅は、前記第1の電圧領域内にあり、かつ、前記第1の電圧パルスの振幅よりも小さい
ことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の抵抗変化メモリ。
【請求項10】
前記制御回路は、前記抵抗変化素子の抵抗値を読み出す第3の動作を制御し、
前記電圧パルス生成回路は、前記第3の動作において前記メモリセルに印加する第3の電圧パルスを生成し、
前記第3の電圧パルスの極性は、前記第1の電圧パルスの極性と同じであり、
前記第3の電圧パルスの振幅は、前記第1の電圧領域内にあり、かつ、前記第1及び第2の電圧パルスの振幅よりも小さい
ことを特徴とする請求項9に記載の抵抗変化メモリ。
【請求項11】
前記制御回路は、前記抵抗変化素子の抵抗値を読み出す第3の動作を制御し、
前記電圧パルス生成回路は、前記第3の動作において前記メモリセルに印加する第3の電圧パルスを生成し、
前記第3の電圧パルスの極性は、前記第1の電圧パルスの極性と異なり、
前記第3の電圧パルスの振幅は、前記積層構造が整流素子として機能する第2の電圧領域内にある
ことを特徴とする請求項9に記載の抵抗変化メモリ。
【請求項12】
前記制御回路は、前記抵抗変化素子を前記第2の抵抗値から前記第1の抵抗値に変化させる第2の動作を制御し、
前記電圧パルス生成回路は、前記第2の動作において前記メモリセルに印加する第2の電圧パルスを生成し、
前記第2の電圧パルスの極性は、前記第1の電圧パルスの極性と異なり、
前記第2の電圧パルスの振幅は、前記第1の電圧領域内にある
ことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の抵抗変化メモリ。
【請求項13】
前記制御回路は、前記抵抗変化素子の抵抗値を読み出す第3の動作を制御し、
前記電圧パルス生成回路は、前記第3の動作において前記メモリセルに印加する第3の電圧パルスを生成し、
前記第3の電圧パルスの極性は、前記第1の電圧パルスの極性と同じであり、
前記第3の電圧パルスの振幅は、前記第1の電圧領域内にあり、かつ、前記第1の電圧パルスの振幅よりも小さい
ことを特徴とする請求項12に記載の抵抗変化メモリ。
【請求項14】
前記制御回路は、前記抵抗変化素子の抵抗値を読み出す第3の動作を制御し、
前記電圧パルス生成回路は、前記第3の動作において前記メモリセルに印加する第3の電圧パルスを生成し、
前記第3の電圧パルスの極性は、前記第2の電圧パルスの極性と同じであり、
前記第3の電圧パルスの振幅は、前記第1の電圧領域内にあり、かつ、前記第2の電圧パルスの振幅よりも小さい
ことを特徴とする請求項12に記載の抵抗変化メモリ。
【請求項15】
前記制御回路は、前記抵抗変化素子を前記第2の抵抗値から前記第1の抵抗値に変化させる第2の動作を制御し、
前記電圧パルス生成回路は、前記第2の動作において前記メモリセルに印加する第2の電圧パルスを生成し、
前記第2の電圧パルスの極性は、前記第1の電圧パルスの極性と異なり、
前記第2の電圧パルスの振幅は、前記積層構造が整流素子として機能する第2の電圧領域内にある
ことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の抵抗変化メモリ。
【請求項16】
前記制御回路は、前記抵抗変化素子の抵抗値を読み出す第3の動作を制御し、
前記電圧パルス生成回路は、前記第3の動作において前記メモリセルに印加する第3の電圧パルスを生成し、
前記第3の電圧パルスの極性は、前記第1の電圧パルスの極性と異なり、
前記第3の電圧パルスの振幅は、前記第2の電圧領域内にあり、かつ、前記第2の電圧パルスの振幅よりも小さい
ことを特徴とする請求項15に記載の抵抗変化メモリ。
【請求項1】
直列接続される抵抗変化素子及び積層構造を備えるメモリセルと、前記抵抗変化素子を第1の抵抗値からそれよりも低い第2の抵抗値に変化させる第1の動作を制御する制御回路と、前記第1の動作において前記メモリセルに印加する第1の電圧パルスを生成する電圧パルス生成回路とを具備し、
前記積層構造は、2つの導電層とこれらの間の絶縁層とを備え、
前記第1の電圧パルスの振幅は、前記積層構造がキャパシタとして機能する第1の電圧領域内にあり、
前記第1の電圧パルスは、
Ron×C < T-lead < Roff×C
Ron×C < T-trail
但し、T-leadは、前記第1の電圧パルスの立ち上がり時間[sec]であり、T-trailは、前記第1の電圧パルスの立ち下り時間[sec]であり、Roffは、前記第1の抵抗値[Ω]であり、Ronは、前記第2の抵抗値[Ω]であり、Cは、前記キャパシタの容量[F]である
を満たすことを特徴とする抵抗変化メモリ。
【請求項2】
前記第1の電圧パルスは、さらに、T-lead ≦ Roff×C×0.3を満たすことを特徴とする請求項1に記載の抵抗変化メモリ。
【請求項3】
前記第1の電圧パルスは、さらに、T-lead ≧ Ron×C×10、及び、T-trail ≧ Ron×C×10を満たすことを特徴とする請求項1又は2に記載の抵抗変化メモリ。
【請求項4】
前記第1の電圧パルスは、連続する10以下の複数の電圧パルスの集合であり、かつ、
T-period ≧ T-width×5
但し、T-periodは、前記複数の電圧パルスの周期であり、T-widthは、前記複数の電圧パルスのパルス幅である
を満たすことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の抵抗変化メモリ。
【請求項5】
前記第1の電圧パルスは、さらに、T-width ≦ Roff×C×0.3を満たすことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の抵抗変化メモリ。
【請求項6】
前記絶縁層は、Al酸化物、Hf酸化物、Ti酸化物及びLa酸化物の少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の抵抗変化メモリ。
【請求項7】
前記抵抗変化素子は、Al酸化物、Hf酸化物、Ti酸化物及びLa酸化物の少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の抵抗変化メモリ。
【請求項8】
前記絶縁層と前記抵抗変化素子は、同一の金属元素及び酸素元素を含み、前記絶縁層内の酸素濃度は、前記抵抗変化素子内の酸素濃度よりも高いことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の抵抗変化メモリ。
【請求項9】
前記制御回路は、前記抵抗変化素子を前記第2の抵抗値から前記第1の抵抗値に変化させる第2の動作を制御し、
前記電圧パルス生成回路は、前記第2の動作において前記メモリセルに印加する第2の電圧パルスを生成し、
前記第2の電圧パルスの極性は、前記第1の電圧パルスの極性と同じであり、
前記第2の電圧パルスの振幅は、前記第1の電圧領域内にあり、かつ、前記第1の電圧パルスの振幅よりも小さい
ことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の抵抗変化メモリ。
【請求項10】
前記制御回路は、前記抵抗変化素子の抵抗値を読み出す第3の動作を制御し、
前記電圧パルス生成回路は、前記第3の動作において前記メモリセルに印加する第3の電圧パルスを生成し、
前記第3の電圧パルスの極性は、前記第1の電圧パルスの極性と同じであり、
前記第3の電圧パルスの振幅は、前記第1の電圧領域内にあり、かつ、前記第1及び第2の電圧パルスの振幅よりも小さい
ことを特徴とする請求項9に記載の抵抗変化メモリ。
【請求項11】
前記制御回路は、前記抵抗変化素子の抵抗値を読み出す第3の動作を制御し、
前記電圧パルス生成回路は、前記第3の動作において前記メモリセルに印加する第3の電圧パルスを生成し、
前記第3の電圧パルスの極性は、前記第1の電圧パルスの極性と異なり、
前記第3の電圧パルスの振幅は、前記積層構造が整流素子として機能する第2の電圧領域内にある
ことを特徴とする請求項9に記載の抵抗変化メモリ。
【請求項12】
前記制御回路は、前記抵抗変化素子を前記第2の抵抗値から前記第1の抵抗値に変化させる第2の動作を制御し、
前記電圧パルス生成回路は、前記第2の動作において前記メモリセルに印加する第2の電圧パルスを生成し、
前記第2の電圧パルスの極性は、前記第1の電圧パルスの極性と異なり、
前記第2の電圧パルスの振幅は、前記第1の電圧領域内にある
ことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の抵抗変化メモリ。
【請求項13】
前記制御回路は、前記抵抗変化素子の抵抗値を読み出す第3の動作を制御し、
前記電圧パルス生成回路は、前記第3の動作において前記メモリセルに印加する第3の電圧パルスを生成し、
前記第3の電圧パルスの極性は、前記第1の電圧パルスの極性と同じであり、
前記第3の電圧パルスの振幅は、前記第1の電圧領域内にあり、かつ、前記第1の電圧パルスの振幅よりも小さい
ことを特徴とする請求項12に記載の抵抗変化メモリ。
【請求項14】
前記制御回路は、前記抵抗変化素子の抵抗値を読み出す第3の動作を制御し、
前記電圧パルス生成回路は、前記第3の動作において前記メモリセルに印加する第3の電圧パルスを生成し、
前記第3の電圧パルスの極性は、前記第2の電圧パルスの極性と同じであり、
前記第3の電圧パルスの振幅は、前記第1の電圧領域内にあり、かつ、前記第2の電圧パルスの振幅よりも小さい
ことを特徴とする請求項12に記載の抵抗変化メモリ。
【請求項15】
前記制御回路は、前記抵抗変化素子を前記第2の抵抗値から前記第1の抵抗値に変化させる第2の動作を制御し、
前記電圧パルス生成回路は、前記第2の動作において前記メモリセルに印加する第2の電圧パルスを生成し、
前記第2の電圧パルスの極性は、前記第1の電圧パルスの極性と異なり、
前記第2の電圧パルスの振幅は、前記積層構造が整流素子として機能する第2の電圧領域内にある
ことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の抵抗変化メモリ。
【請求項16】
前記制御回路は、前記抵抗変化素子の抵抗値を読み出す第3の動作を制御し、
前記電圧パルス生成回路は、前記第3の動作において前記メモリセルに印加する第3の電圧パルスを生成し、
前記第3の電圧パルスの極性は、前記第1の電圧パルスの極性と異なり、
前記第3の電圧パルスの振幅は、前記第2の電圧領域内にあり、かつ、前記第2の電圧パルスの振幅よりも小さい
ことを特徴とする請求項15に記載の抵抗変化メモリ。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【公開番号】特開2012−212477(P2012−212477A)
【公開日】平成24年11月1日(2012.11.1)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−76283(P2011−76283)
【出願日】平成23年3月30日(2011.3.30)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成24年11月1日(2012.11.1)
【国際特許分類】
【出願日】平成23年3月30日(2011.3.30)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【Fターム(参考)】
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