ITO KIMIHIKO (JP)
SUNAMURA HIROSHI (JP)
ITO KIMIHIKO (JP)
| JP2007004849A | 2007-01-11 | |||
| JP2007004873A | 2007-01-11 | |||
| JP4088324B1 | 2008-05-21 |
Akio Miyazaki (JP)
| 第1の電圧パルスが入力されると第1の抵抗状態から該第1の抵抗状態よりも抵抗値の低い第2の抵抗状態に遷移し、第2の電圧パルスが入力されると前記第2の抵抗状態から前記第1の抵抗状態に遷移する特性を有する抵抗変化素子を含み、 前記抵抗変化素子は、前記第1または第2の電圧パルスが入力されても、抵抗状態が遷移しないとき、前記第1または第2の電圧パルスに対して正負の符号が逆で、かつ、電圧振幅が所定の値に設定された第3の電圧パルスが入力される復元処理が行われると、前記特性に復元する、半導体装置。 |
| 前記第1または第2の電圧パルスが入力されたときの前記抵抗変化素子の特性の指標となる評価値を計測する計測部を有し、 前記計測部で計測された前記評価値が予め設定された値に達したときに、極性および電圧値が予め定められた電圧パルスが前記抵抗変化素子に印加されることで、前記復元処理が行われる、請求の範囲第1項に記載の半導体装置。 |
| 前記第1または第2の電圧パルスが入力されたときの前記抵抗変化素子の特性の指標となる評価値を計測する計測部を有し、 前記計測部で計測された前記評価値と予め決められた基準値とが比較され、比較の結果、前記抵抗変化素子が前記特性を示さなければ、極性および電圧値が予め定められた電圧パルスが前記抵抗変化素子に印加されることで、前記復元処理が行われる、請求の範囲第1項に記載の半導体装置。 |
| 前記極性および電圧値が予め定められた電圧パルスが前記第3の電圧パルスと同等である、請求の範囲第2項または第3項に記載の半導体装置。 |
| 前記第1の電圧パルスが前記抵抗変化素子に入力されると、前記計測部は、該抵抗変化素子の抵抗値を前記評価値として計測する、請求の範囲第2項または第3項に記載の半導体装置。 |
| 前記第2の電圧パルスが前記抵抗変化素子に入力されると、前記計測部は、該抵抗変化素子の抵抗値を前記評価値として計測する、請求の範囲第2項または第3項に記載の半導体装置。 |
| 前記計測部が計測した前記評価値に基づいて、前記抵抗変化素子に対して前記復元処理を行うか否かを判定する制御部をさらに有する、請求の範囲第2項から第6項のいずれか1項記載の半導体装置。 |
| 前記第3の電圧パルスの振幅が、前記第1または第2の電圧パルスの振幅の絶対値の0.5倍以上3倍以下である、請求の範囲第1項から第7項のいずれか1項に記載の半導体装置。 |
| 前記第3の電圧パルスの振幅が、前記第1または第2の電圧パルスの振幅の絶対値の0.75倍以上1.5倍以下である、請求の範囲第8項に記載の半導体装置。 |
| 第1の電圧パルスが入力されると第1の抵抗状態から該第1の抵抗状態よりも抵抗値の低い第2の抵抗状態に遷移し、第2の電圧パルスが入力されると前記第2の抵抗状態から前記第1の抵抗状態に遷移する特性を有する抵抗変化素子を含み、 前記抵抗変化素子は、前記第1または第2の電圧パルスが入力されても、抵抗状態が遷移しないとき、入力された電圧パルスよりも振幅の大きい第3の電圧パルスが入力される復元処理が行われると、前記特性に復元する、半導体装置。 |
| 前記第3の電圧パルスの振幅が、前記第1または第2の電圧パルスの振幅の1.01倍以上3倍以下である、請求の範囲第10項に記載の半導体装置。 |
| 前記第3の電圧パルスが2回以上連続して前記抵抗変化素子に入力される、請求の範囲第1項から第11項のいずれか1項に記載の半導体装置。 |
| 前記抵抗変化素子に前記復元処理が行われた後に初めに前記第1または第2の電圧パルスが入力される際、該抵抗変化素子に入力される電圧パルスの振幅が該第1または第2の電圧パルスの振幅の3/4である、請求の範囲第1項から第11項のいずれか1項に記載の半導体装置。 |
| 前記第1および第2の電圧の正負が同じ符号である、請求の範囲第1項から第13項のいずれか1項記載の半導体装置。 |
| 第1の電圧パルスが入力されると第1の抵抗状態から該第1の抵抗状態よりも抵抗値の低い第2の抵抗状態に遷移し、第2の電圧パルスが入力されると前記第2の抵抗状態から前記第1の抵抗状態に遷移する特性を有する抵抗変化素子に対して、電圧パルスを入力する電圧パルス生成部と、 前記抵抗変化素子に前記第1または第2の電圧パルスが入力されても、該抵抗変化素子の抵抗状態が遷移しないとき、前記第1または第2の電圧パルスに対して正負の符号が逆で、かつ、電圧振幅が所定の値に設定された第3の電圧パルスを前記抵抗変化素子に入力する復元処理を前記電圧パルス生成部に行わせる制御部と、 を有する素子再生回路。 |
| 第1の電圧パルスが入力されると第1の抵抗状態から該第1の抵抗状態よりも抵抗値の低い第2の抵抗状態に遷移し、第2の電圧パルスが入力されると前記第2の抵抗状態から前記第1の抵抗状態に遷移する特性を有する抵抗変化素子に対して、電圧パルスを入力する電圧パルス生成部と、 前記抵抗変化素子に前記第1または第2の電圧パルスが入力されても、抵抗状態が遷移しないとき、入力された電圧パルスよりも振幅の大きい第3の電圧パルスを前記抵抗変化素子に入力する復元処理を前記電圧パルス生成部に行わせる制御部と、 を有する素子再生回路。 |
| 第1の電圧パルスが入力されると第1の抵抗状態から該第1の抵抗状態よりも抵抗値の低い第2の抵抗状態に遷移し、第2の電圧パルスが入力されると前記第2の抵抗状態から前記第1の抵抗状態に遷移する特性を有する抵抗変化素子の再生方法であって、 前記抵抗変化素子に前記第1または第2の電圧パルスを入力し、 前記抵抗変化素子に前記第1または第2の電圧パルスを入力しても、該抵抗変化素子の抵抗状態が遷移しないとき、前記第1または第2の電圧パルスに対して正負の符号が逆で、かつ、電圧振幅が所定の値に設定された第3の電圧パルスを前記抵抗変化素子に入力する、素子再生方法。 |
| 第1の電圧パルスが入力されると第1の抵抗状態から該第1の抵抗状態よりも抵抗値の低い第2の抵抗状態に遷移し、第2の電圧パルスが入力されると前記第2の抵抗状態から前記第1の抵抗状態に遷移する特性を有する抵抗変化素子の再生方法であって、 前記抵抗変化素子に前記第1または第2の電圧パルスを入力し、 前記抵抗変化素子に前記第1または第2の電圧パルスが入力しても、抵抗状態が遷移しないとき、入力した電圧パルスよりも振幅の大きい第3の電圧パルスを前記抵抗変化素子に入力する、素子再生方法。 |
本発明は、電極に電圧を印加することに り膜中の電気抵抗を低抵抗状態と高抵抗状 に切り替えることが可能な抵抗変化素子を する半導体装置、素子再生回路および素子 生方法に関する。
近年、書き換え可能な半導体記憶装置と て不揮発性メモリの需要が増加している。 揮発性メモリの代表例であるフラッシュメ リにおいては、フローティングゲートを用 たものが主流であるが、トンネルゲート酸 膜の薄層化が困難であるとされており、微 化限界に近づきつつあるとされている。一 、フラッシュメモリの微細化限界を打破す 不揮発性メモリとして抵抗変化型素子を用 るメモリが提案されている。これらは従来 不揮発性メモリとしてはもちろんのこと高 に動作する汎用メモリとしても期待されて る。
抵抗変化型素子を用いたメモリには、マ ネティックRAM(MRAM)、相変化型RAM(PRAM)、レジ ティブRAM(ReRAM)、プログラマブル・メタライ ゼーション・セル(PMC)などがある。これらに 、それぞれ固有の書き換え条件、抵抗変化 、書き換え回数が存在するが、低抵抗状態 高抵抗状態の間の抵抗比で定義される抵抗 化率が高いものはReRAMおよびPMCであり、よ 高い読み出しマージンが期待できる。
PRAMやReRAM、PMCなどの抵抗変化素子では、 抵抗状態から低抵抗状態へのスイッチング 作はセット動作と呼ばれ、低抵抗状態から 抵抗状態へのスイッチング動作はリセット 作と呼ばれることが多い。本明細書でも、 抵抗状態から低抵抗状態へのスイッチング 作をセット動作と定義し、低抵抗状態から 抵抗状態へのスイッチング動作をリセット 作と定義する。
PMCでは、セット/リセット動作の際にイオ ン伝導および電気化学反応を用いるため、セ ット動作とリセット動作で異なる極性の電圧 を抵抗変化素子に印加する。一方、ReRAMのセ ト/リセット動作では、PMCと同様にセット/ セット動作に異なる極性の電圧を用いる場 と、同一極性(または単極性)の電圧印加によ って行う場合のそれぞれの例が報告されてい る。
ペロブスカイト系の材料を用いたReRAMの 例が米国特許6204139号明細書(以下では、特許 文献1と称する)に開示されている。この文献 開示されたReRAMでは、セットおよびリセッ それぞれの動作毎に異なる極性の電圧パル を抵抗変化素子に印加することにより、セ ト/リセット動作の繰り返しを行うことを可 にしている。
一方、遷移金属酸化物を用いたReRAMの例 、特開2004-363604号公報(以下では、特許文献2 称する)および特開2006-279042号公報(以下では 、特許文献3と称する)に開示されている。こ らの文献に開示されたReRAMでは、セットお びリセットのどちらの動作にも単極性の電 を用いている。単極性の電圧掃引または電 パルス印加によりセット/リセット動作が可 なため、負電圧発生回路が不要であり、メ リ回路における周辺回路を小さくし、セル 有面積を大きく取ることが可能となってい 。
特許文献2および特許文献3に述べられて る遷移金属酸化物を用いた抵抗変化素子ReRAM を有する半導体記憶装置の構成例を、図1を いて簡単に説明する。
図1に示す半導体記憶装置100は、MOS(Metal O xide Semiconductor)型トランジスタ101と、抵抗変 素子102とを有する構成である。MOS型トラン スタ101は、ソース電極111、ドレイン電極112 よびゲート電極114を有する。ソース電極111 よびドレイン電極112となる不純物拡散層が 導体のシリコン基板110の表面に形成され、 リコン酸化膜に代表されるゲート絶縁膜113 シリコン基板110上に形成され、ポリシリコ に代表されるゲート電極114がゲート絶縁膜1 13上に形成されている。
抵抗変化素子102は、2つの電極115、116と、 これら2つの電極に挟まれた可変抵抗体117と 有する。電極115はMOS型トランジスタ101のド イン電極112と接続され、電極116は上層に設 られた配線118と接続されている。
図1に示された半導体記憶装置100において、 単極性の電圧を用いた抵抗変化素子102のスイ ッチング動作について図2を用いて説明する ここでは、抵抗変化素子102の2つの電極115と1 16の間に印加される電圧をV SW と表記する。
半導体記憶装置100において、抵抗変化素子1 02に所望の電圧V SW を印加するためには、V SW より高い電圧をソース電極111と配線118の間に 印加し、MOS型トランジスタ101がオフ状態から オン状態になる閾値電圧以上の電圧をゲート 電極114に印加するとよい。抵抗変化素子102に 印加する電圧V SW と抵抗変化素子102を流れる電流との関係は、 図2のグラフに示す関係となる。
抵抗変化素子102が低抵抗状態すなわちセッ 状態の場合、抵抗変化素子102は、印加電圧V SW に対して図2に示す電圧-電流特性121に従った る舞いを示す。V SW が低い領域では低抵抗状態のため、電流が多 く流れるが、V SW がある電圧V 1 を超えると、電流値が急激に減少する。これ は、抵抗変化素子102が高抵抗状態すなわちリ セット状態へとスイッチングした結果である 。さらにV SW が増加し、V SW がある電圧V 2 を超えると、電流値が急激に増加する。これ は、抵抗変化素子102が再度セット状態へとス イッチングした結果である。
一方、抵抗変化素子102が高抵抗状態すなわ リセット状態の場合、抵抗変化素子102は、 加電圧V SW に対して図2に示す電圧-電流特性122に従った る舞いを示す。V SW が低い領域では高抵抗状態のため、電流が流 れにくいが、電圧V 1 を超えても高抵抗状態は変化しない。さらに V SW が増加し、V SW が電圧V 2 を超えると、電流値が急激に増加する。
図2に示すグラフから、V SW <V 1 の領域では高抵抗状態および低抵抗状態のい ずれも安定であるが、V 1 <V SW <V 2 の領域で高抵抗状態が安定であり、V SW >V 2 の領域で低抵抗状態が安定であることがわか る。特許文献2では、この振る舞いを利用し 、抵抗変化素子に対するリセット動作をV 1 <V SW <V 2 の条件で行い、セット動作をV SW >V 2 の条件で行うとよいとしている。一方で、特 許文献3では、セット動作をV SW >V 2 の条件で電圧パルスを1ナノ秒ないし100ナノ 印加することにより行い、リセット動作をV 1 <V SW <V 2 の条件で、電圧パルスを1マイクロ秒ないし10 0マイクロ秒印加することにより行うのがよ としている。
本発明者らは、半導体記憶装置の研究開 に従事しており、半導体記憶装置の性能改 に関する検討を色々と行っている。特に、 ット時の抵抗値が面積に依存せず低くなる 抗変化素子で、微細化に有利と考えられるR eRAMに関して検討を重ねてきた。ReRAMの中でも 単極性動作が回路構成上重要と考え、遷移金 属酸化物を中心とした抵抗変化材料を検討し ている。半導体記憶装置の性能改善に関して 検討を重ねていくと、いくつかの難点に直面 した。ここでは、その中でも重要と考えられ る点について、以下に述べる。
特許文献2に開示された、上述の構造を試 作し、半導体記憶装置の性能改善を検討して みると、データの書き換えを繰り返し行った 場合、抵抗値が図3に示すように変化してい ことがわかった。すなわち、書き換え回数 増えていくと、ある点で低抵抗状態から高 抗状態への遷移、すなわちリセット動作が 難となり、スイッチング動作が起こらなく るということである。また、一方で、図4に すように、高抵抗状態から低抵抗状態への 移、すなわちセット動作が困難となる場合 生じることがわかった。図3および図4で見 れる現象はいずれも、抵抗変化素子に対し 、書き換え回数を限定するものであり、抵 変化素子の寿命を限定してしまうものであ 。
また、スイッチング動作が起こらなくな 症状として、多数回スイッチング動作を繰 返す前、すなわち、抵抗変化素子を利用し めて比較的初期の段階でも、高抵抗状態か 低抵抗状態への遷移、すなわちセット動作 困難となる場合が生じることもわかった。
本発明において明らかにされる半導体記 装置は、上述した例の抵抗変化素子ReRAMを する半導体装置を作製した上で明らかとな た課題を解決するものである。
本発明の目的の一つは、抵抗変化素子が 抵抗状態または低抵抗状態に固定され、抵 変化素子に所望の特性が得られなくなった に、再度スイッチング動作を可能にした半 体装置、素子再生回路および素子再生方法 提供することである。
本発明の一側面の半導体装置は、第1の電 圧パルスが入力されると第1の抵抗状態から れよりも抵抗値の低い第2の抵抗状態に遷移 、第2の電圧パルスが入力されると第2の抵 状態から第1の抵抗状態に遷移する特性を有 る抵抗変化素子を含み、抵抗変化素子は、 1または第2の電圧パルスが入力されても、 抗状態が遷移しないとき、第1または第2の電 圧パルスに対して正負の符号が逆で、かつ、 電圧振幅が所定の値に設定された第3の電圧 ルスが入力される復元処理が行われると、 記特性に復元するものである。
本発明の一側面の半導体装置は、第1の電 圧パルスが入力されると第1の抵抗状態から れよりも抵抗値の低い第2の抵抗状態に遷移 、第2の電圧パルスが入力されると第2の抵 状態から第1の抵抗状態に遷移する特性を有 る抵抗変化素子を含み、抵抗変化素子は、 1または第2の電圧パルスが入力されても、 抗状態が遷移しないとき、入力された電圧 ルスよりも振幅の大きい第3の電圧パルスが 力される復元処理が行われると、上記特性 復元するものである。
本発明の一側面の素子再生回路は、第1の 電圧パルスが入力されると第1の抵抗状態か それよりも抵抗値の低い第2の抵抗状態に遷 し、第2の電圧パルスが入力されると第2の 抗状態から第1の抵抗状態に遷移する特性を する抵抗変化素子に対して、電圧パルスを 力する電圧パルス生成部と、抵抗変化素子 第1または第2の電圧パルスが入力されても 抵抗変化素子の抵抗状態が遷移しないとき 第1または第2の電圧パルスに対して正負の符 号が逆で、かつ、電圧振幅が所定の値に設定 された第3の電圧パルスを抵抗変化素子に入 する復元処理を電圧パルス生成部に行わせ 制御部と、を有する構成である。
本発明の一側面の素子再生回路は、第1の 電圧パルスが入力されると第1の抵抗状態か それよりも抵抗値の低い第2の抵抗状態に遷 し、第2の電圧パルスが入力されると第2の 抗状態から第1の抵抗状態に遷移する特性を する抵抗変化素子に対して、電圧パルスを 力する電圧パルス生成部と、抵抗変化素子 第1または第2の電圧パルスが入力されても 抵抗状態が遷移しないとき、入力された電 パルスよりも振幅の大きい第3の電圧パルス 抵抗変化素子に入力する復元処理を電圧パ ス生成部に行わせる制御部と、を有する構 である。
本発明の一側面の素子再生方法は、第1の 電圧パルスが入力されると第1の抵抗状態か それよりも抵抗値の低い第2の抵抗状態に遷 し、第2の電圧パルスが入力されると第2の 抗状態から第1の抵抗状態に遷移する特性を する抵抗変化素子の再生方法であって、抵 変化素子に第1または第2の電圧パルスを入 し、抵抗変化素子に第1または第2の電圧パル スを入力しても、抵抗変化素子の抵抗状態が 遷移しないとき、第1または第2の電圧パルス 対して正負の符号が逆で、かつ、電圧振幅 所定の値に設定された第3の電圧パルスを抵 抗変化素子に入力するものである。
本発明の一側面の素子再生方法は、第1の 電圧パルスが入力されると第1の抵抗状態か それよりも抵抗値の低い第2の抵抗状態に遷 し、第2の電圧パルスが入力されると第2の 抗状態から第1の抵抗状態に遷移する特性を する抵抗変化素子の再生方法であって、抵 変化素子に第1または第2の電圧パルスを入 し、抵抗変化素子に第1または第2の電圧パル スが入力しても、抵抗状態が遷移しないとき 、入力した電圧パルスよりも振幅の大きい第 3の電圧パルスを抵抗変化素子に入力するも である。
本発明者らは、上記課題解決に向けて、 抗変化素子の再生方法の検討を重ねてきた 以下、本発明の好適な実施形態を、添付し 図面を参照しつつ説明する。
図5は、本実施形態において、抵抗変化素 子の再生動作を行う半導体装置の一構成例を 示す模式図である。図5に示すように、半導 装置1は、書き換え電源回路14が接続された 抗変化素子10を有する構成である。抵抗変化 素子10は、第1電極11および第2電極12と、これ 2つの電極に挟まれた可変抵抗体13とを有す 。第1電極11は書き換え電源回路14に接続さ 、第2電極12はグラウンド線(接地線)に接続さ れている。
抵抗変化素子10を構成する材料として、 々な可変抵抗体と電極材料の組み合わせが 告されており、抵抗変化素子10に用いられる 材料の組み合わせは問わない。可変抵抗体13 材料としては、ベースとなる金属と合成さ るものとして、酸素、窒素、硫黄、セレン テルルのうちのいずれか、またはそれらの み合わせから成る化合物が挙げられる。そ 中でも、金属と酸素から成る化合物が可変 抗体13の材料の代表例として挙げられる。
可変抵抗体13を構成する金属としては、Cr 、Ti、V、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wが有効で あり、その中でもTi、Ni、Cuが代表例として挙 げられる。可変抵抗体13の成膜には、スパッ リング法やレーザーアブレーション法、気 化学成長法などを用いればよい。可変抵抗 13の膜厚としては、おおよそ5ナノメートル ら300ナノメートルの範囲であることが好ま い。
一方、第1電極11および第2電極12としては 種々の金属を用いることができるが、その でも、TaN、TiN、Ru、Pt、W、Mo、Taなどが代表 として挙げられる。
書き換え電源回路14について説明する。 6は図5に示した書き換え電源回路の一構成例 を示すブロック図である。図6に示すように 書き換え電源回路14は、電圧パルスを生成す る電圧パルス生成部141と、抵抗変化素子10の 抗値を計測する計測部143と、計測部143の計 結果に基づいて電圧パルス生成部141を制御 る制御部142とを有する。制御部142は、プロ ラムにしたがって処理を実行するCPU(Central Processing Unit)とプログラムを格納するメモリ を有する構成でもよく、所定の処理を実行 るための専用回路であってもよい。
電圧パルス生成部141は、電源電圧が外部 ら供給され、制御部142からの指示にしたが て電圧パルスを抵抗変化素子10に出力する 計測部143は、抵抗変化素子10の抵抗値を計測 し、その結果を制御部142に送信する。計測さ れる抵抗値は抵抗変化素子10の特性の指標を す評価値の一例である。抵抗変化素子10の 常な特性とは、セット動作およびリセット 作を正常に行うことが可能な状態を意味す 。
制御部142は、抵抗変化素子10に対してセ ト動作またはリセット動作を指示する旨の き換え指示が外部から入力されると、その 示を電圧パルス生成部141に送り、入力され 指示に対応する電圧パルスを電圧パルス生 部141に出力させる。また、制御部142は、抵 変化素子10の特性が異常であるか否かの判断 基準となる値が予め登録されている。そして 、制御部142は、計測部143から評価値を受け取 ると、その値を判断基準となる値と比較し、 比較の結果、抵抗変化素子10が異常であると 定すると、抵抗変化素子10に対して復元処 を行うことを電圧パルス生成部141に指示す 。復元処理を行うことで、抵抗変化素子10に おいて特性復元過程が行われる。復元処理を 行うための電圧パルスの条件は制御部142に予 め登録されている。
なお、ここでは、抵抗変化素子10の特性 異常であるか否かの判断基準となる値が制 部142に登録されているとしたが、計測部143 登録されていてもよい。また、復元処理を うための電圧パルスの条件が制御部142に登 されているとしたが、電圧パルス生成部141 登録されていてもよい。
また、第2電極12側は、この形態で示した ラウンド線15に限らず、別の回路やトラン スタが接続された形態もありうる。重要な は、抵抗変化素子10の第1電極11と第2電極12の 間に抵抗変化素子10を書き換えるための十分 電圧が印加されるための能力を有する書き え電源回路14であるということである。
また、図5では抵抗変化素子10と書き換え 源回路14が直接接続された形態で描かれて るが、メモリ回路のように抵抗変化素子10と 書き換え電源回路14の間に1または複数個のト ランジスタが設けられていてもよい。
本実施形態の半導体装置は、第1の電圧パ ルスが入力されると高抵抗状態から低抵抗状 態へと遷移し、第2の電圧パルスが入力され と低抵抗状態から高抵抗状態へと遷移する 抗変化素子を有する半導体装置であり、抵 変化素子の特性が意図した変化を示さない に、抵抗変化素子に対して、第1または第2の 電圧パルスと逆符号で、電圧値が所定の範囲 内のいずれかの値に設定された電圧パルスを 印加すると、抵抗変化素子にその特性を復元 する過程が行われる。
また、本実施形態の半導体装置は、第1ま たは第2の電圧パルスが入力された際に抵抗 化素子の特性の指標となる評価値を計測す 手段を備え、計測手段で計測された評価値 、所定の値に達した時に、抵抗変化素子に して、極性および電圧値が予め定められた 圧パルスを印加して、特性を復元する過程 行われてもよい。
また、本実施形態の半導体装置は、第1ま たは第2の電圧パルスが入力された際に抵抗 化素子の特性の指標となる評価値を計測す 手段を備え、計測手段で計測された評価値 予め設定した基準値と比較した結果、意図 た特性が得られない際に、抵抗変化素子に して、極性および電圧値が予め定められた 圧パルスを印加して、特性を復元する過程 行われてもよい。
上記極性および電圧値が予め定められた 圧パルスは、第1または第2の電圧パルスと 符号で、電圧値が所定の範囲内のいずれか 値に設定された電圧パルスであってもよい
そして、抵抗変化素子を低抵抗状態から 抵抗状態に変化させる動作をリセット動作 定義すると、評価値としてリセット動作後 抵抗値が計測され、抵抗変化素子を高抵抗 態から低抵抗状態に変化させる動作をセッ 動作と定義すると、評価値としてセット動 後の抵抗値が計測されてもよい。
上記特性を復元するために行われる過程 おいては、印加される電圧パルスの振幅が 情報を記録する際に印加される電圧パルス 電圧の絶対値の0.5倍以上3倍以下であること が好ましく、0.75倍以上1.5倍以下であること より好ましい。
また、本発明の別の形態の半導体装置は 第1の電圧パルスが入力されると高抵抗状態 から低抵抗状態へと遷移し、第2の電圧パル が入力されると低抵抗状態から高抵抗状態 と遷移する抵抗変化素子を有する半導体装 において、抵抗変化素子の特性が意図した 化を示さない際に、抵抗変化素子に対して 第1または第2の電圧パルスより大きな振幅の 電圧パルスを印加して、特性を復元する過程 が行われる。
上記特性を復元するために行われる過程 おいては、印加される電圧パルスの振幅が 情報を記録する際に印加される電圧パルス 電圧の1.01倍以上3倍以下であることが好ま い。また、上記特性を復元するためのパル が2回以上連続して印加されることが好まし 。
そして、上記特性を復元するために行わ る過程の直後に、情報を記録する際に印加 れる電圧パルスの振幅が、通常の情報を記 する際に印加される電圧パルス振幅の3/4以 であることが好ましい。
また、抵抗変化素子に対して、第1電極お よび第2電極の間に、同符号の電圧を印加す ことにより、低抵抗状態と高抵抗状態との を可逆的に変化させてもよい。
上述した本発明における、抵抗変化素子 有する半導体装置は、現在の集積回路形成 手法を用いて十分実現可能なものであり、 連する半導体装置の集積回路形成技術を有 るものであれば、半導体装置の再生を問題 く行うことができる。所望のセット/リセッ ト動作が起こらなくなってしまった抵抗変化 素子に対して、本発明により明らかにされた 半導体装置の再生方法を用いることにより、 その抵抗変化素子を再度スイッチング可能な 状態に再生し、抵抗変化素子だけでなく、そ の抵抗変化素子を有する半導体装置の寿命を 延ばすことが可能になる。
本発明の半導体装置によれば、抵抗変化 子のスイッチング回数を数100回程度から大 に向上することができ、抵抗変化素子およ 抵抗変化素子を有する半導体装置の寿命を 幅に伸ばすことが可能となる。また、抵抗 化素子を利用し始めて比較的初期の段階で 、高抵抗状態から低抵抗状態へ遷移するス ッチング動作、すなわちセット動作が困難 なる場合が生じた際に、再度スイッチング 作が可能な状態に戻すことが可能となる。 れにより、抵抗変化素子および抵抗変化素 を有する半導体装置の歩留まりを大幅に向 することも可能となる。
上記した本発明の実施の形態についてさ に詳細に説明すべく、以下に、実施例を、 面を参照して詳細に説明する。
本発明者らは、以上の構成を有する半導 装置1中の抵抗変化素子で単極性動作を中心 に検討を行った。膜厚が100ナノメートル、材 料がNiOの可変抵抗体13と、材料がRuの第1電極1 1および第2電極12を有する抵抗変化素子10を作 製した。
以下では、抵抗変化素子10への電圧パル の入力は、外部からの指示入力または制御 142の制御処理により書き換え電源回路14が行 うものとし、その詳細な説明を省略する。
図7は本実施例の半導体装置における抵抗 変化素子の単極性動作の具体例を示すグラフ である。
高抵抗状態から低抵抗状態へのセット動 では、例えば8ボルトの電圧振幅を有し、300 ナノ秒のパルスを印加すればよい。また、低 抵抗状態から高抵抗状態へのリセット動作で は、例えば3ボルトの電圧振幅を有し、50マイ クロ秒のパルスを印加すればよい。このよう な、セット動作およびリセット動作の条件で 高抵抗状態と低抵抗状態の間の繰り返しスイ ッチングが実現可能となっている。
ところで、この抵抗変化素子10では、繰 返して書き換え動作を行うと、数100回程度 では、良好に高抵抗状態と低抵抗状態の間 スイッチングするが、その後に低抵抗状態 ら高抵抗状態への遷移、すなわちリセット 作が困難となり、スイッチング動作が起こ なくなるケースが多々生じた。その様子は 3に示したとおりである。
このような抵抗値の振る舞いは、抵抗変 素子10および半導体装置1の寿命の観点から ましくないが、抵抗変化素子10に対して、 のような手法により、このような振る舞い 回復させ、スイッチング特性を復元するこ ができることがわかった。
特性復元過程として、スイッチング動作 起こらなくなった抵抗変化素子10に対して 通常、情報を記録する際に印加される電圧 ルスとは逆符号の電圧パルスを印加するこ により、スイッチング動作が起こらなくな た抵抗変化素子10を再度スイッチング可能な 状態にすることができる。このように、特性 復元過程を行うことにより、抵抗変化素子10 よび半導体装置1の寿命を大幅に伸ばすこと が可能となる。
図8に、通常の単極性動作時のセット/リ ット動作および特性復元過程に用いる電圧 ルスを模式的に示した。また、図9には通常 セット/リセット動作、スイッチングが起こ らなくなった状態、特性復元過程、および特 性復元後の抵抗値の変遷を模式的に示した。
なお、リセット動作が困難になった場合 特性復元過程に必要な電圧振幅は、上記の 厚を有する可変抵抗体13の場合、-4ボルトか ら-24ボルト程度で、より好ましくは-6ボルト ら-12ボルト程度であった。この場合の、通 のセット動作で必要な電圧振幅は8ボルト程 度である。また、可変抵抗体13となるNiOの膜 が50ナノメートルの場合、高抵抗状態から 抵抗状態へのセット動作では、例えば4ボル の電圧振幅を有するパルスを印加すればよ ったが、この場合の特性復元過程に必要な 圧振幅は、-2ボルトから-12ボルト程度であ 。したがって、リセット動作が困難になっ 場合の特性復元過程では、符号が逆で電圧 幅の絶対値がセット動作の0.5倍から3倍程度 より好ましくは0.75倍から1.5倍程度とすれば よいことになる。
また、特性復元過程において印加するパ スの幅は、1ナノ秒と短いものから1秒と長 ものまで、有効であることがわかった。な 、同じパルスを多数回入力すると、より確 な特性復元が可能であることもわかった。 性復元処理を実行する際、所定の時間内に 圧パルスを2回以上連続して抵抗変化素子10 入力するとよい。
さらに、特性復元過程を行った素子にお て、直後に情報を記録する際には、印加す 電圧パルスの振幅を通常の情報記録時に用 る電圧よりも低く設定することが好ましい とがわかった。例えば、上述した、100ナノ ートルの膜厚を有する可変抵抗体13の場合 通常の情報記録時には8ボルトの電圧振幅を い、特性復元過程では-4ボルトから-12ボル を用いるが、特性復元過程直後の情報記録 には、8ボルトの3/4以下すなわち6ボルト以下 の電圧で十分セット動作が行えることがわか った。
なお、以上では、セット動作およびリセ ト動作の際に同符号の電圧を印加する、単 性動作の場合の特性復元過程について説明 たが、以上の手法はセット動作とリセット 作の際に異なる符号の電圧を印加する、双 性動作の場合の特性復元過程にも拡張可能 ある。
図10に、通常の双極性動作時のセット/リ ット動作および特性復元過程に用いる電圧 ルスを模式的に示した。
例えば、高抵抗状態から低抵抗状態への ット動作では、8ボルトの電圧振幅を有し、 300ナノ秒のパルスを印加し、低抵抗状態から 高抵抗状態へのリセット動作では、セット動 作とは逆符号である-4ボルトの電圧振幅を有 10マイクロ秒のパルスを印加するような場 について説明する。この場合において、低 抗状態から高抵抗状態への遷移、すなわち セット動作が困難となり、スイッチング動 が起こらなくなるケースが生じると、100ナ メートルの膜厚を有する可変抵抗体13では、 特性復元過程に必要な電圧振幅は、-4ボルト ら-24ボルト程度で、より好ましくは-6ボル から-12ボルト程度であった。また、可変抵 体13となるNiOの膜厚が50ナノメートルの場合 高抵抗状態から低抵抗状態へのセット動作 は、例えば4ボルトの電圧振幅を有するパル スを印加すればよかったが、この場合の特性 復元過程に必要な電圧振幅は、-2ボルトから- 12ボルト程度であった。したがって、リセッ 動作が困難になった場合の特性復元過程で 、符号が逆で電圧振幅の絶対値がセット動 の0.5倍から3倍程度、より好ましくは0.75倍 ら1.5倍程度とすればよいことになる。
続いて、本実施例において、別の再生方 を説明する。それは、特性変動を監視して 特性復元過程を行うようにするものである
この再生方法では、リセット動作後に抵 変化素子10の抵抗値の評価を行う。これに り、抵抗変化素子10のリセット動作が確実に 行われたかを管理することが可能となり、特 性復元過程を行うか否かを判断できるように なる。この再生方法の手順を図11に示すフロ チャートを参照して説明する。ここでは、 き換え電源回路14の制御部142が図11に示す手 順で処理を実行する場合で説明する。
制御部142は、外部からリセット動作の指 が入力されると、電圧パルス生成部141にリ ット動作のための電圧パルスを生成させ、 圧パルス生成部141は生成した電圧パルスを 抗変化素子10に印加する(ステップ1)。これ より、抵抗変化素子10を低抵抗状態から高抵 抗状態に変化させる。続いて、計測部143が抵 抗値を計測し、計測値を制御部142に送信する 。制御部142は、計測部143から計測値を受け取 ると、計測値と設定値とを比較する(ステッ 2)。設定値は、抵抗変化素子10が正常にリセ ト動作した場合の抵抗値の下限値であり、 御部142に記録されている。
そして、制御部142は、リセット動作によ 抵抗変化素子10が所望の高抵抗状態になっ いるかを調べるために、計測値が設定値よ も大きいか否かを判定する(ステップ3)。ス ップ3において、抵抗変化素子10の計測値が ット動作後の抵抗値程度の値であると、計 値が設定値よりも小さくなる。計測値が設 値よりも小さいことは、リセット動作が困 になっていることを示しており、意図して る特性変化が得られていないことになる。 のため、制御部142は、抵抗変化素子10に特性 復元過程を起こさせる必要があると判断し、 特性復元処理を実行する(ステップ4)。
一方、ステップ3において、抵抗変化素子 10の計測値がセット動作後の抵抗値よりも十 に高い値であると、計測値が設定値よりも きくなる。計測値が設定値よりも大きいこ は、リセット動作が正常に行われているこ を示しており、意図している特性変化が得 れていることになる。そのため、制御部142 、抵抗変化素子10が正常な特性を示してい と判断し、次の書き換え指示入力によるセ ト動作を行うまで(ステップ5)、待機する。
リセット動作が困難になり、スイッチン が起こらなくなってしまった抵抗変化素子1 0に対して、このような再生方法を行うこと 、抵抗変化素子10を再度スイッチング可能な 状態にすることが可能となることが示された 。これは、抵抗変化素子10をメモリ回路に適 した場合でも、フィールド・プログラマブ ・ゲート・アレイなどに代表される書き換 可能なロジック回路に用いた場合でも、抵 変化素子10および抵抗変化素子10を有する半 導体装置1の寿命を延長することが可能とな ことを意味している。
実施例1では、可変抵抗体13としてNiOを用 たが、可変抵抗体13の材料が異なると、示 挙動が異なってくることが判明した。本実 は、可変抵抗体の材料に実施例1の場合と異 る材料を用いた場合における、抵抗変化素 の再生方法に関する。
本実施例では、膜厚が100ナノメートル、 料がTiO(N)の可変抵抗体13と、材料がRuの第1 極11および第2電極12とを有する抵抗変化素子 10を用いた。
以下では、抵抗変化素子10への電圧パル の入力は、外部からの指示入力または制御 142の制御処理により書き換え電源回路14が行 うものとし、その詳細な説明を省略する。
本実施例の抵抗変化素子10での単極性動 では、高抵抗状態から低抵抗状態へのセッ 動作では、例えば8ボルトの電圧振幅を有し 300ナノ秒のパルスを印加すればよい。また 低抵抗状態から高抵抗状態へのリセット動 では、例えば3ボルトの電圧振幅を有し、50 イクロ秒のパルスを印加すればよい。この うな、セット動作およびリセット動作の条 で高抵抗状態と低抵抗状態の間の繰り返し イッチングが実現可能となっている。
ところで、この抵抗変化素子10では、繰 返して書き換え動作を行うと、数100回程度 では、良好に高抵抗状態と低抵抗状態の間 スイッチングするが、その後に高抵抗状態 ら低抵抗状態への遷移、すなわちセット動 が困難となり、スイッチング動作が起こら くなるケースが多々生じた。NiOではリセッ 動作が困難になる現象が生じたが、TiO(N)で セット動作が困難になった点が実施例1との きな相違である。
このような抵抗値の振る舞いは、抵抗変 素子10および半導体装置1の寿命の観点から ましくないが、抵抗変化素子10に対して、 のような手法により、このような振る舞い 回復させ、スイッチング特性を復元するこ ができることがわかった。
特性復元過程として、スイッチング動作 起こらなくなった抵抗変化素子10に対して 通常、情報を記録する際に印加される電圧 ルスとは逆符号の電圧パルスを印加するこ により、スイッチング動作が起こらなくな た抵抗変化素子10を再度スイッチング可能な 状態にすることができる。このように、特性 復元過程を行うことにより、抵抗変化素子10 よび半導体装置1の寿命を大幅に伸ばすこと が可能となる。
図12に、通常の単極性動作時のセット/リ ット動作および特性復元過程に用いる電圧 ルスを模式的に示した。また、図13には通 のセット/リセット動作、スイッチングが起 らなくなった状態、特性復元過程、および 性復元後の抵抗値の変遷を模式的に示した
なお、セット動作が困難になった場合の 性復元過程に必要な電圧振幅は、上記の膜 を有する可変抵抗体13の場合、-1.5ボルトか -9ボルト程度で、より好ましくは-2.25ボルト から-4.5ボルトであった。この場合の、通常 リセット動作で必要な電圧振幅は3ボルト程 である。また、可変抵抗体13であるTiONの膜 が50ナノメートルの場合、低抵抗状態から 抵抗状態へのリセット動作では、例えば1.5 ルトの電圧振幅を有するパルスを印加すれ よかったが、この場合の特性復元過程に必 な電圧振幅は、-0.75ボルトから-4.5ボルト程 である。したがって、セット動作が困難に った場合の特性復元過程では、符号が逆で 圧振幅の絶対値がリセット動作の0.5倍から3 程度、より好ましくは0.75倍から1.5倍程度と すればよいことになる。
また、特性復元過程において印加するパ スの幅は、1ナノ秒と短いものから1秒と長 ものまで、有効であることがわかった。な 、同じパルスを多数回入力すると、より確 な特性復元が可能であることもわかった。 性復元処理を実行する際、所定の時間内に 圧パルスを2回以上連続して抵抗変化素子10 入力するとよい。
さらに、特性復元過程を行った素子にお て、直後に情報を消去する際には、印加す 電圧パルスの振幅を通常の情報消去時に用 る電圧よりも低く設定することが好ましい とがわかった。例えば、上述した、100ナノ ートルの膜厚を有する可変抵抗体13の場合 通常の情報消去時には3ボルトの電圧振幅を い、特性復元過程では-1.5ボルトから-4.5ボ トを用いるが、特性復元過程直後の情報消 時には、3ボルトの3/4以下すなわち2.25ボルト 以下の電圧で十分セット動作が行えることが わかった。
なお、以上では、セット動作およびリセ ト動作の際に同符号の電圧を印加する、単 性動作の場合の特性復元過程について説明 たが、以上の手法はセット動作とリセット 作の際に異なる符号の電圧を印加する、双 性動作の場合の特性復元過程にも拡張可能 ある。
例えば、高抵抗状態から低抵抗状態への ット動作では、8ボルトの電圧振幅を有し300 ナノ秒のパルスを印加し、低抵抗状態から高 抵抗状態へのリセット動作では、セット動作 とは逆符号である-4ボルトの電圧振幅を有し1 0マイクロ秒のパルスを印加するような場合 ついて説明する。この場合において、高抵 状態から低抵抗状態への遷移、すなわちセ ト動作が困難となり、スイッチング動作が こらなくなるケースが生じると、特性復元 程に必要な電圧振幅は、100ナノメートルの 厚を有する可変抵抗体13の場合、8ボルトか 12ボルト程度であった。また、可変抵抗体13 あるTiONの膜厚が50ナノメートルの場合、低 抗状態から高抵抗状態へのリセット動作で 、例えば-2ボルトの電圧振幅を有するパル を印加すればよかったが、この場合、特性 元過程に必要な電圧振幅は、4ボルトから6ボ ルト程度であった。したがって、セット動作 が困難になった場合の特性復元過程では、符 号が逆で電圧振幅の絶対値がセット動作の2 から3倍程度とすればよいことになる。
続いて、本実施例において、別の再生方 を説明する。それは、特性変動を監視して 特性復元過程を行うようにするものである
この再生方法では、セット動作後に抵抗 化素子10の抵抗値の評価を行う。これによ 、抵抗変化素子10のセット動作が確実に行わ れたかを管理することが可能となり、特性復 元過程を行うか否かを判断できるようになる 。
以下に説明する再生方法の手順は、図11 示すフローチャートにおいて、ステップ1の ット動作とステップ5のリセット動作とが入 れ替わり、ステップ3の設定値と不等号の向 が変わることを除いて、実施例1と同様にな 。設定値は、抵抗変化素子10が正常にセッ 動作した場合の抵抗値の上限値となる。以 では、図11を参照しながら、その手順の概要 を説明する。なお、制御部142が本再生方法を 実行する場合は、実施例1の説明と同様にな ため、その詳細な説明を省略する。
まず、ステップ1において、抵抗変化素子 10に対してセット動作を行う。すなわち、セ ト動作に必要な電圧パルスを抵抗変化素子1 0に印加して、抵抗変化素子10を高抵抗状態か ら低抵抗状態に変化させる。続いて、抵抗変 化素子10の抵抗値を計測する。この際の抵抗 化素子10の計測値と設定値とを比較し(ステ プ2)、セット動作によって所望の低抵抗状 になっているかを判定する(ステップ3)。ス ップ3において、抵抗変化素子10の計測値が セット動作後の抵抗値程度の値である場合 セット動作が困難になっていることを示し おり、意図している特性変化が得られてい いこととなり、特性復元過程が必要である よって、このステップ3において、特性復元 程が必要と判定した場合、ステップ4に進み 、特性復元過程を行う。一方で、抵抗変化素 子10の計測値がリセット動作後の抵抗値から 分に低くなっている場合は、次回のスイッ ングが可能である(ステップ5)。
セット動作が困難で、スイッチングが起 らなくなってしまった抵抗変化素子に対し 、このような再生方法を用いることで、抵 変化素子10を再度スイッチング可能な状態 することができる。これは、抵抗変化素子10 をメモリ回路に適用した場合でも、フィール ド・プログラマブル・ゲート・アレイなどに 代表される書き換え可能なロジック回路に用 いた場合でも、抵抗変化素子10および抵抗変 素子10を有する半導体装置1の寿命を延長す ことが可能となることを意味している。
実施例1および実施例2では、抵抗変化素 の書き換え回数が増えていくと、低抵抗状 から高抵抗状態に遷移するスイッチング動 、または高抵抗状態から低抵抗状態に遷移 るスイッチング動作がある時点で起こらな なるという症状に対する、抵抗変化素子の 生方法を示した。
スイッチング動作が起こらなくなる症状 、スイッチング動作を多数回繰り返した後 段階に限らず、スイッチング動作を多数回 り返す前の、抵抗変化素子を利用し始めて 較的初期の段階でも起こりうることがわか た。抵抗変化素子を利用し始めて比較的初 の段階でも、高抵抗状態から低抵抗状態に 移するスイッチング動作であるセット動作 困難となる場合が生じることもわかった。 実施例は、初期段階でスイッチング動作が きなくなってしまった抵抗変化素子の再生 法に関するものである。
本実施例では、膜厚が100ナノメートル、 料がNiOの可変抵抗体13と、材料がRuの第1電 11および第2電極12を有する抵抗変化素子10を いて説明する。以下では、抵抗変化素子10 の電圧パルスの入力は、外部からの指示入 または制御部142の制御処理により書き換え 源回路14が行うものとし、その詳細な説明を 省略する。
本実施例の抵抗変化素子10での単極性動 では、図7に示したように、高抵抗状態から 抵抗状態へのセット動作では、例えば8ボル トの電圧振幅を有し300ナノ秒のパルスを印加 すればよい。また、低抵抗状態から高抵抗状 態へのリセット動作では、例えば3ボルトの 圧振幅を有し50マイクロ秒のパルスを印加す ればよい。このような、セット動作およびリ セット動作の条件で高抵抗状態と低抵抗状態 の間の繰り返しスイッチングが実現可能とな っている。
ところで、この抵抗変化素子10では、抵 変化素子10を利用し始めて比較的初期の段階 に、高抵抗状態から低抵抗状態への遷移、す なわちセット動作が困難となり、スイッチン グ動作が起こらなくなるケースが多々生じた 。このようなケースは抵抗変化素子10および 導体装置1の歩留まりの観点から好ましくな いが、抵抗変化素子10に対して、次のような 法により、このような振る舞いを回復させ スイッチング特性を復元することができる とがわかった。
特性復元過程として、スイッチング動作 起こらなくなった抵抗変化素子10に対して 通常、情報を記録する際に印加される電圧 ルスより大きな電圧振幅を有する電圧パル を印加することにより、スイッチング動作 起こらなくなった抵抗変化素子10を再度スイ ッチング可能な状態にすることができる。こ のように、特性復元過程を行うことにより、 抵抗変化素子10および半導体装置1の歩留まり を大幅に伸ばすことが可能となる。
図14に、通常の単極性動作時のセット/リ ット動作および特性復元過程に用いる電圧 ルスを模式的に示した。また、図15には通 のセット/リセット動作、スイッチングが起 らなくなった状態、特性復元過程、および 性復元後の抵抗値の変遷を模式的に示した
なお、セット動作が困難になった場合の 性復元過程に必要な電圧振幅は、上記の膜 を有する可変抵抗体13の場合、8.1ボルトか 24ボルト程度で、より好ましくは8.8ボルトか ら18ボルト程度であった。この場合の、通常 セット動作で必要な電圧振幅は8ボルト程度 である。また、可変抵抗体13となるNiOの膜厚 50ナノメートルの場合、高抵抗状態から低 抗状態へのセット動作では、例えば4ボルト 電圧振幅を有するパルスを印加すればよか たが、この場合の特性復元過程に必要な電 振幅は、4.05ボルトから12ボルト程度である したがって、セット動作が困難になった場 の特性復元過程では、符号が逆で電圧振幅 絶対値がセット動作の1.01倍から3倍程度と ればよいことになる。
また、特性復元過程において印加するパ スの幅は、1ナノ秒と短いものから1秒と長 ものまで、有効であることがわかった。ま 、同じパルスを多数回入力すると、より確 な特性復元が可能であることもわかった。 性復元処理を実行する際、所定の時間内に 圧パルスを2回以上連続して抵抗変化素子10 入力するとよい。
さらに、特性復元過程を行った素子にお て、直後に情報を記録する際には、印加す 電圧パルスの振幅を通常の情報記録時に用 る電圧よりも低く設定することが好ましい とがわかった。直後に印加する電圧パルス 振幅は、実施例1または実施例2と同様に、 報の書き換えの際に印加される電圧パルス 振幅の3/4程度あればよい。
なお、以上では、セット動作およびリセ ト動作の際に同符号の電圧を印加する、単 性動作の場合の特性復元過程について説明 たが、以上の手法はセット動作とリセット 作の際に異なる符号の電圧を印加する、双 性動作の場合の特性復元過程にも拡張可能 ある。
例えば、高抵抗状態から低抵抗状態への ット動作では、8ボルトの電圧振幅を有し300 ナノ秒のパルスを印加し、低抵抗状態から高 抵抗状態へのリセット動作では、セット動作 とは逆符号である-4ボルトの電圧振幅を有し1 0マイクロ秒のパルスを印加するような場合 ついて説明する。この場合において、高抵 状態から低抵抗状態への遷移、すなわちセ ト動作が困難となり、スイッチング動作が こらなくなるケースが生じると、特性復元 程に必要な電圧振幅は、100ナノメートルの 厚を有する可変抵抗体13の場合、8.1ボルトか ら24ボルト程度であった。また、可変抵抗体1 3であるNiOの膜厚が50ナノメートルの場合、高 抵抗状態から低抵抗状態へのセット動作では 、例えば4ボルトの電圧振幅を有するパルス 印加すればよかったが、この場合の特性復 過程に必要な電圧振幅は、4.05ボルトから12 ルト程度であった。したがって、セット動 が困難になった場合の特性復元過程では、 号が逆で電圧振幅の絶対値がセット動作の1. 01倍から3倍程度とすればよいことになる。
続いて、本実施例において、別の再生方 を説明する。それは、特性変動を監視して 特性復元過程を行うようにするものである
この再生方法では、セット動作後に抵抗 化素子10の抵抗値の評価を行う。これによ 、抵抗変化素子10のセット動作が確実に行わ れたかを管理することが可能となり、特性復 元過程を行うか否かを判断できるようになる 。
以下に説明する再生方法の手順は、図11 示すフローチャートにおいて、ステップ1の ット動作とステップ5のリセット動作とが入 れ替わり、ステップ3の設定値と不等号の向 が変わることを除いて、実施例1と同様にな 。設定値は、抵抗変化素子10が正常にセッ 動作した場合の抵抗値の上限値となる。以 では、図11を参照しながら、その手順の概要 を説明する。なお、制御部142が本再生方法を 実行する場合は、実施例1の説明と同様にな ため、その詳細な説明を省略する。
まず、ステップ1において、抵抗変化素子 10に対してセット動作を行う。すなわち、セ ト動作に必要な電圧パルスを印加して、抵 変化素子10を高抵抗状態から低抵抗状態に 化させる。続いて、抵抗変化素子10の抵抗値 を計測する。この際の抵抗変化素子10の計測 と設定値とを比較し(ステップ2)、セット動 によって所望の低抵抗状態になっているか 判定する(ステップ3)。ステップ3において、 抵抗変化素子10の計測値がリセット動作後の 抗値程度の値である場合、セット動作が困 になっていることを示しており、意図して る特性変化が得られていないこととなり、 性復元過程が必要である。よって、このス ップ3において、特性復元過程が必要と判定 した場合、ステップ4に進み、特性復元過程 行う。一方で、抵抗変化素子10の計測値がリ セット動作後の抵抗値から十分に低くなって いる場合は、次回のスイッチングが可能であ る(ステップ5)。
利用し始めて比較的初期の段階に抵抗変 素子10のセット動作が困難になり、スイッ ングが起こらなくなってしまった抵抗変化 子10に対して、このような再生方法を用いる ことで、抵抗変化素子10を再度スイッチング 能な状態にすることが可能となることが示 れた。なお、この手法は、繰り返し動作を 数回行った後に、セット動作が困難になっ 場合でも適用可能である。これは、抵抗変 素子10をメモリ回路に適用した場合でも、 ィールド・プログラマブル・ゲート・アレ などに代表される書き換え可能なロジック 路に用いた場合でも、抵抗変化素子10および 抵抗変化素子10を有する半導体装置1の歩留ま りを向上し、寿命を延長することが可能とな ることを意味している。
また、本実施例では、利用し始めて比較 初期の段階に抵抗変化素子10のセット動作 困難になった場合における、抵抗変化素子10 の特性復元処理について説明したが、リセッ ト動作が困難になった場合にも、本実施例の 再生方法を適用してもよい。
上述したように、電極に電圧を印加する とで膜中の電気抵抗を低抵抗状態と高抵抗 態の間で切り替えることが可能な抵抗変化 子を有する半導体装置に関して、データの き換えを繰り返し行ったところ、セット動 ・リセット動作が困難となり、高抵抗状態 たは低抵抗状態のいずれかに固定され、所 の動作が得られなくなった際に、本発明に かる実施例1から3で説明した、半導体装置 再生方法により、抵抗変化素子を再度スイ チング動作が可能な状態にすることができ 。
本発明により、抵抗変化素子およびそれ 有する半導体装置の寿命を延ばすことが可 となる。また、抵抗変化素子およびそれを する半導体装置の歩留まりを向上すること 可能となる。この抵抗変化素子の適用範囲 、抵抗変化素子をマトリクス上に並べて構 される半導体記憶装置、および抵抗変化素 を第1回路と第2回路を接続するスイッチと て用いる半導体装置まで、広範囲に及ぶと 待できる。
また、抵抗変化素子としては、前述したR eRAM以外にも、様々な構成がある。その他の 成の抵抗変化素子であっても、書き換え可 回数が有限であり、データを記録する際に いる電圧と逆符号のパルスによって特性を 復されることが可能である抵抗変化素子で れば、本発明を適用することが可能である また、書き換え可能回数が有限であり、デ タを記録する際に用いる電圧より大きな電 振幅を有するパルスによって特性を回復さ ることが可能である抵抗変化素子であれば 本発明を適用することが可能である。
以上、実施形態および実施例を参照して 願発明を説明したが、本願発明は上記実施 態および実施例に限定されるものではない 本願発明の構成や詳細には、本願発明のス ープ内で当業者が理解し得る様々な変更を ることができる。
なお、この出願は、2008年5月30日に出願さ れた日本出願の特願2008-142453の内容が全て取 込まれており、この日本出願を基礎として 先権を主張するものである。
1 半導体装置
10 抵抗変化素子
11 第1電極
12 第2電極
13 可変抵抗体
14 書き換え電源回路
15 グラウンド線
141 電圧パルス生成部
142 制御部
143 計測部
Next Patent: RELAY CONTROLLER