[发明专利]非易失性存储元件的数据写入方法和非易失性存储装置

说明书

技术领域

本发明涉及电阻值根据所赋予的电信号而变化的电阻变化型的非易失性存储元件的数据写入方法、以及实施该方法的非易失性存储装置。

背景技术

近年来，伴随数字技术的进展，便携信息设备和信息家电等的电子设备进一步实现高功能化。因此，搭载于这些设备中的非易失性存储装置的大容量化、写入电力的降低、写入/读出时间的缩短化以及长寿命化等的要求提高。针对这样的要求，由于现有的使用浮栅的闪存的微细化存在极限，所以，存在难以实现大容量化等的问题。因此，正在进行具备具有电阻值根据电信号而以可逆的方式变化的性质的电阻变化型的非易失性存储元件的非易失性存储装置的研究开发。

上述非易失性存储元件由通过下部电极和上部电极夹持电阻变化层这样的非常简单的构造构成。而且，仅通过对该上下电极之间赋予具有某个阈值以上的大小的电压的规定电脉冲，电阻变化层就变化为高电阻状态或低电阻状态。通过使这些不同的电阻状态和数据对应起来，进行信息的记录。这样，在电阻变化型的非易失性存储元件的情况下，由于其构造和动作简单，所以期待能够进一步实现微细化和低成本化等。并且，由于在100ns以下的级别可能引起高电阻状态和低电阻状态的状态变化，所以，从高速动作的观点来看也受到关注。

这种非易失性存储元件根据电阻变化层所使用的材料（电阻变化材料）而大致分类为2种。其中之一是专利文献1等所公开的将钙钛矿材料（例如Pr_（1-x）Ca_xMnO₃（PCMO）、LaSrMnO₃（LSMO）、GdBaCo_xO_y（GBCO）等）用作电阻变化材料的非易失性存储元件。并且，另一种是将二维系的过渡金属氧化物用作电阻变化材料的非易失性存储元件。与上述钙钛矿材料相比，二维系的过渡金属氧化物的组成和构造非常简单，所以，制造工序中的组成控制和成膜容易。而且，还具有与半导体制造工艺之间的匹配性比较良好的优点，近年来进行大量研究。

关于电阻变化的物理机械原理，还有很多不明之处，但是，近年来的研究结果认为，在二维系的过渡金属氧化物中形成导电性的细丝（filament），通过氧化还原来改变该细丝中的缺陷密度，从而产生电阻变化（例如参照专利文献2和非专利文献1。）。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：美国专利第6473332号说明书

专利文献2：日本特开2008-306157号公报

非专利文献

非专利文献1：R.Waser et al.,Advanced Materials,NO21,2009,pp.2632-2663

发明内容

发明要解决的课题

非易失性存储元件如其名称那样具有如下性质：在以电气方式存储信息后，即使切断电源，也能够保持信息而不会失效（消失、劣化、变化）。但是，一般地，任何非易失性存储元件也不能避免所存储的信息在某个有限的时间内变化。

电阻变化型的非易失性存储元件也不例外，具有临时存储的信息随着时间的经过而逐渐变化的性质。该情况下，作为所设定的电阻值的经时变化来观测信息的变化。一般地，公知有如下现象：当经过某个程度的较长时间（例如100小时以上）时，高电阻状态逐渐变化为低电阻状态或低电阻状态逐渐变化为高电阻状态，由此，所存储的信息劣化。

除了这种由于电阻值在较长时间内缓慢变化而导致的信息的劣化（保持特性劣化）以外，发明人等发现电阻值在短时间内增减的新型的电阻值的变化现象。该现象是在对非易失性存储元件施加电脉冲后在数分钟以内的短时间内设定电阻值随机变化的现象，在使用钽（Ta）的氧化物作为电阻变化材料的非易失性存储元件中观测到该现象。另外，在使用镍（Ni）氧化物的电阻变化型的非易失性存储元件中也报告了同样的现象（非专利文献2：Daniele lelmini以外，Appl.Phys.Lett.,Vol.96,2010,pp.53503），认为是在电阻变化型的非易失性存储元件中普遍产生的现象。

但是，至今尚未提出抑制在该短时间内变动的电阻值的变动（即摆动）的有效方法。另外，在本说明书中，与上述长时间内的电阻变动现象进行区分，将这种短时间内的电阻变动现象表现为“电阻值的摆动”或仅表现为“摆动”。