專(zhuān)利名稱(chēng)：非易失性存儲(chǔ)元件的驅(qū)動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非易失性存儲(chǔ)元件，尤其涉及按照被施加的電信號(hào)發(fā)生電阻值的變化 的電阻變化型的非易失性存儲(chǔ)元件的驅(qū)動(dòng)方法。
背景技術(shù)：
近些年，隨著數(shù)字技術(shù)的進(jìn)展，進(jìn)一步提高了移動(dòng)信息設(shè)備以及信息家電等的電 子設(shè)備的功能化。因此，越來(lái)越提高了對(duì)非易失性存儲(chǔ)元件的大容量化、寫(xiě)入電力的減少、 寫(xiě)入/讀出時(shí)間的高速化、以及長(zhǎng)壽命化的需求。一般被認(rèn)為，對(duì)于這些需求，利用了現(xiàn)有的浮動(dòng)?xùn)诺拈W存的細(xì)微化有限度。于是， 最近，將電阻變化層作為存儲(chǔ)部的材料來(lái)利用的新的電阻變化型的非易失性存儲(chǔ)元件引人注目。該電阻變化型的非易失性存儲(chǔ)元件被構(gòu)成為，在下部電極與上部電極之間以與兩 個(gè)電極相接的方式設(shè)置了電阻變化層的非常單純的構(gòu)造。而且，只要在該上下的電極之間 提供具有某閾值以上的大小的電壓的規(guī)定的電脈沖，電阻就變?yōu)楦唠娮锠顟B(tài)或低電阻狀 態(tài)。而且，使這些不同的電阻狀態(tài)與數(shù)值相對(duì)應(yīng)來(lái)進(jìn)行信息的記錄。根據(jù)這些單純的構(gòu)造以 及工作，電阻變化型的非易失性存儲(chǔ)元件被期待能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)一步的細(xì)微化或低成本化。進(jìn) 而，由于也存在以lOOnsec以下的等級(jí)來(lái)發(fā)生高電阻與低電阻之間的狀態(tài)變化的情況，因 此也在高速工作的觀點(diǎn)來(lái)被關(guān)注，提出了各種方案。最近，尤其提出了與在電阻變化層使用了金屬氧化物的電阻變化型的非易失性存 儲(chǔ)元件有關(guān)的許多方案。根據(jù)在電阻變化層利用的材料，這些使用了金屬氧化物的電阻變 化型的非易失性存儲(chǔ)元件大致被分類(lèi)為兩種。一種是，專(zhuān)利文獻(xiàn)1等所公開(kāi)的將鈣鈦礦材 料(Pr U CaxMnO3 (PCMO)，LaSrMnO3 (LSMO)，GdBaCoxOy (GBCO)等)作為電阻變化層來(lái)使用的 電阻變化型的非易失性存儲(chǔ)元件。另一種是，利用了作為僅由過(guò)渡金屬和氧構(gòu)成的化合物的2元系的過(guò)渡金屬氧化 物的電阻變化型的非易失性存儲(chǔ)元件。2元系的過(guò)渡金屬氧化物，與所述的鈣鈦礦材料相 比，組成中的構(gòu)造非常單純，因此制造時(shí)的組成控制以及成膜比較容易。而且，也有與半導(dǎo) 體制造過(guò)程的匹配性也比較良好的優(yōu)點(diǎn)，因此，最近其研究特別活力。例如，在專(zhuān)利文獻(xiàn)2中公開(kāi)，對(duì)于電阻變化材料，將鎳(Ni)、鈳(Nb)、鈦(Ti)、鋯 ⑶、鉿(Hf)、鈷(Co)、鐵(Fe),^ (Cu)、鉻(Cr)等的過(guò)渡金屬的化學(xué)量論組成的氧化物、 以及氧不足于化學(xué)量論組成的氧化物(以下，稱(chēng)為缺氧型的氧化物)作為電阻變化材料來(lái) 使用的非易失性存儲(chǔ)元件。進(jìn)而，在專(zhuān)利文獻(xiàn)3中還公開(kāi)，將缺氧型的鉭(Ta)的氧化物 作為電阻變化材料來(lái)使用的非易失性存儲(chǔ)元件，報(bào)告了將Ta氧化物層表示為T(mén)aOx時(shí)滿(mǎn)足 0.8 ^ x^ 1.9(若換算為氧濃度，則44. 4%至65. 5% )的范圍內(nèi)的電阻變化現(xiàn)象。在此，進(jìn)一步，對(duì)缺氧型的氧化物進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。例如，周知的是，在Ta的情況下， Ta2O5為具有化學(xué)量論組成的氧化物。在該Tii2O5中，以2 5的比例來(lái)包含Ta原子和0原 子，以含氧率來(lái)表示為71. 4atm%。將含氧率比該含氧率71.低的狀態(tài)的氧化物稱(chēng)為缺氧型的氧化物。而且，在該例子的情況下，由于是Ta的氧化物，因此可以表示為缺氧型的 Ta氧化物。(先行技術(shù)文獻(xiàn))(專(zhuān)利文獻(xiàn))專(zhuān)利文獻(xiàn)1 (日本)特開(kāi)2005-340806號(hào)公報(bào)專(zhuān)利文獻(xiàn)2 (日本)特開(kāi)2006-140464號(hào)公報(bào)專(zhuān)利文獻(xiàn)3 (日本)國(guó)際公開(kāi)第2008/059701號(hào)公報(bào)發(fā)明的概要發(fā)明要解決的課題非易失性存儲(chǔ)元件是一種元件，其所具有的性質(zhì)是，在電氣性地存儲(chǔ)信息后，即使 電源被斷開(kāi)，信息也不會(huì)消失(揮發(fā))而被保持。因此，非易失性存儲(chǔ)元件被要求的最重要 的特性之一是，信息的保持特性高。也就是說(shuō)，非易失性存儲(chǔ)元件需要的能力是，一旦寫(xiě)入 后的信息不會(huì)劣化，而在某種程度的長(zhǎng)期間內(nèi)被保持。其信息的保持能力越高越好。然而， 一般而言，任何非易失性存儲(chǔ)元件，都不能避免在某有限的時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)信息揮發(fā)。本發(fā)明涉及的電阻變化型的非易失性存儲(chǔ)元件也不是例外，具有一旦存儲(chǔ)的信息 隨著時(shí)間的經(jīng)過(guò)而逐漸揮發(fā)的性質(zhì)。電阻變化型的非易失性元件中的信息的揮發(fā)是，因設(shè) 定的電阻值的經(jīng)時(shí)變化而發(fā)生的。也就是說(shuō)，從高電阻狀態(tài)向低電阻狀態(tài)發(fā)生變化，或者， 從低電阻狀態(tài)向高電阻狀態(tài)發(fā)生變化，從而存儲(chǔ)信息揮發(fā)。特別是，容易發(fā)生的信息的揮發(fā) 現(xiàn)象為，前者的設(shè)定為高電阻狀態(tài)的非易失性存儲(chǔ)元件的電阻值隨著時(shí)間的經(jīng)過(guò)而逐漸降 低。然而，對(duì)于電阻變化型的非易失性存儲(chǔ)元件，目前，發(fā)生這些變化的原因未知，沒(méi) 有公開(kāi)抑制處于存儲(chǔ)的信息的保持狀態(tài)的非易失性存儲(chǔ)元件的電阻狀態(tài)的變化的方法。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于如上所述的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供使電阻變化型的非易失性元件的信 息的保持特性提高的信息的寫(xiě)入方法。用于解決課題的手段本發(fā)明的非易失性存儲(chǔ)元件的驅(qū)動(dòng)方法，所述非易失性存儲(chǔ)元件具備第一電極、 第二電極、以及電阻變化層，所述電阻變化層介于所述第一電極與所述第二電極之間、且被 設(shè)置為與所述第一電極以及所述第二電極相接，根據(jù)提供到所述第一電極與所述第二電極 之間的極性不同的電信號(hào)，所述電阻變化層的電阻狀態(tài)發(fā)生可逆變化，所述電阻變化層包 含缺氧型的過(guò)渡金屬氧化物層，所述非易失性存儲(chǔ)元件的驅(qū)動(dòng)方法包括第一寫(xiě)入工序，在 所述第一電極與所述第二電極之間施加具有第一極性的第一電壓，從而使所述電阻變化層 成為表示第一邏輯信息的低電阻狀態(tài)；第二寫(xiě)入工序，在所述第一電極與所述第二電極之 間施加具有與所述第一極性不同的第二極性的第二電壓，從而使所述電阻變化層成為電阻 值比所述低電阻狀態(tài)高的第一高電阻狀態(tài)；以及回寫(xiě)工序，在所述第二寫(xiě)入工序之后，在所 述第一電極與所述第二電極之間施加具有所述第一極性且電壓的絕對(duì)值比所述第一電壓 小的第三電壓，從而使所述電阻變化層成為電阻值比所述低電阻狀態(tài)高且電阻值比所述第 一高電阻狀態(tài)低的、表示與所述第一邏輯信息不同的第二邏輯信息的第二高電阻狀態(tài)。
并且，也可以是，在所述回寫(xiě)工序中，所述非易失性存儲(chǔ)元件與負(fù)荷電阻串聯(lián)連接 來(lái)構(gòu)成串聯(lián)電路，在所述串聯(lián)電路施加具有所述第一極性的電壓，從而在所述非易失性存 儲(chǔ)元件的所述第一電極與所述第二電極之間施加相當(dāng)于所述第三電壓的分壓。并且，也可以是，在所述回寫(xiě)工序中，所述非易失性存儲(chǔ)元件與作為所述負(fù)荷電阻 的晶體管的溝道串聯(lián)連接來(lái)構(gòu)成所述串聯(lián)電路，在將規(guī)定的電壓施加到所述晶體管的柵極 而使所述晶體管的溝道電阻成為規(guī)定的電阻值的狀態(tài)下，在所述串聯(lián)電路施加具有所述第 一極性的電壓，從而在所述非易失性元件的所述第一電極與所述第二電極之間施加相當(dāng)于 所述第三電壓的分壓。并且，本發(fā)明的非易失性存儲(chǔ)裝置包括非易失性存儲(chǔ)元件以及驅(qū)動(dòng)電路，所述非 易失性存儲(chǔ)元件具備第一電極、第二電極、以及電阻變化層，所述電阻變化層介于所述第一 電極與所述第二電極之間、且被設(shè)置為與所述第一電極以及所述第二電極相接，根據(jù)提供 到所述第一電極與所述第二電極之間的極性不同的電信號(hào)，所述電阻變化層的電阻狀態(tài)發(fā) 生可逆變化，所述電阻變化層包含缺氧型的過(guò)渡金屬氧化物層，所述驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行以下的 工序第一寫(xiě)入工序，在所述第一電極與所述第二電極之間施加具有第一極性的第一電壓， 從而使所述電阻變化層成為表示第一邏輯信息的低電阻狀態(tài)；第二寫(xiě)入工序，在所述第一 電極與所述第二電極之間施加具有與所述第一極性不同的第二極性的第二電壓，從而使所 述電阻變化層成為電阻值比所述低電阻狀態(tài)高的第一高電阻狀態(tài)；以及回寫(xiě)工序，在所述 第二寫(xiě)入工序之后，在所述第一電極與所述第二電極之間施加具有所述第一極性且電壓的 絕對(duì)值比所述第一電壓小的第三電壓，從而使所述電阻變化層成為電阻值比所述低電阻狀 態(tài)高且電阻值比所述第一高電阻狀態(tài)低的、表示與所述第一邏輯信息不同的第二邏輯信息 的第二高電阻狀態(tài)。并且，也可以是，所述第一電極以及所述第二電極分別與第一布線以及第二布線 電連接，所述驅(qū)動(dòng)電路，第一電源，在所述第一寫(xiě)入工序中，將用于在所述第一電極與所述 第二電極之間施加所述第一電壓的電壓提供到所述第一布線與所述第二布線之間；第二電 源，在所述第二寫(xiě)入工序中，將用于在所述第一電極與所述第二電極之間施加所述第二電 壓的電壓提供到所述第一布線與所述第二布線之間；以及第三電源，在所述回寫(xiě)工序中，將 用于在所述第一電極與所述第二電極之間施加所述第三電壓的電壓提供到所述第一布線 與所述第二布線之間。也可以是，所述第三電源具備與所述非易失性存儲(chǔ)元件串聯(lián)連接的負(fù)荷電阻元 件。也可以是，所述負(fù)荷電阻元件是與所述非易失性存儲(chǔ)元件串聯(lián)連接的晶體管。也可以是，所述電阻變化層由氧濃度不同的至少兩層缺氧型的過(guò)渡金屬氧化物層 形成，氧濃度高的缺氧型的過(guò)渡金屬氧化物層與所述第一電極或所述第二電極接觸。也可以是，所述過(guò)渡金屬為鉭。也可以是，所述驅(qū)動(dòng)電路，每當(dāng)進(jìn)行所述第二寫(xiě)入工序后，接著進(jìn)行所述回寫(xiě)工序。并且，也可以是，所述驅(qū)動(dòng)電路，在針對(duì)非易失性存儲(chǔ)裝置的電源斷開(kāi)之前、或在 轉(zhuǎn)移到待機(jī)狀態(tài)之前、或在這兩者之前，進(jìn)行所述回寫(xiě)工序。并且，也可以是，所述非易失性存儲(chǔ)裝置包括多個(gè)非易失性存儲(chǔ)元件，所述驅(qū)動(dòng)電 路，在電源斷開(kāi)之前，從所述多個(gè)非易失性存儲(chǔ)元件之中檢測(cè)處于所述第一高電阻狀態(tài)的非易失性存儲(chǔ)元件，對(duì)檢測(cè)出的所述非易失性存儲(chǔ)元件進(jìn)行所述回寫(xiě)工序。并且，也可以是，預(yù)先規(guī)定所述第一高電阻狀態(tài)的電阻值與第二高電阻狀態(tài)的電 阻值之間的閾值，對(duì)從所述非易失性存儲(chǔ)元件讀出的電阻值與所述閾值進(jìn)行比較，從而檢 測(cè)處于所述第一高電阻狀態(tài)的非易失性存儲(chǔ)元件。并且，也可以是，在所述非易失性存儲(chǔ)裝置為空閑狀態(tài)時(shí)，所述驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行所述 回寫(xiě)工序。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明涉及的非易失性存儲(chǔ)元件的驅(qū)動(dòng)方法以及本發(fā)明涉及的非易失性存 儲(chǔ)裝置，寫(xiě)入的信息的保持能力提高。


圖1是示出本發(fā)明的實(shí)施例1涉及的非易失性存儲(chǔ)元件的結(jié)構(gòu)的截面模式圖。圖2(a)至(C)是示出本發(fā)明的實(shí)施例1涉及的非易失性存儲(chǔ)元件的電阻值和脈 沖施加次數(shù)的關(guān)系的圖。圖3是示出本發(fā)明的實(shí)施例1涉及的非易失性存儲(chǔ)元件的電阻值的在210°C的電 阻值的保持特性的圖。圖4(a)至(C)是說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例1涉及的向非易失性存儲(chǔ)元件施加了電脈 沖時(shí)的非易失性存儲(chǔ)元件內(nèi)部的狀況的假設(shè)的模式圖。圖5是示出本發(fā)明的實(shí)施例1涉及的非易失性存儲(chǔ)元件的電阻值和脈沖施加次數(shù) 的關(guān)系的圖。圖6(a)、(b)是示出本發(fā)明的實(shí)施例2涉及的非易失性存儲(chǔ)元件的電阻值和脈沖 施加次數(shù)的關(guān)系的圖。圖7是本發(fā)明的實(shí)施例2涉及的向非易失性存儲(chǔ)元件施加電壓時(shí)的電路圖。圖8是示出本發(fā)明的實(shí)施例2涉及的非易失性存儲(chǔ)元件的電阻值的在210°C的電 阻值的保持特性的圖。圖9是示出本發(fā)明的實(shí)施例2涉及的向非易失性存儲(chǔ)元件施加電壓時(shí)的電路的變 形例的圖。圖10是示出本發(fā)明的實(shí)施例3涉及的非易失性存儲(chǔ)裝置的電路結(jié)構(gòu)例的圖。圖11是示出本發(fā)明的實(shí)施例3涉及的非易失性存儲(chǔ)裝置的工作的一個(gè)例子的流 程圖。
具體實(shí)施例方式(實(shí)施例1)參照

本發(fā)明的實(shí)施例1涉及的非易失性存儲(chǔ)元件的驅(qū)動(dòng)方法。[非易失性存儲(chǔ)元件的結(jié)構(gòu)]圖1是示出本發(fā)明的實(shí)施例1涉及的根據(jù)驅(qū)動(dòng)方法所驅(qū)動(dòng)的非易失性存儲(chǔ)元件的 一個(gè)結(jié)構(gòu)例的截面圖。如圖1示出，本實(shí)施例的非易失性存儲(chǔ)元件100包括襯底101、氧化物層102、下部 電極103、電阻變化層106、以及上部電極107，所述氧化物層102被形成在所述襯底101上，所述下部電極103被形成在所述氧化物層102上，所述電阻變化層106由第一缺氧型的過(guò) 渡金屬氧化物層104和第二缺氧型的過(guò)渡金屬氧化物層105構(gòu)成，所述第二缺氧型的過(guò)渡 金屬氧化物層105具有比所述第一缺氧型的過(guò)渡金屬氧化物層104高的氧濃度。在驅(qū)動(dòng)該 非易失性存儲(chǔ)元件100的情況下，由外部的電源將滿(mǎn)足規(guī)定的條件的電壓施加到下部電極 103與上部電極107之間。在以下的實(shí)施例中，說(shuō)明將利用了作為過(guò)渡金屬氧化物的鉭的鉭氧化物層作為過(guò) 渡金屬氧化物層利用了的例子。而且，以下，將鉭氧化物層簡(jiǎn)略記載為T(mén)a氧化物層。[非易失性存儲(chǔ)元件的制造方法]其次，說(shuō)明本實(shí)施例的非易失性存儲(chǔ)元件100的制造方法。首先，在作為單晶硅的襯底101上，以熱氧化法來(lái)形成了厚度為200nm的氧化物層 102。而且，在氧化物層102上，以濺射法來(lái)形成了作為下部電極103的厚度為40nm的氮化 鉭(iTaN)。其次，在下部電極103上，將第一缺氧型的Ta氧化物層104堆積了 50nm。在此，通 過(guò)在氬(Ar)和氧氣體(O2氣體)中對(duì)Ta目標(biāo)進(jìn)行濺射，從而形成了第一缺氧型的Ta氧化 物。而且，在堆積缺氧型的Ta氧化物時(shí)的具體濺射條件為在開(kāi)始濺射之前的濺射裝置內(nèi) 的真空度(背壓)為7X10Va左右；濺射時(shí)的功率為250W;合并了氬氣體和氧氣體的全氣 體壓力為3. 3Pa ；氧氣體對(duì)全氣體的分壓比為3. 8% ；襯底的設(shè)定溫度為30°C ；成膜時(shí)間為 7分。據(jù)此，含氧率為58atm%左右的第一缺氧型的Ta氧化物層104堆積了 50nm。而且，在 將該缺氧型的Ta氧化物表示為T(mén)aOx的情況下，含氧率58atm%是指χ為1. 38。其次，由等離子氧化裝置，將第一缺氧型的Ta氧化物層104的表面氧化，形成了 8nm左右的第二缺氧型的Ta氧化物層105 (而且，第二缺氧型的Ta氧化物層105是以使非 易失性存儲(chǔ)元件的初始工作穩(wěn)定為目的而設(shè)置的，但也可以在制造非易失性存儲(chǔ)元件后施 加電壓來(lái)事后形成，因此在形成非易失性存儲(chǔ)元件時(shí)并不一定需要設(shè)置)。而且，該第二缺 氧型的Ta氧化物層的含氧率為71atm%，在表示為T(mén)aOy的情況下，y為2. 47。也就是說(shuō)，處 于與作為化學(xué)量論組成的Ta02.5(Ta205)相比缺乏若干的氧的狀態(tài)，處于與第一缺氧型的Ta 氧化物層104相比高電阻的狀態(tài)。然后，在第二缺氧型的Ta氧化物層105上，以濺射來(lái)形成作為上部電極107的鉬 (Pt)薄膜層。在本實(shí)施例中，堆積了膜厚為SOnm的該P(yáng)t薄膜層。根據(jù)以上的過(guò)程，以由下部電極103和上部電極107夾起使用了缺氧型的Ta氧化 物的電阻變化層106的方式來(lái)制造了非易失性存儲(chǔ)元件100。[電阻值的設(shè)定]在如上制造的非易失性存儲(chǔ)元件的下部電極103與上部電極107之間施加脈沖狀 的電壓來(lái)發(fā)生電阻變化，并測(cè)量了電阻值。在該測(cè)量中，利用了上部電極107的大小為0. 5μπιΧ0. 5μπι的非易失性存儲(chǔ)元 件。為了發(fā)生電阻變化，在下部電極103與上部電極107之間施加了具有規(guī)定的電壓值且 寬度為lOOnsec的電脈沖。并且，在施加用于電阻變化的電脈沖后，還施加不發(fā)生電阻變化 的程度小的50mV的電壓，來(lái)測(cè)量流動(dòng)的電流，從而求出非易失性存儲(chǔ)元件的電阻值。而且，以后，以下部電極103為基準(zhǔn)表示下部電極103與上部電極107之間的電壓 的正負(fù)。也就是說(shuō)，在上部電極107的電壓比下部電極103的電壓高的情況下，將電壓表示為正，反而，在上部電極107的電壓比下部電極103的電壓低的情況下，將電壓表示為負(fù)。在本實(shí)施例中，利用非易失性存儲(chǔ)元件構(gòu)造完全相同的三個(gè)元件。以下，將這些非 易失性存儲(chǔ)元件稱(chēng)為元件A、元件B、元件C。首先，對(duì)于哪個(gè)元件，都以將元件的狀態(tài)一致的 目的，在下部電極103與上部電極107之間將+1. 7V和-1. 3V的電脈沖分別交替地施加了 每50次，總共施加了 100次。據(jù)此，哪個(gè)元件都發(fā)生了以下的電阻變化，即，在施加了 +1. 7V 時(shí)下部電極103與上部電極107之間的電阻值成為高電阻化，在施加了 -1. 3V時(shí)成為低電 阻化。圖2(a)至(c)示出這些電阻變化的情況(而且，在此，為了容易得知最終的電壓施 加的情況，而僅示出因80次以后的電脈沖的施加而引起的電阻變化)。在元件A中，如圖2(a)示出，施加了 +1. 7V時(shí)的下部電極103與上部電極107之 間的電阻值成為^Ω左右，施加了 -1.3V時(shí)成為100 Ω左右，在第100次施加了 +1. 7V時(shí) 的電阻值為5720Ω。在元件B中，如圖2(b)示出，施加了+1.7V時(shí)成為4kQ左右，施加 了 -1.3V時(shí)成為100 Ω左右，通過(guò)第100次的電脈沖的施加，電阻值成為3850 Ω。而且，在 元件C中，如圖2(c)示出，施加了+1.7V時(shí)成為^Ω左右，施加了-1.3V時(shí)成為200Ω左 右，通過(guò)第100次的電脈沖的施加，成為4650 Ω。而且，這些電阻值的不同是，因非易失性存 儲(chǔ)元件的單純的不均勻性而引起的。如上所述，使元件A至C分別工作100次，將非易失性存儲(chǔ)元件的狀態(tài)一致后，對(duì) 于元件B和元件C，還施加了不同的一個(gè)電脈沖。對(duì)于元件B，如圖2(b)示出，在第101次 施加了-0.6V。此時(shí)，電阻值從3850Ω向4137 Ω稍微增加了，但可以認(rèn)為非易失性存儲(chǔ)元 件的狀態(tài)基本上沒(méi)有發(fā)生變化。另一方面，對(duì)于元件C，如圖2(c)示出，在第101次施加 了-0.7V。于是，電阻值從4650Ω減少到3187Ω。本實(shí)施例中使用的非易失性存儲(chǔ)元件具 有施加負(fù)的電壓來(lái)成為低電阻化的性質(zhì)，因此可以認(rèn)為元件C是發(fā)生了若干的低電阻化的 狀態(tài)。而且，以下，將一旦施加某極性的電壓而設(shè)定電阻值后，接著施加反極性的電壓的 操作表示為“回寫(xiě)”。在所述的例子中，針對(duì)元件B以及元件C，施加+1. 7V的電壓來(lái)一旦成 為高電阻化后，施加負(fù)的小的電壓(-0. 6V以及-0. 7V)，將該施加負(fù)的電壓的情況稱(chēng)為“回寫(xiě)”。進(jìn)一步，詳細(xì)而言，在所述的例子中通過(guò)施加-1. 3V (第一電壓)的電脈沖，從而使 元件A至C成為100Ω左右的低電阻狀態(tài)的操作是本發(fā)明的第一寫(xiě)入工序的一個(gè)例子，通 過(guò)施加+1.7V(第二電壓)的電脈沖，從而使元件A至C成為幾千Ω左右的第一高電阻狀 態(tài)的操作是本發(fā)明的第二寫(xiě)入工序的一個(gè)例子。而且，在第二寫(xiě)入工序之后，通過(guò)施加-0. 7V (第三電壓)的電脈沖，從而使元件C 成為電阻值比所述低電阻狀態(tài)高且電阻值比所述第一高電阻狀態(tài)低的3187Ω的第二高電 阻狀態(tài)的操作是本發(fā)明的回寫(xiě)工序的一個(gè)例子。[電阻值的保持特性]對(duì)如上利用的元件A至C的電阻值的保持特性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。而且，所具有的特性 是，在室溫左右的溫度下，元件A至C的電阻值幾乎不發(fā)生劣化10年以上。于是，將非易失 性存儲(chǔ)元件保持在210°C的恒溫槽中，使劣化加快，從而進(jìn)行了保持特性的評(píng)價(jià)。而且，從恒 溫槽中取出非易失性存儲(chǔ)元件，在室溫下進(jìn)行了電阻值的測(cè)量。也就是說(shuō)，反復(fù)進(jìn)行在恒溫槽中的保持和在室溫下的測(cè)量，從而進(jìn)行了保持特性的評(píng)價(jià)。并且，在保持特性的評(píng)價(jià)中，對(duì)非易失性存儲(chǔ)元件不進(jìn)行進(jìn)一步的寫(xiě)入(即，維持 如上所述的設(shè)定的電阻值狀態(tài))，而僅進(jìn)行了利用了像不發(fā)生電阻變化那樣低的電壓的讀
出ο圖3是其結(jié)果。在圖3中，橫軸是恒溫槽中的保持時(shí)間(累計(jì))，縱軸是電阻值。 都是以對(duì)數(shù)來(lái)繪圖的。根據(jù)圖3得知，在元件A中，在恒溫槽中的保持時(shí)間為10分(0. 17小時(shí))之時(shí) 4000 Ω左右的電阻值，在100小時(shí)后降低到300 Ω左右，即降低到大致1/10。并且，以-0. 6V 的電脈沖來(lái)進(jìn)行了回寫(xiě)的元件B，也發(fā)生了與元件A大致相同的變化。另一方面，對(duì)于 以-0. 7V來(lái)進(jìn)行了回寫(xiě)的元件C得知，與元件A以及B相比，在恒溫槽中保持了 10分鐘時(shí) 的電阻值低即3000Ω左右，但存在難以發(fā)生電阻值的降低的趨向。而且，應(yīng)該注目的是，在 恒溫槽中保持時(shí)間為1小時(shí)左右的附近，針對(duì)元件A以及B的電阻值發(fā)生反轉(zhuǎn)，電阻值比元 件A以及元件B變高。元件C，在100小時(shí)后，電阻值成為IkQ左右，即僅成為與初始的電 阻相比1/3左右，就保持比元件A以及B高的狀態(tài)。也就是說(shuō)，圖3的結(jié)果表示，與元件B 以及C相比，以-0. 7V的電壓來(lái)回寫(xiě)了的元件C的電阻值(S卩，存儲(chǔ)信息)的保持特性非常 好。在此，若想起所述的元件C的電阻設(shè)定時(shí)的電阻變化，在施加-0. 7V來(lái)回寫(xiě)了的元 件C中，在施加-0. 7V的電壓時(shí)，發(fā)生了若干的電阻值的減少。也就是說(shuō)，可以認(rèn)為非易失 性存儲(chǔ)元件中發(fā)生了狀態(tài)的變化。另一方面，在施加-0. 6V來(lái)回寫(xiě)了的元件B中，電阻值幾 乎沒(méi)有發(fā)生變化，可以認(rèn)為在非易失性存儲(chǔ)元件的內(nèi)部幾乎沒(méi)有發(fā)生狀態(tài)的變化。也就是 說(shuō)，可以認(rèn)為處于與元件A大致相同的狀態(tài)。若根據(jù)這些事實(shí)和圖3的結(jié)果，則達(dá)到如下的推論。也就是說(shuō)，可以認(rèn)為在使電阻 變化型的非易失性存儲(chǔ)元件成為第一高電阻狀態(tài)的第二寫(xiě)入工序之后，執(zhí)行將與為了成為 第一高電阻狀態(tài)而在第二寫(xiě)入工序施加了的電壓反極性、且使非易失性存儲(chǔ)元件發(fā)生若干 的狀態(tài)變化的程度的大小的電壓(本實(shí)施例中為-0. 7V)繼續(xù)施加到非易失性存儲(chǔ)元件，從 而向第二高電阻狀態(tài)(電阻值比低電阻狀態(tài)高且電阻值比第一高電阻狀態(tài)低的狀態(tài))發(fā)生 變化的回寫(xiě)工序，從而能夠試圖非易失性存儲(chǔ)元件的電阻值的保持特性的提高。而且，通過(guò) 將信息與該第二高電阻狀態(tài)以及低電阻狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)保持特性良好的能夠存 儲(chǔ)二值的信息的非易失性存儲(chǔ)元件。[由回寫(xiě)的數(shù)據(jù)保持特性提高的機(jī)制]其次，說(shuō)明通過(guò)進(jìn)行回寫(xiě)來(lái)使非易失性存儲(chǔ)元件成為第二高電阻狀態(tài)，從而數(shù)據(jù) 的保持特性提高的理由。但是，對(duì)于所述的保持特性的提高的機(jī)制，目前，沒(méi)有達(dá)到導(dǎo)出決 定性的結(jié)論的階段，因此僅說(shuō)明兩個(gè)可能性。首先，最初說(shuō)明本實(shí)施例中說(shuō)明的電阻變化型的非易失性存儲(chǔ)元件的第一高電阻 狀態(tài)與低電阻狀態(tài)的不同。圖4(a)示出第一高電阻狀態(tài)的非易失性存儲(chǔ)元件的截面模式 圖，圖4(b)示出低電阻狀態(tài)的非易失性存儲(chǔ)元件的截面模式圖。首先，可以認(rèn)為第一高電阻狀態(tài)是指，如圖4(a)示出，在第二缺氧型的Ta氧化物 層403中不存在連接上部電極405和第一缺氧型的Ta氧化物層402的導(dǎo)通路徑的狀態(tài)。如 上所述，第二缺氧型的Ta氧化物層403，具有近于作為絕緣體的Ta2O5的組成，本來(lái)具有電 阻高的性質(zhì)。因此，下部電極401與上部電極405之間的電阻高。
另一方面，可以認(rèn)為低電阻狀態(tài)是指，如圖4(b)示出，在第二缺氧型的Ta氧化物 層403中存在微小導(dǎo)通路徑(微小導(dǎo)通通路)406，成為上部電極405和第一缺氧型的Ta氧 化物層402的一部分短路的狀態(tài)。因此，下部電極401與上部電極405之間的電阻低?？?以認(rèn)為，該微小導(dǎo)通路徑406有可能是氧放出后成為氧空孔的部分、或因還原而成為金屬 性的部分。通過(guò)施加電脈沖，從而在如圖4(a)的第一高電阻狀態(tài)與如圖4(b)的低電阻狀態(tài) 之間發(fā)生遷移，這可以認(rèn)為是因氧離子404的移動(dòng)而引起的。也就是說(shuō)，若考慮從第一高電阻狀態(tài)向低電阻狀態(tài)發(fā)生變化的情況，此時(shí)，如圖 4(b)示出，則向上部電極405施加相對(duì)于下部電極401負(fù)的電壓。于是，根據(jù)因其而發(fā)生 的電場(chǎng)，氧離子404從第二缺氧型的Ta氧化物層403被抽出到第一缺氧型的Ta氧化物層 402，從而形成微小導(dǎo)通路徑406。反而，在從低電阻狀態(tài)向第一高電阻狀態(tài)發(fā)生變化的情況下，如圖4(a)示出，向 上部電極405施加相對(duì)于下部電極401正的電壓，此時(shí)，根據(jù)電場(chǎng)，氧離子404從第一缺氧 型的Ta氧化物層402被注入到第二缺氧型的Ta氧化物層403，其一部分使微小導(dǎo)通路徑 406氧化，微小導(dǎo)通路徑406被氧化而消失，從而成為高電阻化。而且，可以認(rèn)為微小導(dǎo)通路徑406的尺寸并不大(由透射電子顯微鏡觀察截面也 看不到的程度的大小)，可以認(rèn)為微小導(dǎo)通路徑的氧化所消耗的氧離子并不多。也就是說(shuō)， 可以認(rèn)為在第一高電阻狀態(tài)下，過(guò)多的氧離子仍然被注入在第二缺氧型的Ta氧化物層403 中。根據(jù)如上所述的電阻變化的機(jī)制，考慮了本發(fā)明的由回寫(xiě)的電阻值的保持特性的 提高的機(jī)制。首先，關(guān)注氧離子的存在，考察第二缺氧型的Ta氧化物層403的狀態(tài)。如上所述， 可以認(rèn)為在處于圖4(a)的第一高電阻狀態(tài)的試料的第二缺氧型的Ta氧化物層403內(nèi)，處 于氧離子404過(guò)多地被注入的狀態(tài)。在此情況下，可以認(rèn)為處于形成第二缺氧型的Ta氧化 物層403的TaOx的結(jié)合因過(guò)多地被注入的氧離子404而失真的狀態(tài)，一般被認(rèn)為這些狀態(tài) 的結(jié)晶耐熱性低。因此，在第二缺氧型的Ta氧化物層403中，因加熱而容易形成缺陷。這 成為微小導(dǎo)通路徑406。然而，在向下部電極401施加正的電壓、向上部電極405施加負(fù)的電壓來(lái)進(jìn)行回寫(xiě) 的情況下，如圖4(c)示出，該過(guò)多的氧離子因電場(chǎng)而被排出到第一缺氧型的Ta氧化物層 402，成為第二高電阻狀態(tài)(此時(shí)，形成部分性的不完全的微小導(dǎo)通路徑407，并電阻降低)。 于是，形成第二缺氧型的Ta氧化物層403的TaOx穩(wěn)定，成為熱耐力強(qiáng)的狀態(tài)。于是，可以 認(rèn)為因加熱也難以形成微小導(dǎo)通路徑。根據(jù)如上所述的理由可以認(rèn)為，與單純地成為第一高電阻狀態(tài)的圖4(a)的狀態(tài) 相比，直到第二高電阻狀態(tài)為止進(jìn)行了回寫(xiě)的的圖4(c)的狀態(tài)，數(shù)據(jù)保持特性(保存特性)提尚。另一個(gè)可能性是，氧離子濃度的梯度的影響。在作為第一高電阻狀態(tài)的圖4(a) 中，處于第二缺氧型的Ta氧化物層403的氧離子濃度高、第一缺氧型的Ta氧化物層402的 氧濃度低的狀態(tài)。在以這些狀態(tài)來(lái)向試料加熱的情況下，根據(jù)氧離子濃度的梯度，氧離子從 第二缺氧型的Ta氧化物層403向第二缺氧型的Ta氧化物層402容易擴(kuò)散。于是，根據(jù)氧離子的脫離，容易形成微小導(dǎo)通路徑406。另一方面，在進(jìn)行了回寫(xiě)的圖4(c)的第二高電阻狀態(tài)下，與圖4(a)的第一高電阻 狀態(tài)相比，處于第二缺氧型的Ta氧化物層403內(nèi)的氧離子濃度低、第一缺氧型的Ta氧化物 層402內(nèi)的氧濃度高的狀態(tài)。在這些狀況下，難以發(fā)生氧離子的擴(kuò)散，當(dāng)然難以形成微小導(dǎo) 通路徑406。因此，可以認(rèn)為進(jìn)行了回寫(xiě)的圖4(c)的第二高電阻狀態(tài)的數(shù)據(jù)保持特性比較 好。對(duì)于本實(shí)施例中說(shuō)明的非易失性存儲(chǔ)元件，說(shuō)明了在電阻變化層利用缺氧型的Ta 氧化物的例子，但可以認(rèn)為，所述的回寫(xiě)的機(jī)制，也能夠適用于在電阻變化層利用Ta以外 的缺氧型的氧化物、具有氧濃度不同的至少兩層缺氧型的氧化物層的非易失性存儲(chǔ)元件。也就是說(shuō)，可以認(rèn)為在電阻變化層利用Ta以外的缺氧型的金屬氧化物的非易失 性存儲(chǔ)元件、且將極性不同的電脈沖施加到電極來(lái)發(fā)生電阻變化的非易失性存儲(chǔ)元件，也 具有如上所述的由機(jī)制所說(shuō)明的回寫(xiě)的效果。例如，是鉿氧化物(Hf氧化物)或鋯氧化物( 氧化物)等。在Hf氧化物的情況 下，優(yōu)選的是，具有第一缺氧型的Hf氧化物(HfOx)以及第二缺氧型的Hf氧化物(HfOy)，具 有0. 9彡χ彡1. 6、且1. 8 < y < 2. 0的組成，第二缺氧型的Hf氧化物層的膜厚為3至4nm。 并且，在^ 氧化物的情況下，優(yōu)選的是，具有第一缺氧型的^ 氧化物(ZrOx)以及第二缺氧 型的ττ氧化物(&0y)，具有0. 9彡χ彡1. 4、且1. 9 < y < 2. 0的組成，第二缺氧型的Ir氧 化物層的膜厚為1至5nm。并且，不僅限于過(guò)渡金屬氧化物層為兩層的層疊，也可以三層以上。若進(jìn)行配置， 以使氧濃度最高的缺氧型的過(guò)渡金屬氧化物層連接于上部電極或下部電極，則能夠期待與 所述的實(shí)施例相同的作用效果。[比較例]根據(jù)如上所述的機(jī)制也可以認(rèn)為，不進(jìn)行如本發(fā)明的回寫(xiě)，而調(diào)整高電阻化時(shí)施 加的電壓的大小，從而產(chǎn)生如圖4(c)的狀態(tài)即可。也就是說(shuō)，在所述的例子的情況下，在高 電阻化時(shí)施加比+1. 7V小的正的電壓，從而將非易失性存儲(chǔ)元件從低電阻狀態(tài)直接設(shè)定為 與回寫(xiě)后相同的第二高電阻狀態(tài)即可。然而，在由這些方法產(chǎn)生了高電阻狀態(tài)的情況下，發(fā) 生了因高電阻狀態(tài)的寫(xiě)入不足而高電阻狀態(tài)的再現(xiàn)性變差這其它的問(wèn)題。作為比較例，進(jìn)行了以下的實(shí)驗(yàn)，S卩，針對(duì)與元件A至C相等的非易失性存儲(chǔ)元 件，使在高電阻化時(shí)施加的電壓從中途開(kāi)始變小來(lái)發(fā)生電阻變化。圖5是其結(jié)果。在圖5 中，直到電脈沖的施加次數(shù)為第100次為止，與圖2的例子相同，交替施加+1. 7V的電脈沖 和-1. 3V的電脈沖，從而發(fā)生電阻變化。在其期間，在施加各個(gè)電壓時(shí)，電阻值在4至^Ω 左右與100 Ω左右之間比較穩(wěn)定地工作。然后，在第101次，施加-1. 3V的電壓來(lái)使非易失性存儲(chǔ)元件成為低電阻化后，在 第102次，施加了比+1. 7V低0. 2V的電壓，即施加了 +1. 5V，以作為高電阻化電壓。于是，高 電阻狀態(tài)的電阻值變小，成為類(lèi)似于與圖2(c)相同進(jìn)行了回寫(xiě)時(shí)的狀態(tài)(即，電阻值比低 電阻狀態(tài)高且電阻值比第一高電阻狀態(tài)低的狀態(tài))?？梢哉J(rèn)為非易失性存儲(chǔ)元件的內(nèi)部，處 于如圖4(c)的狀態(tài)。然而，在第102次以后，在繼續(xù)施加+1. 5V和-1. 3V的電壓的情況下，根據(jù)圖5得 知，高電阻狀態(tài)的值不穩(wěn)定，最后，導(dǎo)致不發(fā)生電阻變化。這可以認(rèn)為，由于高電阻化所需要的電壓不足夠，因此不成為高電阻化。根據(jù)其結(jié)果得知，調(diào)整要高電阻化的電壓，來(lái)產(chǎn)生如 圖4(b)的狀態(tài)并存儲(chǔ)信息是困難的。因此，可以認(rèn)為如本發(fā)明需要以下的操作，即，一旦向 非易失性存儲(chǔ)元件施加高電壓來(lái)成為第一高電阻狀態(tài)(第二寫(xiě)入工序)，然后，通過(guò)回寫(xiě)來(lái) 向第二高電阻狀態(tài)發(fā)生變化(回寫(xiě)工序)。而且，在所述的實(shí)施例中說(shuō)明的使用了 Ta氧化物的電阻變化型的非易失性存儲(chǔ) 元件中，第一缺氧型的iTa氧化物層104的含氧率為58atm%、膜厚為50nm左右，但不僅限 于此。并且，第二缺氧型的Ta氧化物層105的含氧率以及膜厚，不僅限于所述的值。并且， 本實(shí)施例中將TaN和Pt作為電極來(lái)利用了，但不僅限于此，也可以利用金(Au)、銥(Ir)、鈀 (Pd)、銀(Ag)、銅(Cu)、鎢(W)、鎳(Ni)等。進(jìn)而，在形成非易失性存儲(chǔ)元件時(shí)并不一定需要設(shè)置該第二缺氧型的Ta氧化物 層105，也可以在形成非易失性存儲(chǔ)元件后，向下部電極103和上部電極107施加強(qiáng)電壓，從 而電氣性地形成該第二缺氧型的Ta氧化物層105 (所謂成型的操作)。并且，在所述的實(shí)施例中，在使非易失性存儲(chǔ)元件成為低電阻狀態(tài)的第一寫(xiě)入工 序中向非易失性存儲(chǔ)元件施加的第一電壓為-1.3V，在使非易失性存儲(chǔ)元件成為第一高電 阻狀態(tài)的第二寫(xiě)入工序中向非易失性存儲(chǔ)元件施加的第二電壓為+1. 7V，在使非易失性存 儲(chǔ)元件成為第二高電阻狀態(tài)的回寫(xiě)工序中向非易失性存儲(chǔ)元件施加的電壓為-0. 7V，但不 僅限于此。也就是說(shuō)，這些電壓值是根據(jù)非易失性存儲(chǔ)元件的構(gòu)造等來(lái)決定的。并且，在所述的結(jié)果中，總共施加100次的電脈沖后進(jìn)行了回寫(xiě)，但是，這只不過(guò) 是為了將初始狀態(tài)一致來(lái)評(píng)價(jià)而進(jìn)行的，在實(shí)際使用非易失性存儲(chǔ)元件時(shí)，在一次的回寫(xiě) 工序之前，并不一定需要進(jìn)行100次的第一以及第二寫(xiě)入工序。進(jìn)而，要施加的電壓的極性也不僅限于它們。也就是說(shuō)，在圖1的非易失性存儲(chǔ)元 件中，在成為像在第一缺氧型的Ta氧化物層104與下部電極103之間設(shè)置第二缺氧型的 Ta氧化物層105那樣的構(gòu)造的情況下，通過(guò)施加與所述的實(shí)施例中說(shuō)明的電壓反極性的電 壓，從而發(fā)生電阻變化。也就是說(shuō)，這些構(gòu)造的非易失性存儲(chǔ)元件所表示的變化是，施加負(fù) 電壓來(lái)成為高電阻化、施加正電壓來(lái)成為低電阻化。在此情況下，第二高電阻狀態(tài)是，向非易失性存儲(chǔ)元件施加負(fù)電壓來(lái)一旦成為第 一高電阻狀態(tài)后，接著施加正電壓這回寫(xiě)來(lái)設(shè)定的。使用如此設(shè)定的第二高電阻狀態(tài)和施 加正電壓而設(shè)定的低電阻化狀態(tài)，進(jìn)行信息的存儲(chǔ)即可。(實(shí)施例2)在實(shí)施例1中說(shuō)明了，一旦向非易失性存儲(chǔ)元件施加正的電壓來(lái)變化為第一高電 阻狀態(tài)后，向非易失性存儲(chǔ)元件直接施加調(diào)整為最佳的狀態(tài)的大小的負(fù)的電壓來(lái)回寫(xiě)的方 法。在本實(shí)施例中說(shuō)明，在進(jìn)行該回寫(xiě)時(shí)，將負(fù)荷電阻連接于非易失性存儲(chǔ)元件來(lái)施加電壓 的方法。而且，以下說(shuō)明的非易失性存儲(chǔ)元件是，以與實(shí)施例1所采用的方法完全相同的方 法來(lái)制造的。[電阻值的設(shè)定]在本實(shí)施例中，利用兩個(gè)非易失性存儲(chǔ)元件。以下，將這些非易失性存儲(chǔ)元件稱(chēng)為 元件D以及元件E。與實(shí)施例1相同，對(duì)于哪個(gè)元件，都以將元件的狀態(tài)一致的目的，將由 +1.7V(第二電壓)的電壓脈沖的施加的第二寫(xiě)入工序、和由-1.3V(第一電壓)的電壓脈沖 的施加的第一寫(xiě)入工序，分別交替地進(jìn)行了每50次，總共進(jìn)行了 100次。此時(shí)，向非易失性存儲(chǔ)元件直接施加了電脈沖。圖6 (a)和(b)示出其電阻變化情況(在該圖中也省略不足 于80次的變化的狀態(tài))。圖6(a)是元件D的電阻變化的情況，施加了 +1. 7V時(shí)電阻值成為IOkQ左右，施 加了-1.3V時(shí)成為100Ω左右。另一方面，圖6(b)示出的元件E的電阻值，施加了+1.7V 時(shí)電阻值為汕Ω左右，施加了-1.3V時(shí)為200Ω左右。這些元件D和元件E的電阻值的不 同是非易失性存儲(chǔ)元件的不均勻性所反映的，兩者之間基本特性沒(méi)有不同。而且，對(duì)于元件D，在第101次，將2. ^Ω的大小的負(fù)荷電阻串聯(lián)連接于非易失性 存儲(chǔ)元件701，施加-1. 3V(與不添加負(fù)荷電阻來(lái)成為低電阻化時(shí)相同的電壓)的電壓來(lái)進(jìn) 行了回寫(xiě)。據(jù)此，電阻值從11194Ω減少到1408 Ω (其值以及圖6(a)的第101次的點(diǎn)的電阻 值是，減去2. 2kΩ的負(fù)荷電阻后的元件D單體的電阻值)。并且，對(duì)于元件Ε，串聯(lián)連接證0 的負(fù)荷電阻，施加-1.3V的電壓來(lái)進(jìn)行了回寫(xiě)。此時(shí)，電阻值從5650Ω減少到3187Ω (其 值也是減去負(fù)荷電阻后的值)。若利用圖7進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，設(shè)定所述的電阻時(shí)的操作相當(dāng)于以下的操作，S卩，在 施加電脈沖直到第100次為止時(shí)，使用端子705以及端子706，直接向非易失性存儲(chǔ)元件 701交替地施加+1. 7V和-1. 3V，在第101次，使用端子703和端子704，向負(fù)荷電阻702和 非易失性存儲(chǔ)元件701施加-1. 3V。而且，電阻值的測(cè)量相當(dāng)于在端子705與端子706之間 施加50mV的電壓來(lái)進(jìn)行了測(cè)量。[電阻值的保持特性]對(duì)以如上方法來(lái)設(shè)定了電阻值的元件E以及元件D的數(shù)據(jù)保持特性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。對(duì)于評(píng)價(jià)方法，與實(shí)施例1中說(shuō)明的方法相同，將非易失性存儲(chǔ)元件保持在210°C 的恒溫槽中，使數(shù)據(jù)保持特性的劣化加快，從而進(jìn)行了評(píng)價(jià)。圖8示出其結(jié)果。而且，在圖8中，為了比較，同時(shí)也示出僅施加+1.7V來(lái)成為高 電阻化的元件A的結(jié)果。根據(jù)該圖，對(duì)于元件D以及元件E的電阻值，在初始時(shí)比元件A很 低，但是，在恒溫槽中的保持時(shí)間為4至5小時(shí)左右之時(shí)，針對(duì)元件A發(fā)生反轉(zhuǎn)，電阻值比元 件A變高。而且，可以看出，元件D以及元件E的電阻值在進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)的時(shí)間范圍內(nèi)幾乎沒(méi) 有發(fā)生電阻值的劣化。也就是說(shuō)，一邊連接負(fù)荷電阻、一邊施加負(fù)的電壓來(lái)進(jìn)行了回寫(xiě)的元 件D以及元件E，與元件A相比電阻值(即，存儲(chǔ)信息)的保持特性佳。在此，考慮在以將負(fù)荷電阻串聯(lián)連接于元件D以及元件E的狀態(tài)來(lái)施加了 -1.3V 的電壓的情況下，哪些程度的電壓被施加到元件D以及元件E。首先，對(duì)于元件D，如圖6(a)所記載，在第100次不連接負(fù)荷電阻而施加了 +1. 7V時(shí)的電阻值為11. IkQ (第一高電阻狀態(tài))。在以其狀態(tài)來(lái)連接2. 2kΩ的負(fù)荷電 阻而施加了 -1. 3V的電壓的情況下，可以估計(jì)元件D被施加了 -1. IV左右(=-1. 3V/ (11. lkQ+2. 2kQ)Xll. IkQ)的電壓。其次，在元件D發(fā)生電阻變化而成為1.4kQ (第 二高電阻狀態(tài))的情況下，可以估計(jì)被施加到元件D的電壓為-0. 5V左右(=-1. 3V/ (1. 4k Ω +2.業(yè)Ω ) X 1. 4k Ω ))。也就是說(shuō)，可以認(rèn)為發(fā)生了的變化是，在元件D的電阻值高 的情況下高的電壓被施加到元件D，電阻越小被施加到元件D的電壓就越低，在小于某閾值 (在此，-0. 5V)之時(shí)電阻變化自動(dòng)停止。據(jù)此得知，在本實(shí)施例的回寫(xiě)工序中被施加到元件D的第三電壓為-1. IV 至-0. 5V。
并且，在元件E的情況下可以認(rèn)為，在施加了 -1. 3V時(shí)被施加-0. 7V左右 (=-1. 3V/ (5. 7k Ω +5. Ok Ω ) X 5. 7k Ω ),在電阻變化結(jié)束時(shí)，以 _0.5V( = -1. 3V/ (3. 2kΩ+5. OkQ) Χ3. 2kQ)來(lái)結(jié)束電阻變化。據(jù)此得知，在回寫(xiě)工序中被施加到元件E的第三電壓為-0. 7V至-0. 5V。也就是說(shuō)，得知的是，元件D以及元件E，也與實(shí)施例1相同，緊在施加第二電壓 (+1. 7V)來(lái)使非易失性存儲(chǔ)元件成為第一高電阻狀態(tài)的第二寫(xiě)入工序之后，進(jìn)行施加與第 二電壓反極性且使非易失性存儲(chǔ)元件發(fā)生電阻變化的程度的第三電壓(-1. IV至-0. 5V)來(lái) 使非易失性存儲(chǔ)元件成為第二高電阻狀態(tài)的回寫(xiě)工序，從而能夠試圖提高由第二高電阻狀 態(tài)的數(shù)據(jù)保持特性。而且，將負(fù)荷電阻串聯(lián)連接于非易失性存儲(chǔ)元件，從而即使將在回寫(xiě)工序中施加 的第三電壓的絕對(duì)值設(shè)定為比較大，也按照非易失性存儲(chǔ)元件的電阻值，自動(dòng)調(diào)整實(shí)際被 施加到非易失性存儲(chǔ)元件的電壓，能夠防止因過(guò)多的回寫(xiě)而引起的讀出容限的減少。在實(shí)際利用為非易失性存儲(chǔ)元件的情況下，將所述的低電阻狀態(tài)和第二高電阻狀 態(tài)分別與“0”和“1”的邏輯信息相對(duì)應(yīng)即可。此時(shí)，在假設(shè)端子705連接于圖1的下部電 極103、端子706連接于上部電極107的情況下，為了使非易失性存儲(chǔ)元件701成為低電阻 狀態(tài)，而以端子705為基準(zhǔn)來(lái)向端子706施加負(fù)的電壓，從而將非易失性存儲(chǔ)元件設(shè)定為低 電阻狀態(tài)的電阻值即可。并且，在要成為第二高電阻狀態(tài)的情況下，以端子705為基準(zhǔn)來(lái)向 端子706施加正的電壓，從而使非易失性存儲(chǔ)元件701 —旦成為第一高電阻狀態(tài)后，以端子 703為基準(zhǔn)來(lái)向端子704施加負(fù)的電壓，從而將非易失性存儲(chǔ)元件701設(shè)定為第二高電阻狀 態(tài)的電阻值即可。而且，對(duì)于電阻值的讀出，都在端子705與端子706之間施加不發(fā)生非易 失性存儲(chǔ)元件701的電阻變化的程度的微小電壓來(lái)進(jìn)行即可。而且，在所述的實(shí)施例2中，進(jìn)行回寫(xiě)時(shí)連接的負(fù)荷電阻的大小為證Ω和2JkQ， 但不僅限于此。進(jìn)而，回寫(xiě)的方法不僅限于在所述的實(shí)施例1以及實(shí)施例2中說(shuō)明的方法。本發(fā) 明的最重要的要點(diǎn)在于，以反極性的弱電壓來(lái)對(duì)一旦成為高電阻化后的非易失性存儲(chǔ)元件 進(jìn)行回寫(xiě)的操作。例如，也可以在如圖9將晶體管902連接于非易失性存儲(chǔ)元件901的電路中進(jìn)行 回寫(xiě)。也就是說(shuō)，也可以調(diào)整該晶體管902的柵極電壓，來(lái)使晶體管902的電阻值發(fā)生變化， 從而調(diào)整向非易失性存儲(chǔ)元件901施加的電壓。在此情況下，能夠如下進(jìn)行電阻值的設(shè)定以及讀出。首先，在使非易失性存儲(chǔ)元件 901成為低電阻狀態(tài)的第一寫(xiě)入工序中，在預(yù)先使晶體管902成為低電阻(ON)狀態(tài)后，以端 子903為基準(zhǔn)來(lái)向端子904施加具有第一極性的電壓，或者，使用端子905和端子906，直接 向非易失性存儲(chǔ)元件901施加第一電壓。其次，在使非易失性存儲(chǔ)元件901成為第一高電阻狀態(tài)的第二高寫(xiě)入工序中，在 預(yù)先使晶體管902成為低電阻狀態(tài)后，以端子903為基準(zhǔn)來(lái)向端子904施加具有與第一極 性相反的第二極性的電壓，或者，使用端子905和端子906直接向非易失性存儲(chǔ)元件901施 加第二電壓。然后，在回寫(xiě)工序中，使晶體管902成為高電阻狀態(tài)，以端子903為基準(zhǔn)來(lái)向端子 904施加具有第一極性的電壓，實(shí)現(xiàn)第二高電阻狀態(tài)。在回寫(xiě)工序中作為由非易失性存儲(chǔ)元件901和晶體管902的分壓來(lái)被施加到非易失性存儲(chǔ)元件901的第三電壓的大小(絕對(duì) 值)，比在第一寫(xiě)入工序中被施加到非易失性存儲(chǔ)元件901的第一電壓的大小小。電阻值的讀出是，在預(yù)先使晶體管902成為低電阻狀態(tài)后在端子903與端子904 之間施加微小電壓來(lái)進(jìn)行的，或者，在端子905與端子906之間施加微小電壓來(lái)進(jìn)行的。(實(shí)施例3)其次，說(shuō)明執(zhí)行包含實(shí)施例1以及實(shí)施例2中說(shuō)明的第一寫(xiě)入工序、第二寫(xiě)入工 序、以及回寫(xiě)工序的非易失性存儲(chǔ)元件的驅(qū)動(dòng)方法的非易失性存儲(chǔ)裝置。圖10是示出這些非易失性存儲(chǔ)裝置的功能上的結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的方框圖。如圖 10所示，非易失性存儲(chǔ)裝置200由驅(qū)動(dòng)電路201以及存儲(chǔ)單元陣列202構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)電路201具備列選擇電路203、讀出放大器204、數(shù)據(jù)輸入/輸出電路205、寫(xiě) 入電路206、行驅(qū)動(dòng)器207、行選擇電路208、地址輸入電路209、控制電路210、以及寫(xiě)入用電 源 211。寫(xiě)入用電源211具備第一電源212、第二電源213、以及第三電源214。將多個(gè)存儲(chǔ)單元排列成矩陣狀，從而構(gòu)成存儲(chǔ)單元陣列202。在圖10中，作為一 個(gè)存儲(chǔ)單元陣列示出，將一個(gè)非易失性存儲(chǔ)元件(Rll至R34、…)和一個(gè)選擇晶體管(Nil 至N34、…)串聯(lián)連接而構(gòu)成的所謂ITlR型的存儲(chǔ)單元的例子，但是，該存儲(chǔ)單元不僅限 于ITlR型，而可以是例如將一個(gè)非易失性存儲(chǔ)元件和一個(gè)二極管串聯(lián)連接而構(gòu)成的所謂 IDlR型的存儲(chǔ)單元。對(duì)于非易失性存儲(chǔ)元件(Rll至R34、…)，利用實(shí)施例1或?qū)嵤├?中說(shuō)明的非 易失性存儲(chǔ)元件。圖10的電路圖表示，非易失性存儲(chǔ)元件(Rll至R34、···)的上部電極以 及下部電極的任一方，與位線(BL0至BL3、…)的對(duì)應(yīng)的一個(gè)電連接，上部電極以及下部電 極的另一方，經(jīng)由選擇晶體管(Nil至N34、…)與源極線(SL0、SL2、…)的對(duì)應(yīng)的一個(gè)電 連接。在此，源極線(SL0、SL2、…)是第一布線的一個(gè)例子，位線(BLl至BL3、…)是第 二布線的一個(gè)例子。而且，相鄰的兩個(gè)存儲(chǔ)單元的非易失性存儲(chǔ)元件，經(jīng)由選擇晶體管與相 同的源極線電連接。列選擇電路203，根據(jù)輸入到地址輸入電路209的地址信號(hào)，選擇連接于應(yīng)該選擇 的存儲(chǔ)單元的位線。行選擇電路208，根據(jù)輸入到地址輸入電路209的地址信號(hào)，選擇連接于應(yīng)該選擇 的存儲(chǔ)單元的源極線，并且，向連接于應(yīng)該選擇的存儲(chǔ)單元的字符線提供用于使選擇晶體 管導(dǎo)通的活性化信號(hào)。數(shù)據(jù)輸入/輸出電路205，從圖中沒(méi)有示出的外部的電路，接受表示應(yīng)該寫(xiě)入到非 易失性存儲(chǔ)元件的數(shù)據(jù)的輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，并且，將表示從非易失性存儲(chǔ)元件讀出的數(shù)據(jù)的 輸出數(shù)據(jù)信號(hào)，輸出到外部的電路。第一電源212，為了在選擇出的存儲(chǔ)單元的非易失性存儲(chǔ)元件的下部電極與上部 電極間施加第一極性的第一電壓，來(lái)使非易失性存儲(chǔ)元件成為低電阻狀態(tài)，而生成應(yīng)該提 供到選擇出的位線與選擇出的源極線之間的電壓。第二電源213，為了在選擇出的存儲(chǔ)單元的非易失性存儲(chǔ)元件的下部電極與上部 電極間施加第二極性的第二電壓，來(lái)使非易失性存儲(chǔ)元件成為電阻值比低電阻狀態(tài)高的第 一高電阻狀態(tài)，而生成應(yīng)該提供到選擇出的源極線與選擇出的位線之間的電壓。
在此，具體而言，在非易失性存儲(chǔ)元件的下部電極經(jīng)由選擇晶體管與源極線電連 接、上部電極與位線電連接的結(jié)構(gòu)中，在進(jìn)行實(shí)施例1以及實(shí)施例2所述的電壓的施加的情 況下，第一極性是以源極線(下部電極)為基準(zhǔn)來(lái)位線(上部電極)成為負(fù)的電壓的極性， 第二極性是以源極線(下部電極)為基準(zhǔn)來(lái)位線(上部電極)成為正的電壓的極性。第三電源214，為了在選擇出的存儲(chǔ)單元的非易失性存儲(chǔ)元件的下部電極與上部 電極間施加第一極性的第三電壓，來(lái)使非易失性存儲(chǔ)元件成為第二高電阻狀態(tài)，而生成應(yīng) 該提供到選擇出的位線與選擇出的源極線之間的電壓。第三電壓的絕對(duì)值比第一電壓的絕對(duì)值小，第二高電阻狀態(tài)的電阻值比低電阻狀 態(tài)的電阻值大且比第一高電阻狀態(tài)的電阻值小。在第三電源214，如實(shí)施例2的圖7或圖9說(shuō)明，可以插入與非易失性存儲(chǔ)元件串 聯(lián)連接的負(fù)荷電阻或電阻調(diào)整用的晶體管。第三電源214內(nèi)發(fā)生的電壓，被施加到包含非 易失性存儲(chǔ)元件和負(fù)荷電阻的串聯(lián)電路。在這些結(jié)構(gòu)中，根據(jù)插入在第三電源214的負(fù)荷電阻或電阻調(diào)整用的晶體管，即 使在第三電源214內(nèi)發(fā)生比較大的回寫(xiě)用的電壓，也按照非易失性存儲(chǔ)元件的電阻值，自 動(dòng)調(diào)整實(shí)際被施加到非易失性存儲(chǔ)元件的第三電壓，能夠防止因過(guò)多的回寫(xiě)而引起的讀出 容限的減少?？刂齐娐?10，按照輸入的控制信號(hào)控制寫(xiě)入用電源211，第一電源212以及第二 電源213分別生成用于使非易失性存儲(chǔ)元件成為低電阻狀態(tài)的電壓、以及用于使非易失性 存儲(chǔ)元件成為第一高電阻狀態(tài)的電壓。生成的電壓，經(jīng)由寫(xiě)入電路206、列選擇電路203以 及行驅(qū)動(dòng)器207，被提供到選擇出的位線與選擇出的字符線之間。據(jù)此，進(jìn)行第一寫(xiě)入工序 以及第二寫(xiě)入工序。而且，在輸入數(shù)據(jù)信號(hào)表示多個(gè)位數(shù)據(jù)的情況下也可以，同時(shí)選擇多個(gè)位線，第一 電源212所生成的電壓以及第二電源213所生成的電壓之中的與輸入數(shù)據(jù)信號(hào)的對(duì)應(yīng)的位 數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的一方被提供到各個(gè)選擇出的位線。在此情況下，也可以以字符為單位來(lái)進(jìn)行
寫(xiě)入工作?？刂齐娐?10，進(jìn)一步，選擇非易失性存儲(chǔ)元件處于第一高電阻狀態(tài)的存儲(chǔ)單元， 使第三電源214生成用于使選擇出的存儲(chǔ)單元的非易失性存儲(chǔ)元件成為第二高電阻狀態(tài) 的電壓。生成的電壓，經(jīng)由寫(xiě)入電路206、列選擇電路203以及行驅(qū)動(dòng)器207，被提供到選擇 出的位線與選擇出的字符線之間。據(jù)此，進(jìn)行回寫(xiě)工序。而且，圖10所示的寫(xiě)入用電源211的結(jié)構(gòu)是，用于明確示出以源極線為基準(zhǔn)的電 壓的模式性的一個(gè)例子。寫(xiě)入用電源211能夠?qū)⑴c第一寫(xiě)入工序、第二寫(xiě)入工序、以及回寫(xiě) 工序分別相對(duì)應(yīng)的極性以及大小的電壓，經(jīng)由寫(xiě)入電路206、列選擇電路203以及行驅(qū)動(dòng)器 207施加到選擇出的源極線與選擇出的位線之間即可，具體電路結(jié)構(gòu)不僅限于圖10。根據(jù)如上構(gòu)成的非易失性存儲(chǔ)裝置200，能夠?qū)⒎且资源鎯?chǔ)元件的低電阻狀態(tài) 與第一邏輯信息相對(duì)應(yīng)，將非易失性存儲(chǔ)元件的第二高電阻狀態(tài)與第二邏輯信息相對(duì)應(yīng)來(lái) 保持信息，因此能夠?qū)崿F(xiàn)保持特性良好的能夠存儲(chǔ)二值的信息的非易失性存儲(chǔ)元件。從圖中沒(méi)有示出的讀出用電源向選擇出的存儲(chǔ)單元提供不使非易失性存儲(chǔ)元件 的電阻狀態(tài)發(fā)生變化的程度小的電壓，由讀出放大器204測(cè)量此時(shí)流動(dòng)的電流，從而進(jìn)行 保持在非易失性存儲(chǔ)元件的數(shù)據(jù)(電阻狀態(tài))的讀出。
例如，也可以預(yù)先規(guī)定對(duì)應(yīng)于第二高電阻狀態(tài)與低電阻狀態(tài)之間的電阻值的閾值 電流，通過(guò)比較測(cè)量出的電流和閾值電流，從而判斷在非易失性存儲(chǔ)元件保持有第一數(shù)據(jù) 以及第二數(shù)據(jù)的哪一方。其次，詳細(xì)示出用于執(zhí)行回寫(xiě)工序的幾種方法的例子?？刂齐娐?10，可以進(jìn)行控制，以每當(dāng)進(jìn)行第二寫(xiě)入工序后，接著進(jìn)行回寫(xiě)工序，也 可以進(jìn)行控制，以在向非易失性存儲(chǔ)裝置200的電源斷開(kāi)之前或轉(zhuǎn)移到待機(jī)狀態(tài)(向非易 失性存儲(chǔ)裝置的一部分的電路的電源提供被限制、作為非易失性存儲(chǔ)裝置停止的狀態(tài))之 前，對(duì)非易失性存儲(chǔ)元件處于第一高電阻狀態(tài)的存儲(chǔ)單元，進(jìn)行回寫(xiě)工序僅一次。而且，也 可以進(jìn)行控制，以在向非易失性存儲(chǔ)裝置200的電源斷開(kāi)之前和轉(zhuǎn)移到待機(jī)狀態(tài)之前這兩 者，對(duì)非易失性存儲(chǔ)元件處于第一高電阻狀態(tài)的存儲(chǔ)單元，進(jìn)行所述回寫(xiě)工序僅一次。并 且，例如，也可以由利用了非易失性存儲(chǔ)裝置200的外部的電路(例如，圖中沒(méi)有示出的中 央處理裝置)，以控制信號(hào)向控制電路210通知電源斷開(kāi)或轉(zhuǎn)移到待機(jī)狀態(tài)。在第二寫(xiě)入工序后每次進(jìn)行回寫(xiě)工序的結(jié)構(gòu)中，能夠使控制電路210進(jìn)行的控制 簡(jiǎn)單，使芯片尺寸變小，但是，每次的高電阻化處理所需要的時(shí)間變長(zhǎng)。該結(jié)構(gòu)適于例如與 速度性能相比對(duì)小型化的需求高的移動(dòng)設(shè)備用的非易失性存儲(chǔ)裝置。另一方面，電源斷開(kāi)之前或轉(zhuǎn)移到待機(jī)狀態(tài)之前進(jìn)行回寫(xiě)工序僅一次的結(jié)構(gòu)有， 每次的第一寫(xiě)入工序所需要的時(shí)間不會(huì)增加的優(yōu)點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)適于例如定期進(jìn)行電源斷開(kāi)或 轉(zhuǎn)移到待機(jī)狀態(tài)的家庭用計(jì)算機(jī)用的非易失性存儲(chǔ)裝置。并且，控制電路210，在電源斷開(kāi)之前或轉(zhuǎn)移到待機(jī)狀態(tài)之前進(jìn)行回寫(xiě)工序的情況 下，可以檢測(cè)處于第一高電阻狀態(tài)的非易失性存儲(chǔ)元件，僅對(duì)檢測(cè)出的非易失性存儲(chǔ)元件 非進(jìn)行回寫(xiě)工序，也可以與電阻狀態(tài)無(wú)關(guān)而對(duì)所有的非易失性存儲(chǔ)元件進(jìn)行回寫(xiě)工序。已 經(jīng)明確的是，即使對(duì)處于低電阻狀態(tài)的非易失性存儲(chǔ)元件進(jìn)行回寫(xiě)工序，電阻狀態(tài)也不發(fā) 生變化，沒(méi)有存在對(duì)可靠性的壞影響。在設(shè)計(jì)控制電路210以及周邊電路以對(duì)所有的非易失性存儲(chǔ)元件進(jìn)行回寫(xiě)工序 工作的情況下，雖然能夠使控制電路210等簡(jiǎn)化，但是回寫(xiě)工序整體所需要的時(shí)間變長(zhǎng)。另 一方面，在設(shè)計(jì)成僅對(duì)第一高電阻狀態(tài)的非易失性存儲(chǔ)元件進(jìn)行回寫(xiě)工序的情況下，有可 能使回寫(xiě)工序整體所需要的時(shí)間變短。進(jìn)而，控制電路210也可以，在非易失性存儲(chǔ)裝置200處于空閑狀態(tài)(作為非易失 性存儲(chǔ)裝置工作，卻對(duì)非易失性存儲(chǔ)元件不進(jìn)行寫(xiě)入也不進(jìn)行讀出的狀態(tài))時(shí)執(zhí)行回寫(xiě)工 序。通過(guò)利用不進(jìn)行寫(xiě)入工作也不進(jìn)行讀出工作的時(shí)間來(lái)進(jìn)行回寫(xiě)工序，從而能夠高效率 地進(jìn)行回寫(xiě)工序整體。該結(jié)構(gòu)適于例如時(shí)常接受電源的提供而一直運(yùn)行的服務(wù)計(jì)算機(jī)用的 非易失性存儲(chǔ)裝置。而且，根據(jù)寫(xiě)入工作或讀出工作的執(zhí)行狀況，控制電路210能夠判斷非易失性存 儲(chǔ)裝置200處于空閑狀態(tài)。作為如上構(gòu)成的非易失性存儲(chǔ)裝置200的工作的一個(gè)典型例，說(shuō)明在電源斷開(kāi)之 前或轉(zhuǎn)移到待機(jī)狀態(tài)之前，控制電路210僅對(duì)處于第一高電阻狀態(tài)的非易失性存儲(chǔ)元件進(jìn) 行回寫(xiě)工序的情況。圖11是示出非易失性存儲(chǔ)裝置200的工作的流程的一個(gè)例子的流程圖。如圖11 示出，非易失性存儲(chǔ)裝置200，在控制電路210的控制下，進(jìn)行第一寫(xiě)入工序以及第二寫(xiě)入工序(S01，S02)。然后，控制電路210，在接收通知電源斷開(kāi)或轉(zhuǎn)移到待機(jī)狀態(tài)的控制信號(hào) 的情況下(S03)，檢測(cè)處于第一高電阻狀態(tài)的非易失性存儲(chǔ)元件(S04)，以檢測(cè)出的非易失 性存儲(chǔ)元件為對(duì)象執(zhí)行回寫(xiě)工序(S05)。在此，也可以是，例如，預(yù)先規(guī)定第一高電阻狀態(tài)的電阻值與第二高電阻狀態(tài)的電 阻值之間的閾值電阻，對(duì)從非易失性存儲(chǔ)元件讀出的電阻值與閾值電阻進(jìn)行比較，從而檢 測(cè)處于第一高電阻狀態(tài)的非易失性存儲(chǔ)元件。并且，也可以是，不執(zhí)行檢測(cè)處于第一高電阻 狀態(tài)的非易失性存儲(chǔ)元件的步驟(S04)，而針對(duì)所有的位執(zhí)行回寫(xiě)工序(S05)。而且，在所述的實(shí)施例中，說(shuō)明了作為電阻變化層的過(guò)渡金屬氧化物為鉭氧化物、 鉿氧化物、鋯氧化物的情況，但是，對(duì)于介于上下電極間的過(guò)渡金屬氧化物，包含鉭、鉿、鋯 等的氧化物層，以作為發(fā)生電阻變化的主要的電阻變化層即可，也可以包含與此以外的例 如微量的其它元素。也能夠以電阻值的微調(diào)整等來(lái)特意包含少量的其它元素，這些情況也 包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。并且，在以濺射來(lái)形成電阻膜時(shí)，存在因殘余氣體或從真空容器壁 放出的氣體等而沒(méi)有意圖的微量的元素混入到電阻膜的情況，但是，當(dāng)然這些微量的元素 混入到電阻膜的情況也包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明的非易失性存儲(chǔ)元件的驅(qū)動(dòng)方法能夠應(yīng)用到用于數(shù)字家電、存儲(chǔ)卡、移動(dòng) 電話以及個(gè)人電腦等各種電子設(shè)備的非易失性存儲(chǔ)元件。符號(hào)說(shuō)明100非易失性存儲(chǔ)元件101 襯底102氧化物層103下部電極104第一缺氧型Ta氧化物層105第二缺氧型Ta氧化物層106電阻變化層107上部電極200非易失性存儲(chǔ)裝置201驅(qū)動(dòng)電路202存儲(chǔ)單元陣列203列選擇電路204讀出放大器205數(shù)據(jù)輸入/輸出電路206寫(xiě)入電路207行驅(qū)動(dòng)器208行選擇電路209地址輸入電路210控制電路211寫(xiě)入用電源212第一(低電阻狀態(tài)設(shè)定用)電源
213第二(第一高電阻狀態(tài)設(shè)定用)電源214第三(第二高電阻狀態(tài)設(shè)定用)電源401下部電極402第一缺氧型Ta氧化物層403第二缺氧型Ta氧化物層404氧離子405上部電極406微小導(dǎo)通路徑407不完全的微小導(dǎo)通路徑701非易失性存儲(chǔ)元件702負(fù)荷電阻703 至 706 端子901非易失性存儲(chǔ)元件902晶體管903 至 906 端子
權(quán)利要求
1.一種非易失性存儲(chǔ)元件的驅(qū)動(dòng)方法，所述非易失性存儲(chǔ)元件具備第一電極、第二電 極、以及電阻變化層，所述電阻變化層介于所述第一電極與所述第二電極之間、且被設(shè)置為 與所述第一電極以及所述第二電極相接，根據(jù)提供到所述第一電極與所述第二電極之間的 極性不同的電信號(hào)，所述電阻變化層的電阻狀態(tài)發(fā)生可逆變化，所述電阻變化層包含缺氧 型的過(guò)渡金屬氧化物層，所述非易失性存儲(chǔ)元件的驅(qū)動(dòng)方法包括第一寫(xiě)入工序，在所述第一電極與所述第二電極之間施加具有第一極性的第一電壓， 從而使所述電阻變化層成為表示第一邏輯信息的低電阻狀態(tài)；第二寫(xiě)入工序，在所述第一電極與所述第二電極之間施加具有與所述第一極性不同的 第二極性的第二電壓，從而使所述電阻變化層成為電阻值比所述低電阻狀態(tài)高的第一高電 阻狀態(tài)；以及回寫(xiě)工序，在所述第二寫(xiě)入工序之后，在所述第一電極與所述第二電極之間施加具有 所述第一極性且電壓的絕對(duì)值比所述第一電壓小的第三電壓，從而使所述電阻變化層成為 電阻值比所述低電阻狀態(tài)高且電阻值比所述第一高電阻狀態(tài)低的、表示與所述第一邏輯信 息不同的第二邏輯信息的第二高電阻狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的非易失性存儲(chǔ)元件的驅(qū)動(dòng)方法，在所述回寫(xiě)工序中，所述非易失性存儲(chǔ)元件與負(fù)荷電阻串聯(lián)連接來(lái)構(gòu)成串聯(lián)電路，在 所述串聯(lián)電路施加具有所述第一極性的電壓，從而在所述非易失性存儲(chǔ)元件的所述第一電 極與所述第二電極之間施加相當(dāng)于所述第三電壓的分壓。
3.如權(quán)利要求2所述的非易失性存儲(chǔ)元件的驅(qū)動(dòng)方法，在所述回寫(xiě)工序中，所述非易失性存儲(chǔ)元件與作為所述負(fù)荷電阻的晶體管的溝道串聯(lián) 連接來(lái)構(gòu)成所述串聯(lián)電路，在將規(guī)定的電壓施加到所述晶體管的柵極而使所述晶體管的溝 道電阻成為規(guī)定的電阻值的狀態(tài)下，在所述串聯(lián)電路施加具有所述第一極性的電壓，從而 在所述非易失性存儲(chǔ)元件的所述第一電極與所述第二電極之間施加相當(dāng)于所述第三電壓 的分壓。
4.一種非易失性存儲(chǔ)裝置，該非易失性存儲(chǔ)裝置包括非易失性存儲(chǔ)元件以及驅(qū)動(dòng)電路，所述非易失性存儲(chǔ)元件具備第一電極、第二電極、以及電阻變化層，所述電阻變化層 介于所述第一電極與所述第二電極之間、且被設(shè)置為與所述第一電極以及所述第二電極相 接，根據(jù)提供到所述第一電極與所述第二電極之間的極性不同的電信號(hào)，所述電阻變化層 的電阻狀態(tài)發(fā)生可逆變化，所述電阻變化層包含缺氧型的過(guò)渡金屬氧化物層，所述驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行以下的工序第一寫(xiě)入工序，在所述第一電極與所述第二電極之間施加具有第一極性的第一電壓， 從而使所述電阻變化層成為表示第一邏輯信息的低電阻狀態(tài)；第二寫(xiě)入工序，在所述第一電極與所述第二電極之間施加具有與所述第一極性不同的 第二極性的第二電壓，從而使所述電阻變化層成為電阻值比所述低電阻狀態(tài)高的第一高電 阻狀態(tài)；以及回寫(xiě)工序，在所述第二寫(xiě)入工序之后，在所述第一電極與所述第二電極之間施加具有 所述第一極性且電壓的絕對(duì)值比所述第一電壓小的第三電壓，從而使所述電阻變化層成為 電阻值比所述低電阻狀態(tài)高且電阻值比所述第一高電阻狀態(tài)低的、表示與所述第一邏輯信息不同的第二邏輯信息的第二高電阻狀態(tài)。
5.如權(quán)利要求4所述的非易失性存儲(chǔ)裝置，所述第一電極以及所述第二電極分別與第一布線以及第二布線電連接， 所述驅(qū)動(dòng)電路具備第一電源，在所述第一寫(xiě)入工序中，將用于在所述第一電極與所述第二電極之間施加 所述第一電壓的電壓提供到所述第一布線與所述第二布線之間；第二電源，在所述第二寫(xiě)入工序中，將用于在所述第一電極與所述第二電極之間施加 所述第二電壓的電壓提供到所述第一布線與所述第二布線之間；以及第三電源，在所述回寫(xiě)工序中，將用于在所述第一電極與所述第二電極之間施加所述 第三電壓的電壓提供到所述第一布線與所述第二布線之間。
6.如權(quán)利要求5所述的非易失性存儲(chǔ)裝置，所述第三電源具備與所述非易失性存儲(chǔ)元件串聯(lián)連接的負(fù)荷電阻元件。
7.如權(quán)利要求6所述的非易失性存儲(chǔ)裝置，所述負(fù)荷電阻元件是與所述非易失性存儲(chǔ)元件串聯(lián)連接的晶體管。
8.如權(quán)利要求4至7的任一項(xiàng)所述的非易失性存儲(chǔ)裝置，所述電阻變化層由氧濃度不同的至少兩層缺氧型的過(guò)渡金屬氧化物層形成，氧濃度高 的缺氧型的過(guò)渡金屬氧化物層與所述第一電極或所述第二電極接觸。
9.如權(quán)利要求4至8的任一項(xiàng)所述的非易失性存儲(chǔ)裝置， 所述過(guò)渡金屬為鉭。
10.如權(quán)利要求4至9的任一項(xiàng)所述的非易失性存儲(chǔ)裝置，所述驅(qū)動(dòng)電路，每當(dāng)進(jìn)行所述第二寫(xiě)入工序后，接著進(jìn)行所述回寫(xiě)工序。
11.如權(quán)利要求4至9的任一項(xiàng)所述的非易失性存儲(chǔ)裝置，所述驅(qū)動(dòng)電路，在針對(duì)非易失性存儲(chǔ)裝置的電源斷開(kāi)之前、或在轉(zhuǎn)移到待機(jī)狀態(tài)之前、 或在這兩者之前，進(jìn)行所述回寫(xiě)工序。
12.如權(quán)利要求4至9的任一項(xiàng)所述的非易失性存儲(chǔ)裝置， 所述非易失性存儲(chǔ)裝置包括多個(gè)非易失性存儲(chǔ)元件，所述驅(qū)動(dòng)電路，在電源斷開(kāi)之前，從所述多個(gè)非易失性存儲(chǔ)元件之中檢測(cè)處于所述第 一高電阻狀態(tài)的非易失性存儲(chǔ)元件，對(duì)檢測(cè)出的所述非易失性存儲(chǔ)元件進(jìn)行所述回寫(xiě)工序。
13.如權(quán)利要求12所述的非易失性存儲(chǔ)裝置，預(yù)先規(guī)定所述第一高電阻狀態(tài)的電阻值與第二高電阻狀態(tài)的電阻值之間的閾值，對(duì)從 所述非易失性存儲(chǔ)元件讀出的電阻值與所述閾值進(jìn)行比較，從而檢測(cè)處于所述第一高電阻 狀態(tài)的非易失性存儲(chǔ)元件。
14.如權(quán)利要求4至9的任一項(xiàng)所述的非易失性存儲(chǔ)裝置，在所述非易失性存儲(chǔ)裝置為空閑狀態(tài)時(shí)，所述驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行所述回寫(xiě)工序。
全文摘要
提供用于提高寫(xiě)入在電阻變化型的非易失性元件的信息(電阻值)的保持特性的驅(qū)動(dòng)方法。包括第一寫(xiě)入工序(S01)，在電阻變化型的非易失性元件施加第一極性的第一電壓，從而成為表示第一邏輯信息的低電阻狀態(tài)；第二寫(xiě)入工序(S02)，施加與所述第一極性不同的第二極性的第二電壓，從而成為第一高電阻狀態(tài)；以及回寫(xiě)工序(S05)，在第二寫(xiě)入工序(S02)之后，施加第一極性的第三電壓，從而成為表示與所述第一邏輯信息不同的第二邏輯信息的第二高電阻狀態(tài)。在此，第三電壓的絕對(duì)值比第一電壓小，第一高電阻狀態(tài)的電阻值、第二高電阻狀態(tài)的電阻值、以及低電阻狀態(tài)的電阻值，按照其順序大。
文檔編號(hào)G11C13/00GK102084429SQ201080001938
公開(kāi)日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2010年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月10日
發(fā)明者神澤好彥, 高木剛 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社