JP4742824B2 - Storage device initialization method - Google Patents
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Description
本発明は、不揮発性の可変抵抗素子によりメモリセルを構成した記憶装置に対して、初期化を行う方法に係わる。 The present invention relates to a method for initializing a memory device in which a memory cell is configured by a nonvolatile variable resistance element.
従来の記憶装置、特にフラッシュメモリを用いた記憶装置は、記憶データを保持するための電力が不要であることから、近年、盛んに用いられるようになっている。
特に、携帯電話装置を含む、携帯用の端末装置には、メモリとしてフラッシュメモリが多く用いられている。
Conventional storage devices, particularly storage devices using a flash memory, have been actively used in recent years because they do not require power to hold stored data.
In particular, flash memory is often used as a memory in portable terminal devices including mobile phone devices.
このようなフラッシュメモリを用いた記憶装置においては、データの書き込み動作の速度が遅いという問題がある(例えば、非特許文献1参照。)。 In such a storage device using a flash memory, there is a problem that the speed of data writing operation is slow (see, for example, Non-Patent Document 1).
ところで、本出願人は、先に、上述したフラッシュメモリよりも優れた特性を持ちうる、不揮発性の可変抵抗素子を提案している。
この可変抵抗素子の膜構成は、例えば、図4の断面図に示すように、2つの電極101,102の間に導体膜103と絶縁体膜104を持つ膜構成になっている。導体膜103から絶縁体膜104に向かって電流Iが流れるように電圧をかけると、可変抵抗素子105が低抵抗に変化してデータが書き込まれ、絶縁体膜104から導体膜103に向かって電流が流れるように電圧をかけると、可変抵抗素子105が高抵抗に変化してデータが消去される。
By the way, the present applicant has previously proposed a nonvolatile variable resistance element that can have characteristics superior to the above-described flash memory.
The film structure of the variable resistance element is, for example, a film structure having a
この構成の可変抵抗素子105は、フラッシュメモリ等と比較して、単純な構造でメモリセルを構成することができるため、素子のサイズ依存性がなく、大きい信号を得ることができるため、スケーリングに強いという特長を有する。
また、抵抗変化によるデータ書き込み速度を例えば5ナノ秒程度と速くすることができ、また低電圧(例えば1V程度)かつ低電流(例えば20μA程度)で動作させることができるという利点を有する。
Since the
Further, the data writing speed due to the resistance change can be increased to, for example, about 5 nanoseconds, and it can be operated at a low voltage (for example, about 1 V) and a low current (for example, about 20 μA).
この可変抵抗素子105では、絶縁体膜や導体膜の構成や製法によっては、データの書き換えの際に、書き込み後の抵抗値と消去後の抵抗値が変動することがある。
このように抵抗値が変動すると、データの読み出しを安定して行うことが難しくなり、また、データの書き換えを繰り返したときに書き込みエラーや消去エラーを発生する場合もある。
In this
When the resistance value fluctuates in this way, it becomes difficult to read data stably, and a write error or an erase error may occur when data rewrite is repeated.
上述した問題の解決のために、本発明においては、情報の記録(書き込み、消去)後の抵抗値を安定にし、書き込みエラーや消去エラーの発生を防ぐことができる、記憶装置の初期化方法を提供するものである。 In order to solve the above-described problem, the present invention provides a method for initializing a storage device that can stabilize the resistance value after information recording (writing, erasing) and prevent the occurrence of a writing error or an erasing error. It is to provide.
本発明の記憶装置の初期化方法は、2つの電極の間に、異なる極性の電圧を印加することにより、抵抗値が高抵抗状態と低抵抗状態との間を可逆的に変化する可変抵抗素子を備え、この可変抵抗素子から成るメモリセルを複数有する記憶装置に対して、メモリセルに初めて情報を記録する前に初期化を行う際に、可変抵抗素子に異なる極性の電圧パルスを1回ずつ交互に印加する過程を複数回繰り返すものである。 An initialization method for a memory device according to the present invention is a variable resistance element in which a resistance value reversibly changes between a high resistance state and a low resistance state by applying voltages of different polarities between two electrodes. When a memory device having a plurality of memory cells composed of variable resistance elements is initialized before information is recorded in the memory cells for the first time, a voltage pulse of a different polarity is applied to the variable resistance elements once. The process of alternately applying is repeated a plurality of times .
上述の本発明の記憶装置の初期化方法によれば、可変抵抗素子に、異なる極性の電圧パルスを1回ずつ交互に印加する過程を複数回繰り返すことにより、可変抵抗素子の内部に伝導路を安定して形成する等の作用により、可変抵抗素子の高抵抗状態の抵抗値及び低抵抗状態の抵抗値を安定化させていくことができ、最終的に高抵抗状態の抵抗値及び低抵抗状態の抵抗値の変動が非常に小さい安定した状態へ遷移させることができる。
これにより、初期化を行った後には、メモリセルの可変抵抗素子に対して、書き込みエラーや消去エラーがなく、安定にデータの書き込み・消去を行うことが可能になる。
According to the above-described initialization method of the memory device of the present invention, the process of alternately applying voltage pulses of different polarities to the variable resistance element once is repeated a plurality of times, so that the conduction path is formed inside the variable resistance element. The resistance value in the high resistance state and the resistance value in the low resistance state of the variable resistance element can be stabilized by an action such as stable formation, and finally the resistance value in the high resistance state and the low resistance state It is possible to make a transition to a stable state in which the fluctuation in resistance value of
Thereby, after initialization, there is no writing error or erasing error with respect to the variable resistance element of the memory cell, and data can be stably written / erased.
上述の本発明によれば、メモリセルの可変抵抗素子に対して、書き込みエラーや消去エラーがなく、安定にデータの書き込み・消去を行うことが可能になるため、安定して動作する記憶装置を実現することができる。 According to the above-described present invention, since there is no writing error or erasing error with respect to the variable resistance element of the memory cell, it is possible to stably write and erase data, and thus a storage device that operates stably can be provided. Can be realized.
本発明に係る可変抵抗素子の一形態の概略断面図を、図1に示す。
この可変抵抗素子5は、2つの電極1,2の間に導体膜3と絶縁体膜4を持つ膜構成になっている。即ち、図4に示した可変抵抗素子105と同様の膜構成である。
FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of one embodiment of the variable resistance element according to the present invention.
This
導体膜3の材料としては、例えば、Cu,Ag,Znから選ばれる1つ以上の金属元素を含有する金属膜、合金膜(例えばCuTe合金膜)、金属化合物膜等が挙げられる。
また、絶縁体膜4の材料としては、例えば、アモルファスGd2O3や、SiO2等の絶縁体が挙げられる。
Examples of the material of the conductor film 3 include a metal film containing one or more metal elements selected from Cu, Ag, and Zn, an alloy film (for example, a CuTe alloy film), a metal compound film, and the like.
Examples of the material for the insulator film 4 include insulators such as amorphous Gd 2 O 3 and SiO 2 .
このような材料を用いた場合、導体膜3に含まれるCu,Ag,Znが、イオン化して陰極側に引き寄せられる性質を有する。なお、同様にイオン化しやすい性質を有する、Cu,Ag,Zn以外の金属元素を用いてもよい。
従って、電極1,2間に、絶縁体膜4側の電極2が低電位になるように電圧を加えると、金属元素のイオンが電極2に引き寄せられて、絶縁体膜4内に入っていく。そして、イオンが電極2まで到達すると、上下の電極1,2間が導通して抵抗値が下がることになる。このようにして、可変抵抗素子5へのデータ(情報)の書き込みが行われる。
一方、電極1,2間に、導体膜3側の電極1が低電位になるように電圧を加えると、金属元素がイオン化して電極1に引き寄せられて、絶縁体膜4から抜けていくため、上下の電極1,2間の絶縁性が増して、抵抗値が上がることになる。このようにして、可変抵抗素子5に対してデータ(情報)の消去が行われる。
When such a material is used, Cu, Ag, and Zn contained in the conductor film 3 are ionized and attracted to the cathode side. Similarly, metal elements other than Cu, Ag, and Zn that have the property of being easily ionized may be used.
Therefore, when a voltage is applied between the
On the other hand, when a voltage is applied between the
上述した変化を繰り返すことにより、可変抵抗素子5の抵抗値を、高抵抗状態と低抵抗状態との間で可逆的に変化させることができる。
実際には、絶縁体膜4中の金属元素のイオンの量によって、絶縁体膜4の抵抗値が変化しているので、絶縁体膜4を情報が記憶・保持される記憶層とみなすことができる。
By repeating the above-described change, the resistance value of the
Actually, since the resistance value of the insulator film 4 varies depending on the amount of metal element ions in the insulator film 4, the insulator film 4 can be regarded as a memory layer in which information is stored and held. it can.
可変抵抗素子5の具体的な膜構成としては、例えば、導体膜3としてCuTe膜を膜厚20nmで形成し、その上に絶縁体膜4としてアモルファスGd2O3膜を膜厚5nmで形成する。
As a specific film configuration of the
この可変抵抗素子5を用いてメモリセルを構成し、メモリセルを多数設けることにより、メモリ(記憶装置)を構成することができる。
A memory (storage device) can be configured by configuring a memory cell using the
ところで、導体膜3又は絶縁体膜4の構成や材料を変えた可変抵抗素子5の3つの形態について、それぞれの可変抵抗素子5に対して、書き込み及び消去を繰り返す、即ち書き換えを繰り返した場合の特性を、図2A〜図2Cに示す。各図において、横軸を書き換え回数、縦軸を抵抗値として、書き込み後の抵抗値(書き込み抵抗)RW及び消去後の抵抗値(消去抵抗)REをそれぞれプロットしている。
By the way, with respect to the three forms of the
図2Aに示す形態では、書き換え回数40回程度までは、書き込み後の抵抗値RWが徐々に低下し、消去後の抵抗値REが不安定な推移を示している。
一方、書き換え回数40回以後は、書き込み後の抵抗値RW及び消去後の抵抗値REが、共にエラーもなく安定に推移している。
In the form shown in FIG. 2A, the resistance value RW after writing gradually decreases and the resistance value RE after erasing shows an unstable transition up to about 40 rewrites.
On the other hand, after 40 rewrites, both the resistance value RW after writing and the resistance value RE after erasing are stable without error.
図2Bに示す形態では、書き換え回数100回程度までは、書き込み後の抵抗値RWが徐々に低下し、消去後の抵抗値REが不安定な推移を示している。また、書き込みエラーが発生している。
一方、書き換え回数100回以後は、書き込み後の抵抗値RW及び消去後の抵抗値REが、共にエラーもなく安定に推移している。
In the form shown in FIG. 2B, the resistance value RW after writing gradually decreases and the resistance value RE after erasing shows an unstable transition up to about 100 rewrites. A write error has occurred.
On the other hand, after 100 rewrites, both the resistance value RW after writing and the resistance value RE after erasing are stable without error.
図2Cに示す形態では、書き換え回数100回以前では、書き込みエラー、消去エラーが共に発生している。特に、書き込みは成功しておらず、書き込み後の抵抗値RWが高抵抗状態のままとなっている。
一方、書き換え回数100回以後は、書き込み後の抵抗値RW及び消去後の抵抗値REが、共にエラーもなく安定に推移している。
In the form shown in FIG. 2C, both a writing error and an erasing error have occurred before the number of
On the other hand, after 100 rewrites, the resistance value RW after writing and the resistance value RE after erasing both are stable without error.
これらの形態に示したように抵抗値が推移するメカニズムは、次のように考えられる。
書き換え回数の少ない初期においては、金属元素のイオンのコンダクションパス(伝導路)の形成の再現性が少なく不安定であると推測される。
これに対して、何回かの書き換えを繰り返すことによって、金属元素のイオンのコンダクションパスが再現性良く安定に形成されるようになると推測される。
The mechanism by which the resistance value changes as shown in these forms is considered as follows.
In the initial stage where the number of rewrites is small, it is presumed that the formation of a conduction path (conduction path) of ions of metal elements is less reproducible and unstable.
On the other hand, it is presumed that by repeating rewriting several times, a conduction path of ions of metal elements can be stably formed with good reproducibility.
従って、可変抵抗素子5に対して、複数回の書き換えを行うことにより、金属元素のイオンのコンダクションパスを再現性良く安定に形成することができると考えられる。
そこで、初回のデータの書き込みに先立ち、初期化過程として、このように書き換えを複数回行うようにすれば、可変抵抗素子5を安定化させることができる。
Therefore, it is considered that the ion element conduction path can be stably formed with good reproducibility by rewriting the variable resistance element 5 a plurality of times.
Therefore, if the rewriting is performed a plurality of times as an initialization process prior to the first data writing, the
続いて、本発明の一実施の形態として、図1に示した可変抵抗素子5を用いてメモリセルを構成した記憶装置(メモリ)に対して、初期化を行う方法を説明する。
本実施の形態の初期化パルス波形を図3に示す。
本実施の形態では、図3に示すように、異なる極性の電圧パルス(書き込みパルスPWと消去パルスPE)を交互に印加する書き込みと消去を交互に複数回繰り返す。繰返し回数は、通常、例えば10回から1000回程度である。
図3では、書き込み電圧及び消去電圧と、書き込みパルス幅TW及び消去パルス幅TEを、いずれもほぼ同一とした電圧パルスPW,PEを複数回繰り返している。
なお、初期化の際の電圧パルスを、通常のデータの書き込みや消去の際のパルス電圧に対して、同じ電圧や同じパルス幅としてもよいし、異なる電圧や異なるパルス幅としてもよい。
Next, as an embodiment of the present invention, a method for initializing a memory device (memory) in which a memory cell is configured using the
The initialization pulse waveform of this embodiment is shown in FIG.
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, writing and erasing in which voltage pulses (writing pulse PW and erasing pulse PE) having different polarities are applied alternately are repeated a plurality of times. The number of repetitions is usually about 10 to 1000 times, for example.
In FIG. 3, voltage pulses PW and PE in which the write voltage and erase voltage, and the write pulse width TW and erase pulse width TE are both substantially the same are repeated a plurality of times.
Note that the voltage pulse at the time of initialization may be the same voltage or the same pulse width as the pulse voltage at the time of writing or erasing normal data, or may be a different voltage or a different pulse width.
この初期化パルスを印加する、初期化過程は、初回のデータの書き込みに先立って、1回行えばよい。
また、記憶装置の工場出荷時に行っても良いし、出荷後にユーザーが行っても良い。
The initialization process for applying the initialization pulse may be performed once prior to the first data writing.
Further, it may be performed when the storage device is shipped from the factory, or may be performed by the user after shipment.
異なる極性の電圧パルスを交互に印加する回数は、可変抵抗素子5の絶縁体膜4や導体膜3の構成や製法によって異なる。
ちなみに、図2Aに示した形態では40回以上に、図2Bに示した形態及び図2Cに示した形態では100回以上に、それぞれ電圧パルスの回数を設定することが望ましい。
The number of times the voltage pulses having different polarities are alternately applied depends on the configuration of the insulator film 4 and the conductor film 3 of the
Incidentally, it is desirable to set the number of voltage pulses to 40 times or more in the form shown in FIG. 2A, and to 100 times or more in the form shown in FIG. 2B and 100% in the form shown in FIG. 2C.
上述の本実施の形態によれば、異なる極性の電圧パルスPW,PEを交互に印加することによって、書き込みと消去を交互に複数回繰り返すことにより、金属元素のイオンのコンダクションパスが再現性よく安定に形成されるようになる。
これにより、書き込み後の抵抗値RWと消去後の抵抗値REを安定にし、書き込みエラーや消去エラーの発生を防ぐことができる。
According to the above-described embodiment, by alternately applying voltage pulses PW and PE having different polarities, writing and erasing are alternately repeated a plurality of times, so that the conduction path of the metal element ions is highly reproducible. It will be formed stably.
As a result, the resistance value RW after writing and the resistance value RE after erasing can be stabilized, and the occurrence of writing errors and erasing errors can be prevented.
上述の実施の形態では、書き込み電圧及び消去電圧と、書き込みパルス幅及び消去パルス幅を、いずれもほぼ同一とした電圧パルスPW,PEを複数回繰り返して初期化を行ったが、電圧パルスの電圧(振幅)やパルス幅(時間)を、ほぼ一定ではなく、変化させることも可能である。また、書き込み側の一方の極性と消去側の他方の極性とで、電圧やパルス幅を異ならせることも可能である。 In the above-described embodiment, the voltage pulse PW and PE in which the write voltage and the erase voltage, and the write pulse width and the erase pulse width are both substantially the same are initialized a plurality of times. (Amplitude) and pulse width (time) are not substantially constant and can be changed. It is also possible to make the voltage and pulse width different between one polarity on the writing side and the other polarity on the erasing side.
さらに、本発明において、可変抵抗素子は、図1に示した可変抵抗素子5の構成に限定されるものではなく、その他の構成も可能である。
Furthermore, in the present invention, the variable resistance element is not limited to the configuration of the
例えば、(1)図1とは積層順序を逆にして、絶縁体膜の上に導体膜を積層した構成、(2)導体膜が電極を兼ねる構成、(3)導体膜を設ける代わりに、導体膜に用いられる金属元素を絶縁体膜に含有させた構成等が考えられる。 For example, (1) a structure in which the order of lamination is reversed from that in FIG. 1 and a conductor film is laminated on an insulator film, (2) a structure in which the conductor film also serves as an electrode, and (3) instead of providing a conductor film The structure etc. which contained the metal element used for a conductor film in the insulator film | membrane etc. can be considered.
また、可変抵抗素子としては、イオン化しやすい金属元素と絶縁体膜とを有する可変抵抗素子以外にも、様々な構成がある。
その他の構成の可変抵抗素子であっても、本発明を適用することが可能である。
特に、書き換え回数を増やしていくことによって、例えば伝導路が安定して形成される等のメカニズムで、書き換え(書き込み、消去)後の抵抗値が安定化していく可変抵抗素子であれば、前述した実施の形態と同様に、書き換え後の抵抗値を安定化させて、エラーの発生を防ぐ効果を得ることができる。
The variable resistance element has various configurations other than the variable resistance element having a metal element that is easily ionized and an insulator film.
The present invention can be applied to variable resistance elements having other configurations.
In particular, if the variable resistance element is such that the resistance value after rewriting (writing, erasing) is stabilized by increasing the number of times of rewriting, for example, by a mechanism in which the conduction path is stably formed or the like, it is described above. As in the embodiment, the resistance value after rewriting can be stabilized and an effect of preventing the occurrence of errors can be obtained.
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.
1,2 電極、3 導体膜、4 絶縁体膜、5 可変抵抗素子 1, 2 electrodes, 3 conductor films, 4 insulator films, 5 variable resistance elements
Claims (4)
前記可変抵抗素子から成るメモリセルを複数有する記憶装置に対して、
前記メモリセルに初めて情報を記録する前に、初期化を行う方法であって、
前記可変抵抗素子に、異なる極性の電圧パルスを1回ずつ交互に印加する過程を複数回繰り返す
記憶装置の初期化方法。 A variable resistance element having a resistance value reversibly changed between a high resistance state and a low resistance state by applying voltages of different polarities between the two electrodes,
For a memory device having a plurality of memory cells made of the variable resistance element,
A method for performing initialization before recording information in the memory cell for the first time,
A method for initializing a storage device, wherein a process of alternately applying voltage pulses of different polarities to the variable resistance element one by one is repeated a plurality of times .
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