(57)【要約】 ハーフＬＲの状態が出現し得る抵抗変化素子であっても、正常な低抵抗状態に修正し、抵抗変化ウィンドウを最大限確保することを可能とする抵抗変化素子の書き込み方法を提供する。 印加する電圧の極性に応じて高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に遷移する抵抗変化素子（１０ａ）に対するデータの書き込み方法であって、下部電極（１４ｔ）を基準に上部電極（１１）に印加する電圧として、抵抗変化素子（１０ａ）を高抵抗状態（４０１）にするために正の電圧を印加する高抵抗化書き込みステップ（４０５）と、抵抗変化素子（１０ａ）を低抵抗状態（４０３）及び（４０２）にするために負の電圧を印加する低抵抗化書き込みステップ（４０６）及び（４０８）と、低抵抗化書き込みステップ（４０８）によって負の電圧が印加された後に正の電圧を印加することによって抵抗変化素子（１０ａ）を、低抵抗状態を経て高抵抗状態（４０１）にする低抵抗安定化書き込みステップ（４０４）とを含む。
2010125805.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極及び第２電極を備え、前記第１及び第２電極間に印加する電圧の極性に応じて高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に遷移する抵抗変化型不揮発性記憶素子に対するデータの書き込み方法であって、
前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を高抵抗状態にするために、前記第１電極を基準に前記第２電極に正の第１の電圧を印加する高抵抗化書き込みステップと、
前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を低抵抗状態にするために、前記第１電極を基準に前記第２電極に負の第２の電圧を印加する低抵抗化書き込みステップと、
前記低抵抗化書き込みステップによって前記負の第２の電圧が印加された後に、前記第１電極を基準に前記第２電極に正の第３の電圧を印加することによって前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を低抵抗状態にする低抵抗安定化書き込みステップと
を含む抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み方法。
【請求項２】
前記低抵抗化書き込みステップによる負の第２の電圧印加によって、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値は、前記高抵抗状態における抵抗値である高抵抗値と前記低抵抗状態における抵抗値である低抵抗値との間の中間低抵抗値に変化する場合があり、
前記低抵抗安定化書き込みステップでは、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値を、前記中間低抵抗値から前記低抵抗値に変化させる
請求項１記載の抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み方法。
【請求項３】
前記低抵抗安定化書き込みステップでは、段階的に上昇する正の電圧を印加する
請求項２記載の抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み方法。
【請求項４】
前記低抵抗安定化書き込みステップでは、段階的に上昇する正の電圧を印加することで、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値を、前記中間低抵抗値から前記低抵抗値を経て前記高抵抗値に変化させる
請求項３記載の抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み方法。
【請求項５】
前記低抵抗安定化書き込みステップでは、予め定められた前記正の第３の電圧を１回だけ印加することによって、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値を、前記中間低抵抗値から前記低抵抗値に変化させる
請求項２記載の抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み方法。
【請求項６】
前記予め定められた正の第３の電圧は、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値が、低抵抗状態にある前記抵抗変化型不揮発性記憶素子がとり得る低抵抗値のうち最小の低抵抗値となるために印加すべき電圧以下である
請求項５記載の抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み方法。
【請求項７】
さらに、前記低抵抗化書き込みステップによって負の電圧が印加された後における前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値が前記低抵抗値であるか否かを判断する確認ステップを含み、
前記低抵抗安定化書き込みステップは、前記確認ステップで前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値が前記低抵抗値でないと判断された場合にだけ行われる
請求項２〜６のいずれか１項に記載の抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み方法。
【請求項８】
さらに、製造直後の前記抵抗変化型不揮発性記憶素子に対して前記高抵抗化書き込みステップ及び前記低抵抗化書き込みステップのいずれも行われていない場合に、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値を前記高抵抗値以上の高抵抗値からそれよりも低い抵抗値に変化させるために、前記第１電極を基準に前記第２電極に負の電圧を印加するフォーミングステップを含み、
前記低抵抗安定化書き込みステップは、前記フォーミングステップに続いて行われる
請求項２〜７のいずれか１項に記載の抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み方法。
【請求項９】
前記第３の電圧は、前記低抵抗化書き込みステップによって前記負の第２の電圧が印加されたときに前記抵抗変化型不揮発性記憶素子に流れる電流と同じ値の電流を当該抵抗変化型不揮発性記憶素子の第２電極から第１電極に流すのに必要な電圧である
請求項１又は２記載の抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み方法。
【請求項１０】
第１電極及び第２電極を備え、前記第１及び第２電極間に印加する電圧の極性に応じて高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に遷移する抵抗変化型不揮発性記憶素子に対して、製造直後の初期状態から、記憶素子として使用できる状態に変化させる初期化方法であって、
製造直後の初期状態にある抵抗変化型不揮発性記憶素子に対して、その抵抗値を下げるために、前記第１電極を基準に前記第２電極に負の第４の電圧を印加するフォーミングステップと、
前記フォーミングステップによって前記負の第４の電圧が印加された後に、前記第１電極を基準に前記第２電極に正の電圧を印加することによって前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を低抵抗状態にする低抵抗安定化書き込みステップと
を含む抵抗変化型不揮発性記憶素子の初期化方法。
【請求項１１】
前記フォーミングステップでは、前記負の第４の電圧を印加することによって、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値を、前記高抵抗状態における抵抗値である高抵抗値よりも高い抵抗値から、前記高抵抗値と前記低抵抗状態における抵抗値である低抵抗値との間の中間低抵抗値に変化させ、
前記低抵抗安定化書き込みステップでは、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値を前記中間低抵抗値から前記低抵抗値に変化させる
請求項１０記載の抵抗変化型不揮発性記憶素子の初期化方法。
【請求項１２】
前記抵抗変化型不揮発性記憶素子は、複数個あり、
前記初期化方法はさらに、前記複数個の抵抗変化型不揮発性記憶素子から一つずつ順に選択していく選択ステップを含み、
前記フォーミングステップと前記低抵抗安定化書き込みステップとは、前記選択ステップで一つの抵抗変化型不揮発性記憶素子が選択される度に行われる
請求項１０又は１１記載の抵抗変化型不揮発性記憶素子の初期化方法。
【請求項１３】
抵抗変化型不揮発性記憶素子にデータを記憶させる抵抗変化型不揮発性記憶装置であって、
第１電極及び第２電極を有し前記第１及び第２電極間に印加する電圧の極性に応じて高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に遷移する抵抗変化型不揮発性記憶素子とスイッチ素子とが直列に接続された複数のメモリセルから構成されるメモリセルアレイと、
前記メモリセルアレイの中から、少なくとも１つのメモリセルを選択する選択部と、
前記抵抗変化型不揮発性記憶素子に対してデータを書き込むための電源を供給する書き込み用電源と、
前記書き込み用電源から供給される電源に基づいて、前記選択部で選択されたメモリセルに含まれる前記抵抗変化型不揮発性記憶素子に対してデータを書き込むための電圧を印加する書き込み回路とを備え、
前記書き込み用電源は、
前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を高抵抗状態にするための電源を供給する高抵抗化用電源と、
前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を低抵抗状態にするための電源を供給する低抵抗化用電源と、
前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を追加的に安定な低抵抗状態にするための電源を供給する低抵抗安定化書き込み用電源とを有し、
前記書き込み回路は、
前記高抵抗化用電源からの電源に基づいて、前記選択部で選択されたメモリセルに含まれる前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を高抵抗状態にするのに必要な正の第１の電圧が前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の前記第１電極を基準に前記第２電極に印加されるように、当該メモリセルに電圧を印加する高抵抗化書き込み部と、
前記低抵抗化用電源からの電源に基づいて、前記選択部で選択されたメモリセルに含まれる前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を低抵抗状態にするのに必要な負の第２の電圧が前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の前記第１電極を基準に前記第２電極に印加されるように、当該メモリセルに電圧を印加する低抵抗化書き込み部と、
前記低抵抗化書き込み部による前記負の第２の電圧印加の後に、前記低抵抗安定化書き込み用電源からの電源に基づいて、前記選択部で選択されたメモリセルに含まれる前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を低抵抗状態にするのに必要な正の第３の電圧が前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の前記第１電極を基準に前記第２電極に印加されるように、当該メモリセルに電圧を印加する低抵抗安定化書き込み部とを有する
抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項１４】
前記低抵抗安定化書き込み部は、前記低抵抗化書き込み部による前記負の第２の電圧印加によって前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値が前記高抵抗状態における抵抗値である高抵抗値と前記低抵抗状態における抵抗値である低抵抗値との間の中間低抵抗値に変化した場合に、前記正の第３の電圧印加によって前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値を前記中間低抵抗値から前記低抵抗値に変化させる
請求項１３記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項１５】
前記低抵抗安定化書き込み用電源は、複数の電圧から選択した１つの電圧を順に選択して供給することで、段階的に上昇する正の電圧を供給する
請求項１４記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項１６】
前記低抵抗安定化書き込み部は、前記低抵抗安定化書き込み用電源からの電源に基づいて段階的に上昇する正の電圧を前記抵抗変化型不揮発性記憶素子に印加することで、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値を、前記中間低抵抗値から前記低抵抗値を経て前記高抵抗値に変化させる
請求項１５記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項１７】
前記低抵抗安定化書き込み用電源は、予め定められた正の電圧を供給し、
前記低抵抗安定化書き込み部は、前記低抵抗化書き込み部による前記負の第２の電圧印加の後に、前記低抵抗安定化書き込み用電源からの電源に基づいて前記予め定められた正の第３の電圧を１回だけ前記抵抗変化型不揮発性記憶素子に印加することによって、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値を、前記中間低抵抗値から前記低抵抗値に変化させる
請求項１４記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項１８】
前記低抵抗安定化書き込み用電源は、前記予め定められた正の第３の電圧として、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値が、低抵抗状態にある前記抵抗変化型不揮発性記憶素子がとり得る低抵抗値のうち最小の低抵抗値となるために印加すべき電圧以下である電圧を供給する
請求項１７記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項１９】
前記第３の電圧は、前記低抵抗化書き込み部によって前記負の第２の電圧が印加されたときに前記抵抗変化型不揮発性記憶素子に流れる電流と同じ値の電流を当該抵抗変化型不揮発性記憶素子の第２電極から第１電極に流すのに必要な電圧である
請求項１３又は１４記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項２０】
前記低抵抗安定化書き込み部は、
前記低抵抗状態における抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値と同じ抵抗値をもつ抵抗素子とスイッチ素子とが直列に接続された第１及び第２擬似メモリセルと、
前記低抵抗化用電源からの電源を入力とし、前記低抵抗化書き込み部が前記メモリセルを低抵抗化する時に印加する電圧と同じ値の電圧を、前記第１擬似メモリセルに印加する第１バッファアンプと、
前記第１擬似メモリセルに流れる電流と同じ値の電流を発生し、前記発生した電流を前記第２擬似メモリセルに印加するよう電流を制御する端子を有するカレントミラー回路と、
前記第２擬似メモリセルの両端に生じた電圧を入力とし、入力された前記電圧と同じ値の電圧を出力する第２バッファアンプとを有する
請求項１９記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項２１】
前記第１バッファアンプは、非反転入力端子が前記低抵抗化用電源に接続され、反転入力端子が第１擬似メモリセルに接続され、出力端子が前記カレントミラー回路における前記電流を制御する端子に接続された差動増幅回路である
請求項２０記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項２２】
前記第１及び第２擬似メモリセルでは、前記抵抗素子の一の端子と前記スイッチ素子の一の端子とが接続され、
前記第１バッファアンプは、前記第１擬似メモリセルを構成する抵抗素子の他の端子を基準に当該第１擬似メモリセルを構成するスイッチ素子の他の端子に対して、前記電圧を印加し、
前記カレントミラー回路は、前記第２擬似メモリセルを構成する抵抗素子の他の端子から当該第２擬似メモリセルを構成するスイッチ素子の他の端子に向けて電流が流れるように、前記電流を印加する
請求項２０記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項２３】
前記第１及び第２擬似メモリセルでは、前記抵抗素子の一の端子と前記スイッチ素子の一の端子とが接続され、
前記第１バッファアンプは、前記第１擬似メモリセルを構成するスイッチ素子の他の端子を基準に当該第１擬似メモリセルを構成する抵抗素子の他の端子に対して、前記電圧を印加し、
前記カレントミラー回路は、前記第２擬似メモリセルを構成するスイッチ素子の他の端子から当該第２擬似メモリセルを構成する抵抗素子の他の端子に向けて電流が流れるように、前記電流を印加する
請求項２０記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項２４】
前記第１及び第２擬似メモリセルに含まれるスイッチ素子は、ＭＯＳトランジスタであり、同一のゲート長及びゲート幅で構成されるゲートを有する
請求項２０記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項２５】
前記第１及び第２擬似メモリセルに含まれる抵抗素子は、ポリシリコン又は半導体基板上の拡散層で構成される配線で構成される
請求項２０記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項２６】
前記第１及び第２擬似メモリセルに含まれる抵抗素子は、前記低抵抗状態における抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値と同じ抵抗値に設定された可変抵抗素子である
請求項２０記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項２７】
前記カレントミラー回路は、ゲートどうしが接続された第１及び第２ＭＯＳトランジスタから構成され、
前記第１ＭＯＳトランジスタは、前記第１擬似メモリセルに接続され、
前記第２ＭＯＳトランジスタは、前記第２擬似メモリセルに接続され、前記第１ＭＯＳトランジスタよりも大きな電流能力を有する
請求項２０記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項２８】
前記低抵抗安定化書き込み部はさらに、
前記第２バッファアンプから出力された電圧を、複数の分圧比から選択された一の分圧比で分圧して出力する低抵抗安定化書き込み用電源と、
前記低抵抗安定化書き込み用電源から出力される電圧を入力とし、入力された前記電圧と同じ値の電圧を出力する第３バッファアンプとを有する
請求項２０記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、印加される電気的信号に応じて抵抗値が変化する抵抗変化型不揮発性記憶素子に対するデータの書き込み方法、及び、抵抗変化型不揮発性記憶素子をメモリセルとして備える抵抗変化型不揮発性記憶装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、抵抗変化型不揮発性記憶素子（以下、単に「抵抗変化素子」ともいう。）を用いて構成されたメモリセルを有する抵抗変化型不揮発性記憶装置（以下、単に「不揮発性記憶装置」ともいう。）の研究開発が進んでいる。抵抗変化素子とは、少なくとも２つの閾値電圧（書き込みおよび消去時の閾値電圧）を有し、前記書き込みあるいは消去閾値電圧を超えるような電気的信号によって抵抗値が可逆的に変化する性質を有し、さらにはこの抵抗値に対応したデータを、不揮発的に記憶することが可能な素子をいう。【０００３】
抵抗変化素子を用いた不揮発性記憶装置として、直交するように配置されたビット線とワード線、ソース線（ソース線は、ビット線またはワード線のいずれかと平行に配置）との交点の位置に、ＭＯＳトランジスタと抵抗変化素子を直列に接続した、いわゆる１Ｔ１Ｒ型と呼ばれるメモリセルをマトリックス状にアレイ配置した不揮発性記憶装置が一般的に知られている。【０００４】
特許文献１では、記憶層が希土類酸化膜等のアモルファス薄膜から成るものを抵抗変化素子として用いた１Ｔ１Ｒ型メモリセルで構成された不揮発性記憶装置が示されている。【０００５】
図３２は、その中で示されているメモリセルの構成図である。【０００６】
メモリセル１００１は、抵抗変化素子１００２と抵抗変化素子１００２へのアクセスを制御する能動素子としてＭＩＳトランジスタ１００３とを電気的に直列に接続して形成されている。【０００７】
抵抗変化素子１００２の構成は、第１の電極１００２ａと第２の電極１００２ｂとの間に記憶層１００２ｃが挟まれている。【０００８】
ここでは、記憶層１００２ｃに用いる材料としては、希土類酸化膜中に、Ｃｕ、Ａｇ、或いはＺｎのようなイオン化が容易な金属を含有させていることが開示されている。【０００９】
図３２に示すように、メモリセル１００１への電圧印加は、抵抗変化素子１００２がＭＩＳトランジスタ１００３と接続された端子とは反対側の端子に端子電圧Ｖ１が印加され、ＭＩＳトランジスタ１００３が抵抗変化素子１００２と接続された端子とは反対側の一方（例えばソース側）の端子に端子電圧Ｖ２が印加され、ＭＩＳトランジスタ１００３のゲートにゲート電圧Ｖｇｓが印加される構成となっている。【００１０】
そして、メモリセル１００１を構成する抵抗変化素子１００２及びＭＩＳトランジスタ１００３の両端にそれぞれ端子電圧Ｖ１、Ｖ２が印加することにより、両端子間に電位差Ｖ（＝｜Ｖ２−Ｖ１｜）が生じる。【００１１】
メモリセル１００１への書き込み方法については、抵抗変化素子１００２の抵抗値が高抵抗状態であるときに、ＭＩＳトランジスタ１００３のゲートをオンにすると共に、メモリセル１００１の両端子に電圧Ｖ（＝｜Ｖ２−Ｖ１｜）を印加したときに、抵抗変化素子１００２の両端にかかる電圧が、前述した抵抗変化素子１００２の書き込み閾値電圧よりも大きくなっていれば、抵抗変化素子１００２の抵抗値が高抵抗状態から低下して、低抵抗状態へと遷移し、抵抗変化素子１００２の抵抗値が低抵抗状態であるときに、ＭＩＳトランジスタ１００３のゲートをオンにすると共に、メモリセル１００１内の抵抗変化素子１００２及びＭＩＳトランジスタ１００３に、書き込み時とは逆極性の電圧Ｖを印加すると、抵抗変化素子１００２の両端にかかる電圧が、前述した抵抗変化素子１００２の消去閾値電圧よりも大きくなっていれば、抵抗変化素子１００２の抵抗値が低抵抗状態から増大して、高抵抗状態へと遷移する。つまり、双極性的な抵抗変化動作が開示されている。【００１２】
更に、抵抗変化素子１００２の高抵抗状態から低抵抗状態への遷移は、図３３に示す様に抵抗変化素子１００２とＭＩＳトランジスタ１００３とを直列接続した電流−電圧の動作点で抵抗変化素子１００２の抵抗値が決まり、その値は、抵抗変化素子１００２の電圧が書込み閾値電圧（Ｖｔｈとする）となる時に流れる電流値で決まるとされている。【００１３】
従って、抵抗変化素子１００２の低抵抗状態の抵抗値は、ＭＩＳトランジスタ１００３のゲート電圧にて制御可能で、図３３では、ゲート電圧をＶＧ３、ＶＧ２、ＶＧ１と変化させることで閾値電圧Ｖｔｈ付近での動作点はＰ３、Ｐ２、Ｐ１となり、抵抗変化素子１００２の抵抗値は順次低い（電流が大きい）状態に任意に設定されることが開示され、この性質を利用して３値以上の情報を記憶することが可能な多値記憶装置を構成している。【００１４】
特許文献２では、強相関電子酸化物による抵抗変化素子を用いた１Ｔ１Ｒ型メモリセルで構成された不揮発性記憶装置が示されている。【００１５】
図３４は、その中で示されているメモリセルの構成図である。【００１６】
メモリセル１１４０は、抵抗変化素子１１３０と抵抗変化素子１１３０へのアクセスを制御する能動素子としてＭＯＳトランジスタ１１３８とを電気的に直列に接続して形成されている。【００１７】
抵抗変化素子１１３０の構成は、第１の電極１１３６と第２の電極１１３２との間に変化層１１３４が挟まれている。【００１８】
ここでは、それぞれに用いる材料として、第１の電極１１３６にチタン（Ｔｉ）、第２の電極１１３２に銅（Ｃｕ）、変化層１１３４に酸化銅（ＣｕＯ）が開示されている。【００１９】
メモリセル１１４０への書き込み方法については、抵抗変化素子１１３０の抵抗値が高抵抗状態であるときに、ＭＯＳトランジスタ１１３８のドレイン／ソース端子の内、抵抗変化素子１１３０と接続しない端子（例えばソース端子）を基準電圧（接地）にし、抵抗変化素子１１３０にプログラム電圧Ｖｐｇが印加されるように第１の電極１１３６に正電圧を供給する。これにより、抵抗変化素子１１３０の抵抗値が高抵抗状態から低抵抗状態へと遷移し、メモリセル１１４０の抵抗値が低抵抗状態となる。【００２０】
一方、抵抗変化素子１１３０の抵抗値が低抵抗状態である時に、第２の電極１１３２から第１の電極１１３６の方向に電流が流れる消去電圧Ｖｅｒが抵抗変化素子１１３０に印加されると、抵抗変化素子１１３０の抵抗値が低抵抗状態から高抵抗状態へと遷移し、メモリセル１１４０の抵抗値が高抵抗状態となる。【００２１】
更に、メモリセル１１４０の低抵抗状態は、前記プログラム時のプログラム電圧Ｖｐｇの大きさあるいはゲートＧの電圧の大きさに反比例して抵抗値が決まるということが開示されている。つまり、プログラム電圧Ｖｐｇ又はゲートＧの電圧が大きくなるとメモリセルの抵抗設定が低い値へシフトする。【００２２】
従って、抵抗レベルを検知し、低抵抗状態への書込み不足の場合、書込み電圧を増やしながら書込みレベルを下げて調整される低抵抗値の調整手段が開示される。【００２３】
図３５（ａ）は上部電極１１３６の印加電圧を上昇させながら抵抗値を調整するフローチャートで、図３５（ｂ）はトランジスタ１１３８のゲートＧの印加電圧を上昇させながら抵抗値を調整するフローチャートである。【００２４】
特許文献１は、多値記憶装置への応用が開示されているが、開示内容によれば、低抵抗状態と高抵抗状態の２値メモリに適用する場合においても、トランジスタの製造工程ばらつきに起因する電流能力ばらつきが低抵抗値のばらつきとして現われることを示唆している。【００２５】
低抵抗値のばらつきを抑える方法としては、低抵抗化の書込み時に同一極性電圧を順次大きくさせながら抵抗レベルを調整する特許文献２記載の調整手段が有用である。【００２６】
メモリセルの抵抗変化をデータ記憶に利用するメモリ装置は、多数のメモリセルの高抵抗状態と低抵抗状態の分布差が、マージンを持って分離されることがデータ判別の信頼性を向上させる。また、メモリ装置の読出し速度においては、セル電流が多く流れるメモリセル（低抵抗状態のメモリセル）のワースト値で合わせるのが一般的で、抵抗変化メモリにおいては低抵抗値の上限を低く抑えることが高速化に繋がる。従って、低抵抗状態のメモリセルのセル電流量を規定以上に設定することは極めて重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２７】
【特許文献１】特開２００５−２３５３６０号公報（図２、図４）
【特許文献２】米国特許第７２８９３５１号明細書（Ｆｉｇ．２、Ｆｉｇ．４、Ｆｉｇ．５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
本願発明者らは、抵抗変化型不揮発性記憶装置の１つとして、タンタルやハフニウム等の遷移金属の酸素不足型酸化物を抵抗変化層に有するメモリセルで構成された抵抗変化型不揮発性記憶装置を検討している。【００２９】
ここで、酸素不足型の酸化物とは、酸素が化学量論的組成から不足した酸化物をいう。【００３０】
化学量論的な組成を有する金属酸化物の多くは絶縁性を示すが、酸素不足型とすることで、半導体、または導体的特性を示すようになる。【００３１】
上記のような遷移金属の酸素不足型酸化物を抵抗変化層に有するメモリセルに高抵抗状態に遷移させる場合は正電圧の書込みパルスを印加し、低抵抗状態に遷移させる場合は負電圧の書込みパルスを印加する、といった前記特許文献２に示すのと同様な書換え方法を実施した場合、高抵抗状態から低抵抗状態に変化する際、低抵抗レベルが十分低抵抗にならずに高抵抗側にシフトした状態になってしまう場合があり、課題となっている。以降、中間の低抵抗状態に留まる低抵抗状態をハーフＬＲと称す。【００３２】
上記の様な場合、複数のメモリセルを搭載する抵抗変化型不揮発性記憶装置ではハーフＬＲレベルのメモリセル状態が律速して、高抵抗状態と低抵抗状態との間の抵抗差である読み出しウィンドウが小さくなり、読出し速度が低下する、あるいは、抵抗状態のばらつきによりウィンドウが消滅し、読出しができない場合がある、といった特性劣化や動作不良が発生する。【００３３】
この様にハーフＬＲの状態のメモリセル特性は、新たな課題となる。【００３４】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ハーフＬＲの状態が出現し得る抵抗変化素子であっても、正常な低抵抗状態に修正し、抵抗変化ウィンドウを最大限確保することを可能とする抵抗変化素子の書き込み方法及び不揮発性記憶装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
上記目的を達成するために、本発明に係る抵抗変化素子の書き込み方法の一形態は、第１電極及び第２電極を備え、前記第１及び第２電極間に印加する電圧の極性に応じて高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に遷移する抵抗変化型不揮発性記憶素子に対するデータの書き込み方法であって、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を高抵抗状態にするために、前記第１電極を基準に前記第２電極に正の第1の電圧を印加する高抵抗化書き込みステップと、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を低抵抗状態にするために、前記第１電極を基準に前記第２電極に負の第２の電圧を印加する低抵抗化書き込みステップと、前記低抵抗化書き込みステップによって前記負の第２の電圧が印加された後に、前記第１電極を基準に前記第２電極に、正の第３の電圧を印加することによって前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を低抵抗状態にする低抵抗安定化書き込みステップとを含む。【００３６】
これにより、低抵抗化書き込みステップによって、抵抗変化型不揮発性記憶素子を低抵抗化するために負の電圧が印加された後であってもその後に正の電圧が印加される、つまり、低抵抗化書き込みの後に低抵抗安定化書き込みが行われるので、低抵抗化書き込みによって抵抗変化型不揮発性記憶素子がハーフＬＲ化された場合であっても、その後に続く低抵抗安定化書き込みによって抵抗変化型不揮発性記憶素子は確実に低抵抗化される。【００３７】
また、本発明は、第１電極及び第２電極を備え、前記第１及び第２電極間に印加する電圧の極性に応じて高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に遷移する抵抗変化型不揮発性記憶素子に対して、製造直後の初期状態から、記憶素子として使用できる状態に変化させる初期化方法であって、製造直後の初期状態にある抵抗変化型不揮発性記憶素子に対して、その抵抗値を下げるために、前記第１電極を基準に前記第２電極に負の第４の電圧を印加するフォーミングステップと、前記フォーミングステップによって前記負の第４の電圧が印加された後に、前記第１電極を基準に前記第２電極に正の電圧を印加することによって前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を低抵抗状態にする低抵抗安定化書き込みステップとを含む抵抗変化型不揮発性記憶素子の初期化方法として実現することもできる。【００３８】
これにより、製造直後の初期状態における抵抗変化型不揮発性記憶素子に対して、負の電圧印加によるフォーミングが行われた後に続いて低抵抗安定化書き込みが行われるので、フォーミングによって抵抗変化型不揮発性記憶素子がハーフＬＲ化された場合であっても、その後に続く低抵抗安定化書き込みによって抵抗変化型不揮発性記憶素子は確実に低抵抗化される。【００３９】
また、本発明に係る抵抗変化型不揮発性記憶装置の一形態は、抵抗変化型不揮発性記憶素子にデータを記憶させる抵抗変化型不揮発性記憶装置であって、第１電極及び第２電極を有し前記第１及び第２電極間に印加する電圧の極性に応じて高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に遷移する抵抗変化型不揮発性記憶素子とスイッチ素子とが直列に接続された複数のメモリセルから構成されるメモリセルアレイと、前記メモリセルアレイの中から、少なくとも１つのメモリセルを選択する選択部と、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子に対してデータを書き込むための電源を供給する書き込み用電源と、前記書き込み用電源から供給される電源に基づいて、前記選択部で選択されたメモリセルに含まれる前記抵抗変化型不揮発性記憶素子に対してデータを書き込むための電圧を印加する書き込み回路とを備え、前記書き込み用電源は、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を高抵抗状態にするための電源を供給する高抵抗化用電源と、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を低抵抗状態にするための電源を供給する低抵抗化用電源と、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を追加的に安定な低抵抗状態にするための電源を供給する低抵抗安定化書き込み用電源とを有し、前記書き込み回路は、前記高抵抗化用電源からの電源に基づいて、前記選択部で選択されたメモリセルに含まれる前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を高抵抗状態にするのに必要な正の第１の電圧が前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の前記第１電極を基準に前記第２電極に印加されるように、当該メモリセルに電圧を印加する高抵抗化書き込み部と、前記低抵抗化用電源からの電源に基づいて、前記選択部で選択されたメモリセルに含まれる前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を低抵抗状態にするのに必要な負の第２の電圧が前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の前記第１電極を基準に前記第２電極に印加されるように、当該メモリセルに電圧を印加する低抵抗化書き込み部と、前記低抵抗化書き込み部による前記負の第２の電圧印加の後に、前記低抵抗安定化書き込み用電源からの電源に基づいて、前記選択部で選択されたメモリセルに含まれる前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を低抵抗状態にするのに必要な正の第３の電圧が前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の前記第１電極を基準に前記第２電極に印加されるように、当該メモリセルに電圧を印加する低抵抗安定化書き込み部とを有する。【００４０】
これにより、低抵抗化書き込み部によって抵抗変化型不揮発性記憶素子を低抵抗化するための負電圧が印加された後に低抵抗安定化書き込み部によって正の電圧を印加することができるので、低抵抗化書き込み部によって抵抗変化型不揮発性記憶素子がハーフＬＲ化した場合であっても、その後に続く低抵抗安定化書き込み部による書き込みにより、抵抗変化型不揮発性記憶素子を確実に低抵抗化させることができる。
【発明の効果】
【００４１】
本発明により、抵抗変化素子に対して低抵抗化書き込みをしたときに抵抗変化素子がハーフＬＲ化した場合であっても低抵抗安定化書き込みによって確実に低抵抗化されるので、ハーフＬＲが出現し得る抵抗変化素子について、低抵抗状態のばらつきを抑え、抵抗変化のウィンドウを最大限確保することが可能となる抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み方法及び抵抗変化型不揮発性記憶装置が提供される。よって、抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗変化状態の安定化を実現することができ、メモリの読出し高速化や歩留り向上を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る抵抗変化素子の構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係るメモリセルの構成図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態に係るメモリセルのパルスＶ−Ｉ特性グラフである。
【図４】図４は、本発明の実施の形態に係るメモリセルの正負交互パルス印加による抵抗変化特性グラフである。
【図５】図５は、本発明の実施の形態に係るメモリセルの正負交互パルス印加による抵抗変化特性グラフである。
【図６】図６（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係るメモリセルのパルスＶ−Ｉ特性グラフである。
【図７】図７（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係るメモリセルのパルスＶ−Ｉ特性グラフである。
【図８】図８（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態に係るハーフＬＲの状態の抵抗変化メカニズム推定図である。
【図９】図９（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態に係るハーフＬＲの状態の抵抗変化メカニズム説明図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態に係る不揮発性記憶装置の構成図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態に係る不揮発性記憶装置に搭載される電源及び書込み回路の詳細構成図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態に係るセンスアンプの詳細構成図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態に係るセンスアンプの判定電流レベル説明図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施の形態に係る抵抗変化型不揮発性記憶装置のメモリセル部の構成の一例を示す断面図である。
【図１５】図１５（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態に係るメモリセルへの各種シーケンス図である。
【図１６Ａ】図１６Ａは、本発明の実施の形態に係る選択メモリセルへの書換え状態遷移図である。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、本発明の実施の形態に係る選択メモリセルへの書換え状態遷移図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、本発明の実施の形態に係る低抵抗安定化書込みのフローチャート図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、本発明の実施の形態に係る低抵抗安定化書込みのフローチャート図である。
【図１８Ａ】図１８Ａは、本発明の実施の形態に係る低抵抗安定化書込みのシーケンス図と選択メモリセル状態のイメージ図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、本発明の実施の形態に係る低抵抗安定化書込みのシーケンス図と選択メモリセル状態のイメージ図である。
【図１９】図１９は、本発明の実施の形態に係る選択メモリセルへの書換え状態遷移図である。
【図２０】図２０は、本発明の実施の形態に係る選択メモリセルへの書換え状態遷移図である。
【図２１】図２１は、本発明の実施の形態に係る低抵抗安定化書込みのフローチャート図である。
【図２２】図２２は、本発明の実施の形態に係る低抵抗安定化書込みのシーケンス図と選択メモリセル状態のイメージ図である。
【図２３】図２３は、本発明の実施の形態に係る低抵抗安定化書込みのフローチャート図である。
【図２４】図２４は、本発明の実施の形態に係る不揮発性記憶装置の第２の構成図である。
【図２５】図２５（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る抵抗変化素子のパルスＶ−Ｉ特性グラフである。
【図２６】図２６は、本発明の実施の形態に係る抵抗変化素子単体の書換え時の電圧−電流特性図である。
【図２７】図２７（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係るメモリセルのパルス電圧設定方法説明グラフである。
【図２８】図２８（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係るメモリセルの電圧印加説明図である。
【図２９】図２９は、本発明の実施の形態に係るメモリセルの低抵抗安定化書込みのフローチャート図である。
【図３０】図３０は、本発明の実施の形態に係るベリファイ付き低抵抗安定化書込みのフローチャート図である。
【図３１】図３１は、本発明の実施の形態に係る低抵抗安定化書込みのパルス電圧発生回路の構成図である。
【図３２】図３２は、特許文献１に記載のメモリセルの構成図である。
【図３３】図３３は、特許文献１に記載のメモリセルの書込み動作点解析図である。
【図３４】図３４は、特許文献２に記載のメモリセルの構成図である。
【図３５】図３５（ａ）、（ｂ）は、特許文献２に記載のメモリセルの書換えフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００４４】
まず、本願発明者らは、不揮発性抵抗変化材料として、タンタルやハフニウムの酸素不足型酸化物を抵抗変化層に用いたメモリセルで構成された抵抗変化型不揮発性記憶装置を検討している。
【００４５】
その基本構造は主に３種類で、図１（ａ）、図１（ｂ）、図１（ｃ）に３種類の抵抗変化素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの模式図を示す。
【００４６】
図１（ａ）は、抵抗変化層１３に酸素不足型のタンタル酸化物（ＴａＯX）又は酸素不足型のハフニウム酸化物（ＨｆＯX’)を用い、その上部界面に３００℃、２００Ｗ、２０秒の酸素プラズマを照射して、ＴａＯXまたはＨｆＯX’より酸素濃度の高いＴａＯyまたはＨｆＯy’で構成される酸化層１２を薄く形成し、これを白金（Ｐｔ）で構成される上部電極１１と、窒化タンタル（ＴａＮ）で構成される下部電極１４ｔでサンドイッチしたような構造とした。
【００４７】
図１（ｂ）は、抵抗変化層１３に酸素不足型のタンタル酸化物（ＴａＯX）又は酸素不足型のハフニウム酸化物（ＨｆＯX’）を用い、これを白金Ｐｔで構成される上部電極１１と、タンタルナイトライド（ＴａＮ）で構成される下部電極１４ｔでサンドイッチしたような構造とした。
【００４８】
図１（ｃ）は、抵抗変化層１３に酸素不足型のタンタル酸化物（ＴａＯX）又は酸素不足型のハフニウム酸化物（ＨｆＯX’）を用い、その上部界面に酸素プラズマを照射して、ＴａＯXまたはＨｆＯX’より酸素濃度の高いＴａＯyまたはＨｆＯy’で構成される酸化層１２を薄く形成し、これを白金（Ｐｔ）で構成される上部電極１１と下部電極１４ｐでサンドイッチしたような構造とした。
【００４９】
ここで、酸素不足型の酸化物とは、酸素が化学量論的組成から不足した酸化物をいう。遷移金属の１つであるタンタルの例で言えば、化学量論的な組成を有する酸化物としてＴａ2Ｏ5がある。このＴａ2Ｏ5では、酸素がタンタルの２．５倍含まれており、酸素含有率で表現すると、７１．４％である。この酸素含有率７１．４％よりも酸素含有率が低くなった状態の酸化物、すなわちＴａＯXと表現したとき、０＜ｘ＜２．５を満足する非化学量論的な組成を有するタンタル酸化物を、酸素不足型のタンタル酸化物と呼ぶ。同様に、ハフニウム酸化物（ＨｆＯX’）の場合は、０＜ｘ’＜２．０を満足する場合、酸素不足型のハフニウム酸化物と呼ぶ。
【００５０】
化学量論的な組成を有する金属酸化物の多くは絶縁性を示すが、酸素不足型とすることで、半導体、または導体的特性を示すようになる。
【００５１】
前記抵抗変化層としてより好適には、酸素含有率が４５〜６５ａｔ％の組成範囲、即ち抵抗変化層に酸素不足型のタンタル酸化物を用い、ＴａＯXと表記した場合におけるｘの範囲が０．８≦ｘ≦１．９より適切な抵抗変化層の範囲であると言える（酸素含有率＝４５ａｔ％がｘ＝０．８に、酸素含有率＝６５ａｔ％がｘ＝１．９にそれぞれ対応）。
【００５２】
酸素不足型のタンタル酸化物を抵抗変化膜に使用した不揮発性記憶素子では、上部電極と下部電極とで異なる標準電極電位を有する材料を用いることで、片側の電極近傍で優勢に抵抗変化が起こって、理想的なバイポーラ型の抵抗変化を実現できる。さらに、抵抗変化モードの混ざり合いも起こらず、安定した抵抗変化動作が可能となる。また、抵抗変化層に酸素不足型のハフニウム酸化物を用い、ＨｆＯX’と表記した場合におけるｘ’の範囲が０．９≦ｘ’≦１．６より適切な抵抗変化層の範囲であると言える。
【００５３】
より好適には、抵抗変化膜としてタンタル酸化物を用いる場合、一方の電極材料には、タンタルの標準電極電位よりも大きく、かつ差の大きな材料を用い、もう一方の電極材料には、タンタルの標準電極電位よりも大きく差の小さな材料を用いればよい。
【００５４】
さらにより好適には、一方の電極材料には、タンタルの標準電極電位よりも大きな材料を用い、もう一方の電極材料には、タンタルの標準電極電位よりも小さな材料を用いればよい。
【００５５】
また、抵抗変化膜としてハフニウム酸化物を用いる場合は、一方の電極材料には、ハフニウムの標準電極電位よりも大きく、かつ差の大きな材料を用い、もう一方の電極材料には、ハフニウムの標準電極電位よりも大きく差の小さな材料を用いればよい。さらにより好適には、一方の電極材料には、ハフニウムの標準電極電位よりも大きな材料を用い、もう一方の電極材料には、ハフニウムの標準電極電位よりも小さな材料を用いればよい。
【００５６】
つまり、前記抵抗変化層は酸素不足型の遷移金属酸化物層を主たる抵抗変化材料とし、前記第１電極と前記第２電極は、異なる元素で構成される材料によって構成され、前記第１電極の標準電極電位Ｖ１と、前記第２電極の標準電極電位Ｖ２と、前記遷移金属酸化物層を構成する遷移金属の標準電極電位Ｖｔとが、Ｖｔ＜Ｖ２かつＶ１＜Ｖ２を満足した構成とすればよい。
【００５７】
具体的には、酸素不足型のタンタル酸化物を用いた不揮発性記憶素子では、前記第２電極材料としては、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）等であり、前記第１電極材料はタングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）等が望ましい。従って、前記第２電極は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ等で構成される群から選択され、前記第１電極は、Ｗ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｌ等で構成される群から選択されるのが好ましい。また、酸素不足型のハフニウム酸化物を用いた不揮発性記憶素子では、前記第２電極材料としては、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｗ等であり、前記第１電極材料はハフニウム（Ｈｆ）、Ｔｉ、Ａｌ等が望ましい。従って、前記第２電極は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｗ等で構成される群から選択され、前記第１電極は、Ｈｆ、Ｔｉ、Ａｌ等で構成される群から選択されるのが好ましい。
【００５８】
上記の構成とすることにより、標準電極電位の高い電極と抵抗変化膜の界面近傍において、抵抗変化膜の酸素濃度が選択的に変化し、安定な抵抗変化特性が得られる。
【００５９】
また、前記抵抗変化層は、ＴａＯX（但し、０．８≦ｘ≦１．９）で表される組成を有する第１の酸素不足型タンタル酸化物層と、ＴａＯy（但し、ｘ＜ｙ）で表される組成を有する第２の酸素不足型タンタル酸化物層とが積層された積層構造を有していてもよいし、ＨｆＯX’（但し、０．９≦ｘ’≦１．６）で表される組成を有する第１の酸素不足型ハフニウム酸化物層と、ＨｆＯy’（但し、ｘ’＜ｙ’）で表される組成を有する第２の酸素不足型ハフニウム酸化物層とが積層された積層構造としてもよい。
【００６０】
上記の構成とすることにより、第２の酸素不足型金属酸化物層と電極との界面近傍において、前記第２の酸素不足型金属酸化物層の酸素濃度が変化し、安定な抵抗変化特性が得られる。
【００６１】
さらに、第２の酸素不足型タンタル酸化物層が第２電極側に配置されている構造としてもよい。
【００６２】
図２は、抵抗変化素子１０ａをトランジスタ１０４と接続した１Ｔ１Ｒ型メモリセル１０５で、抵抗変化素子１０ａの下部電極１４ｔとトランジスタ１０４の拡散領域３０２ｂとをビア２０で接続して形成される。
【００６３】
メモリセルの端子は、上部電極１１をビア１９にて第２配線層１７まで引き出した端子Ｕと、下部電極１４ｔと接続するトランジスタ１０４の拡散領域３０２ａをビア２１にて第１配線層１８まで引き出した端子Ｓと、トランジスタ１０４のゲート電極３０３ｂを端子とする端子Ｇとで構成される。３０３ａはトランジスタ１０４を構成するゲート酸化膜である。
【００６４】
図２のメモリセル１０５は、抵抗変化素子として図１（ａ）に示される抵抗変化素子１０ａを適用した場合を示すが、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示される抵抗変化素子１０ｂや１０ｃを適用した場合も、抵抗変化素子１０ａと同様に下部電極１４ｐ又は１４ｔとトランジスタ１０４の拡散領域３０２ｂとをビア２０にて接続した構成となる。
【００６５】
図３、図６、図７に、図１に示す構造の３つの異なる抵抗変化素子１０ａ〜１０ｃを、図２のメモリセル１０５に用いて得られた抵抗変化特性の３つの異なる様子を示す電流−電圧特性グラフの一例を示す。なお、本明細書では、電圧印加の極性に関しては、特に断らない限り、抵抗変化素子１０ａ〜１０ｃの下部電極１４ｔ、１４ｐよりも高い電圧が上部電極１１に印加される場合を、正の電圧印加と定義する。ただし、電圧を印加する具体的な端子としては、抵抗変化素子の両端子だけに限られず、抵抗変化素子とトランジスタとが直列接続されたメモリセルの両端子も含まれる。いずれの端子間に電圧を印加するかは、各実施の形態の中で明記する。
【００６６】
（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１における抵抗変化素子の書き込み方法及び不揮発性記憶装置について説明する。
【００６７】
図３は、メモリセル１０５の抵抗変化に伴うパルス電圧（Ｖｐ）とセル電流（Ｉｒ）の様子の一例を示す電流−電圧特性のグラフであり、図２のトランジスタ１０４の端子Ｇにトランジスタ１０４がオンする電圧（＝２．４Ｖ）を印加し、図２の配線Ｕ−Ｓ間に配線Ｓを基準電位とした抵抗変化パルス（０Ｖ→Ｖｐ→０Ｖ、パルス幅５０ｎｓ）を印加し、パルス電圧Ｖｐを負電圧から正電圧に振った値を横軸に示す。そして抵抗変化パルスによる電圧印加後に、抵抗変化素子１０ａの両端に掛かる電圧が書き込みまたは消去閾値電圧よりも絶対値が低い電圧Ｖｒ＝０．４Ｖを、読み出し電圧として印加して抵抗変化素子１０ａを流れる読み出し電流値を縦軸に表している。以降、この測定方法による電圧−電流特性を、パルスＶ−Ｉ特性と呼ぶことにする。なお、書き込みまたは消去閾値電圧とは、抵抗変化素子の抵抗値を変化させないで印加できる最大の電圧（絶対値）であり、抵抗変化素子の抵抗値を変化させずに読み出すときに印加できる最大の電圧（絶対値）でもある。
【００６８】
図３（ａ）は、製造直後の初期状態の高抵抗状態（ＨＲ、ＶＰ＝０〜−１．６Ｖの状態）にある抵抗変化素子１０ａを最初のフォーミング（Ｖｐ＝−１．７Ｖ印加）にて低抵抗状態（ＬＲ）にした時のパルスＶ−Ｉ特性（抵抗変化素子にパルス電圧Ｖｐを印加し、そのとき抵抗変化素子に流れるセル電流Ｉｒを測定）グラフで、図３（ｂ）は、前記評価方法による１回目の測定結果、図３（ｃ）は、同評価方法による第２回目の測定結果、図３（ｄ）は、同評価方法による第３回目の測定結果である。その後もほぼ同じ波形の繰り返しなので省略している。
【００６９】
なお、「フォーミング」とは、製造直後の初期状態にある抵抗変化素子を、印加される電圧の極性に応じて高抵抗状態（ＨＲ）と低抵抗状態（ＬＲ）とを可逆的に遷移できる状態に遷移させる（初期化する）ことである。通常、抵抗変化素子は、初期状態では、通常使用時の高抵抗状態より高い高抵抗状態にあり、フォーミングによって低抵抗状態に遷移させ、抵抗変化を起こさせる。よって、「製造直後の初期状態にある抵抗変化素子」、あるいは、「製造直後の抵抗変化素子」とは、製造後であって、かつ、印加される電圧の極性に応じて高抵抗状態（ＨＲ）と低抵抗状態（ＬＲ）とを可逆的に遷移できる状態に、未だ、なっていない（つまり、初期化されていない）抵抗変化素子のことである。
【００７０】
図３（ｂ）のパルスＶ−Ｉ測定の前と、図３（ｄ）のパルスＶ−Ｉ測定の後に、正負交互パルスによる通常の抵抗変化測定を実施しており、図３（ｂ）を測定する前の抵抗変化特性グラフを図４に、図３（ｄ）を測定した後の抵抗変化特性グラフを図５に示す。
【００７１】
ここで、図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）、図３（ｄ）、図４、図５の測定順番ステップを以下に示す。
（評価ステップ１）
図３（ａ）  パルスＶ−Ｉ法によるフォーミング（初期ＬＲ化）
パルス電圧Ｖｐ＝０Ｖ→−１．７Ｖ（０．１Ｖステップ）
（評価ステップ２）
図４  正負交互パルスによる抵抗変化測定（ＬＲ安定化シーケンス前）
パルス電圧Ｖｐ＝−２．４Ｖ⇔＋２．４Ｖ  ４１回印加
（評価ステップ３）
図３（ｂ）  パルスＶ−Ｉ測定  第１回目
パルス電圧Ｖｐ＝０Ｖ→−２．４Ｖ→０Ｖ→＋２．４Ｖ→０Ｖ（０．１Ｖステップ）
（評価ステップ４）
図３（ｃ）  パルスＶ−Ｉ測定  第２回目
パルス電圧Ｖｐ＝０Ｖ→−２．４Ｖ→０Ｖ→＋２．４Ｖ→０Ｖ（０．１Ｖステップ）
（評価ステップ５）
図３（ｄ）  パルスＶ−Ｉ測定  第３回目
パルス電圧Ｖｐ＝０Ｖ→−２．４Ｖ→０Ｖ→＋２．４Ｖ→０Ｖ（０．１Ｖステップ）
（評価ステップ６）
図５  正負交互パルスによる抵抗変化測定（ＬＲ安定化シーケンス実施後）
パルス電圧Ｖｐ＝−２．４Ｖ⇔＋２．４Ｖ  ４１回印加
図３（ａ）は、製造直後の最初のフォーミングでのパルスＶ−Ｉ特性グラフで、測定前の抵抗状態は高抵抗状態にある。パルス電圧Ｖｐを０Ｖから負電圧側へ遷移させながら負のパルス電圧を印加して行くと、最初メモリセル１０５は高抵抗状態（初期状態）にあったが、パルス電圧ＶｐがＶｔｈ０を下回った（パルスＶｐの絶対値がＶｔｈ０の絶対値を上回った）時に低抵抗状態に変化し、その抵抗レベルは、セル電流にして３０μＡ程度である。このときにフォーミング（初期ＬＲ化）が完了する。メモリセルの抵抗状態が低抵抗側に動いた所でこれ以上の高電圧パルス印加を中止している。これは、初期でこれ以上のパルス電圧を印加するとその後の高抵抗状態の抵抗値が不安定になる傾向がある為である。
【００７２】
測定の順番としては、次に図４の正負交互パルス印加による抵抗変化測定を実施している。
【００７３】
図４は、図３と同様のメモリセル１０５に対して、図３（ａ）に示されるフォーミングを実行後に、正負交互パルス印加した場合の抵抗変化の様子の一例を示す。具体的には、トランジスタ１０４のゲートにトランジスタ１０４がオンするのに十分な電圧２．４Ｖを印加し、端子Ｓを基準にして、端子Ｕ−Ｓ間に抵抗変化素子１０ａの低抵抗化及び高抵抗化の抵抗変化閾値よりも十分大きい−２．４Ｖと＋２．４Ｖのパルス電圧を交互に印加している。図３（ａ）に示されるフォーミングの後、低抵抗状態にあったメモリセル１０５に＋２．４Ｖのパルスを印加すると高抵抗状態に変化し、次の読出し測定で、抵抗レベルは１μＡ程度となった（図４の点Ｈ１）。次に、高抵抗状態にあったメモリセル１０５に−２．４Ｖのパルスを印加すると低抵抗状態に変化し、次の読出し測定で、抵抗レベルは３２μＡ程度となった（図４の点Ｌ１）。その後も正負交互パルスを継続して印加し、それぞれにおける抵抗値は、点Ｈ２（１μＡ）→点Ｌ２（６１μＡ）→点Ｈ３（１μＡ）→点Ｌ３（７０μＡ）・・・と変化し、点Ｌ９までは低抵抗状態は７５μＡ程度を維持しているが、点Ｌ１０で２５μＡとなっている。
【００７４】
この様に、正負交互パルス印加による抵抗変化は、その低抵抗状態において点Ｌ１や点Ｌ１０の様な、高抵抗状態（１〜３μＡ程度）と低抵抗状態（７０μＡ程度）の中間に位置する中間抵抗状態（ハーフＬＲ）が時々存在する不安定な特性グラフとなっており、これが本発明が解決する課題の具体的な例である。
【００７５】
我々発明者らは、メモリセルのパルスＶ−Ｉ特性の繰り返し測定において、前記ハーフＬＲ状態の発生について３つのタイプが存在することを見い出した。
【００７６】
以下に前記３つのタイプの特徴を記載する。
（１）第１のタイプのパルスＶ−Ｉ特性
製造直後の１回目のみハーフＬＲの状態が存在する場合・・・図３
メモリセルアレイ内において、大多数のセルがこれに該当する。
（２）第２のタイプのパルスＶ−Ｉ特性
２回目以降においてもハーフＬＲの状態が稀に存在する場合・・・図６
（３）第３のタイプのパルスＶ−Ｉ特性
２回目以降においてもハーフＬＲの状態が毎回存在する場合・・・図７
次に、前記３つのタイプの特徴及び正負交互パルス印加による抵抗変化について、詳細に説明する。
【００７７】
まず、第１のタイプのパルスＶ−Ｉ特性について説明する。
【００７８】
図３（ｂ）は、図４の正負交互パルス測定から更に追跡した（図４に示される正負交互パルス測定の後で得られた）パルスＶ−Ｉ特性グラフである。最初の抵抗状態は、図４の最終状態（正負交互パルスを４１回印加後の高抵抗状態）となっている。パルス電圧Ｖｐを０Ｖから負電圧側へ遷移させながら負のパルス電圧を印加して行くと、最初メモリセル１０５は高抵抗状態にあったが、パルス電圧ＶｐがＶｔｈを下回った（Ｖｐの絶対値がＶｔｈの絶対値を上回った）時に低抵抗状態に変化している。低抵抗状態の抵抗レベルは、セル電流にして３４μＡ程度であり、ハーフＬＲの状態である。その後、パルス電圧Ｖｐを負電圧側から正電圧側に順次変化させているが、パルス電圧がおおよそ＋１Ｖを越えＶｔｌに達すると、セル電流は５５μＡまで上昇して負電圧パルスを印加した場合よりも更に低い低抵抗状態（正常な低抵抗状態）に変化し、パルス電圧がＶｔｌを越えるとセル電流は８μＡ程度まで下降して高抵抗状態に変化する。なお、低抵抗状態から高抵抗状態への遷移が開始する電圧Ｖｔｌを、「高抵抗化閾値電圧（あるいは、高抵抗化開始電圧）」と呼ぶ。この電圧は、ハーフＬＲ状態にある抵抗変化素子の抵抗値が最も低くなる（正常な低抵抗状態となる）電圧でもある。
【００７９】
つまり、負のパルス電圧印加により、一旦、中間レベルの低抵抗状態（ハーフＬＲの状態）への変化をするが、Ｖｔｌ以下の正のパルス電圧を印加すると、負パルス電圧にて遷移した低抵抗状態よりも更に抵抗値が低い低抵抗状態（正常な低抵抗状態）に遷移し、その後Ｖｔｌを越える正のパルス電圧を印加すると、高抵抗状態に遷移する。
【００８０】
図３（ｃ）は、図３（ｂ）と同じサンプルを同じ評価方法及び測定条件で実施した第２回目の測定結果である。この時も、最初メモリセル１０５は１回目と同様に高抵抗状態にあったが、パルス電圧ＶｐがＶｔｈを下回った時に十分に低い（正常な）低抵抗状態に変化し、更にパルス電圧を下げて行くと、セル電流は７０μＡまで上昇し、その後、パルス電圧Ｖｐを負電圧側から正電圧側に変化させるが、パルス電圧がＶｔｌ以下まではセル電流はほぼ７０μＡを維持する。そして、パルス電圧がＶｔｌを越えるとセル電流は１０μＡ程度まで下降する。
【００８１】
つまり、負のパルス電圧印加により、パルス電圧がＶｔｈを下回る（絶対値が上回る）と低抵抗状態への変化が行われ、最終的には負パルスのみによって十分低い抵抗状態（正常な低抵抗状態）へ遷移する。この低い抵抗状態は、Ｖｔｌ以下の正のパルス電圧を印加するまでほぼ同一レベルに維持され、Ｖｔｌを越える正のパルス電圧を印加すると、高抵抗状態に遷移する。
【００８２】
図３（ｄ）は、図３（ｂ）と同じサンプルを同じ評価方法及び測定条件で実施した第３回目の測定結果である。図３（ｄ）は図３（ｃ）とほぼ同様の軌道をたどっている。
【００８３】
つまり、負のパルス電圧印加により、パルス電圧がＶｔｈを下回ると低抵抗状態への変化が行われ、最終的には負パルスによって十分低い抵抗状態へ遷移する（セル電流は７０μＡまで上昇する）。この低い抵抗状態は、Ｖｔｌ以下の正のパルス電圧を印加するまでほぼ同一レベルに維持され、Ｖｔｌを越える正のパルス電圧を印加すると、高抵抗状態に遷移する（セル電流は１０μＡ程度である）。
【００８４】
図３（ｂ）と図３（ｃ）とでは、低抵抗状態への変化の過程が明らかに異なる。すなわち、高抵抗状態から低抵抗状態へ遷移するのに十分な同じパルス電圧を印加しても、図３（ｂ）の場合は、図３（ｃ）の高抵抗状態と低抵抗状態との中間レベルまでしか抵抗変化しない現象であり（つまり、ハーフＬＲの状態にあり）、その様な状態は、Ｖｔｌあるいはそれを少し下回る正のパルス電圧を印加することで、メモリセルの抵抗状態は図３（ｃ）の低抵抗状態に近いレベルまで変化させることができる。
【００８５】
ここで、図３（ｃ）の様なパルスＶ−Ｉ特性グラフとなるメモリセルの特性を、特性タイプ１と呼び、図３（ｂ）の様なパルスＶ−Ｉ特性グラフとなるメモリセルの特性を、特性タイプ２と呼ぶことにする。
【００８６】
図３（ｂ）の様に、ハーフＬＲの状態及びＶｔｌ付近の正電圧で低抵抗状態がピークとなる特性タイプ２の抵抗変化推定メカニズムを、図８（ａ）〜図８（ｄ）を用いて以下に説明する。
【００８７】
通常、抵抗変化層１３と上部電極界面付近の酸化層１２との間の酸素イオン１６の移動により、高抵抗状態（図８（ａ）)と低抵抗状態（図８（ｂ）または図８（ｃ）)が作られる。酸素イオン１６が酸化層１２に取り込まれて高い酸化状態となると高抵抗状態となり、酸素イオン１６が酸化層１２から放出されて低い酸化状態となると低抵抗状態となる。酸素イオンの移動は、図８（ａ）の様に上部電極１１側に酸化層１２を作る、あるいは、図１（ｂ）の様に抵抗変化層１３を構成する金属より酸化しにくい材料（例えば白金等の貴金属材料）を上部電極１１とし、上部電極１１を構成する材料より酸化しやすい材料（例えば窒化タンタル）を下部電極１４ｔとすることで、抵抗変化現象は上部電極１１と抵抗変化層１３との界面近傍で行われる。この場合、下部電極側の端子Ｌを基準にして上部電極側の端子Ｕに正電圧パルスを印加すると酸素イオン１６は上部電極近傍の抵抗変化層に吸収されて高濃度の酸素を含有する酸化層１２を形成し高抵抗状態に変化する（図８（ａ））。一方、上部電極側の端子Ｕに負電圧パルスを印加すると酸素イオン１６は酸化層１２から放出されて低抵抗状態に変化する（図８（ｂ））。つまり、抵抗変化時の電流の向きで考えると、上部電極側との界面で酸素イオンの移動がある場合、上部電極から下部電極へ電流が流れる場合は上部電極側の酸化層１２に酸素イオンが吸収されて高抵抗状態に変化し、下部電極から上部電極へ電流が流れる場合は上部電極側の酸化層１２から酸素イオンが放出されて低抵抗状態に変化する。
【００８８】
しかし、図３（ｂ）の様にＶｔｌ付近の正電圧パルス印加でセル電流が最大化（更に低い低抵抗化）する現象は、下部電極界面付近にも薄い酸化層１５が存在し、薄い酸化層１５と抵抗変化層１３との間で酸素イオン１６の移動が行われていると推測され、この場合、下部電極側の端子Ｌを基準にして上部電極側の端子Ｕに正電圧パルスを印加すると、上部電極から下部電極へ電流が流れ、下部電極界面近傍の薄い酸化層１５から酸素イオン１６が放出されて下部電極界面近傍が低抵抗状態に変化する（図８（ｄ））。この様な下部電極１４ｔの界面近傍の酸化層１５から抵抗変化層１３に酸素イオン１６が放出される現象がＶｔｌ付近の正電圧パルス印加で起こりセル電流が最大化（更に低い低抵抗化）すると推測される。一方、下部電極側の端子Ｌを基準にして上部電極側の端子Ｕに負電圧パルスを印加すると、下部電極から上部電極へ電流が流れ、下部電極側の酸化変化層１５に酸素イオン１６が吸収されて酸化層１５の導電パスが高抵抗化し、ハーフＬＲの状態に変化すると考えられる（図８（ｃ））。
【００８９】
また、上部電極界面付近の酸化層１２と下部電極界面付近の酸化層１５との抵抗状態により、各酸化層に掛かる電位から酸化層１５における抵抗変化の容易性が推測され、その観点からも下部電極界面付近の酸化層１５の抵抗変化を図９（ａ）〜図９（ｄ）を用いて説明する。なお、図９（ａ）〜図９（ｄ）は図８（ａ）〜図８（ｄ）にそれぞれ対応している。図９（ａ）〜図９（ｄ）の２つの直列抵抗１１７、１１８は、上部電極界面付近の酸化層１２の抵抗状態を表す抵抗１１７と、下部電極界面付近の酸化層１５の抵抗状態を表す抵抗１１８を意味している。
【００９０】
図９（ａ）、図９（ｂ）は正常な状態でのＨＲ化（高抵抗化）及びＬＲ化（低抵抗化）の抵抗状態変化を示し、何れも下部電極界面付近の酸化層１５の抵抗１１８が低抵抗状態（ＬＲ）であるので、酸化層１５すなわち抵抗１１８にはほとんど電位差が生じないので、下部電極界面付近の酸化層１５の抵抗変化は起こらないと推測する。一方、図９（ｄ）の場合は、ＬＲ状態改善前のハーフＬＲの状態では（つまり、変化前の状態では）、下部電極界面付近の酸化層１５の抵抗１１８の状態が高抵抗状態（ＨＲ）であり、上部電極界面付近の酸化層１２の抵抗１１７の状態が低抵抗状態（ＬＲ）であり、この状態において、端子Ｕ、Ｌ間に電圧Ｖｐを印加すると、上部電極界面付近の酸化層１２（抵抗１１７）に掛かる電圧Ｖｕは小さく、下部電極界面付近の酸化層１５（抵抗１１８）に掛かる電圧Ｖｌは大きい。従って、下部電極界面付近の酸化層１５は抵抗変化閾値電圧を超え易く、その様な場合、酸化層１５は高抵抗状態から低抵抗状態へと変化すると推測する。図９（ｃ）の場合は、パルス印加前の状態では（つまり、変化前の状態では）、下部電極界面付近の酸化層１５の抵抗１１８の状態が低抵抗（ＬＲ）であり、上部電極界面付近の酸化層１２の抵抗１１７の状態が高抵抗状態（ＨＲ）であり、この状態においては、端子Ｕ、Ｌ間に電圧Ｖｐを印加すると、上部電極界面付近の酸化層１２（抵抗１１７）に掛かる電圧Ｖｕは大きく、下部電極界面付近の酸化層１５（抵抗１１８）に掛かる電圧Ｖｌは小さい。従って、上部電極界面付近の酸化層１２は抵抗変化閾値電圧を超え易く、その様な場合、酸化層１２は高抵抗状態から低抵抗状態へと変化し、その後、下部電極界面付近の酸化層１５（抵抗１１８）に掛かる電圧Ｖｌが増加し、抵抗変化閾値電圧を超えた場合に低抵抗状態から高抵抗状態へと変化してしまうと推測する。
【００９１】
図９（ｃ）の場合は、つまり、ハーフＬＲの出現は、抵抗１１７と抵抗１１８の状態が共に低抵抗（ＬＲ）となった状態において抵抗１１８が高抵抗状態に抵抗変化する閾値電圧を超えなくてはならないので稀な現象であり、図９（ｄ）の場合は、つまり、ハーフＬＲから低抵抗状態への復帰は、抵抗１１７が低抵抗（ＬＲ）で、かつ、抵抗１１８が高抵抗（ＨＲ）の状態となっているので、抵抗１１８が低抵抗状態に抵抗変化する閾値電圧を超え易く、ほぼ確実に下部電極界面付近の酸化層１５の抵抗状態は低抵抗へ変化することができると推測する。
【００９２】
図３（ｃ）、図３（ｄ）の２回目及び３回目のパルスＶ−Ｉ特性が図３（ｂ）の様に負電圧パルス印加後の抵抗状態がハーフＬＲの状態（すなわち、低セル電流状態）にならなかったのは、図３（ｂ）の１回目のパルスＶ−Ｉ特性評価において、Ｖｔｌ付近の正電圧パルスを印加することによって、下部電極界面付近の酸化層１５から酸素イオン１６の放出が行われ、下部電極界面付近の抵抗状態が低抵抗化し、以降のパルスＶ−Ｉ特性評価においても、下部電極付近の低抵抗状態が維持されている為と推測する。
【００９３】
次に、図５に２回目の正負交互パルス印加測定した抵抗変化の様子を示す。
【００９４】
図５は、図３（ｄ）の測定後に図４と同一条件にて測定した結果を示す図である。ここでは、＋２．４Ｖのパルスを印加すると７μＡ程度に高抵抗化され、−２．４Ｖのパルスを印加すると７０μＡ程度に低抵抗化されている。図５の正負交互パルス印加時は、図４とは異なり低抵抗状態が安定的である。
【００９５】
安定化した理由としては、図３（ｂ）のパルスＶ−Ｉ特性評価が関与しており、特にＶｔｌ付近の正電圧印加が大きく関係している。メカニズム面で考えるならば、Ｖｔｌ付近の電圧によって下部電極界面付近の酸化層１５から酸素イオンが放出されたことで、以降の動作が安定化したと推測する。
【００９６】
従って、製造直後の初期状態のメモリセルに対しては初回のパルスＶ−Ｉ特性評価と同様の動作が必要で、特に低抵抗状態をハーフＬＲの状態から低抵抗状態へシフトさせるために、Ｖｔｌ付近の電圧（より正確には、Ｖｔｌより低く、かつ、Ｖｔｌに近い電圧）を印加することが極めて効果的であることがわかる。
【００９７】
我々発明者らは、前記メモリセル１０５の抵抗変化特性を取得する中で、図３（ｂ）に示す不安定的な低抵抗状態（ハーフＬＲ）への抵抗変化特性が存在すること、また、Ｖｔｌより低く、かつ、Ｖｔｌに近い電圧印加で低抵抗化できることを見い出した。更に、（i）製造直後の初期状態においては、大多数のメモリセルにおいて下部電極付近の酸化層が高抵抗状態と推測されるので、１回はＶｔｌより低く、かつ、Ｖｔｌに近い電圧印加により下部電極付近の酸化層を低抵抗化させて安定化する必要がある。また、（ii）稀にハーフＬＲの状態となった場合も、Ｖｔｌより低く、かつ、Ｖｔｌに近い電圧印加により下部電極付近の酸化層を低抵抗化させることで、メモリセルは低抵抗状態に設定できる。これら（i）、（ii）により、メモリセルの低抵抗状態を安定化させる手法を新たに見いだした。
【００９８】
［パルスＶ−Ｉ特性と単一パルスによる抵抗変化の同一性］
図３（ｄ）に示す様な、メモリセル１０５のパルスＶ−Ｉ特性は、書込みパルス電圧Ｖｐを０Ｖから負電圧方向に徐々に下げて行き、低抵抗化が開始される閾値電圧Ｖｔｈを超えると高抵抗状態から低抵抗状態に変化し、更にパルス電圧Ｖｐを下げると低抵抗化は止まり、メモリセルの抵抗変化は飽和状態になる。次に、書込みパルス電圧Ｖｐを負電圧から正電圧に徐々に上げて行き、高抵抗化が開始される正の閾値電圧Ｖｔｌを超えると低抵抗状態から高抵抗状態に変化し、更にパルス電圧Ｖｐを上げると高抵抗化は止まり、メモリセルの抵抗変化は飽和状態になる。
【００９９】
前記の評価方法ではパルス電圧Ｖｐを負方向又は正方向に電圧の大きさを徐々に変化させたが、抵抗変化素子は、閾値電圧を超える大きさのパルスを１回印加することで図３に示す低抵抗状態及び高抵抗状態に抵抗変化させることが可能である。
【０１００】
図５は、図３（ｄ）と同様のメモリセル１０５に対して、ゲートには、オンするのに十分な電圧２．４Ｖを印加し、端子Ｓを基準にして、端子Ｕに低抵抗化及び高抵抗化の抵抗変化閾値よりも大きい−２．４Ｖと２．４Ｖのパルス電圧を交互に印加した場合の抵抗変化の様子の一例である。低抵抗化の状態にあったメモリセル１０５に２．４Ｖのパルスを印加すると高抵抗化され、その後の読出し測定で、抵抗レベルは７μＡ程度であることが分かる。この抵抗値レベルは、図３（ｄ）のパルスＶ−Ｉ特性の２．４（Ｖ）印加後にかなり近い。次に、高抵抗状態にあったメモリセル１０５に−２．４（Ｖ）のパルスを印加すると低抵抗化され、その後の読出し測定で、抵抗レベルは７０μＡ程度であることが分かる。この抵抗値レベルは、図３（ｄ）のパルスＶ−Ｉ特性の−２．４（Ｖ）印加後にかなり近い。
【０１０１】
この様に、メモリセル１０５に対して、抵抗変化することが可能な大きさの電圧パルスを一度印加することで、抵抗状態を高抵抗から低抵抗へ、あるいは低抵抗から高抵抗へ変化させることが可能であることが見えている。
【０１０２】
次に、第２のタイプのパルスＶ−Ｉ特性について説明する。
【０１０３】
図６は、図４と別のサンプルのメモリセル１０５の抵抗変化の様子の電流−電圧特性のグラフである。図６（ａ）は、前記評価方法による製造直後の初期状態からの測定結果、図６（ｂ）は、同評価方法による第２回目の測定結果、図６（ｃ）は、同評価方法による第４回目の測定結果である。
【０１０４】
図６（ａ）は、製造直後の最初のパルスＶ−Ｉ特性グラフで、初期の抵抗状態は高抵抗状態にある。パルス電圧Ｖｐを０Ｖから負電圧側へ遷移させながら負のパルス電圧を印加して行くと、最初メモリセル１０５は高抵抗状態にあったが、パルス電圧ＶｐがＶｔｈ０を下回った時に低抵抗状態に変化している。つまり、フォーミングを完了する。しかし、低抵抗状態の抵抗レベルは、セル電流にして３５μＡ程度である。つまり、ハーフＬＲの状態となっている。その後、パルス電圧Ｖｐを負電圧側から正電圧側に変化させているが、パルス電圧がおおよそ１Ｖを越えた辺りからセル電流は上昇し、最大５７μＡ程度となり、パルス電圧がＶｔｌを越えるとセル電流は４μＡ程度まで下降する。
【０１０５】
つまり、負のパルス電圧印加により、一旦、中間レベルの低抵抗状態（ハーフＬＲの状態）への変化をするが、Ｖｔｌ以下の正のパルス電圧を印加すると、負パルス電圧にて遷移した低抵抗状態よりも更に抵抗値が低い低抵抗状態（正常な低抵抗状態）に遷移し、更にＶｔｌを越える正のパルス電圧を印加すると、高抵抗状態に遷移する。本特性は、図３（ｂ）とほぼ同一特性で、特性タイプ２に属する。
【０１０６】
図６（ｂ）は、図６（ａ）と同じサンプルを同じ評価方法及び測定条件で実施した第２回目の測定結果である。この時は、最初メモリセル１０５は高抵抗状態にあったが、パルス電圧ＶｐがＶｔｈを下回った時に低抵抗状態（正常な低抵抗状態）に変化し、更にパルス電圧を下げて行くと、セル電流は６４μＡ程度まで上昇し、その後、パルス電圧Ｖｐを負電圧側から正電圧側に変化させるが、パルス電圧がＶｔｌ以下までは負のパルス電圧を印加した場合とほぼ同じセル電流である。そして、パルス電圧がＶｔｌを越えるとセル電流は７μＡ程度まで下降する。
【０１０７】
つまり、負のパルス電圧印加により、パルス電圧がＶｔｈを下回ると低抵抗状態への変化が行われ、最終的には負パルスによって十分低い抵抗状態（正常な低抵抗状態）へ遷移する。この低い抵抗状態は、Ｖｔｌ以下の正のパルス電圧を印加するまでほぼ同一レベルに維持され、Ｖｔｌを越える正のパルス電圧を印加すると、高抵抗状態に遷移する。本特性は、図３（ｃ）とほぼ同一特性で、特性タイプ１に属する。
【０１０８】
図６（ｃ）は、図６（ａ）と同じサンプルを同じ評価方法及び測定条件で実施した第４回目の測定結果である。図６（ｃ）は図６（ａ）とほぼ同様の軌道をたどっている。
【０１０９】
つまり、負のパルス電圧印加により、一旦、中間レベルの低抵抗状態（ハーフＬＲの状態）への変化をするが、Ｖｔｌ以下の正のパルス電圧を印加すると、負パルス電圧にて遷移した低抵抗状態よりも更に抵抗値が低い低抵抗状態（正常な低抵抗状態）に遷移し、更にＶｔｌを越える正のパルス電圧を印加すると、高抵抗状態に遷移する。本特性は、図６（ａ）とほぼ同一特性で、特性タイプ２に属する。
【０１１０】
図６の測定で使用されたサンプルは、図６（ｂ）、図６（ｃ）に示す様に、同じ評価方法で繰り返して測定すると、たまに図６（ｃ）の様な特性タイプ２が出現する。
【０１１１】
次に、第３のタイプのパルスＶ−Ｉ特性について説明する。
【０１１２】
図７（ａ）は、製造直後の初期状態からのパルスＶ−Ｉ特性グラフで、初期の抵抗状態は高抵抗状態にある。パルス電圧Ｖｐを０Ｖから負電圧側へ遷移させながら負のパルス電圧を印加して行くと、最初、メモリセル１０５は高抵抗状態にあったが、パルス電圧ＶｐがＶｔｈ０を下回った時に低抵抗状態に変化している。つまり、フォーミングを完了する。しかし、低抵抗状態の抵抗レベルは、セル電流にして４０μＡ程度である。つまり、ハーフＬＲの状態となっている。その後、パルス電圧Ｖｐを負電圧側から正電圧側に変化させているが、パルス電圧がＶｔｌ付近で、セル電流は６３μＡまで上昇し、パルス電圧がＶｔｌを越えるとセル電流は４μＡ程度まで下降する。
【０１１３】
つまり、負のパルス電圧印加により、一旦、中間レベルの低抵抗状態（ハーフＬＲの状態）への変化をするが、Ｖｔｌ以下の正のパルス電圧を印加すると、負パルス電圧にて遷移した低抵抗状態よりも更に抵抗値が低い低抵抗状態（正常な低抵抗状態）に遷移し、更にＶｔｌを越える正のパルス電圧を印加すると、高抵抗状態に遷移する。本特性は、図３（ｂ）とほぼ同一特性で、特性タイプ２に属する。
【０１１４】
図７（ｂ）、図７（ｃ）は、図７（ａ）と同じサンプルを同じ評価方法及び測定条件で実施した２回目と３回目の測定結果である。図７（ｂ）、図７（ｃ）共、ハーフＬＲの状態の抵抗レベルは図７（ａ）と異なるが、Ｖｔｌ付近の正電圧パルスを印加した場合に、セル電流は増加傾向にあり、メモリセルは一旦正常な低抵抗状態となっている。
【０１１５】
つまり、負のパルス電圧印加により、一旦、中間レベルの低抵抗状態（ハーフＬＲの状態）への変化をするが、Ｖｔｌ以下の正のパルス電圧を印加すると、負パルス電圧にて遷移した低抵抗状態よりも更に抵抗値が低い低抵抗状態（正常な低抵抗状態）に遷移し、更にＶｔｌを越える正のパルス電圧を印加すると、高抵抗状態に遷移する。本特性は、図７（ａ）と同傾向の特性で、特性タイプ２に属する。
【０１１６】
図７のサンプルは、図７（ｂ）、図７（ｃ）に示す様に、同じ評価方法で繰り返して測定しても、ほとんど毎回特性タイプ２が出現する。
【０１１７】
以上のような第１〜第３のタイプのパルスＶ−Ｉ特性（図３、図６、図７）から、以下のことが分かる。つまり、図３、図６、図７は、評価サンプルが異なりはするものの、何れも図２に示すメモリセル１０５と同一構成である。しかしながらその特性は、製造直後の最初のパルスＶ−Ｉ特性グラフでは全てが特性タイプ２となり、更に、２回目以降においては、図３は特性タイプ１のみが出現し、図６のサンプルは特性タイプ１と特性タイプ２の両方が出現し、図７のサンプルは特性タイプ２のみが出現するといったように、サンプル毎で特性タイプが異なり、特に特徴的なのは、特性タイプ２の様なパルスＶ−Ｉ特性が存在するということで、我々発明者らはその新たな特性のメモリセルが存在することと、初回は必ず出現することに気付いた。
【０１１８】
次に、以上のような抵抗変化素子を用いた本発明の実施の形態における抵抗変化型不揮発性記憶装置について説明する。本発明の実施の形態における抵抗変化型不揮発性記憶装置は、図２に示す抵抗変化素子とＭＯＳトランジスタとを直列に接続してなる１Ｔ１Ｒ型メモリセルを有する不揮発性記憶装置である。
【０１１９】
図１０は、本発明の実施の形態に係る不揮発性記憶装置２００の構成を示すブロック図である。
【０１２０】
図１０に示すように、本実施の形態に係る不揮発性記憶装置２００は、半導体基板上に、メモリ本体部２０１を備えており、メモリ本体部２０１は、メモリセルアレイ２０２と、行選択回路２０８、ワード線ドライバＷＬＤ、ソース線ドライバＳＬＤで構成される行ドライバ２０７と、列選択回路２０３と、データの書き込みを行うための書込み回路２０６と、選択ビット線に流れる電流量を検出し、記憶されているデータが「０（低抵抗状態）」か「１（高抵抗状態）」か、を判定するセンスアンプ２０４と、端子Ｄｉｎを介して入力データの入力処理を行うデータ入力回路２１５と、端子Ｄｏｕｔを介して出力データの出力処理を行うデータ出力回路２０５とを備える。
【０１２１】
さらには、書込み用電源２１１として、低抵抗（ＬＲ）化用電源２１２と、高抵抗（ＨＲ）化用電源２１３と、低抵抗（ＬＲ）安定化書込み用電源２１４とを備え、低抵抗（ＬＲ）化用電源２１２の出力Ｖ２は、行ドライバ２０７及び書込み回路２０６に供給され、高抵抗（ＨＲ）化用電源２１３の出力Ｖ１及び低抵抗（ＬＲ）安定化書込み用電源２１４の出力Ｖ３Ｇは、書込み回路２０６に供給されている。
【０１２２】
さらに、外部から入力されるアドレス信号を受け取るアドレス入力回路２０９と、外部から入力されるコントロール信号に基づいて、メモリ本体部２０１の動作及び書込み用電源２１１の動作を制御する制御回路２１０とを備えている。
【０１２３】
メモリセルアレイ２０２は、半導体基板の上に形成された、互いに交差するように配列された複数のワード線ＷＬ０、ＷＬ１、ＷＬ２、・・・、および複数のビット線ＢＬ０、ＢＬ１、ＢＬ２、・・・と、これらのワード線ＷＬ０、ＷＬ１、ＷＬ２、・・・、およびビット線ＢＬ０、ＢＬ１、ＢＬ２、・・・の交点に対応してそれぞれ設けられた複数のＮＭＯＳトランジスタＮ１１、Ｎ１２、Ｎ１３、Ｎ２１、Ｎ２２、Ｎ２３、Ｎ３１、Ｎ３２、Ｎ３３、・・・（以下、「トランジスタＮ１１、Ｎ１２、・・・」と表す）と、トランジスタＮ１１、Ｎ１２、・・・と１対１に直列接続された複数の抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３、Ｒ３１、Ｒ３２、Ｒ３３、・・・（以下、「抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２、・・・」と表す）とを備え、個々がメモリセルＭ１１、Ｍ１２、Ｍ１３、Ｍ２１、Ｍ２２、Ｍ２３、Ｍ３１、Ｍ３２、Ｍ３３、・・・（以下、「メモリセルＭ１１、Ｍ１２、・・・」と表す）を構成している。ここで、抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２、・・・と、トランジスタＮ１１、Ｎ１２、・・・が、本発明の基礎データとして上記で説明したメモリセルである。
【０１２４】
図１０に示すように、トランジスタＮ１１、Ｎ２１、Ｎ３１、・・・のゲートはワード線ＷＬ０に接続され、トランジスタＮ１２、Ｎ２２、Ｎ３２、・・・のゲートはワード線ＷＬ１に接続され、トランジスタＮ１３、Ｎ２３、Ｎ３３、・・・のゲートはワード線ＷＬ２に接続され、トランジスタＮ１４、Ｎ２４、Ｎ３４、・・・のゲートはワード線ＷＬ３に接続されている。
【０１２５】
また、トランジスタＮ１１、Ｎ２１、Ｎ３１、・・・およびトランジスタＮ１２、Ｎ２２、Ｎ３２、・・・はソース線ＳＬ０に共通に接続され、トランジスタＮ１３、Ｎ２３、Ｎ３３、・・・、およびトランジスタＮ１４、Ｎ２４、Ｎ３４、・・・はソース線ＳＬ２に共通に接続されている。
【０１２６】
また、抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４・・・はビット線ＢＬ０に接続され、抵抗変化素子Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３、Ｒ２４・・・はビット線ＢＬ１に接続され、抵抗変化素子Ｒ３１、Ｒ３２、Ｒ３３、Ｒ３４・・・はビット線ＢＬ２に接続されている。
【０１２７】
アドレス入力回路２０９は、外部装置（図示せず）からアドレス信号を受け取り、このアドレス信号に基づいて行アドレス信号を行選択回路２０８へ出力するとともに、列アドレス信号を列選択回路２０３へ出力する。ここで、アドレス信号は、複数のメモリセルＭ１１、Ｍ１２、・・・のうちの選択される特定のメモリセルのアドレスを示す信号である。
【０１２８】
制御回路２１０は、データの書き込みサイクルにおいては、後述する選択部で選択されたメモリセルに含まれる抵抗変化素子に対してデータが書き込まれるように書込み用電源２１１と書込み回路２０６とを制御するものであり、ここでは、書込み時のパルス電圧の電圧レベルを指示する電圧設定信号を書込み用電源２１１へ出力し、データ入力回路２１５に入力された入力データＤｉｎに応じて、書き込み用電圧の印加を指示する書き込み信号を書込み回路２０６へ出力する。他方、データの読み出しサイクルにおいて、制御回路２１０は、読み出し動作を指示する読み出し信号をセンスアンプ２０４へ出力する。
【０１２９】
行選択回路２０８は、アドレス入力回路２０９から出力された行アドレス信号を受け取り、この行アドレス信号に応じて、行ドライバ２０７より、複数のワード線ＷＬ０、ＷＬ１、ＷＬ２、・・・のうちの何れかに対応するワード線ドライバ回路ＷＬＤより、その選択されたワード線に対して、所定の電圧を印加する。
【０１３０】
また同様に、行選択回路２０８は、アドレス入力回路２０９から出力された行アドレス信号を受け取り、この行アドレス信号に応じて、行ドライバ２０７より、複数のソース線ＳＬ０、ＳＬ２、・・・のうちの何れかに対応するソース線ドライバ回路ＳＬＤより、その選択されたソース線に対して、所定の電圧を印加する。
【０１３１】
また、列選択回路２０３は、アドレス入力回路２０９から出力された列アドレス信号を受け取り、この列アドレス信号に応じて、複数のビット線ＢＬ０、ＢＬ１、ＢＬ２、・・・のうちの何れかを選択し、その選択されたビット線に対して、書き込み用電圧または読み出し用電圧を、非選択ビット線に対しては、非選択電圧を印加する。
【０１３２】
なお、行選択回路２０８及び列選択回路２０３によって、メモリセルアレイ２０２の中から少なくとも１つメモリセルを選択する選択部が構成されている。
【０１３３】
書込み回路２０６は、制御回路２１０からの制御の下で、選択部で選択されたメモリセルに含まれる抵抗変化素子に対して、書込み用電源２１１から供給される電源に基づく電圧パルスが印加されるように制御する回路であり、ここでは、制御回路２１０から出力された書き込み信号を受け取った場合、列選択回路２０３による選択されたビット線に対して、書き込み用電圧の印加を指示する信号を受けて、書込みモードによって設定された電圧に従った書込みパルスを出力する。
【０１３４】
また、センスアンプ２０４は、データの読み出しサイクルにおいて、読み出し対象となる選択ビット線に流れる電流量を複数の検知レベルから目的に合わせた１つの検知レベルに従って検出し、ビット線に流れる電流量が検知レベル以上か以下かをデータ「０（低抵抗状態）」か「１（高抵抗状態）」の論理結果として出力し、記憶されているデータの状態を判定する。その結果得られた出力データＤＯは、データ出力回路２０５を介して、外部装置へ出力される。
【０１３５】
書込み用電源２１１は、低抵抗（ＬＲ）化書込み（単に書き込みともいう）時のパルス電圧を発生するための電源を供給するＬＲ化用電源２１２と、高抵抗（ＨＲ）化書込み（単に消去ともいう）時のパルス電圧を発生するための電源を供給するＨＲ化用電源２１３及び低抵抗（ＬＲ）安定化書込み時のパルス電圧を発生するための電源を供給するＬＲ安定化書込み用電源２１４より構成され、ＬＲ化用電源２１２は行ドライバ２０７と書込み回路２０６へ、他は書込み回路２０６へ入力されている。
【０１３６】
ここで、制御回路２１０がもつ、抵抗変化素子に対する書き込み機能をまとめると、次のようになる。つまり、制御回路２１０は、抵抗変化素子に対する書き込み機能として、（i）高抵抗（ＨＲ）化用電源２１３からの電源に基づいて、高抵抗状態にするのに必要な正の第１の電圧が抵抗変化素子に印加されるように、書込み用電源２１１と書込み回路２０６とを制御する高抵抗（ＨＲ）化書き込み部と、（ii）低抵抗（ＬＲ）化用電源２１２からの電源に基づいて、低抵抗状態にするのに必要な負の第２の電圧が抵抗変化記憶素子に印加されるように、書込み用電源２１１と書込み回路２０６とを制御する低抵抗（ＬＲ）化書き込み部と、（iii）ＬＲ化書き込み部による負の第２の電圧印加の後に、ＬＲ安定化書込み用電源２１４からの電源に基づいて、確実に（あるいは、追加的に）低抵抗状態にするのに必要な正の第３の電圧が抵抗変化素子に印加されるように、書込み用電源２１１と書込み回路２０６とを制御するＬＲ安定化書き込み部とを有する。ここで、ＬＲ化書き込み部による負の第２の電圧印加によって、抵抗変化素子は、上述したように、低抵抗化する場合と、ハーフＬＲ化する場合がある。ＬＲ安定化書き込み部による正の第３の電圧印加は、ＬＲ化書き込み部による負の第２の電圧印加によって抵抗変化素子がハーフＬＲ化している場合に、その抵抗変化素子を確実に低抵抗化するという意義をもつ。
【０１３７】
なお、３つの機能（ＨＲ化書き込み部、ＬＲ化書き込み部、ＬＲ安定化書き込み部）は、制御回路２１０による制御の下で書込み回路２０６が発揮する機能であるので、書き込み機能という観点からは、書込み回路２０６が有する機能とも言える。
【０１３８】
次に、データ書込み時に用いる書込み回路系の、書込み用電源２１１と書込み回路２０６について、実施可能な詳細回路を図１１に記載し、その動作を説明する。
【０１３９】
図１１は、ＬＲ化用電源２１２とＨＲ化用電源２１３とＬＲ安定化書込み用電源２１４と書込み回路２０６の詳細回路とそれらの接続構成を示す。図中には示していないが、図１１の回路に、外部から入力される電源電圧をＶＤＤとする。
【０１４０】
図１１において、ＬＲ化用電源２１２の内部構成は、ＬＲ化用基準電圧発生器２２１と差動増幅回路２２２とで構成される。ＬＲ化用基準電圧発生器２２１は、ＬＲ化書込み時の書込みパルスのパルス電圧レベルＶＲＥＦＬＲを出力する参照電位発生器であり、差動増幅回路２２２は、差動増幅回路の入力の一方にＬＲ化用基準電圧発生器２２１の出力電圧ＶＲＥＦＬＲを入力し、他方に出力Ｖ２をフィードバックして入力した一般的な構成であり、参照電圧ＶＲＥＦＬＲを受け、ＶＲＥＦＬＲと同一電圧で電流能力を増幅した電圧Ｖ２を発生する増幅回路（ボルテージフォロワ）である。
【０１４１】
ＨＲ化用電源２１３の内部構成は、ＨＲ化用基準電圧発生器２２４と差動増幅回路２２５とで構成される。ＨＲ化用基準電圧発生器２２４は、ＨＲ化書込み時の書込みパルスのパルス電圧レベルＶＲＥＦＨＲを出力する参照電位発生器であり、差動増幅回路２２５は、差動増幅回路の入力の一方にＨＲ化用基準電圧発生器２２４の出力電圧ＶＲＥＦＨＲを入力し、他方に出力Ｖ１をフィードバックして入力した一般的な構成であり、参照電圧ＶＲＥＦＨＲを受け、ＶＲＥＦＨＲと同一電圧で電流能力を増幅した電圧Ｖ１を発生する増幅回路（ボルテージフォロワ）である。
【０１４２】
低抵抗安定化書込み用電源２１４の内部構成は、ＶＰＰ端子とグランド端子との間に複数個の固定抵抗２３２を直列接続し、各固定抵抗２３２のＶＰＰ側の端子ｎＬａ〜ｎＬｎを取り出し、複数のスイッチ２３１ａ〜２３１ｎのそれぞれの一方の端子にｎＬａ〜ｎＬｎのそれぞれを１対１で接続し、複数のスイッチ２３１ａ〜２３１ｎのそれぞれの他方の端子の全てに出力Ｖ３Ｇを接続する。スイッチ２３１ａ〜２３１ｎは、印加電圧コントローラ２２９の指示に従って何れか１つのスイッチがＯＮ（導通）し、他のスイッチはＯＦＦさせる様に動作する。これにより、ＶＰＰとグランド間で分圧された任意の電圧をスイッチ２３１ａ〜２３１ｎにて選択し、Ｖ３Ｇに出力する。印加電圧コントローラ２２９は、制御回路２１０からの選択電圧指示に従って、スイッチ群２３１の複数のスイッチの内１つを導通させるように全てのスイッチ２３１ａ〜２３１ｎに対して信号を出力する。この構成によって、低抵抗安定化書込み用電源２１４は、複数の電圧から選択した１つの電圧を順に選択して供給することで、段階的に上昇する正の電圧を供給することができる。
【０１４３】
書込み回路２０６は、上述したＬＲ化書き込み部として機能するドライバ２２６、上述したＨＲ化書き込み部として機能するドライバ２２７、上述した低抵抗安定化書き込み部として機能する低抵抗安定化書込み回路２３６とから構成される。
【０１４４】
ドライバ２２６は制御回路２１０からの出力イネーブル信号ＥＮ２がＨｉｇｈの時に制御回路２１０からのパルス信号ＰＬＳに従ってＶ２電圧とグランド電圧の何れかを出力し、ＥＮ２がＬｏｗの時にＨｉ−ｚ（ハイ・インピーダンス状態）を出力するＬＲパルス用の３状態ドライバ、ドライバ２２７は出力イネーブル信号ＥＮ１がＨｉｇｈの時にパルス信号ＰＬＳに従ってＶ１電圧とグランド電圧の何れかを出力し、ＥＮ１がＬｏｗの時にＨｉ−ｚを出力するＨＲパルス用の３状態ドライバである。ドライバ２３３は、制御回路２１０からの書込みパルス信号ＰＬＳの指示を受けて、電流増幅されたパルスを出力端子ＶＰＬＳに出力する。Ｎチャネルトランジスタ２３４はドライバ２３３の出力ＶＰＬＳを電圧クランプする目的で設けられ、ゲートに入力される電圧Ｖ３Ｇよりも閾値Ｖｔ（Ｎチャネルトランジスタ２３４の閾値電圧）だけ低い電圧（Ｖ３＝Ｖ３Ｇ−Ｖｔ）を最大電圧として出力端子ＤＴに出力する。例えば、ＰＬＳ信号の変化に従って、ドライバ２３３の出力ＶＰＬＳが０Ｖ→ＶＤＤ→０Ｖの矩形パルスを出力した場合、Ｎチャネルトランジスタ２３４の出力（出力端子ＤＴでの電圧）は、０Ｖ→Ｖ３→０Ｖの矩形パルスとして出力される（ＶＤＤ≧Ｖ３の場合）。
【０１４５】
図１１に示される書込み用電源２１１及び書込み回路２０６の全体動作の例を以下に記載する。
【０１４６】
ＨＲ化書込みの場合、つまり、制御回路２１０のＨＲ化書き込み部による制御の下で、まず、ＶＲＥＦＨＲと同等の電圧Ｖ１が出力され、制御回路２１０からのイネーブル信号ＥＮ１がＨｉｇｈに設定されてドライバ２２７はＬｏ−ｚ（ロー・インピーダンス）出力に、イネーブル信号ＥＮ２がＬｏｗに設定されてドライバ２２６はＨｉ−ｚ出力に、Ｎチャネルトランジスタ２３４のゲート電圧が０Ｖに設定されてＯＦＦ状態になり、次に、制御回路２１０からの書き込みパルス信号ＰＬＳを受けてドライバ２２７は０Ｖ→Ｖ１（ＶＲＥＦＨＲ）→０Ｖのパルスを出力端子ＤＴに出力する。出力端子ＤＴに出力されたパルスが列選択回路２０３を介して選択メモリセルに印加される。
【０１４７】
ＬＲ化書込みの場合、つまり、制御回路２１０のＬＲ化書き込み部による制御の下で、まず、ＶＲＥＦＬＲと同等の電圧Ｖ２が出力され、制御回路２１０からのイネーブル信号ＥＮ２がＨｉｇｈに設定されてドライバ２２６はＬｏ−ｚ出力に、イネーブル信号ＥＮ１がＬｏｗに設定されてドライバ２２７はＨｉ−ｚ出力に、Ｎチャネルトランジスタ２３４のゲート電圧が０Ｖに設定されてＯＦＦ状態になり、次に、制御回路２１０からの書き込みパルス信号ＰＬＳを受けてドライバ２２６は０Ｖ→Ｖ２（ＶＲＥＦＬＲ）→０Ｖのパルスを出力端子ＤＴに出力する。出力端子ＤＴに出力されたパルスが列選択回路２０３を介して選択メモリセルに印加される。
【０１４８】
ＬＲ安定化書込みの場合は、つまり、制御回路２１０のＬＲ安定化書き込み部による制御の下で、まず、制御回路２１０からのイネーブル信号ＥＮ１とＥＮ２がＬｏｗに設定されてドライバ２２６と２２７はＨｉ−ｚ出力にされる。次に制御回路２１０からの指示によって、印加電圧コントローラ２２９によって複数のスイッチ２３１ａ〜２３１ｎの内、１つのスイッチが導通となり、Ｎチャネルトランジスタ２３４のゲートが設定電圧Ｖ３Ｇとなる。その後、制御回路２１０からの書き込みパルス信号ＰＬＳを受けてドライバ２３３はＶＰＬＳノードに対して０Ｖ→ＶＤＤ→０Ｖのパルスを発生し、Ｎチャネルトランジスタ２３４はゲートに入力されたＶ３Ｇ電圧にて前記パルスのＨｉｇｈレベルＶＤＤを（Ｖ３Ｇ−Ｖｔ）にクランプし、０Ｖ→Ｖ３（Ｖ３Ｇ−Ｖｔ）→０Ｖのパルスを出力端子ＤＴに出力する。出力端子ＤＴに出力されたパルスが列選択回路２０３を介して選択メモリセルに印加される。
【０１４９】
これによって一連の書込み動作は実施される。
【０１５０】
図１２は、図１０におけるセンスアンプ２０４の一例の詳細な構成を示す回路図である。センスアンプ２０４は、ミラー比が１対１のカレントミラー回路２４４と、サイズが等しいクランプトランジスタ２４０、２４１と、基準回路２５２、及び、バッファ２４５から構成される。
【０１５１】
基準回路２５２では、選択トランジスタ２４９と低抵抗（ＬＲ）ベリファイ用の基準抵抗２４６が直列に接続されたブランチの一端が接地電位に接続され、他方の端子がクランプトランジスタ２４０のソース端子に接続され、また、選択トランジスタ２４９のゲート端子には、制御回路２１０からのＬＲベリファイイネーブル信号Ｃ１が入力され、ＬＲベリファイイネーブル信号Ｃ１により、選択トランジスタ２４９は、導通／非導通状態を切り換えられる。
【０１５２】
同様に、選択トランジスタ２５０と読み出し用の基準抵抗２４７が直列に接続されたブランチの一端が接地電位に接続され、他方の端子がクランプトランジスタ２４０のソース端子と接続され、また選択トランジスタ２５０のゲート端子には、制御回路２１０からの読み出しイネーブル信号Ｃ２が入力され、読み出しイネーブル信号Ｃ２により、選択トランジスタ２５０は、導通／非導通状態を切り換えられ、同様に、選択トランジスタ２５１と高抵抗（ＨＲ）ベリファイ用の基準抵抗２４８が直列に接続されたブランチの一端が接地電位に接続され、他方の端子がクランプトランジスタ２４０のソース端子と接続され、また選択トランジスタ２５１のゲート端子には、制御回路２１０からのＨＲベリファイイネーブル信号Ｃ３が入力され、ＨＲベリファイイネーブル信号Ｃ３により、選択トランジスタ２５０は、導通／非導通状態を切り換えられる。
【０１５３】
また、クランプトランジスタ２４０、２４１は、ノードＮＢＬ０とＮＢＬをクランプ電圧（０．４Ｖ）に抑えるため、ゲート端子にＶＣＬＰ（０．９Ｖ）が入力され、クランプトランジスタ２４１のソース端子は、列選択回路２０３とビット線を介して、メモリセルと接続され、クランプトランジスタ２４０、２４１のドレイン端子は、それぞれカレントミラー回路２４４を構成するトランジスタ２４２、２４３のドレイン端子と接続される。クランプトランジスタ２４１のドレイン端子電位は、バッファ２４５により反転増幅され、センスアンプ出力ＳＡＯとしてデータ出力回路２０５に伝達される。
【０１５４】
図１３は、センスアンプ２０４の判定レベルを説明するための図である。
【０１５５】
センスアンプ２０４は、図１３に示すように、低抵抗（ＬＲ）状態のメモリセルのセル電流ＩＬＲ（７０μＡ付近）と高抵抗（ＨＲ）状態のメモリセルのセル電流ＩＨＲ（１０μＡ付近）の間に、第１の検知レベルとして、読み出し用の基準電流ＩＨＬｄｅｔ（４０μＡ）と、第２の検知レベルとして、高抵抗（ＨＲ）ベリファイ用の基準電流ＩＨＲｄｅｔ（２０μＡ）と、第３の検知レベルとして、低抵抗（ＬＲ）ベリファイ用の基準電流ＩＬＲｄｅｔ（６０μＡ）とを有する。
【０１５６】
図１２のセンスアンプ２０４において、低抵抗（ＬＲ）ベリファイ用の基準電流ＩＬＲｄｅｔ（６０μＡ）は抵抗値Ｒｌｄｔの抵抗２４６と選択トランジスタ２４９とで構成される基準メモリセルにクランプ電圧を印加することで発生され、読み出し用の基準電流ＩＨＬｄｅｔ（４０μＡ）は抵抗値Ｒｍｉｄの抵抗２４７と選択トランジスタ２５０とで構成される基準メモリセルにクランプ電圧を印加することで発生され、高抵抗（ＨＲ）ベリファイ用の基準電流ＩＨＲｄｅｔ（２０μＡ）は抵抗値Ｒｈｄｔの抵抗２４８と選択トランジスタ２５１とで構成される基準メモリセルにクランプ電圧を印加することで発生される。
【０１５７】
次にセンスアンプ２０４の判定出力と検知レベルの使用目的について説明する。
【０１５８】
図１０に示すセンスアンプ２０４は、データの読み出しサイクルにおいて、読み出し対象となる選択メモリセルのセル電流を、選択ビット線を介してそれに流れる電流量として検知し、設定した検知レベルより電流が多い場合は論理「０」を、電流が少ない場合は論理「１」を出力するものであり、検知レベルの設定は前記の３種類が用意されている。
【０１５９】
まず、第１の検知レベルは、選択されたメモリセルの抵抗記憶状態が、高抵抗状態にあるか、低抵抗状態にあるか、を区別する為の検知レベルである。従って、高抵抗状態にあるメモリセルのセル電流（例えば図３（ｃ）の１０μＡ）と、低抵抗状態にあるメモリセルのセル電流（例えば図３（ｃ）の７０μＡ）との中間レベル（例えば４０μＡ）に設定される。
【０１６０】
第２の検知レベルは、選択されたメモリセルの抵抗記憶状態が、十分に高い抵抗値の高抵抗状態にあるかを判断する為のベリファイ用検知レベルで、とりわけ、選択メモリセルの高抵抗化書込み後に、前記第１の検知レベルに対して十分なマージンを持って高抵抗状態にセットされたか、後の読み出しサイクルにおいて、そのメモリセルの電流が高抵抗状態（例えば２０μＡ以下）にあるかを判断する目的で使用される。
【０１６１】
第３の検知レベルは、選択されたメモリセルの抵抗記憶状態が、正常な低抵抗状態にあるかを判断する為のベリファイ用検知レベルで、とりわけ、選択メモリセルの低抵抗化書込み後に、前記第１の検知レベルに対して十分なマージンを持って低抵抗状態にセットされたか、後の読み出しサイクルにおいて、そのメモリセルの電流が低抵抗状態（例えば６０μＡ以上）にあるかを判断する目的で使用される。なお、この第３の検知レベルは、第１の検知レベルとともに使用することで、ハーフＬＲの状態を検知するために使用することができる。つまり、選択メモリセルのセル電流が第１の検知レベルよりも大きいが、第３の検知レベルよりも小さいと判断された場合には、その選択メモリセルの抵抗変化素子は、ハーフＬＲ状態にあると判定できる。
【０１６２】
図１０の抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２、・・・は、図１（ａ）、図１（ｂ）又は図１（ｃ）と同様の断面構造としている。
【０１６３】
また、メモリセルＭ１１、Ｍ２１、・・・は、抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ２１、・・・とＮチャネルトランジスタＮ１１、Ｎ２１、・・・を直列接続（Ｒ１１＋Ｎ１１、Ｒ２１＋Ｎ２１、・・・）したものであり、それぞれが図２と同様な構造である。
【０１６４】
ここで、図２のメモリセル１０５と図１１のＬＲ安定化書込み回路２３６との接続関係と、抵抗変化方向について説明する。
【０１６５】
図２の抵抗変化素子１０ａの上部電極１１からビア１９によって引き出されたメタル配線１８（端子Ｕ）は、図１０のメモリセルアレイ２０２内を縦に伸びるビット線（例えばＢＬ０）と接続され、前記ビット線は列選択回路２０３を介してＬＲ安定化書込み回路２３６の出力端子ＤＴと接続される。従って、ＬＲ安定化書込み回路２３６から出力された正電圧パルスは抵抗変化素子１０ａの上部電極１１に印加される。上部電極１１に電圧Ｖｔｌ付近の正パルスが印加されると、図３（ｂ）の場合はハーフＬＲの状態から低抵抗状態に遷移させることが可能で、上部電極１１に電圧Ｖｔｌを越える正パルスが印加されると、高抵抗状態に遷移する。この様に書込み回路からビット線に（つまり抵抗変化素子の上部電極に）高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌを越える正電圧のパルスを印加すると高抵抗状態に抵抗変化する抵抗変化特性をＢモードと呼び、逆に書込み回路からビット線に電圧Ｖｔｌを越える正電圧のパルスを印加すると低抵抗状態に抵抗変化する抵抗変化特性をＡモードと呼ぶ。これらＡ／Ｂモードの抵抗変化特性は抵抗変化素子固有の性質である。ちなみに、Ｂモードの抵抗変化素子を低抵抗状態に変化させる場合は、下部電極に接続されるトランジスタ１０４の拡散領域３０２ａからビア２１によって引き出されたメタル配線１７（端子Ｓ）を基準として、メタル配線１８（端子Ｕ）に負の電圧パルスを印加する。なお、「正パルス」とは正電圧のパルスを意味し、「負パルス」とは負電圧のパルスを意味する。
【０１６６】
図１（ａ）、図１（ｂ）、図１（ｃ）の何れの抵抗変化素子も、Ｂモードにて抵抗変化する。
【０１６７】
なお、Ａモードのメモリセルを用いて図３と同様な抵抗変化特性を得る為には、メタル配線１８（端子Ｓ）をビット線に接続させることは言うまでもない。
【０１６８】
以上のことから、図１０のメモリセルＭ１１、Ｍ２１、・・・のパルスＶ−Ｉ特性は、図３（ｂ）、図３（ｃ）、図３（ｄ）、図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）あるいは図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）と類似した特性を有している。
【０１６９】
従って、書き込み動作に関して、低抵抗化書込みに必要な書込み電圧の絶対値は図３記載のＶｔｈの絶対値以上であり、ＬＲ化用電源２１２は、その出力電圧Ｖ２の絶対値が、抵抗変化素子に対してＶｔｈを越える負の電圧の印加が可能な電源回路である。一方、高抵抗化書込みに必要な書込み電圧は図３記載のＶｔｌ以上であり、ＨＲ化用電源２１３は、その出力電圧Ｖ１が、抵抗変化素子に対してＶｔｌを越える正の電圧の印加が可能な電源回路である。
【０１７０】
図１４は、図１０におけるＣ部に対応するメモリセル３００の構成（２ビット分の構成）を示す断面図、および抵抗変化素子１０ａの拡大図である。
【０１７１】
トランジスタ３１７、抵抗変化素子１０ａは、各々図１０におけるトランジスタＮ１１、Ｎ１２と抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２に対応している。
【０１７２】
メモリセル３００は、半導体基板３０１上に、第２のＮ型拡散層領域３０２ａ、第１のＮ型拡散層領域３０２ｂ、ゲート絶縁膜３０３ａ、ゲート電極３０３ｂ、第１ビア３０４、第１配線層３０５、第２ビア３０６、第２配線層３０７、第３ビア３０８、抵抗変化素子１０ａ、第４ビア３１０、第３配線層３１１を順に形成して構成される。
【０１７３】
第４ビア３１０と接続される第３配線層３１１がビット線ＢＬ０に対応し、トランジスタ３１７の第２のＮ型拡散層領域３０２ａに接続された、第１配線層３０５および第２配線層３０７が、この図面に垂直に走るソース線ＳＬ０に対応している。
【０１７４】
半導体基板３０１の電圧は０Ｖで、０Ｖ電源線（図示なし）より、一般的に知られている構成で供給されている。
【０１７５】
図１４の拡大部分（左の図）に示されるように、抵抗変化素子１０ａは、第３ビア３０８上に下部電極１４ｔ、抵抗変化層１３、酸化層１２、上部電極１１がサンドイッチ状に形成され、さらには第３配線と接続される第４ビア３１０につながっている。
【０１７６】
ここで、酸化層１２及び抵抗変化層１３は酸素不足型のタンタル酸化物で構成され、下部電極１４ｔと上部電極１１は異なる材料で構成され、下部電極１４ｔが抵抗変化を起こしにくい（上部電極材料より酸化しやすい）電極材料である窒化タンタル（ＴａＮ）で構成され、ビアを介してトランジスタの第１のＮ型拡散層領域３０２ｂに接続され、上部電極１１は抵抗変化を起こしやすい（抵抗変化層を構成する金属より酸化しにくい）材料である白金（Ｐｔ）で構成し、ビアを介して第３配線層３１１で形成のビット線ＢＬ０に接続される構造となっている。
【０１７７】
［抵抗変化型不揮発性記憶装置のタイミングチャート］
以上の様に構成された抵抗変化型不揮発性記憶装置２００について、データを書き込む場合の低抵抗化書き込み、高抵抗化書き込み及び低抵抗安定化書き込み（追加書き込みともいう）に対応する書き込みサイクル、およびデータを読み出す場合の読み出しサイクルにおける動作例について、図１５（ａ）〜図１５（ｄ）に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。
【０１７８】
図１５（ａ）〜図１５（ｄ）は、本発明の実施の形態に係る不揮発性記憶装置の動作例を示すタイミングチャートである。なお、ここでは、抵抗変化層が高抵抗状態の場合をデータ「１」に、低抵抗状態の場合をデータ「０」にそれぞれ割り当てると定義して、その動作例を示す。また、説明は、メモリセルＭ１１についてデータの書き込みおよび読み出しをする場合のみについて示す。図１５（ａ）は制御回路２１０のＬＲ化書き込み部による制御の下で抵抗変化素子に対して低抵抗状態への書込みを実施するタイミングチャートであり、図１５（ｂ）は制御回路２１０のＨＲ化書き込み部による制御の下で抵抗変化素子に対して高抵抗状態への書込みを実施するタイミングチャートであり、図１５（ｃ）は制御回路２１０のＬＲ安定化書き込み部による制御の下で抵抗変化素子に対して低抵抗安定化書込みを実施するタイミングチャートである。
【０１７９】
図１５（ａ）において、ＬＲ化用電源２１２で発生する電圧Ｖ２は、抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２・・・に対し実効的に印加される電圧値が、低抵抗化閾値電圧Ｖｔｈの絶対値を超えるような電圧値に決定される。
【０１８０】
図１５（ｂ）において、ＨＲ化用電源２１３で発生し、書込み回路２０６を介してビット線ＢＬ０に供給する電圧Ｖ１は、抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２・・・に対し実効的に印加される電圧値が、高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌを超えるような電圧値に決定される。
【０１８１】
図１５（ｃ）において、書込み回路２０６で発生する電圧Ｖ３は、抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２・・・に対し実効的に印加される電圧値が、高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌ近辺でかつＶｔｌを越えないような電圧に決定され、抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２・・・には、前記ＬＲ安定化書込み用電源２１４による可変電圧Ｖ３が印加される。
【０１８２】
図１５（ｄ）において、Ｖｒｅａｄは、センスアンプ２０４で発生されている読み出し用電圧で、高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌよりも十分低い電圧が、抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２・・・に実効的に印加される電圧値である。
【０１８３】
また、図１５（ａ）〜図１５（ｄ）において、ＶＤＤは不揮発性記憶装置２００に外部から供給される電源電圧に対応している。
【０１８４】
図１５（ａ）に示すメモリセルＭ１１に対するデータ「０」の低抵抗化書き込みサイクルにおいては、選択部及び制御回路２１０のＬＲ化書き込み部等の制御の下で以下の制御が行われる。まず、最初に選択ビット線ＢＬ０、ソース線ＳＬ０を電圧Ｖ２に設定する。次に、選択するワード線ＷＬ０を電圧ＶＤＤに設定し、選択メモリセルＭ１１のＮＭＯＳトランジスタＮ１１をオンする。この段階ではトランジスタ３１７の第２のＮ型拡散層領域３０２ａと、第１のＮ型拡散層領域３０２ｂはともに電圧Ｖ２が印加されているので、トランジスタ３１７に電流は流れない。
【０１８５】
次に、選択ビット線ＢＬ０を所定期間、電圧０Ｖに設定し、所定期間後、再度電圧Ｖ２となるパルス波形を印加する。この段階で、抵抗変化素子１０ａには下部電極１４ｔを基準にして上部電極１１に、低抵抗化閾値電圧Ｖｔｈを超える絶対値を持つ負の電圧が印加され、高抵抗値から低抵抗値に書き込みが行われる。その後、ワード線ＷＬ０を電圧０Ｖに設定し、トランジスタ３１７をオフして、データ「０」の書き込みが完了する。
【０１８６】
図１５（ｂ）に示すメモリセルＭ１１に対するデータ「１」の高抵抗化書き込みサイクルにおいては、選択部及び制御回路２１０のＨＲ化書き込み部等の制御の下で以下の制御が行われる。最初に選択ビット線ＢＬ０、ソース線ＳＬ０を電圧０Ｖに設定する。次に、選択するワード線ＷＬ０を電圧ＶＤＤに設定し、選択メモリセルＭ１１のＮＭＯＳトランジスタＮ１１をオンする。
【０１８７】
次に、選択ビット線ＢＬ０を所定期間、電圧Ｖ１に設定し、所定期間後、再度電圧０Ｖとなるパルス波形を印加する。この段階で、抵抗変化素子１０ａには下部電極１４ｔを基準にして上部電極１１に、高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌを超える正の電圧が印加され、低抵抗値から高抵抗値に書き込みが行われる。その後、ワード線ＷＬ０を電圧０Ｖに設定し、データ「１」の書き込みが完了する。
【０１８８】
図１５（ｃ）に示すメモリセルＭ１１に対するデータ「０」の低抵抗安定化書き込みサイクルにおいては、選択部及び制御回路２１０のＬＲ安定化書き込み部等の制御の下で以下の制御が行われる。最初に選択ビット線ＢＬ０、ソース線ＳＬ０を電圧０Ｖに設定する。次に、選択するワード線ＷＬ０を電圧ＶＤＤに設定し、選択メモリセルＭ１１のＮＭＯＳトランジスタＮ１１をオンする。
【０１８９】
次に、選択ビット線ＢＬ０を所定期間、電圧Ｖ３に設定し、所定期間後、再度電圧０Ｖとなるパルス波形を印加する。この段階で、抵抗変化素子１０ａには下部電極１４ｔを基準にして上部電極１１に、高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌ付近の正の電圧が印加され、ハーフＬＲ値から低抵抗値に書き込みが行われる。その後、ワード線ＷＬ０を電圧０Ｖに設定し、低抵抗安定化書き込みサイクルが完了する。この書き込みは、高抵抗化する電圧印加極性で、高抵抗化する電圧以下のパルスを印加することが特徴である。
【０１９０】
図１５（ｄ）に示すメモリセルＭ１１に対するデータの読み出しサイクルにおいては、選択部及び制御回路２１０等の制御の下で以下の制御が行われる。最初に選択ビット線ＢＬ０、ソース線ＳＬ０を電圧０Ｖに設定する。次に、選択するワード線ＷＬ０を電圧ＶＤＤに設定し、選択メモリセルＭ１１のＮＭＯＳトランジスタＮ１１をオンする。
【０１９１】
次に、選択ビット線ＢＬ０を所定期間、読み出し電圧Ｖｒｅａｄに設定し、センスアンプ２０４により、選択メモリセルＭ１１に流れる電流値を検出することで、記憶されているデータがデータ「０」かデータ「１」かについて判定する。その後、ワード線ＷＬ０を電圧０Ｖに設定し、データの読み出し動作を完了する。
【０１９２】
次に、図１０記載の不揮発性記憶装置２００に搭載されたメモリセルのパルスＶ−Ｉ特性について、特性タイプ１と特性タイプ２の両方が存在する場合の低抵抗安定化書き込みについて、その具体的な方法例を説明する。
【０１９３】
［正パルス印加法による低抵抗安定化書き込み（ウェハー検査における書き込み方法）］
前述のように我々発明者らは、メモリセル１０５の初期評価を行う中で、以下の特徴的な特性に気付いた。それは、製造直後に図３（ａ）の様に初期の低抵抗化（フォーミング）を実施し、その後に図４の様に交互パルス印加による書換えを実施しても、その抵抗変化特性は不安定であるが、一旦図３（ｂ）に示すパルスＶ−Ｉ特性評価のシーケンス、特にＶｔｌ付近でかつＶｔｌを越えないような正電圧パルスを印加すると、図８（ｄ）に示すように下部電極付近の酸素イオンが放出されて下部電極近傍の酸化層１５が低抵抗化されると推測され、図５に示す様に、交互パルス印加による抵抗変化特性が安定化する。更に、２回目以降のパルスＶ−Ｉ特性においても、図３（ｃ）、図３（ｄ）の様にハーフＬＲの状態は解消され、その後は特性タイプ１の正常特性を示すことを見い出した。
【０１９４】
このことから、製造直後のウェハー検査の段階で一旦、ハーフＬＲの状態を解消する為に、初期の低抵抗化（フォーミング）を実施した後、高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌ付近でかつＶｔｌを越えないような正電圧パルスを抵抗変化素子に印加することにより、ハーフＬＲより低い低抵抗状態（正常な低抵抗状態）にした後、高抵抗状態に変化させるといった手法が、低抵抗状態の安定化に有効である。
【０１９５】
この手法を不揮発性記憶装置にて実施する場合を例に、その方法を以下に説明する。
【０１９６】
なお、以下では抵抗変化素子の抵抗変化特性を安定化させるための電圧印加を「安定化書き込み」と呼ぶ。本実施の形態では、ハーフＬＲを含む不安定な低抵抗状態から、正常な低抵抗状態に遷移させるために、Ｖｔｌ付近の正電圧を印加する「ＬＲ安定化書き込み」をしているが、この「ＬＲ安定化書き込み」は、低抵抗化のための「安定化書き込み」の一つといえる。
【０１９７】
図１６Ａは、製造直後の初期状態から低抵抗状態の安定化及びその後の通常書換えまでの処理の概要を示す状態遷移図である。
【０１９８】
図１６Ａにおいて、状態４０７は製造直後の初期状態であり、抵抗状態は通常動作時の高抵抗状態よりも抵抗値が高い高抵抗状態である。まず、書換え対象となる選択メモリセル（抵抗変化素子）に対して、（i）フォーミングの閾値電圧Ｖｔｈ０を下回るフォーミング負パルス印加４０８（初期状態を低抵抗化するためのフォーミング工程；つまり、負の第４の電圧印加）を実施し、低抵抗（ハーフＬＲ）状態４０２へ変化させる。この時、特性タイプ２のハーフＬＲの状態になっている。そして、（ii）低抵抗の安定化書込みとしてＶｔｌよりも小さい正のパルス電圧（つまり、正の第３の電圧）から高抵抗状態に抵抗変化させる正のパルス電圧（つまり、正の第１の電圧）まで徐々に電圧を上昇させながら書込みパルス電圧を連続的に印加させる正パルス上昇連続印加４０４（低抵抗安定化書き込みステップ；つまり、正の第３の電圧印加から正の第１の電圧までを段階的に）を実施し、抵抗変化素子を、正常な低抵抗状態にした後高抵抗状態４０１に遷移させる。なお、正パルス上昇連続印加４０４では、ハーフＬＲ状態４０２から高抵抗状態４０１への遷移が図示されているが、厳密には、その遷移途中における、高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌ付近の正電圧印加による正常な低抵抗状態が含まれる。
【０１９９】
以上の状態遷移により、ハーフＬＲの状態は解消されたので、以降は、抵抗変化素子は通常の抵抗変化となり、高抵抗状態４０１から低抵抗状態４０３へ抵抗変化させる場合は、低抵抗化書込みとして低抵抗化閾値電圧Ｖｔｈを下回る負電圧パルス印加４０６（低抵抗化書き込みステップ；つまり、負の第２の電圧印加）を、低抵抗状態４０３から高抵抗状態４０１へ抵抗変化させる場合は、高抵抗化書込みとして高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌを超える正電圧パルス印加４０５（高抵抗化書き込みステップ；つまり、正の第１の電圧印加）を、必要に応じて実施する。
【０２００】
図１７Ａに製造直後の初期状態から低抵抗状態の安定化のフローチャートを示す。本フローチャートは、図１６Ａの状態遷移図における（i）〜（ii）の詳細手段を示すもので、ウェハー検査における機能検査の最初に実施される。
【０２０１】
図１７Ａにおいて、製造直後の初期状態における選択メモリセルに対し、
（０）選択するメモリセルを初期アドレスに設定する。
（１）最初に処理４１０でフォーミング工程を実施する。
（２）次に処理４２１で低抵抗安定化書込みの為の初回の正パルス電圧Ｖｐを０．７Ｖに設定する。
（３）次に処理４１５で低抵抗安定化書込みの為の正電圧パルスをメモリセル１０５に印加する。
（４）次に判断処理４２２で正パルス電圧Ｖｐが高抵抗化書込みの正電圧パルスＶＨＲ（ここでは２．４Ｖ）に到達したかを判断し、
もし到達していたら（処理４２２で「Ｙｅｓ」）、処理４２４へ進めて最終アドレスかを判断し、
最終アドレスであれば（処理４２２で「Ｙｅｓ」）、処理を終了（４２３）し、
最終アドレスでなければ（処理４２２で「Ｎｏ」）、処理４２５にて次のアドレスにインクリメントして、上記（１）のフォーミング工程４１０から実施する。
【０２０２】
もし判断処理で正パルス電圧Ｖｐが高抵抗化書込みの正電圧パルス２．４Ｖに到達していない場合は（処理４２２で「Ｎｏ」）、処理４１４へ進める。
（５）処理４１４では正パルス電圧Ｖｐを０．１Ｖだけ上昇させて設定する。
（６）次に再度処理４１５で低抵抗安定化書込みの為の正電圧パルスをメモリセル１０５に印加する。これは上記（４）と同じ処理である。
【０２０３】
以降、判断処理４２２で正パルス電圧Ｖｐが高抵抗化書込みの正電圧パルス２．４Ｖに到達していない場合は（処理４２２で「Ｎｏ」）、（５）処理４１４→（３）処理４１５→（４）判断処理４２２が正パルス電圧を上昇しながら繰り返される。
【０２０４】
初回の正パルス電圧Ｖｐは抵抗変化の閾値電圧Ｖｔｌより低い値で、高抵抗化書込みの正電圧パルスＶＨＲ＝２．４Ｖを含めた電圧の大きさの関係は、２．４Ｖ＞Ｖｔｌ＞０．７Ｖとなる。
【０２０５】
以上の様な低抵抗状態への初期化を実施することにより、最初にＶｔｌ付近の正電圧パルスを印加することで、特性タイプ２のメモリセル状態を特性タイプ１へ遷移させることが可能となる。
【０２０６】
図１８Ａに図１７Ａのフローチャートを不揮発性記憶装置２００で実施した場合のメモリセルアクセスシーケンス図（上段）とセル電流による選択メモリセルの抵抗状態イメージ図（下段）を示す。本シーケンス図における選択メモリセルは、図１０に示されるメモリセルＭ１１としている。
【０２０７】
図１８Ａにおいて、図１７Ａのフローチャートに示される処理を実施する前は、メモリセルＭ１１は非選択の状態なので、ワード線ＷＬ０とビット線ＢＬ０とソース線ＳＬ０の初期の電圧状態は全て０Ｖである。
【０２０８】
まず、図１８Ａに示されるｔｅ期間で処理４１０のフォーミング過程（負電圧パルス印加）を実施するため、全ビット線ＢＬ０、ＢＬ１、ＢＬ２、・・・とソース線ＳＬ０にＬＲ化用電源２１２の出力電圧Ｖ２を印加し、その後ワード線ＷＬ０をトランジスタＮ１１がＯＮするのに十分な電圧ＶＤＤを印加する。この時、同一ワード線上のメモリセルＭ１１、Ｍ２１、Ｍ３１、・・・の全てがＯＮするが、ビット線及びソース線の電圧が同一なので抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ２１、Ｒ３１、・・・の抵抗変化は起こらない。次に制御回路２１０からのパルス信号ＰＬＳを書込み回路２０６が受けると、パルス信号に従って選択ビット線ＢＬ０の電圧をＶ２→０Ｖ→Ｖ２と変化させ、選択メモリセルＭ１１の抵抗状態が製造直後の高抵抗状態から低抵抗（ハーフＬＲ）の状態へと変化する。そして処理４１０の低抵抗化書込みを終了させる為に、ワード線ＷＬ０を０Ｖにし、更に全ビット線ＢＬ０、ＢＬ１、ＢＬ２、・・・とソース線ＳＬ０を０Ｖにする。
【０２０９】
次にｔｐ１〜ｔｐｎ期間で処理４１５の低抵抗安定化書込みを実施する。書込み回路２０６から出力する第１回目のパルス電圧Ｖ３１（＝Ｖ３１Ｇ−Ｖｔ）を書込み回路２０６から出力する為に、ＬＲ安定化書込み用電源２１４の出力を処理４２１でＶ３１Ｇに設定する。この時、ＬＲ安定化書込み用電源２１４の電圧選択スイッチ２３１は印加電圧コントローラ２２９の指示でスイッチ２３１ａ〜２３１ｎの内の任意の１つのスイッチ（例えば２３１ｆがＯＮで他がＯＦＦ）のみＯＮし、固定抵抗２３２を直列接続した中間ノードの電位Ｖ３１ＧをＶ３Ｇに出力する（例えば２３１ｆがＯＮの場合はノードｎＬｆの電位が出力される）。
【０２１０】
その後処理４１５の低抵抗安定化書込みにおいて、ワード線ＷＬ０をトランジスタＮ１１がＯＮするのに十分な電圧ＶＤＤを印加し、次に制御回路２１０からのパルス信号ＰＬＳを書込み回路２０６が受けると、パルス信号のパルス時間に従って選択ビット線ＢＬ０の電圧を０Ｖ→Ｖ３１→０Ｖと変化させ、選択メモリセルＭ１１の抵抗状態がより低抵抗（ＬＲ）の状態へと変化する。
【０２１１】
その後、制御回路２１０は判断処理４２２にてパルス電圧ＶｐがＶＨＲに到達したかを判断し、到達していない場合、処理４１４にて書込みパルス電圧の第２回目のパルス電圧がＶ３２（＝Ｖ３２Ｇ−Ｖｔ）を書込み回路２０６から出力する為に、低抵抗安定化書込み用電源２１４の出力を処理４２１でＶ３２Ｇに設定する。この時、低抵抗安定化書込み用電源２１４の電圧選択スイッチ２３１は印加電圧コントローラ２２９の指示でスイッチ２３１ａ〜２３１ｎの内、電圧を上昇する方向にＯＮするスイッチ選択を変更（例えば２３１ｆはＯＦＦし、２３１ｅをＯＮ）し、固定抵抗２３２を直列接続した中間ノードの電位Ｖ３２ＧをＶ３Ｇに出力する（例えば２３１ｅがＯＮの場合はノードｎＬｅの電位が出力される）。
【０２１２】
その後処理４１５の低抵抗安定化書込みにおいて、制御回路２１０からのパルス信号ＰＬＳを書込み回路２０６が受けると、パルス信号のパルス時間に従って選択ビット線ＢＬ０の電圧を０Ｖ→Ｖ３２→０Ｖと変化させ、選択メモリセルＭ１１の抵抗状態がより低抵抗（ＬＲ）の状態へと変化する。この時、ワード線ＷＬ０の電圧は第１回目から継続してＶＤＤを維持している。
【０２１３】
同様に、判断処理４２２→処理４１４→処理４１５のフローに従って、処理４１４では低抵抗安定化書込み用電源２１４の電圧選択スイッチ２３１は印加電圧コントローラ２２９の指示でスイッチ２３１ａ〜２３１ｎの内、電圧を上昇する方向にＯＮするスイッチ選択を再度変更して、Ｖ３Ｇの出力電圧を上昇させ、処理４１５にて書込み回路２０６から前回よりも上昇したパルス電圧を選択ビット線ＢＬ０に印加する。前記、判断処理４２２→処理４１４→処理４１５のフローが繰り返されるに従って、ビット線ＢＬ０に印加される書込みパルス電圧を段階的に上昇させながら、パルス電圧が高抵抗化パルス電圧Ｖ１になるまで、連続的に印加される。その間、抵抗変化素子の抵抗値の読み出しは行わないので、上記の処理は高速に実施可能である。また、パルス電圧の増加量は、図３、図６、図７より０．１Ｖ以下が望ましいが、高速化のため０．２Ｖ程度まで粗くしても問題はない。
【０２１４】
ｔｐ１〜ｔｐ（ｎ−ｋ）前の間、選択メモリセルＭ１１の抵抗状態はハーフＬＲの状態から徐々に抵抗値が低下（セル電流は上昇）し、書込みパルス電圧がＶｔｌを上回ると高抵抗状態に遷移する（図１８ＡではＶ３（ｎ−ｋ）で高抵抗状態に変化している）。
【０２１５】
以上のように、本実施の形態では、低抵抗状態にある抵抗変化素子（特に、フォーミング後の抵抗変化素子、あるいは、ハーフＬＲとなっている抵抗変化素子）に対して、低抵抗状態から高抵抗状態への変化開始電圧（高抵抗化閾値電圧）Ｖｔｌがどこにあるかは意識せずに、低い正の電圧から開始して電圧Ｖｔｌを通過するように、正の書込みパルス電圧をスイープして印加する。故に、確実にＶｔｌ付近のピーク電流状態を通ることが特徴であり、これにより特性タイプ２は解消される。つまり、ハーフＬＲをとり得る不安定な抵抗変化素子が、正常な低抵抗状態と高抵抗状態とを遷移する安定な抵抗変化素子に初期化される。
【０２１６】
上記実施の形態１では、図１８Ａの低抵抗安定化書込みシーケンスに示す様に、選択メモリセルに関係するビット線に印加する正電圧パルスは、書込みパルス電圧を順次上昇させながら連続的に印加する。
【０２１７】
前記低抵抗安定化書込み時のパルス幅は、５０ｎｓと短時間なので、電圧上昇設定の時間が長くなることは、全書換え時間が長くなることより、極力避けなければならない。
【０２１８】
低抵抗安定化書込み回路を一般的な方法として、ＨＲ化用電源２１３と同様の差動アンプタイプの電源回路を用い、その安定な電源を順次切り換える事でパルス電圧を変える手段が考えられる。しかしながらこの方式は、電圧設定に数百ｎｓ〜数μｓの時間がかかる。本低抵抗安定化書込みシーケンスは順次電圧スイープさせるだけなので、比較的簡単な構成で実現させる回路方式を検討した。
【０２１９】
上記電圧上昇を伴う連続パルス印加のインターバル時間を高速化可能な回路方式の一例を以下に記載する。
【０２２０】
低抵抗安定化書き込み回路としては、図１１に示すように、書込み回路２０６内の低抵抗安定化書込み回路２３６と低抵抗安定化書込み用電源２１４とで構成される。各回路の構成と動作を次に説明する。低抵抗安定化書込み回路２３６は、パルス信号ＰＬＳを受けるとＶＤＤを電源として出力ＶＰＬＳに０Ｖ→ＶＤＤ→０Ｖの書込みパルスを出力するドライバ２３３と、ドライバ２３３の出力ＶＰＬＳを一方の拡散ノード（例えばドレイン）に接続し、ＶＤＤをクランプした電圧をもう一方の拡散ノード（例えばソース）に出力するＮチャネルトランジスタ２３４とで構成される。Ｎチャネルトランジスタ２３４のソース側端子（出力端子ＤＴ）に出力される電圧は、Ｎチャネルトランジスタ２３４の閾値をＶｔとし、ゲート電圧をＶ３Ｇとすると、Ｖ３Ｇ−Ｖｔとなる（ただし、Ｖ３Ｇ−Ｖｔ≦ＶＤＤの場合）。
【０２２１】
従って、出力端子ＤＴに出力されるクランプ電圧はゲート電圧Ｖ３Ｇで決まるので、出力すべき電圧に従ってゲート電圧Ｖ３Ｇを設定すれば良い。
【０２２２】
低抵抗安定化書込みにおいて出力端子ＤＴへのパルス出力のＨｉｇｈ側電圧レベルはパルス印加を行う度に出力Ｖ３Ｇの電圧変動量ΔＶだけ上昇させ、パルス印加のインターバル時間を短くする為には、本ゲート電圧の設定を短時間で完了することが重要である。それを可能とするのが低抵抗安定化書込み用電源２１４で、その内部構成は、ＶＰＰ端子とグランド端子との間に複数個の固定抵抗２３２を直列接続し、直列抵抗内の１つの中間ノードをスイッチ２３１ａ〜２３１ｎで選択出力している。その出力ノードＶ３Ｇの容量は、ＬＲ化用電源２１２の様なフィードバック接続を伴わない構成なので平滑容量を必要としないため、負荷容量としてはＮチャネルトランジスタ２３４のゲート容量のみで、多くても１００ｆＦ程度と極めて小容量である。したがって、ＶＰＰ端子とグランド端子間の直列抵抗を流れる電流を最適な電流量とすることで、中間ノード選択スイッチ２３１のＯＮするスイッチをＶＰＰ端子側へ１つ切り換え、ΔＶだけ電圧を上昇する場合の電圧設定時間は、数ｎｓ程度の極めて短い時間で完了する。例えば、Ｎチャネルトランジスタ２３４のゲート容量を１００ｆＦ、スイッチ切換えによる出力Ｖ３Ｇの電圧変動量ΔＶを０．１Ｖ、直列抵抗を流れる電流を１００μＡとし、電圧変動時に出力Ｖ３Ｇを充電する電流量を、直列抵抗を流れる電流量の１割程度１０μＡとすると、出力Ｖ３Ｇの電圧変動にかかる時間ΔＴｖは、１００ｆＦ×０．１Ｖ／１０μＡ＝１ｎｓとなる。
【０２２３】
この様に低抵抗安定化書込みにおけるパルス電圧の設定は、パルス印加時間に対して極めて短い時間で完了するので、図１８Ａの低抵抗安定化書込みシーケンスは、（一回のパルス印加時間＋ΔＴｖ）×パルス数で決まり、極めて短い時間で完了させることができる。
【０２２４】
更に、低抵抗安定化書込みシーケンスでのスイッチ２３１の選択は、パルスが印加される毎にＶ３Ｇ出力電圧をΔＶ上昇させる為に、一つＶＰＰに近い側のスイッチへシフトさせるだけなので、印加電圧コントローラ２２９の制御はその出力信号を順次インクリメントさせるだけでよく、印加電圧コントローラ２２９はシフトレジスタといった簡易な構成で実現可能となる。
【０２２５】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２における抵抗変化素子の書き込み方法及び不揮発性記憶装置について説明する。
【０２２６】
図６（ｃ）の様に、製造直後の初期に低抵抗安定化書込みを実施した後でも稀に低抵抗状態がハーフＬＲになる場合が存在する。その様な場合、誤読み出しの判定がされる可能性がある。一つの対処法はＥＣＣの様なエラー訂正を用いる方法、もう一つは、不揮発メモリで一般的な、書込み時にベリファイを行い、不良と判定された場合は、追加書込み（低抵抗安定化書込み）をする方法がある。ここでは、後者のベリファイと追加書込み（低抵抗安定化書込み）をする方法について説明する。
【０２２７】
低抵抗化書込みを行った後、低抵抗状態を判定し、ハーフＬＲ状態、つまり図６（ｃ）の様な異常な状態になった場合は、再度低抵抗安定化書込みを実施して解消する必要がある。
【０２２８】
正負交互のパルス印加に抵抗変化を実施する中で、再度低抵抗安定化書込みを実施する場合の処理の状態遷移図を図１６Ｂに示す。
【０２２９】
図１６Ｂにおいて、正負交互のパルス印加により正常に高抵抗状態又は低抵抗状態の書換えが行われる場合は、高抵抗状態又は低抵抗状態４０１ａからＬＲ化書込み負パルス印加４０６（低抵抗化書き込みステップ；つまり、負の第２の電圧印加）により、低抵抗状態４０３に遷移（矢印（iii））する。一方、高抵抗状態又は低抵抗状態４０１ａに対しＬＲ化書込み負パルス印加４０６（低抵抗化書き込みステップ；つまり、負の第２の電圧印加）を実施した後の抵抗状態が遷移し、（i）方向のハーフＬＲ状態４０２となった場合、それを解消する為に低抵抗安定化書込みの為の正パルス上昇連続印加４０４（低抵抗安定化書き込みステップ；つまり、正の第３の電圧印加）を実施し、これによって、低抵抗状態を経て、一旦高抵抗状態４０１に戻し、再度ＬＲ化書込み負パルス印加４０６（低抵抗化書き込みステップ；つまり、負の第２の電圧印加）を実施する。その結果、先に低抵抗安定化書込み４０４を実施しているので、次は低抵抗状態４０３へ遷移する。なお、正パルス上昇連続印加４０４では、ハーフＬＲ状態４０２から高抵抗状態４０１への遷移が図示されているが、厳密には、その遷移途中における、Ｖｔｌ付近の電圧印加による低抵抗状態が含まれる。
【０２３０】
よって、ＬＲ化書込み負パルス印加４０６（低抵抗化書き込みステップ；つまり、負の第２の電圧印加）を行った後、低抵抗状態が正常か否かを判断する処理が必要である。
【０２３１】
また、低抵抗状態４０３から高抵抗状態４０１に設定する時は、ＨＲ化書込みとしてＶｔｌ以上の正電圧パルス印加４０５（高抵抗化書き込みステップ；つまり、正の第１の電圧印加）を実施する。
【０２３２】
図１７Ｂに複数のメモリセルに低抵抗化書き込みを順次実施する場合に、低抵抗状態がハーフＬＲの状態になったかを判断し、ハーフＬＲの状態になってしまった場合の解消手段としての低抵抗状態の安定化フローチャートを示す。本フローチャートは、図１６Ｂの状態遷移図において、ハーフＬＲの状態４０２になっていないかを判断する判断手段と図中の（ii）低抵抗安定化書き込み４０４の詳細手段を示すもので、通常使用の状態において実施される。
【０２３３】
図１７Ｂにおいて、選択メモリセルに対し、
（０）選択するメモリセルを先頭アドレスに設定する。
（１）処理４１０でＶｔｈを下回る低抵抗化が可能な負電圧パルスを印加して低抵抗化書込みを実施する。
（２）次に判断処理４１１で低抵抗状態がセル電流として規定電流ＩＬＲｄｅｔ以上であるか否かを図１２に示されるセンスアンプ２０４で判定する（ベリファイステップ）。そのために、センスアンプ２０４において、規定電流をＩＬＲｄｅｔに設定するために、制御回路２１０は、基準回路２５２内のゲートに入力される各信号をＣ１＝ＶＤＤ、Ｃ２＝０Ｖ、Ｃ３＝０Ｖに設定する。もし選択セルの電流が規定電流ＩＬＲｄｅｔ以上であれば、出力ＳＡＯは０Ｖを出力するので、図１０に示されるデータ出力端子Ｄｏｕｔには「０」が出力され（処理４１１で「真」）、選択セルの電流が規定電流ＩＬＲｄｅｔ未満であれば、ＳＡＯはＶＤＤを出力するので、データ出力端子Ｄｏｕｔには「１」が出力される（処理４１１で「偽」）。
【０２３４】
もしセル電流がＩＬＲｄｅｔ以上であれば、センスアンプ２０４からの出力に従ってデータ出力端子Ｄｏｕｔに「０」が出力され（処理４１１で「真」）、外部装置によって正常な低抵抗状態であると認識され、真の方向へ進めて選択メモリセルのＬＲ書込みは終了し、最終アドレスかを確認し（処理４２４）、最終アドレスではない場合は（処理４２４で「偽」）、アドレスをインクリメントして（処理４２５）、処理４１０から実施する。
【０２３５】
一方、もしセル電流がＩＬＲｄｅｔ未満であれば、センスアンプ２０４からの出力に従ってデータ出力端子Ｄｏｕｔに「１」が出力され、外部装置によって異常なハーフＬＲの状態であると認識され、処理４１１で「偽」の方向へ進み、以降の低抵抗安定化書込みフロー（処理４２１〜４１４）を実行する。
【０２３６】
低抵抗安定化書込みフローは図１７Ａの製造直後の最初の低抵抗安定化書込みフローと同一で、
（３）まず、処理４２１で低抵抗安定化書込みの為の初回の正パルス電圧Ｖｐを０．７Ｖに設定し、
（４）次に処理４１５で低抵抗安定化書込みの為の正電圧パルスをメモリセル１０５に印加し、
（５）次に判断処理４２２で正パルス電圧Ｖｐが高抵抗化書込みの正電圧パルス２．４Ｖに到達したかを判断し、
もし到達していたら（処理４２２で「真」）、処理４１０へ進めて低抵抗安定化書込みを終了とし、
もし到達していない場合は（処理４２２で「偽」）、処理４１４へ進め、
（６）処理４１４では正パルス電圧Ｖｐを０．１Ｖだけ上昇させて設定し、
（７）次に再度処理４１５で低抵抗安定化書込みの為の正電圧パルスをメモリセル１０５に印加する。これは上記（４）と同じ処理である。
【０２３７】
以降、判断処理４２２で正パルス電圧Ｖｐが高抵抗化書込みの正電圧パルスＶＨＲ（ここでは２．４Ｖ）に到達していない場合は（処理４２２で「偽」）、処理４１４→処理４１５→判断処理４２２が正パルス電圧を上昇しながら繰り返される。
【０２３８】
初回の正パルス電圧Ｖｐは抵抗変化の閾値電圧Ｖｔｌより低い値で、ＶＨＲを含めた電圧の大きさの関係は、ＶＨＲ＝２．４Ｖ＞Ｖｔｌ＞０．７Ｖとなる。
【０２３９】
以上の様な抵抗状態判定（ベリファイステップ）及び低抵抗安定化書込みの手順を実施することにより、ハーフＬＲの状態のメモリセルを低抵抗状態へ遷移させることが可能となる。
【０２４０】
図１８Ｂに図１７Ｂのフローチャートを不揮発性記憶装置２００で実施した場合のメモリセルアクセスシーケンス図（上段）とセル電流による選択メモリセルの抵抗状態イメージ図（下段）を示す。本シーケンス図における選択メモリセルは、図１０に示されるＭ１１としている。
【０２４１】
図１８Ｂにおいて、図１７Ｂのフローチャートに示される処理を実施する前は、メモリセルＭ１１は非選択の状態なので、ワード線ＷＬ０とビット線ＢＬ０とソース線ＳＬ０の初期の電圧状態は全て０Ｖである。
【０２４２】
まず、図１８Ｂに示されるｔｅ期間で処理４１０の低抵抗化書込みを実施する。この動作は図１８Ａと同一より、詳細説明は省略する。
【０２４３】
低抵抗化書込みを実施すると、高抵抗状態（ＨＲ）にあった抵抗状態が低抵抗状態に遷移するが、ハーフＬＲの状態になっていないかを判断するために、ｔｒ期間で次にセンスアンプ２０４によるベリファイ読出しを実施する。ベリファイ読出しでは、センスアンプ２０４内の基準回路２５２の設定をＣ１＝ＶＤＤ、Ｃ２＝０Ｖ、Ｃ３＝０Ｖにする。これにより判定時に判定電流ＩＬＲｄｅｔが選択ビット線に対して供給される様になる。まず、選択ビット線ＢＬ０に抵抗変化が行われない高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌ以下の電圧Ｖｒをセンスアンプ２０４からプリチャージ印加する。この時、センスアンプからのビット線電流はビット線を高速充電する目的より、高い電流能力で供給される。次に選択ワード線ＷＬ０をトランジスタＮ１１がＯＮするのに十分な電圧ＶＤＤを印加し、同時にセンスアンプからの電流能力をメモリセル状態の判定電流ＩＬＲｄｅｔに設定する。その後、選択メモリセルの抵抗状態により、ハーフＬＲの状態の場合は、ビット線電圧は降下せず、低抵抗状態の場合は、ビット線電圧は降下する。その電圧の差をセンスアンプ２０４で検知し、その結果を論理信号としてデータ出力回路２０５へ出力する。センスアンプの検知結果が低抵抗状態となればデータ出力端子Ｄｏｕｔが「０」を出力するので、外部装置は低抵抗化書込みをそこで終了し、一方、ハーフＬＲの状態の場合はデータ出力端子Ｄｏｕｔが「１」を出力するので、外部装置は次にｔｐ１以降の処理４１５の低抵抗安定化書込みシーケンスを実施する。なお、低抵抗安定化書込みシーケンス動作の詳細説明は図１８Ａに示されるものと同一により省略する。低抵抗安定化書込み終了後のメモリセルの状態は高抵抗（ＨＲ）状態となっているので、再度処理４１０の低抵抗化書込みを実施し、低抵抗状態へ遷移させる。
【０２４４】
この様にして、ハーフＬＲの状態が解消され、低抵抗状態へ修復される。
【０２４５】
以上のように、本実施の形態では、フォーミング後の抵抗変化素子については、選択メモリセルに関係するビット線に印加する正電圧パルスの電圧を順次上昇させながら連続的に印加することで高速に低抵抗の安定化書き込みが可能となり、また、このような初期化を終えて読み書きする実動作においては、低抵抗化書き込みの後でベリファイすることで、ハーフＬＲ状態が出現したときにだけ、低抵抗の安定化書き込みをしている。これにより、製造直後の初期状態にある抵抗変化素子であっても、その後の実動作における抵抗変化素子であって、ハーフＬＲ状態を回避する処理が確実に実施される。
【０２４６】
（実施の形態３）
次に、ベリファイを用いないで正電圧パルスで低抵抗安定化書き込みをする本発明の実施の形態３における抵抗変化素子の書き込み方法及び不揮発性記憶装置について説明する。
【０２４７】
図７（ｂ）、図７（ｃ）に示されるデータは、製造直後の低抵抗安定化書込みを実施しても、その後の低抵抗化書込みにおいても頻繁に特性タイプ２のハーフＬＲの状態になる場合は、前記実施の形態１に記載の修正方法では解消できないし、実施の形態２に記載の修正方法でもほぼ毎回修正工程が発生する場合があることを示唆している。
【０２４８】
我々発明者らはこの様な頻繁的な特性タイプ２の書込み特性を有するメモリセルのハーフＬＲの状態を低抵抗状態に修正する方法を検討した。
【０２４９】
図７のパルスＶ−Ｉ特性グラフに注目すると、特性タイプ２である図７（ｃ）は低抵抗化閾値電圧Ｖｔｈ以下の負電圧パルスを印加すると、セル電流が３７μＡ程度のハーフＬＲの状態で抵抗変化が止まっているが、その後、パルス電圧を正側に上昇させて行くと高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌ付近で低抵抗状態に変化している。パルス電圧がＶｔｌ付近での最大セル電流は６０μＡで、低抵抗状態と同等の電流値である。
【０２５０】
この現象から、ハーフＬＲの状態を低抵抗状態に修正する方法として、パルス電圧をＶｔｌ付近にセット（固定）して低抵抗安定化書込みを実施する、つまり、電圧を徐々に上昇させながら電圧印加を繰り返すのではなく、Ｖｔｌ付近の電圧を１回印加するだけで低抵抗安定化書き込みをする新たな方法を考案した。
【０２５１】
また、書き込みは高速であることが要求されるが、前述のベリファイ方式は低抵抗化書込みの全てのビットに対し、一旦読み出し動作を実施するので書込み速度の低下を招く。そこで、センスアンプの判定ステップを省略することにした。このような書込みの高速化も図る具体的な方法としては、負電圧パルスの低抵抗化書込みに引き続き、メモリセルの抵抗状態が、特性タイプ２の様なハーフＬＲの状態になった場合を想定して、高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌ以下の正電圧パルスを１回だけ印加する方法である。つまり、抵抗変化素子に負電圧パルスを印加し、印加後の抵抗状態を判断することなく、Ｖｔｌ以下で、かつ、Ｖｔｌに近い電圧による低抵抗安定化書き込みを１回だけ実施する。これによりハーフＬＲの状態のメモリセルを高速に低抵抗状態に変化させることができる。
【０２５２】
一方、図３（ｄ）（特性タイプ１）で分かる様に、負電圧パルスによって正常な低抵抗状態になっている抵抗変化素子に対して、Ｖｔｈ以下の負電圧パルスを印加すると、セル電流が７０μＡ程度の低抵抗状態になり、その後、パルス電圧を正側に上昇させてもＶｔｌ以下までその状態は変らない。このことから、低抵抗化の書込みパルスを印加後、メモリセルの抵抗状態が特性タイプ１の様な低抵抗状態になった場合でも、次に高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌ以下の正電圧パルスを印加しても何ら抵抗状態には影響がないので、低抵抗化の書込みパルスを印加後、抵抗状態を確認すること無く、低抵抗安定化書込みを実施しても何ら問題ない。
【０２５３】
このことから、特性タイプ２を有する不揮発性記憶装置の場合、その書換えシーケンスの１つは、図１９の状態遷移図に示す方法が効果的である。その方法は、低抵抗状態又は高抵抗状態にあるメモリセル１０５に、（i）低抵抗状態に変化させる為の低抵抗（ＬＲ）化書込みの負パルスを印加する処理４０６（低抵抗化書き込みステップ；つまり、負の第２の電圧印加）と、更に、（ii）（前記（i）の処理の結果、ハーフＬＲ状態４０２になった場合を想定して、正常な低抵抗状態４０３に変化させる為に）低抵抗（ＬＲ）安定化書込みの正パルス（Ｖｔｌ以下）を印加する処理４０７（低抵抗安定化書き込みステップ；つまり、正の第３の電圧印加）を実施する。つまり、低抵抗状態へ変化させる場合は（i）の処理の次に（ii）の処理を必ず実施する。
【０２５４】
この様に、（i）→（ii）の手段を実施することで、抵抗変化素子が特性タイプ１であるか特性タイプ２であるかに拘わらず、確実に抵抗変化素子を正常な低抵抗状態にすることができる。
【０２５５】
なお、（i）の低抵抗（ＬＲ）化書込みの負パルス印加４０６により、高抵抗状態４０１及び４０１ａから特性タイプ１の正常な低抵抗状態４０３に変化した場合であっても、正常な低抵抗状態４０３にある抵抗変化素子に対して（ii）の低抵抗（ＬＲ）安定化書込みの正パルスを印加しても正常な低抵抗状態は変らないので、（ii）を実施することに何ら問題はない。
【０２５６】
従って、特性タイプを気にすること無く、低抵抗変化の手段（i）、（ii）を実施することが出来る。
【０２５７】
なお、低抵抗状態から高抵抗状態に設定する時は、ＨＲ化書込みとしてＶｔｌ以上の正電圧パルス印加（高抵抗化書き込みステップ；つまり、正の第１の電圧印加）を実施する。
【０２５８】
（実施の形態４）
次に、抵抗変化素子を確実に高抵抗状態から低抵抗状態に遷移させる本発明の実施の形態４における抵抗変化素子の書き込み方法及び不揮発性記憶装置について説明する。
【０２５９】
まず、抵抗変化素子を確実に低抵抗状態に遷移させる手法の一つとして、ベリファイを用いる手法を説明する。
【０２６０】
図７（ｃ）（特性タイプ２）に示されるように、高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌ以下のハーフＬＲから低抵抗に変化するセル電流の変化量は、Ｖｔｌ付近において０．５Ｖのパルス電圧Ｖｐの変化でセル電流Ｉｒが３６μＡから６０μＡへと２４μＡも急峻に増加し、しかも最大電流を越えたＶｔｌより大きい電圧を印加すると、抵抗状態は高抵抗状態（セル電流の少ない状態）に変化してしまう。一旦、高抵抗状態に変化してしまうと、低抵抗化閾値電圧Ｖｔｈ以下の負電圧パルスを印加しなければ低抵抗状態に変化することが出来ないので、再度、低抵抗状態に変化させる為には、負電圧パルス印加による低抵抗（ＬＲ）化書込みから実施する必要がある。この様に、意図せず高抵抗状態になってしまったものを、再度低抵抗状態に書き直すことは、書込み時間のロスといったデメリットが生ずる。
【０２６１】
従って、低抵抗化の時に、高抵抗化することを防ぎ、確実に低抵抗状態に変化させる為に、ベリファイ（読出しによる抵抗状態の確認）判断の導入を考案した。
【０２６２】
以下のベリファイ付加による低抵抗化書込みの方法を説明する。
【０２６３】
図２０にメモリセル１０５に対するベリファイ導入時の状態遷移図を示す。
【０２６４】
図２０において、高抵抗状態又は低抵抗状態４０１ａにあるメモリセル１０５に、低抵抗状態に変化させる為の低抵抗（ＬＲ）化書込みの負パルスを印加する処理４０６（低抵抗化書き込みステップ；つまり、負の第２の電圧印加）を実施し、正常に低抵抗状態の書換えが行われる場合は、高抵抗状態又は低抵抗状態４０１ａからＬＲ化書込み負パルス印加４０６により低抵抗状態４０３に遷移（矢印（iii））する。一方、高抵抗状態の４０１ａに対しＬＲ化書込み負パルス印加４０６を実施した後の抵抗状態が遷移（i）方向のハーフＬＲ状態４０２となった場合、それを解消する為にベリファイ判定も合わせた低抵抗安定化書込み４０９（低抵抗安定化書き込みステップ；つまり、正の第３の電圧印加）を実施し、低抵抗状態４０３が達成されたところで低抵抗安定化書込みを終了する。
【０２６５】
また、低抵抗状態から高抵抗状態に設定する時は、ＨＲ化書込みとしてＶｔｌ以上の正電圧パルス印加（高抵抗化書き込みステップ；つまり、正の第１の電圧印加）を実施する。
【０２６６】
図２１にメモリセル１０５に対するベリファイ導入時の低抵抗化書込みフローチャートを示す。本フローチャートは、図２０の状態遷移図において、高抵抗状態から低抵抗状態に遷移する為の（i）、（ii）、（iii）に関連する手段の詳細を示すものである。
【０２６７】
図２１において、選択メモリセルに対し、
（０）選択するメモリセルを先頭アドレスに設定する。
（１）処理４１０にて、低抵抗状態に変化させる為に低抵抗化閾値電圧Ｖｔｈ以下の負電圧パルスを印加する低抵抗化書込みを実施する。
（２）次に判断処理４１１で低抵抗状態がセル電流として規定電流ＩＬＲｄｅｔ以上であるか否かをセンスアンプ２０４で判定する。そのために、センスアンプ２０４において、規定電流をＩＬＲｄｅｔに設定するために、制御回路２１０は、基準回路２５２内のゲートに入力される各信号をＣ１＝ＶＤＤ、Ｃ２＝０Ｖ、Ｃ３＝０Ｖに設定する。もし選択セルの電流が規定電流ＩＬＲｄｅｔ以上であれば、出力ＳＡＯは０Ｖを出力するので、図１０に示されるデータ出力端子Ｄｏｕｔには「０」が出力され（処理４１１で「真」）、選択セルの電流が規定電流ＩＬＲｄｅｔ未満であれば、出力ＳＡＯはＶＤＤを出力するので、データ出力端子Ｄｏｕｔには「１」が出力される（処理４１１で「偽」）。
【０２６８】
もしセル電流がＩＬＲｄｅｔ以上であれば、センスアンプ２０４からの出力に従ってデータ出力端子Ｄｏｕｔに「０」が出力され（処理４１１で「真」）、外部装置によって正常な低抵抗状態であると認識され、処理４１１の「真」の方向へ進めて選択メモリセルのＬＲ書込みは終了し、最終アドレスかを確認し（処理４２４）、最終アドレスではない場合は（処理４２４で「偽」）、アドレスをインクリメントして（処理４２５）、処理４１０から実施する。
【０２６９】
一方、もしセル電流がＩＬＲｄｅｔ未満であれば、センスアンプ２０４からの出力に従ってデータ出力端子Ｄｏｕｔに「１」が出力され、外部装置によって異常なハーフＬＲの状態であると認識され、処理４１１で「偽」の方向へ進み、以降の低抵抗安定化書込みフロー（処理４２１〜４１４）を実行する。
（３）処理４２１にて、低抵抗安定化書込みを実施すべく高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌ以下の正電圧Ｖｐ＝０．７Ｖをパルス電圧として設定する。
（４）処理４１５にて低抵抗安定化書込みの為の正電圧パルスを印加する。この時の正のパルス電圧は高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌよりも十分低い値（例えば図７においては０．７Ｖ）からスタートする。
（５）次に判断処理４１３にて、再度低抵抗状態に変化したかを判定する為、センスアンプ２０４でベリファイ読出しを行い、セル電流が判定レベル以上であるかをベリファイ読出しの論理値結果にて判断する。センスアンプ２０４の設定は判断処理４１１と同じである。
【０２７０】
もし、セル電流が判定電流ＩＬＲｄｅｔ以上の場合は（処理４１３で「真」、選択メモリセルの低抵抗化書込みは終了し、判断処理４２４へ進める。
（６）もし、セル電流が判定電流ＩＬＲｄｅｔ未満の場合は（処理４１３で「偽」）、処理４１４にて、正のパルス電圧Ｖｐを０．１Ｖ高く設定し、再度、上記（４）の処理４１５へ進める。
【０２７１】
処理４１５の低抵抗安定化書込みが終了したら、上記（５）と同様に、判断処理４１３のベリファイ読出し及び抵抗状態判定を実施する。
【０２７２】
以上の様に、判断処理４１３のベリファイ読み出し判定でセル電流が判定電流ＩＬＲｄｅｔ以上となるまで、処理４１４のパルス電圧上昇設定と処理４１５の低抵抗安定化書込みを繰り返して実施する。
【０２７３】
この様に、ベリファイ読出し判定４１３を付加した低抵抗安定化書込み方法により、ハーフＬＲの状態は、正常な低抵抗状態に限りなく近づけることが出来る。
【０２７４】
次に図２２において図２１のフローチャートを不揮発性記憶装置２００で実施した場合のメモリセルアクセスシーケンス図（上段）とセル電流による選択メモリセルの抵抗状態イメージ図（下段）を示す。本シーケンス図における選択メモリセルは、図１０に示されるＭ１１としている。
【０２７５】
図２２において、図２１のフローチャートに示される処理を実施する前は、メモリセルＭ１１は非選択の状態なので、ワード線ＷＬ０とビット線ＢＬ０とソース線ＳＬ０の初期の電圧状態は全て０Ｖである。
【０２７６】
まず、図２２に示されるｔｅ期間で処理４１０の低抵抗化書込み（負電圧パルス印加）を実施する。タイミングチャートの動作は図１８Ａと同一により、詳細説明は省略する。
【０２７７】
次に、抵抗状態がハーフＬＲの状態になっていないかを判断するために、ｔｒ０期間でベリファイ読出しを実施する。ベリファイ読出し動作は図１８Ｂと同一により、詳細説明は省略する。ベリファイ読出しにおけるセンスアンプの検知結果が正常な低抵抗状態となればデータ出力端子Ｄｏｕｔは「０」を出力するので、外部装置は低抵抗化書込みをそこで終了し、ハーフＬＲの状態の場合はデータ出力端子Ｄｏｕｔが「１」を出力するので、外部装置は次にｔｐ１以降の処理４１５の低抵抗安定化書込みを次に実施する。
【０２７８】
次にｔｐ１期間で処理４１５の低抵抗安定化書込みを実施する場合、前準備として、書込み回路２０６から出力する第１回目のパルス電圧Ｖ３１（＝Ｖ３１Ｇ−Ｖｔ）を書込み回路２０６から出力する為に、低抵抗安定化書込み用電源２１４の出力を処理４２１でＶ３１Ｇに設定する。この時、低抵抗安定化書込み用電源２１４の電圧選択スイッチ２３１は印加電圧コントローラ２２９の指示でスイッチ２３１ａ〜２３１ｎの内の任意の１つのスイッチ（例えば２３１ｆがＯＮで他がＯＦＦ）のみＯＮし、固定抵抗２３２を直列接続した中間ノードの電位Ｖ３１ＧをＶ３Ｇに出力する。例えば２３１ｆがＯＮの場合はノードｎＬｆの電位が出力される。
【０２７９】
その後、ｔｐ１期間の処理４１５の低抵抗安定化書込みにおいて、ワード線ＷＬ０をトランジスタＮ１１がＯＮするのに十分な電圧ＶＤＤを印加し、次に制御回路２１０からのパルス信号ＰＬＳを書込み回路２０６が受けると、パルス信号のパルス時間に従って選択ビット線ＢＬ０の電圧を０Ｖ→Ｖ３１→０Ｖと変化させ、選択メモリセルＭ１１の抵抗状態がより低い低抵抗（ＬＲ）状態へと変化する。そして低抵抗安定化書込みを終了させる為、ワード線ＷＬ０を０Ｖに戻しトランジスタＮ１１をＯＦＦさせる。
【０２８０】
次に、ｔｒ１期間で抵抗状態が正常な低抵抗状態に到達していないかを判断するために、再度ベリファイ読出しを実施する。ベリファイ読出しにおけるセンスアンプの検知結果が正常な低抵抗状態となればデータ出力端子Ｄｏｕｔは「０」を出力するので、外部装置は低抵抗化書込みをそこで終了し、ハーフＬＲの状態の場合はデータ出力端子Ｄｏｕｔが「１」を出力するので、外部装置は次にｔｐ２期間で処理４１５の低抵抗安定化書込みを実施する。
【０２８１】
次にｔｐ２期間で処理４１５の低抵抗安定化書込みを実施する場合、前準備として、書込み回路２０６から出力する電圧を第２回目のパルス電圧Ｖ３２（＝Ｖ３２Ｇ−Ｖｔ）を書込み回路２０６から出力する為に、低抵抗安定化書込み用電源２１４の出力を処理４２１でＶ３２Ｇに設定した後、処理４１５の低抵抗安定化書込みを実施する。
【０２８２】
次に、ｔｒ２期間で抵抗状態が正常な低抵抗状態に到達していないかを判断するために、再度ベリファイ読出しを実施する。ベリファイ読出しにおけるセンスアンプの検知結果が正常な低抵抗状態となればデータ出力端子Ｄｏｕｔは「０」を出力するので、外部装置は低抵抗安定化書込みをそこで終了し、ハーフＬＲの状態の場合はデータ出力端子Ｄｏｕｔが「１」を出力するので、外部装置は次にｔｐ３期間で処理４１５の低抵抗安定化書込みを実施する。
【０２８３】
この様に、低抵抗状態が判定電流ＩＬＲｄｅｔ以上の状態であるとセンスアンプで判断されるまで、順次正のパルス電圧を上昇させた低抵抗安定化書込みと、センスアンプによるベリファイ読出し判定を繰り返す。
【０２８４】
次に、抵抗変化素子を確実に低抵抗状態に遷移させる手法の一つとして、低抵抗安定化書き込みによって抵抗変化素子が高抵抗化してしまった場合に再度の低抵抗化を繰り返す手法を説明する。
【０２８５】
図７（ｂ）、図７（ｃ）の第２回目と第３回目の測定結果が示す様に、頻繁に特性タイプ２のパルスＶ−Ｉ特性となる場合があるが、その特性は毎回同一軌道をたどるわけでなく、セル電流は多少なりとも変化する。例えば図７においてＶｔｌ付近の最大のセル電流に注目すると、図７（ｂ）は７０μＡ、図７（ｃ）は６０μＡと、第２回目の図７（ｂ）方が多い。
【０２８６】
その様な特性おいて、低抵抗化ベリファイ読出し時のセル電流判定レベルが例えば６２μＡすなわち図７（ｃ）のＶｔｌ付近の低抵抗状態の最大電流以上に設定されていた場合に図２１のフローチャートを実行すると、処理４１３〜４１５のループを繰り返すとその途中で高抵抗状態に変化してしまい、処理４１３〜４１５のループを抜けられなくなる。それを回避する為、高抵抗状態になったか判断するための第２の判定レベルを設けることが効果的であると考えた。
【０２８７】
図２３に高抵抗状態を判断する第２の判定レベルを追加した低抵抗化書換えフローチャートの一例を示す。本フローチャートは、図２１の処理４１５と判断処理４１３の間に判断処理４１７を挿入したものに相当する。判断処理４１７では、選択メモリセルがセル電流判定レベルＩＨＲｄｅｔ以下の高抵抗状態に変化したか（つまり、セル電流Ｉｒ＜セル電流判定レベルＩＨＲｄｅｔか）をセンスアンプ２０４で判断し、もし高抵抗状態（出力端子Ｄｏｕｔ＝「１」）になっていなければ（処理４１７で「偽」）、低抵抗化状態になったかをセンスアンプで判断する判断処理４１３へ進め、一方、高抵抗状態になっていれば（処理４１７で「真」）、処理４１０の負パルス印加による低抵抗書込みへ戻る。他の処理ブロック及びフローは図２１と同一なので説明は省略する。
【０２８８】
本フローチャートを用いて図７のメモリセル特性の場合を一例にその動作を説明する。ここでは、低抵抗状態になったことを判断する第１のセル電流判定レベルＩＬＲｄｅｆ＝６２μＡとし、高抵抗状態になったことを判断する第２のセル電流判定レベルＩＨＲｄｅｆ＝２０μＡとし、また、図７（ｃ）に示される特性を第ｎ回目、図７（ｂ）に示される特性を第ｎ＋１回目の低抵抗化書換えとする。
【０２８９】
図２３において、選択メモリセルに対し、
（０）選択するメモリセルを先頭アドレスに設定する。
（１）次に、処理４１０により低抵抗状態に変化する。
（２）次に判断処理４１１で低抵抗状態がセル電流として規定電流ＩＬＲｄｅｔ以上であるか否かをセンスアンプ２０４で判定する。そのために、センスアンプ２０４において、規定電流をＩＬＲｄｅｔに設定するため、制御回路２１０は、基準回路２５２内のゲートに入力される各信号をＣ１＝ＶＤＤ、Ｃ２＝０Ｖ、Ｃ３＝０Ｖに設定する。
【０２９０】
もし選択セルの電流が規定電流ＩＬＲｄｅｔ以上であれば、出力ＳＡＯは０Ｖを出力するので、図１０に示されるデータ出力端子Ｄｏｕｔには「０」が出力され（処理４１１で「真」）、選択セルの電流が規定電流ＩＬＲｄｅｔ未満であれば、出力ＳＡＯはＶＤＤを出力するので、データ出力端子Ｄｏｕｔには「１」が出力される（処理４１１で「偽」）。
【０２９１】
以上のセンスアンプでの設定で低抵抗状態を判断する。メモリセルは図７（ｃ）に示される特性であるハーフＬＲの状態であるので、セル電流は３７μＡ程度で、第１のセル電流判定レベルＩＬＲｄｅｆより低いことから、センスアンプ判定結果としてデータ出力端子Ｄｏｕｔには「１」が出力され、外部装置によって処理４２１へ進められる。
（３）処理４２１では正パルス電圧Ｖｐを初期値の０．７Ｖに設定し、引き続いて処理４１５の低抵抗安定化書込みを実施し、
（４）判断処理４１７にて選択メモリセルが第２のセル電流判定レベルＩＨＲｄｅｔ以下の高抵抗状態に変化したかを判断する。そのために、センスアンプ２０４において、規定電流をＩＨＲｄｅｔに設定するために、制御回路２１０は、基準回路２５２内のゲートに入力される各信号をＣ１＝０Ｖ、Ｃ２＝０Ｖ、Ｃ３＝ＶＤＤに設定する。もし選択セルの電流が規定電流ＩＨＲｄｅｔ以上であれば、出力ＳＡＯは０Ｖを出力するので、図１０に示されるデータ出力端子Ｄｏｕｔには「０」が出力され（処理４１７で「偽」）、一方、選択セルの電流が規定電流ＩＨＲｄｅｔ未満であれば、出力ＳＡＯはＶＤＤを出力するので、データ出力端子Ｄｏｕｔには「１」が出力される（処理４１７で「真」）。
【０２９２】
もし高抵抗状態になっていない、つまり、選択セルの電流が規定電流ＩＨＲｄｅｔ以上であれば、出力ＳＡＯは０Ｖを出力するので、データ出力端子Ｄｏｕｔには「０」が出力され（処理４１７で「偽」）、外部装置によって判断処理４１３へ進む。判断処理４１３で第１のセル電流判定レベルＩＬＲｄｅｔより高いセル電流（低抵抗状態）と判断されるか（処理４１３で「真」）、または判断処理４１７で第２のセル電流判定レベルＩＨＲｄｅｔより低いセル電流（高抵抗状態）と判断される（処理４１７で「真」）まで、処理４１５〜処理４１４のループを繰り返す。その間、低抵抗安定化書込みの正のパルス電圧は順次上昇しつつ処理４１５の低抵抗安定化書込みが実施される。図７（ｃ）に示される特性における最大の低抵抗状態のセル電流は６０μＡで、第１のセル電流判定レベルＩＬＲｄｅｔ＝６２μＡより低いので、判断処理４１３のベリファイ判定条件を満足しないので「真」の方向とはならず、Ｖｐはインクリメントされ次の処理４１５〜処理４１４のループを繰り返す。そうすると正のパルス電圧（Ｖｐ）はじきにＶｔｌ以上の１．６Ｖとなり、メモリセルは高抵抗状態に変化し、判断処理４１７のベリファイ判定条件を満足して「真」の方向を指示される。この場合、次に再び処理４１０で低抵抗状態に書き戻され、図７（ｂ）に示されるハーフＬＲの状態（５４μＡ）になる。
（５）次に判断処理４１１にて低抵抗状態を判断するが、メモリセルは特性（ｂ）のハーフＬＲの状態であるので（処理４１１で「偽」）、セル電流は５４μＡ程度と第１のセル電流判定レベルＩＬＲｄｅｔより低いことから、処理４２１へ進む。
（６）処理４２１では正パルス電圧Ｖｐを初期値の０．７Ｖに設定し、処理４１５の低抵抗安定化書込みを実施し、判断処理４１７にて選択メモリセルが第２のセル電流判定レベルＩＨＲｄｅｔ以下の高抵抗状態に変化したかを判断し、もし高抵抗状態になっていないならば（処理４１７で「偽」）、判断処理４１３へ進む。判断処理４１３で第１のセル電流判定レベルＩＬＲｄｅｔより高いセル電流（低抵抗状態）と判断されるか（処理４１３で「真」）、または判断処理４１７で第２のセル電流判定レベルＩＨＲｄｅｔより低いセル電流（高抵抗状態）と判断される（処理４１７で「真」）まで、判断処理４１５〜処理４１４のループを繰り返す。その間、低抵抗安定化書込みの正のパルス電圧は順次上昇しつつ処理４１５の低抵抗安定化書込みが実施される。図７（ｂ）に示される特性における最大の低抵抗状態のセル電流は７０μＡであり、第１のセル電流判定レベルＩＬＲｄｅｔ＝６２μＡより高いので、パルス電圧上昇を伴って低抵抗安定化書込みを実施し続けると、第１のセル電流判定レベルＩＬＲｄｅｔ以上となり、判断処理４１３のベリファイ判定条件を満足して「真」の方向に進み、低抵抗化書込みは完了となり、判断処理４２４へ進める。
（７）判断処理４２４では、選択メモリセルが最終アドレスかを判断し、最終アドレスではない場合は、「偽」の方向へ進め、処理４２５にて次のアドレスへインクリメントして選択メモリセルを１つ進め、上記（１）〜（６）の処理を実施する。
【０２９３】
このように、低抵抗安定化書込みを実施する中で、メモリセルの変化ばらつき等により、高抵抗状態になった場合、再度低抵抗化書込みのフローを実施させることで、確実に低抵抗状態に設定することができる。
【０２９４】
なお、図１０の不揮発性記憶装置において、前記図２１あるいは図２３のフローチャートを実行する場合、各モードステップの判断と実行命令は、一般的には、不揮発性記憶装置２００外の外部装置（図示せず）によって行われる。つまり、書込み動作の場合は、コントロール信号とアドレス信号が外部装置から指示されると、それを受けて不揮発性記憶装置２００が書込み用電源２１１により書込み電圧を設定し、書込み回路２０６や行ドライバ２０７が図１５（ａ）、図１５（ｂ）、図１５（ｃ）の書込み動作を実施する。また、ベリファイ読出しは、外部装置からのコントロール信号とアドレス信号によって選択メモリセルの選択と、センスアンプの電流判定レベル設定を含めた読み出し動作が実行され、セル電流が判定レベル以上か以下かの読出しデータが端子Ｄｏｕｔに出力される。そして、端子Ｄｏｕｔに出力されたデータを外部装置が受け取り、外部装置は分岐判断（例えばフローチャートの分岐（判断処理４１３）では端子Ｄｏｕｔに出力されたデータが「０」なら真の方向、「１」なら偽の方向）から次の動作決定及び実行命令まで実施する。
【０２９５】
しかしながら、本発明に係る不揮発性記憶装置は、そのような外部装置からの制御によって書き込みの全過程を行う装置に限られず、そのような外部装置の制御機能を内蔵した不揮発性記憶装置として実現してもよい。具体的には、図２４に示す別の不揮発性記憶装置２６０の様に、書込みデータを格納したデータ入力回路２１５の出力とセンスアンプの読出しデータを格納したデータ出力回路２０５の出力を、メモリコントローラ２６２を介して制御回路２６１へ入力し、前記外部装置が行っていた動作判定や実行命令等をメモリコントローラ２６２が代わって実行し、メモリコントローラ２６２の下で制御回路２６１が制御を行うことで、これまでの全ての図面におけるフローチャートに示す書込みの開始から完了まで（つまり、低抵抗安定化書き込み、ベリファイ読み出し、判断を含む全ての処理）を一貫して不揮発性記憶装置２６０で実行することも可能である。この場合、書込みの開始から完了までを不揮発性記憶装置内で実行されるので、外部装置を介する場合に比べ、書込み完了時間が短縮されるという効果がある。
【０２９６】
（実施の形態５）
次に、低抵抗安定化書込み電圧を簡易に設定できる本発明の実施の形態５における抵抗変化素子の書き込み方法及び不揮発性記憶装置について説明する。
【０２９７】
前記実施の形態４における、ベリファイ読み出し付加による低抵抗安定化書込みは、ハーフＬＲ状態を正常な低抵抗状態にするための正パルス(Ｖｐ)の最適な高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌが不明な為、正パルス(Ｖｐ)のスイープを、高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌよりも十分低い値からスタートさせている。その為、図２１あるいは図２３のフローチャートにおいて、処理を繰り返す回数が多くなり、低抵抗状態を設定する時間が長くなるといった課題が生じ、また、Ｖｔｌ付近の抵抗変化が急峻な為（Ｖｔｌ付近のピーク電流の電圧幅は０．４Ｖ程度）、前記実施の形態４に記載の様なベリファイを用いた方法では、制御が難しいといった課題が生じる。
【０２９８】
我々発明者らは、本課題を解決すべく、低抵抗安定化書込み時の正パルスの最適な電圧値Ｖｔｌを事前に知る方法について検討した。
【０２９９】
上記課題を解決する為に、図１に示す様な２端子で構成される単体の抵抗変化素子の特徴的な特性に注目した。
【０３００】
図２５（ａ）、図２５（ｂ）は単体の抵抗変化素子に対するパルスＶ−Ｉ特性グラフを示す。図２５（ａ）は、特性タイプ２の抵抗変化素子特性であり、図２５（ｂ）は、特性タイプ１の抵抗変化素子特性である。低抵抗状態から高抵抗状態へ変化する閾値電圧Ｖｔｒｌは、図２５（ａ）、図２５（ｂ）何れの特性も２．０（Ｖ）程度であり、これより大きい電圧のパルスを印加すると高抵抗状態に変化している。図２５（ａ）の特性タイプ２においては、電圧Ｖｔｒｌ時に最小の低抵抗状態となっている。
【０３０１】
我々発明者らは、数々のサンプルの本特性グラフを取得する中で、前記低抵抗状態から高抵抗状態へ変化する高抵抗化閾値電圧Ｖｔｒｌの大きさが、低抵抗化のための負パルス電圧（−Ｖｐｒｌ）の大きさと概ね同じであることに気付いた。つまり、式１の関係にある。
【０３０２】
｜Ｖｔｒｌ｜＝｜−Ｖｐｒｌ｜  ・・・・・式１
従って、Ｖｔｒｌの電圧の大きさは、その前に低抵抗化させた時に印加した負パルス電圧の大きさから決定することができ、抵抗変化素子単体の場合は、Ｖｔｒｌ＝｜−Ｖｐｒｌ｜となる。
【０３０３】
図２６は単体の抵抗変化素子に対し、下部電極を基準にパルス電圧Ｖｐを印加したときの、抵抗変化書込み時のパルス電圧Ｖｐとパルス電流Ｉとの関係を表すＶ−Ｉ特性グラフを示す。最初、高抵抗（ＨＲ）状態（Ｏ点）にある抵抗変化素子に上部電極を基準に下部電極に電圧｜Ｖｐ｜の大きさのパルスを印加（特性グラフは下部電極を基準として示されるので印加電圧は−Ｖｐ）する。印加電圧の大きさを図中の（i）に示すように負側に大きくすると、ある電圧（Ａ点）の大きさを越えると低抵抗（ＬＲ）化の抵抗変化が起こり、図中の（ii）の特性を示す。このときパルス電圧の大きさ｜−Ｖｐｒｌ｜（特性グラフでは−Ｖｐｒｌ）を最大印加電圧として、低抵抗化をＢ点で停止させる。次に、パルス電圧の大きさを小さくして行くと、低抵抗状態は変化しないので、オーミックな特性（図中の（iii））を示しＯ点に至る。更に、下部電極を基準に上部電極に電圧｜Ｖｐ｜の大きさのパルスを印加（特性グラフは下部電極を基準として示されるので印加電圧は＋Ｖｐ）する。印加電圧の大きさを図中の（iv）に示すように正側に大きくして行くと、Ｖｔｒｌ（Ｃ点）を越えた電圧から高抵抗化（ＨＲ）の抵抗変化が起こってＤ点に至り、図中の（v）の特性を示す。その後パルス電圧の大きさをＡ点まで低下させても高抵抗状態は変わらず、図中の（vi）に示す特性となる。
【０３０４】
この様に、パルス印加電圧を変化させながら書き換え時のＶ−Ｉ特性を取得すると、その抵抗変化によって、（i）〜（vi）に示すヒステリシス特性を示す。
【０３０５】
この時、低抵抗化の最大電圧｜−Ｖｐｒｌ｜を印加した時の抵抗変化素子に流れる電流は−Ｉｐｒｌとし、低抵抗状態から高抵抗状態へ抵抗変化が開始される高抵抗化開始電圧（高抵抗化閾値電圧）Ｖｔｒｌを印加した時の抵抗変化素子に流れる電流はＩｔｒｌとする。
【０３０６】
本抵抗変化素子に関して、低抵抗変化時の最小電圧の大きさ｜−Ｖｐｒｌ｜と高抵抗化開始電圧の大きさ｜Ｖｔｒｌ｜がほぼ同じであるという特徴は先に述べた通りで、更に、低抵抗変化時の最大電圧｜−Ｖｐｒｌ｜を印加した時の電流の大きさ｜−Ｉｐｒｌ｜と高抵抗化開始電圧Ｖｔｒｌを印加した時の電流の大きさ｜Ｉｔｒｌ｜は同じであるという特徴も備えていることに気付いた。つまり式２の関係にある。
【０３０７】
｜Ｉｔｒｌ｜＝｜−Ｉｐｒｌ｜  ・・・・・式２
つまり、低抵抗状態から高抵抗状態への抵抗変化が開始される高抵抗化開始電圧の大きさ及びその時の電流の大きさは、低抵抗化を行った時に印加したパルス電圧の大きさ及びその時の電流の大きさと同じになる、といった特徴を有する。ここで、上述したように、高抵抗化開始電圧Ｖｔｒｌは、負の電圧を印加してハーフＬＲ状態となった抵抗変化素子を低抵抗状態に遷移させるＬＲ安定化書き込み（低抵抗安定化書き込み）のために印加する正の電圧に相当する。よって、低抵抗化（ハーフＬＲ化を含む）時に抵抗変化素子に流れた電流と同じ値で、かつ、逆方向の電流が流れるような正の電圧を抵抗変化素子に印加することで、ハーフＬＲ状態から正常な低抵抗状態に確実に遷移させることができる。
【０３０８】
図２の抵抗変化素子１０ａを用いた１Ｔ１Ｒ型のメモリセル１０５においても、抵抗変化素子１０ａは関係式１及び関係式２の特徴を有するので、図３においてメモリセル１０５における低抵抗安定化書込み時の正パルスの最適な電圧値Ｖｔｌ（高抵抗状化閾値電圧でもある）は、抵抗変化素子１０ａとトランジスタ１０４との書き込み時の動作点解析から求めることができる。
【０３０９】
図２７（ａ）、図２７（ｂ）に抵抗変化素子１０ａとトランジスタ１０４との書き込み時の動作点解析グラフを示す。横軸は図２に示すメモリセル１０５の端子Ｕ、Ｓ間にかかる電圧（端子Ｕを基準として端子Ｓに印加される電圧）、縦軸は端子Ｕ、Ｓ間に流れる電流（端子Ｓから端子Ｕに流れる電流）を表す。図２７（ａ）は、図２８（ａ）に示す様に、メモリセル１０５のゲート端子Ｇに電圧Ｖｇ、Ｕ端子をグランドＧＮＤ、Ｓ端子に電圧Ｖｅを印加した場合の動作点解析特性図である。つまり、図２７（ａ）は、抵抗変化素子に負の電圧を印加して低抵抗化する際の動作点解析特性図である。なお、図２８（ａ）は電圧Ｖｅが上側になる様に、図２８（ｂ）を上下反転させた構成図となっている。図２７（ａ）において、実線は抵抗変化素子１０ａの抵抗変化時の電圧−電流特性であり、抵抗変化素子は、抵抗変化時の抵抗変化素子１０ａの２端子間電圧が抵抗変化閾値電圧を超える電圧が印加されると終始ＶＲが一定となる様に抵抗値が変化する特性を有している。点線はトランジスタ１０４の電圧−電流特性であり、動作点解析を見やすくする為にトランジスタのグラフ線（点線）を電圧方向に反転させ、更に基点をＶｅに合わせている。このとき抵抗変化素子１０ａの特性とトランジスタ１０４の特性との交点がメモリセル１０５のＵ−Ｓ端子間に流れるセル電流Ｉｃｅｌｌである。
【０３１０】
図２７（ｂ）は、図２８（ａ）とは電流の向きが逆の図２８（ｂ）（構成図を図２７（ａ）に対し上下反転）に示すバイアス印加方向で、メモリセル１０５のゲート端子Ｇに電圧Ｖｇ、Ｓ端子をグランドＧＮＤ、Ｕ端子に正電圧ＶＬＲＭＡＸ（上述した高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌ、つまり、ハーフＬＲ状態の抵抗変化素子の抵抗が最も低くなる電圧）を印加した場合の動作点解析特性図である。つまり、図２７（ｂ）は、抵抗変化素子に正の電圧を印加して低抵抗の安定化書き込み（ＬＲ追加書き込み）をする際の動作点解析特性図である。実線は抵抗変化素子１０ａの電圧−電流特性で、その傾きは前記関係式１及び式２の理由により図２７（ａ）の抵抗変化素子と同一で、その特性線を電圧方向に反転させ、基点をＶＬＲＭＡＸに合わせている。点線はトランジスタ１０４の電圧−電流特性である。このとき抵抗変化素子１０ａの特性とトランジスタ１０４の特性との交点がメモリセル１０５のＵ−Ｓ端子間に流れるセル電流Ｉｃｅｌｌである。
【０３１１】
つまり、パルス電圧Ｖｅを印加して低抵抗化書き込みを実施する時は、図２７（ａ）の書き換え時の動作点解析図に示す様に、セル電流はＩｃｅｌｌが流れる。本パルス電圧Ｖｅを印加後の低抵抗状態のメモリセルに対して、先の低抵抗化書き込みとは逆極性のバイアスを印加する場合、図２８（ｂ）に示す様に、前記関係式２に従ってその時のセル電流が先の低抵抗化書き込み時と同一（つまり、Ｉｃｅｌｌ）となる様にメモリセルにパルス電圧Ｖｐを設定（ここではＶＬＲＭＡＸに設定）した場合、その電圧がメモリセル１０５の高抵抗化開始電圧Ｖｔｌとなる。
【０３１２】
この様に、低抵抗化書込み時の印加電圧からメモリセル１０５における低抵抗安定化書込み時の正パルスの最適な電圧値Ｖｔｌを求めることができる。
【０３１３】
以上の様な手段により、低抵抗安定化書込み時の正パルスの電圧が求まるので、低抵抗化書込みの電圧フローは図２９に示すように単純化することが出来る。つまり、（１）最初に処理４１０にて負電圧Ｖｅのパルス印加による低抵抗化書込みを実施し、（２）次に特性タイプ２のハーフＬＲの状態に変化した場合を想定して、前記手段（つまり、低抵抗化書き込み時のセル電流と同一の値のセル電流を流す正の電圧を求める手法）によって求めた正電圧Ｖｔｌのパルス印加による低抵抗安定化書込み４２０を実施する。正電圧Ｖｔｌは前記手段によって求めた正常な低抵抗状態に変化させる最適な電圧を設定するので、低抵抗安定化書込み４２０は一回のみの実施にて書込みは完了する。
【０３１４】
更に、低抵抗安定化書込み４２０を実施するか否かの判断を行うベリファイ判断処理４１１を挿入した低抵抗化書込みのフローチャートを図３０に示す。図３０のフローチャートは、
（１）最初に処理４１０にて負電圧Ｖｅのパルス印加による低抵抗化書込みを実施し、
（２）次に判断処理４１１にて、低抵抗状態に変化したかを判定する為のベリファイ読出しをセンスアンプ２０４にて行い、セル電流が判定レベルＩＬＲｄｅｔ以上であるかをベリファイ読出しの論理値結果を出力する端子Ｄｏｕｔ出力データにて判断する。セル電流が、判定レベルＩＬＲｄｅｔ以上の場合は、センスアンプの判定結果として「０」のデータが出力端子Ｄｏｕｔから出力され（処理４１１で「真」となり）、外部措置により低抵抗化書込みが終了となるので「真」の方向へ進み、判定レベルＩＬＲｄｅｔ以下の場合は。特性タイプ２となっているのでセンスアンプの判定結果として「１」のデータが出力端子Ｄｏｕｔから出力され（処理４１１で「偽」となり）、外部措置により「偽」の方向へ進め、
（３）前記手段によって求めた正電圧Ｖｔｌのパルス印加による低抵抗安定化書込みの処理４２０を実施する。ここでも正電圧Ｖｔｌは前記手段によって求めた正常な低抵抗状態に変化させる最適な電圧を設定するので、低抵抗安定化書込み４２０は一回のみの実施にて書込みは完了する。
【０３１５】
この様に、ベリファイ判断処理を実施することで、特性タイプ１のメモリセルの場合は追加書込み（低抵抗安定化書込み）を省略することが出来るので、全書込み時間を短縮することが可能となる。
【０３１６】
なお、図２９においては、特性タイプ２のハーフＬＲの状態に変化した場合を想定して正常な低抵抗状態に変化させる為の最適な正パルス電圧を設定する方法について述べたが、処理４１０にて負電圧Ｖｅのパルス印加による低抵抗化書込みを実施した後の高抵抗化書込み時の正パルス電圧を設定する方法にも適用可能で、その場合は、前記手段により求めた電圧Ｖｔｌよりも僅かに高い電圧（例えばＶｔｌよりも０．５Ｖ高い、Ｖｔｌ＋０．５Ｖの電圧）に設定して、正電圧のパルス印加による高抵抗化書込みを実施してもよい。
【０３１７】
更に我々発明者らは、前記手段の低抵抗化書込みパルス電圧から、選択されたメモリセルに含まれる抵抗変化素子に対して低抵抗化書き込みのための負の電圧が印加されたときに当該抵抗変化素子に流れる電流と同じ値の電流を逆方向に流すのに必要な正の電圧が当該抵抗変化素子に印加されるように、当該メモリセルに低抵抗安定化書込みパルス電圧を出力する回路を考案した。通常、１Ｔ１Ｒ型メモリセルに、逆向きに同じ電圧を印加するとメモリセルのトランジスタに発生する自己基板バイアス効果により、メモリセルに流れる電流は異なったものとなり、低抵抗化時と同じ値の電流を逆向きに流す事は困難である。
【０３１８】
図３１に、低抵抗（ＬＲ）化用電源２１２を電源とするパルス電圧発生回路５１４、前記パルス電圧発生回路５１４の出力電圧を入力とする低抵抗安定化書込み用電源２１４、前記低抵抗安定化書込み用電源２１４の出力と同じ値の電圧を出力するバッファアンプ５１２、前記バッファアンプ５１２の出力を入力電源とするドライバ５１３より構成される低抵抗安定化書き込み部の一例を示す。パルス電圧発生回路５１４は低抵抗安定化書込みパルス電圧を発生する。前記低抵抗安定化書き込み部は、ＬＲ化用電源２１２からの電源に基づいて、選択部（行選択回路２０８、列選択回路２０３）で選択されたメモリセルに含まれる抵抗変化素子に対して低抵抗化書き込みための負の電圧が印加されたときに当該抵抗変化素子に流れる電流と同じ値の電流を逆方向に流すのに必要な正の電圧が当該抵抗変化素子に印加されるように、当該メモリセルに電圧を印加する回路である。
【０３１９】
このパルス電圧発生回路５１４は、低抵抗状態における抵抗変化素子の抵抗値と同じ抵抗値をもつ抵抗素子（固定抵抗５０３及び５０５）とスイッチ素子（Ｎチャネルトランジスタ５０２及び５０６）とが、それぞれ、直列に接続された擬似メモリセル回路５０７及び５０８と、ＬＲ化用電源２１２からの電源を入力とし、低抵抗化時に選択メモリセルに印加する電圧と同じ値の電圧を、擬似メモリセル回路５０７に印加する第１バッファアンプ（差動増幅回路５００）と、擬似メモリセル回路５０７に流れる電流と同じ値の電流を発生し、発生した電流を擬似メモリセル回路５０８に印加するカレントミラー回路（Ｐチャネルトランジスタ５０１及び５０４）と、擬似メモリセル回路５０８の両端に生じた電圧を入力とし、電流増幅をすることにより、入力電圧と同じ値の電圧を出力する第２バッファアンプ（差動増幅回路５１１）と、第２バッファアンプ（差動増幅回路５１１）から出力された電圧を、複数の分圧比から選択された一つの分圧比で分圧して出力する低抵抗安定化書込み用電源２１４と、低抵抗安定化書込み用電源２１４から出力される電圧を入力とし、電流増幅をすることにより、入力電圧と同じ値の電圧を出力する第３バッファアンプ（差動増幅回路５１２）と、第３バッファアンプ（差動増幅回路５１２）から出力される電圧をもつパルスを発生する３状態ドライバ５１３とを有する。
【０３２０】
なお、擬似メモリセル回路５０７及び５０８では、抵抗素子（固定抵抗５０３及び５０５）の一の端子とスイッチ素子（Ｎチャネルトランジスタ５０２及び５０６）の一の端子とが、それぞれ、接続されているとすると、第１バッファアンプ（差動増幅回路５００）は、擬似メモリセル回路５０７を構成する抵抗素子（固定抵抗５０３）の他の端子を基準にスイッチ素子（Ｎチャネルトランジスタ５０２）の他の端子に対して電圧を印加し、カレントミラー回路（Ｐチャネルトランジスタ５０１及び５０４）は、擬似メモリセル回路５０８を構成する抵抗素子（固定抵抗５０５）の他の端子からスイッチ素子（Ｎチャネルトランジスタ５０６）の他の端子に向けて電流が流れるように、電流を印加する。
【０３２１】
図３１において、トランジスタ５０１と５０４はＰチャネルＭＯＳトランジスタ、トランジスタ５０２と５０６はメモリセル１０５内のトランジスタ１０４と同一ゲート長ゲート幅サイズのＮチャネルＭＯＳトランジスタ、抵抗５０３と５０５は正常な低抵抗状態の抵抗変化素子１０ａと同じ抵抗値のポリシリコン又は半導体基板上の拡散層で構成される配線で構成した固定抵抗である。
【０３２２】
擬似メモリセル回路５０７は、Ｎチャネルトランジスタ５０２と固定抵抗５０３とを直列接続した回路であり、メモリセル１０５の抵抗変化素子１０ａを固定抵抗５０３に置き換えた構成を有し、図２８（ａ）のメモリセルが高抵抗状態から低抵抗状態に変化する場合と同じ電流方向となる接続形態として、固定抵抗５０３側の他端がグランドに接続され、Ｎチャネルトランジスタ５０２側の一端に低抵抗化のための電圧が印加され接続構成であり、その抵抗状態は、抵抗変化素子が低抵抗状態に変化した時に相当する。つまり、抵抗変化素子とＮチャネルトランジスタとを備えたメモリセルに低抵抗化のために電圧を印加した時、抵抗変化素子が高抵抗状態から低抵抗状態に変化し、低抵抗状態に変化した後のメモリセルに流れる電流値を第１の電流値とするとき、擬似メモリセル回路５０７には、固定抵抗５０３の他端側である第１の端子を基準として、Ｎチャネルトランジスタ５０２の、固定抵抗５０３と接続されていない他端の拡散層端子である第２の端子に低抵抗化のための電圧を印加した時、第１の電流値と概ね等しい電流が流れる。
【０３２３】
一方、擬似メモリセル回路５０８は、Ｎチャネルトランジスタ５０６の拡散層の一端と、抵抗値が５０３と等しい固定抵抗５０５の一端とが接続された直列接続形態であり、Ｎチャネルトランジスタ５０６の拡散層の他端（前記第２の端子）がグランドに接続され、メモリセルの抵抗変化素子１０ａが固定抵抗５０５に置き換えられた図２８（ｂ）と同一接続（擬似メモリセル回路５０７を上下反転させた逆接続構成）の回路である。
【０３２４】
差動増幅回路５００は、Ｐチャネルトランジスタ５０１の電流量Ｉｃｅｌｌを調整してノードＮｅを低抵抗（ＬＲ）化書込み電圧Ｖｅに維持するための差動回路（オペアンプ）で、＋端子（非反転入力端子）にＬＲ化用電源２１２の出力ノードＮｉが接続され（ＬＲ化用電圧Ｖｅが入力され）、−端子（反転入力端子）にはノードＮｅをフィードバック接続されている。
【０３２５】
カレントミラー回路を構成するＰチャネルトランジスタ５０４のゲートはＰチャネルトランジスタ５０１のゲートと同様に差動増幅回路５００の出力に接続されているので、Ｐチャネルトランジスタ５０４のソース−ドレイン間電流はＰチャネルトランジスタ５０１のソース−ドレイン間電流と同一のＩｃｅｌｌが流れる。つまり、擬似メモリセル回路５０７にはノードＮｅにＬＲ化用電圧Ｖｅが印加されてＩｃｅｌｌが流れ、擬似メモリセル回路５０８にも同じＩｃｅｌｌ電流が流れ、ノードＮｐに電圧Ｖｏが発生する。本構成は図２８（ａ）と同様の擬似メモリセル回路５０７に電圧Ｖｅを印加し、その時に流れる電流Ｉｃｅｌｌと同じ電流量を図２８（ｂ）と同様の擬似メモリセル回路５０８に流したときの電圧がＶｏとしてノードＮｐに出力されるので、図２７の特性関係を回路化したものであり、出力電圧ＶｏはＶＬＲＭＡＸとなる。つまり、メモリセルに含まれる抵抗変化素子を低抵抗化するために負の電圧が印加されたときに当該抵抗変化素子に流れる電流と同じ値の電流で、かつ、逆方向の電流を当該抵抗変化素子に流すのに必要な正の電圧が得られる。
【０３２６】
前記ノードＮｐに発生した電圧Ｖｏをそのまま書込み回路２０６の出力（出力端子ＤＴの電圧）として使用するには、電流能力が小さい。また、電圧Ｖｏは図７のＶｔｌ（最大電流となるパルス電圧）となるが、Ｖｔｌより僅かに低い電圧からスタートして図２１のフローチャートに示される手順を実施する場合も想定して、更に回路を付加している。
【０３２７】
具体的には、図２１のフローチャートに示される処理を実行する為に、低抵抗安定化書込み用電源２１４を備え、その入力電源Ｖｐｐは、差動増幅回路５１１により電圧Ｖｏを電流増幅した同電位の電圧としている。容量２３７は差動増幅回路５１１の出力電圧の安定化を高める為の平滑容量である。低抵抗安定化書込み用電源２１４の出力電圧は電圧選択スイッチ２３１により、電圧Ｖｏ以下の電圧を選択的に出力し、それを差動増幅回路５１２にて電流増幅し、パルス発生用の３状態ドライバ５１３に供給する。
【０３２８】
従って本構成により、パルス電圧発生回路５１４により、高抵抗状態に変化する直前の電圧Ｖｏを生成することができ、更に、Ｖｏ以下の電圧に変換した電圧パルスを供給することが可能となる。つまり、この電圧Ｖｏは、ハーフＬＲ状態となった抵抗変化素子を確実に低抵抗化する（低抵抗安定化書き込みをする）ために抵抗変化素子に印加する正の電圧である。なお、低抵抗安定化書込み用電源２１４の出力Ｖ３Ｇを図１１と同様の低抵抗安定化書込み回路２３６に入力した書込み回路構成としても良い。
【０３２９】
また、Ｐチャネルトランジスタ５０１のゲート端子と前記Ｐチャネルトランジスタ５０４のゲート端子とを接続したカレントミラー構成において、前記Ｐチャネルトランジスタ５０４の電流能力を前記Ｐチャネルトランジスタ５０１の電流能力より大きくし、ノードＮｐに出力される電圧ＶｏがＬＲ化用電圧Ｖｅより高くなる様に構成しても良い。この場合、ノードＮｐに出力される電圧Ｖｏを基準電圧として、低抵抗状態から高抵抗状態に変化させる高抵抗化書込み時のパルス電圧を発生することも可能となる。
【０３３０】
また、前記抵抗素子の一端と前記Ｎチャネルトランジスタの拡散層の一端とを接続した構成の前記擬似メモリセルは、前記第１の端子を前記抵抗素子の他端と接続し、前記第２の端子を前記Ｎチャネルトランジスタの拡散層の他端と接続した形態で構成されるとしているが、前記第２の端子を前記抵抗素子の他端と接続し、前記第１の端子を前記Ｎチャネルトランジスタの拡散層の他端と接続した形態で構成されてもよい。第１バッファアンプ（差動増幅回路５００）は、擬似メモリセル回路５０７を構成する抵抗素子（固定抵抗５０３）の他の端子を基準にスイッチ素子（Ｎチャネルトランジスタ５０２）の他の端子に対して電圧を印加し、カレントミラー回路（Ｐチャネルトランジスタ５０１及び５０４）は、擬似メモリセル回路５０８を構成する抵抗素子（固定抵抗５０５）の他の端子からスイッチ素子（Ｎチャネルトランジスタ５０６）の他の端子に向けて電流が流れるように、電流を印加する構成としていたが、これとは逆に、第１バッファアンプ（差動増幅回路５００）は、擬似メモリセル回路５０７を構成するスイッチ素子（Ｎチャネルトランジスタ５０２）の他の端子を基準に抵抗素子（固定抵抗５０３）の他の端子に対して電圧を印加し、カレントミラー回路（Ｐチャネルトランジスタ５０１及び５０４）は、擬似メモリセル回路５０８を構成するスイッチ素子（Ｎチャネルトランジスタ５０６）の他の端子から抵抗素子（固定抵抗５０５）の他の端子に向けて電流が流れるように、電流を印加する構成としてもよい。すなわち、擬似メモリセル回路５０７では、Ｎチャネルトランジスタ５０２の他方の拡散層端子（ソース）を基準電圧（グランド）に接続し、固定抵抗５０３の他方の端子をノードＮｅに接続し、擬似メモリセル回路５０８では、Ｎチャネルトランジスタ５０６の他方の拡散層端子（ドレイン）をノードＮｐに、固定抵抗５０５の他方の端子を基準電圧（グランド）に接続する構成でもよい。
【０３３１】
また、擬似メモリセル回路５０７及び５０８内の抵抗素子は固定抵抗素子として説明したが、メモリセルと同様の抵抗変化素子で構成し、その抵抗値を、抵抗変化素子の低抵抗状態における抵抗値に設定しても良い。
【０３３２】
本回路により、低抵抗化書込みパルス電圧Ｖｅが変わってもそれに対応した低抵抗安定化書込みパルス電圧ＶＬＲＭＡＸを自動的に設定することが可能となる。
【０３３３】
また、本実施の形態は１Ｔ１Ｒ型のメモリセルを中心に説明してきたが、メモリセルの抵抗変化は抵抗変化素子によって行われるので、ヒューズ素子等への適用を目的とした抵抗変化素子単体の記憶装置においても同様の特性が考えられ、図１６Ａ、図１６Ｂ、図１９、図２０又は図２３に示す状態遷移図やフローチャートと同様な書換えシーケンスを実施すること可能である。
【０３３４】
また、単体の抵抗変化素子のメモリセルに対する低抵抗安定化書込み用のパルス電圧発生回路は図２５の抵抗変化素子単体の特性の特徴説明から分かるように、図３１の擬似メモリセル回路５０７と５０８を単体の抵抗素子として置き換えた形態とすることで同様の効果を発揮する。
【０３３５】
更に、抵抗変化素子と整流素子（双方向ダイオード等）を直列接続したメモリセル又は擬似メモリセルにおいても同様の手法や回路が適用できることは言うまでもない。
【０３３６】
また、本発明は、本実施の形態における不揮発性記憶装置として実現できるだけでなく、この不揮発性記憶装置におけるデータ書き込みの制御という観点から見ることで、抵抗変化素子に対するデータの書き込み方法として実現することもできる。つまり、本発明は、第１電極及び第２電極を備え、第１及び第２電極間に印加する電圧の極性に応じて高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に遷移する抵抗変化素子に対するデータの書き込み方法であって、抵抗変化素子とスイッチ素子とが直列に接続された複数のメモリセルから構成されるメモリセルアレイの中から、少なくとも１つのメモリセルを選択する選択ステップと、抵抗変化素子を高抵抗状態にするための高抵抗化用電源からの電源に基づいて、選択ステップで選択されたメモリセルに含まれる抵抗変化素子を高抵抗状態にするのに必要な正の電圧が当該抵抗変化素子の第１電極を基準に第２電極に対して印加されるように、当該メモリセルに電圧を印加する高抵抗化書き込みステップと、抵抗変化素子を低抵抗状態にするための低抵抗化用電源からの電源に基づいて、選択ステップで選択されたメモリセルに含まれる抵抗変化素子を低抵抗状態にするのに必要な負の電圧が当該抵抗変化素子の第１電極を基準に第２電極に対して印加されるように、当該メモリセルに電圧を印加する低抵抗化書き込みステップと、低抵抗化用電源からの電源に基づいて、選択ステップで選択されたメモリセルに含まれる抵抗変化素子に対して低抵抗化書き込みステップによって負の電圧が印加されたときに当該抵抗変化素子に流れる電流と同じ値の電流を当該抵抗変化素子の第２電極から第１電極に流すのに必要な正の電圧が当該抵抗変化素子の第１電極を基準に第２電極に対して印加されるように、当該メモリセルに電圧を印加する低抵抗安定化書き込みステップとを有する。
【０３３７】
以上、本発明に係る抵抗変化素子の書き込み方法及び不揮発性記憶装置について、実施の形態１〜５に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない範囲で、これらの実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、これらの実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせて実現される形態も、本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０３３８】
以上説明したように、本発明に係る抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み方法及び抵抗変化型不揮発性記憶装置は、抵抗変化型不揮発性記憶装置を構成する抵抗変化素子を用いた１Ｔ１Ｒ型メモリセル等のメモリセルの低抵抗状態と高抵抗状態の抵抗変化ウィンドウを最大限に設定可能な手法及び回路であり、低抵抗状態の安定化を実現することができるので、例えば、メモリの読出し高速化や安定化、更には歩留り向上を実現するのに有用である。また、ヒューズ素子の代わりとしての状態記憶回路にも有用である。
【符号の説明】
【０３３９】
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ  抵抗変化素子（抵抗変化型不揮発性記憶素子）
１１  上部電極
１２  酸化層
１３  抵抗変化層
１４ｐ、１４ｔ  下部電極
１５  酸化層
１０４  トランジスタ
１０５  メモリセル
２００  不揮発性記憶装置（抵抗変化型不揮発性記憶装置）
２０１  メモリ本体部
２０２  メモリセルアレイ
２０３  列選択回路
２０４  センスアンプ
２０５  データ出力回路
２０６  書き込み回路
２０７  行ドライバ
２０８  行選択回路
２０９  アドレス入力回路
２１０  制御回路
２１１  書込み用電源
２１２  低抵抗（ＬＲ）化用電源
２１３  高抵抗（ＨＲ）化用電源
２１４  低抵抗（ＬＲ）安定化書込み用電源
２１５  データ入力回路
２２１  ＬＲ化用基準電圧発生器
２２２、２２５、５００、５１１、５１２  差動増幅回路
２２４  ＨＲ化用基準電圧発生器
２２６、２２７  ３状態ドライバ
２２９  印加電圧コントローラ
２３１  電圧選択スイッチ群
２３２、２４６、２４７、２４８、５０３、５０５  固定抵抗
２３３、５１３  ドライバ
２３４、２４０、２４１、２４９、２５０、２５１、５０２、５０６  Ｎチャネルトランジスタ
２３５、２４２、２４３、５０１、５０４  Ｐチャネルトランジスタ
２３６  低抵抗安定化書込み回路
２３７  平滑容量
２４５  バッファ
２６２  メモリコントローラ
３００  メモリセル
３０１  半導体基板
３０２ａ、３０２ｂ  Ｎ型拡散層領域
３０３ａ  ゲート絶縁膜
３０３ｂ  ゲート電極
３０４、３０６、３０８、３１０  ビア
３０５、３０７、３１１  配線層
３１７  トランジスタ
５０７、５０８  擬似メモリセル回路
【図１】
2010125805.tif 000003
【図２】
2010125805.tif 000004
【図３】
2010125805.tif 000005
【図４】
2010125805.tif 000006
【図５】
2010125805.tif 000007
【図６】
2010125805.tif 000008
【図７】
2010125805.tif 000009
【図８】
2010125805.tif 000010
【図９】
2010125805.tif 000011
【図１０】
2010125805.tif 000012
【図１１】
2010125805.tif 000013
【図１２】
2010125805.tif 000014
【図１３】
2010125805.tif 000015
【図１４】
2010125805.tif 000016
【図１５】
2010125805.tif 000017
【図１６Ａ】
2010125805.tif 000018
【図１６Ｂ】
2010125805.tif 000019
【図１７Ａ】
2010125805.tif 000020
【図１７Ｂ】
2010125805.tif 000021
【図１８Ａ】
2010125805.tif 000022
【図１８Ｂ】
2010125805.tif 000023
【図１９】
2010125805.tif 000024
【図２０】
2010125805.tif 000025
【図２１】
2010125805.tif 000026
【図２２】
2010125805.tif 000027
【図２３】
2010125805.tif 000028
【図２４】
2010125805.tif 000029
【図２５】
2010125805.tif 000030
【図２６】
2010125805.tif 000031
【図２７】
2010125805.tif 000032
【図２８】
2010125805.tif 000033
【図２９】
2010125805.tif 000034
【図３０】
2010125805.tif 000035
【図３１】
2010125805.tif 000036
【図３２】
2010125805.tif 000037
【図３３】
2010125805.tif 000038
【図３４】
2010125805.tif 000039
【図３５】
2010125805.tif 000040
【手続補正書】
【提出日】平成22年9月17日(2010.9.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、印加される電気的信号に応じて抵抗値が変化する抵抗変化型不揮発性記憶素子に対するデータの書き込み方法、及び、抵抗変化型不揮発性記憶素子をメモリセルとして備える抵抗変化型不揮発性記憶装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、抵抗変化型不揮発性記憶素子（以下、単に「抵抗変化素子」ともいう。）を用いて構成されたメモリセルを有する抵抗変化型不揮発性記憶装置（以下、単に「不揮発性記憶装置」ともいう。）の研究開発が進んでいる。抵抗変化素子とは、少なくとも２つの閾値電圧（書き込みおよび消去時の閾値電圧）を有し、前記書き込みあるいは消去閾値電圧を超えるような電気的信号によって抵抗値が可逆的に変化する性質を有し、さらにはこの抵抗値に対応したデータを、不揮発的に記憶することが可能な素子をいう。
【０００３】
抵抗変化素子を用いた不揮発性記憶装置として、直交するように配置されたビット線とワード線、ソース線（ソース線は、ビット線またはワード線のいずれかと平行に配置）との交点の位置に、ＭＯＳトランジスタと抵抗変化素子を直列に接続した、いわゆる１Ｔ１Ｒ型と呼ばれるメモリセルをマトリックス状にアレイ配置した不揮発性記憶装置が一般的に知られている。
【０００４】
特許文献１では、記憶層が希土類酸化膜等のアモルファス薄膜から成るものを抵抗変化素子として用いた１Ｔ１Ｒ型メモリセルで構成された不揮発性記憶装置が示されている。
【０００５】
図３２は、その中で示されているメモリセルの構成図である。
【０００６】
メモリセル１００１は、抵抗変化素子１００２と抵抗変化素子１００２へのアクセスを制御する能動素子としてＭＩＳトランジスタ１００３とを電気的に直列に接続して形成されている。
【０００７】
抵抗変化素子１００２の構成は、第１の電極１００２ａと第２の電極１００２ｂとの間に記憶層１００２ｃが挟まれている。
【０００８】
ここでは、記憶層１００２ｃに用いる材料としては、希土類酸化膜中に、Ｃｕ、Ａｇ、或いはＺｎのようなイオン化が容易な金属を含有させていることが開示されている。
【０００９】
図３２に示すように、メモリセル１００１への電圧印加は、抵抗変化素子１００２がＭＩＳトランジスタ１００３と接続された端子とは反対側の端子に端子電圧Ｖ１が印加され、ＭＩＳトランジスタ１００３が抵抗変化素子１００２と接続された端子とは反対側の一方（例えばソース側）の端子に端子電圧Ｖ２が印加され、ＭＩＳトランジスタ１００３のゲートにゲート電圧Ｖｇｓが印加される構成となっている。
【００１０】
そして、メモリセル１００１を構成する抵抗変化素子１００２及びＭＩＳトランジスタ１００３の両端にそれぞれ端子電圧Ｖ１、Ｖ２が印加することにより、両端子間に電位差Ｖ（＝｜Ｖ２−Ｖ１｜）が生じる。
【００１１】
メモリセル１００１への書き込み方法については、抵抗変化素子１００２の抵抗値が高抵抗状態であるときに、ＭＩＳトランジスタ１００３のゲートをオンにすると共に、メモリセル１００１の両端子に電圧Ｖ（＝｜Ｖ２−Ｖ１｜）を印加したときに、抵抗変化素子１００２の両端にかかる電圧が、前述した抵抗変化素子１００２の書き込み閾値電圧よりも大きくなっていれば、抵抗変化素子１００２の抵抗値が高抵抗状態から低下して、低抵抗状態へと遷移し、抵抗変化素子１００２の抵抗値が低抵抗状態であるときに、ＭＩＳトランジスタ１００３のゲートをオンにすると共に、メモリセル１００１内の抵抗変化素子１００２及びＭＩＳトランジスタ１００３に、書き込み時とは逆極性の電圧Ｖを印加すると、抵抗変化素子１００２の両端にかかる電圧が、前述した抵抗変化素子１００２の消去閾値電圧よりも大きくなっていれば、抵抗変化素子１００２の抵抗値が低抵抗状態から増大して、高抵抗状態へと遷移する。つまり、双極性的な抵抗変化動作が開示されている。
【００１２】
更に、抵抗変化素子１００２の高抵抗状態から低抵抗状態への遷移は、図３３に示す様に抵抗変化素子１００２とＭＩＳトランジスタ１００３とを直列接続した電流−電圧の動作点で抵抗変化素子１００２の抵抗値が決まり、その値は、抵抗変化素子１００２の電圧が書込み閾値電圧（Ｖｔｈとする）となる時に流れる電流値で決まるとされている。
【００１３】
従って、抵抗変化素子１００２の低抵抗状態の抵抗値は、ＭＩＳトランジスタ１００３のゲート電圧にて制御可能で、図３３では、ゲート電圧をＶＧ３、ＶＧ２、ＶＧ１と変化させることで閾値電圧Ｖｔｈ付近での動作点はＰ３、Ｐ２、Ｐ１となり、抵抗変化素子１００２の抵抗値は順次低い（電流が大きい）状態に任意に設定されることが開示され、この性質を利用して３値以上の情報を記憶することが可能な多値記憶装置を構成している。
【００１４】
特許文献２では、強相関電子酸化物による抵抗変化素子を用いた１Ｔ１Ｒ型メモリセルで構成された不揮発性記憶装置が示されている。
【００１５】
図３４は、その中で示されているメモリセルの構成図である。
【００１６】
メモリセル１１４０は、抵抗変化素子１１３０と抵抗変化素子１１３０へのアクセスを制御する能動素子としてＭＯＳトランジスタ１１３８とを電気的に直列に接続して形成されている。
【００１７】
抵抗変化素子１１３０の構成は、第１の電極１１３６と第２の電極１１３２との間に変化層１１３４が挟まれている。
【００１８】
ここでは、それぞれに用いる材料として、第１の電極１１３６にチタン（Ｔｉ）、第２の電極１１３２に銅（Ｃｕ）、変化層１１３４に酸化銅（ＣｕＯ）が開示されている。
【００１９】
メモリセル１１４０への書き込み方法については、抵抗変化素子１１３０の抵抗値が高抵抗状態であるときに、ＭＯＳトランジスタ１１３８のドレイン／ソース端子の内、抵抗変化素子１１３０と接続しない端子（例えばソース端子）を基準電圧（接地）にし、抵抗変化素子１１３０にプログラム電圧Ｖｐｇが印加されるように第１の電極１１３６に正電圧を供給する。これにより、抵抗変化素子１１３０の抵抗値が高抵抗状態から低抵抗状態へと遷移し、メモリセル１１４０の抵抗値が低抵抗状態となる。
【００２０】
一方、抵抗変化素子１１３０の抵抗値が低抵抗状態である時に、第２の電極１１３２から第１の電極１１３６の方向に電流が流れる消去電圧Ｖｅｒが抵抗変化素子１１３０に印加されると、抵抗変化素子１１３０の抵抗値が低抵抗状態から高抵抗状態へと遷移し、メモリセル１１４０の抵抗値が高抵抗状態となる。
【００２１】
更に、メモリセル１１４０の低抵抗状態は、前記プログラム時のプログラム電圧Ｖｐｇの大きさあるいはゲートＧの電圧の大きさに反比例して抵抗値が決まるということが開示されている。つまり、プログラム電圧Ｖｐｇ又はゲートＧの電圧が大きくなるとメモリセルの抵抗設定が低い値へシフトする。
【００２２】
従って、抵抗レベルを検知し、低抵抗状態への書込み不足の場合、書込み電圧を増やしながら書込みレベルを下げて調整される低抵抗値の調整手段が開示される。
【００２３】
図３５（ａ）は上部電極１１３６の印加電圧を上昇させながら抵抗値を調整するフローチャートで、図３５（ｂ）はトランジスタ１１３８のゲートＧの印加電圧を上昇させながら抵抗値を調整するフローチャートである。
【００２４】
特許文献１は、多値記憶装置への応用が開示されているが、開示内容によれば、低抵抗状態と高抵抗状態の２値メモリに適用する場合においても、トランジスタの製造工程ばらつきに起因する電流能力ばらつきが低抵抗値のばらつきとして現われることを示唆している。
【００２５】
低抵抗値のばらつきを抑える方法としては、低抵抗化の書込み時に同一極性電圧を順次大きくさせながら抵抗レベルを調整する特許文献２記載の調整手段が有用である。
【００２６】
メモリセルの抵抗変化をデータ記憶に利用するメモリ装置は、多数のメモリセルの高抵抗状態と低抵抗状態の分布差が、マージンを持って分離されることがデータ判別の信頼性を向上させる。また、メモリ装置の読出し速度においては、セル電流が多く流れるメモリセル（低抵抗状態のメモリセル）のワースト値で合わせるのが一般的で、抵抗変化メモリにおいては低抵抗値の上限を低く抑えることが高速化に繋がる。従って、低抵抗状態のメモリセルのセル電流量を規定以上に設定することは極めて重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２７】
【特許文献１】特開２００５−２３５３６０号公報（図２、図４）
【特許文献２】米国特許第７２８９３５１号明細書（Ｆｉｇ．２、Ｆｉｇ．４、Ｆｉｇ．５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
本願発明者らは、抵抗変化型不揮発性記憶装置の１つとして、タンタルやハフニウム等の遷移金属の酸素不足型酸化物を抵抗変化層に有するメモリセルで構成された抵抗変化型不揮発性記憶装置を検討している。
【００２９】
ここで、酸素不足型の酸化物とは、酸素が化学量論的組成から不足した酸化物をいう。
【００３０】
化学量論的な組成を有する金属酸化物の多くは絶縁性を示すが、酸素不足型とすることで、半導体、または導体的特性を示すようになる。
【００３１】
上記のような遷移金属の酸素不足型酸化物を抵抗変化層に有するメモリセルに高抵抗状態に遷移させる場合は正電圧の書込みパルスを印加し、低抵抗状態に遷移させる場合は負電圧の書込みパルスを印加する、といった前記特許文献２に示すのと同様な書換え方法を実施した場合、高抵抗状態から低抵抗状態に変化する際、低抵抗レベルが十分低抵抗にならずに高抵抗側にシフトした状態になってしまう場合があり、課題となっている。以降、中間の低抵抗状態に留まる低抵抗状態をハーフＬＲと称す。
【００３２】
上記の様な場合、複数のメモリセルを搭載する抵抗変化型不揮発性記憶装置ではハーフＬＲレベルのメモリセル状態が律速して、高抵抗状態と低抵抗状態との間の抵抗差である読み出しウィンドウが小さくなり、読出し速度が低下する、あるいは、抵抗状態のばらつきによりウィンドウが消滅し、読出しができない場合がある、といった特性劣化や動作不良が発生する。
【００３３】
この様にハーフＬＲの状態のメモリセル特性は、新たな課題となる。
【００３４】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ハーフＬＲの状態が出現し得る抵抗変化素子であっても、正常な低抵抗状態に修正し、抵抗変化ウィンドウを最大限確保することを可能とする抵抗変化素子の書き込み方法及び不揮発性記憶装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
上記目的を達成するために、本発明に係る抵抗変化素子の書き込み方法の一形態は、第１電極及び第２電極を備え、前記第１及び第２電極間に印加する電圧の極性に応じて高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に遷移する抵抗変化型不揮発性記憶素子に対するデータの書き込み方法であって、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を高抵抗状態にするために、前記第１電極を基準に前記第２電極に正の第1の電圧を印加する高抵抗化書き込みステップと、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を低抵抗状態にするために、前記第１電極を基準に前記第２電極に負の第２の電圧を印加する低抵抗化書き込みステップと、前記低抵抗化書き込みステップによって前記負の第２の電圧が印加された後に、前記第１電極を基準に前記第２電極に、正の第３の電圧を印加することによって前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を低抵抗状態にする低抵抗安定化書き込みステップとを含む。
【００３６】
これにより、低抵抗化書き込みステップによって、抵抗変化型不揮発性記憶素子を低抵抗化するために負の電圧が印加された後であってもその後に正の電圧が印加される、つまり、低抵抗化書き込みの後に低抵抗安定化書き込みが行われるので、低抵抗化書き込みによって抵抗変化型不揮発性記憶素子がハーフＬＲ化された場合であっても、その後に続く低抵抗安定化書き込みによって抵抗変化型不揮発性記憶素子は確実に低抵抗化される。
【００３７】
また、本発明は、第１電極及び第２電極を備え、前記第１及び第２電極間に印加する電圧の極性に応じて高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に遷移する抵抗変化型不揮発性記憶素子に対して、製造直後の初期状態から、記憶素子として使用できる状態に変化させる初期化方法であって、製造直後の初期状態にある抵抗変化型不揮発性記憶素子に対して、その抵抗値を下げるために、前記第１電極を基準に前記第２電極に負の第４の電圧を印加するフォーミングステップと、前記フォーミングステップによって前記負の第４の電圧が印加された後に、前記第１電極を基準に前記第２電極に正の電圧を印加することによって前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を低抵抗状態にする低抵抗安定化書き込みステップとを含む抵抗変化型不揮発性記憶素子の初期化方法として実現することもできる。
【００３８】
これにより、製造直後の初期状態における抵抗変化型不揮発性記憶素子に対して、負の電圧印加によるフォーミングが行われた後に続いて低抵抗安定化書き込みが行われるので、フォーミングによって抵抗変化型不揮発性記憶素子がハーフＬＲ化された場合であっても、その後に続く低抵抗安定化書き込みによって抵抗変化型不揮発性記憶素子は確実に低抵抗化される。
【００３９】
また、本発明に係る抵抗変化型不揮発性記憶装置の一形態は、抵抗変化型不揮発性記憶素子にデータを記憶させる抵抗変化型不揮発性記憶装置であって、第１電極及び第２電極を有し前記第１及び第２電極間に印加する電圧の極性に応じて高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に遷移する抵抗変化型不揮発性記憶素子とスイッチ素子とが直列に接続された複数のメモリセルから構成されるメモリセルアレイと、前記メモリセルアレイの中から、少なくとも１つのメモリセルを選択する選択部と、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子に対してデータを書き込むための電源を供給する書き込み用電源と、前記書き込み用電源から供給される電源に基づいて、前記選択部で選択されたメモリセルに含まれる前記抵抗変化型不揮発性記憶素子に対してデータを書き込むための電圧を印加する書き込み回路とを備え、前記書き込み用電源は、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を高抵抗状態にするための電源を供給する高抵抗化用電源と、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を低抵抗状態にするための電源を供給する低抵抗化用電源と、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を追加的に安定な低抵抗状態にするための電源を供給する低抵抗安定化書き込み用電源とを有し、前記書き込み回路は、前記高抵抗化用電源からの電源に基づいて、前記選択部で選択されたメモリセルに含まれる前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を高抵抗状態にするのに必要な正の第１の電圧が前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の前記第１電極を基準に前記第２電極に印加されるように、当該メモリセルに電圧を印加する高抵抗化書き込み部と、前記低抵抗化用電源からの電源に基づいて、前記選択部で選択されたメモリセルに含まれる前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を低抵抗状態にするのに必要な負の第２の電圧が前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の前記第１電極を基準に前記第２電極に印加されるように、当該メモリセルに電圧を印加する低抵抗化書き込み部と、前記低抵抗化書き込み部による前記負の第２の電圧印加の後に、前記低抵抗安定化書き込み用電源からの電源に基づいて、前記選択部で選択されたメモリセルに含まれる前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を低抵抗状態にするのに必要な正の第３の電圧が前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の前記第１電極を基準に前記第２電極に印加されるように、当該メモリセルに電圧を印加する低抵抗安定化書き込み部とを有する。
【００４０】
これにより、低抵抗化書き込み部によって抵抗変化型不揮発性記憶素子を低抵抗化するための負電圧が印加された後に低抵抗安定化書き込み部によって正の電圧を印加することができるので、低抵抗化書き込み部によって抵抗変化型不揮発性記憶素子がハーフＬＲ化した場合であっても、その後に続く低抵抗安定化書き込み部による書き込みにより、抵抗変化型不揮発性記憶素子を確実に低抵抗化させることができる。
【発明の効果】
【００４１】
本発明により、抵抗変化素子に対して低抵抗化書き込みをしたときに抵抗変化素子がハーフＬＲ化した場合であっても低抵抗安定化書き込みによって確実に低抵抗化されるので、ハーフＬＲが出現し得る抵抗変化素子について、低抵抗状態のばらつきを抑え、抵抗変化のウィンドウを最大限確保することが可能となる抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み方法及び抵抗変化型不揮発性記憶装置が提供される。よって、抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗変化状態の安定化を実現することができ、メモリの読出し高速化や歩留り向上を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る抵抗変化素子の構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係るメモリセルの構成図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態に係るメモリセルのパルスＶ−Ｉ特性グラフである。
【図４】図４は、本発明の実施の形態に係るメモリセルの正負交互パルス印加による抵抗変化特性グラフである。
【図５】図５は、本発明の実施の形態に係るメモリセルの正負交互パルス印加による抵抗変化特性グラフである。
【図６】図６（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係るメモリセルのパルスＶ−Ｉ特性グラフである。
【図７】図７（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係るメモリセルのパルスＶ−Ｉ特性グラフである。
【図８】図８（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態に係るハーフＬＲの状態の抵抗変化メカニズム推定図である。
【図９】図９（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態に係るハーフＬＲの状態の抵抗変化メカニズム説明図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態に係る不揮発性記憶装置の構成図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態に係る不揮発性記憶装置に搭載される電源及び書込み回路の詳細構成図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態に係るセンスアンプの詳細構成図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態に係るセンスアンプの判定電流レベル説明図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施の形態に係る抵抗変化型不揮発性記憶装置のメモリセル部の構成の一例を示す断面図である。
【図１５】図１５（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態に係るメモリセルへの各種シーケンス図である。
【図１６Ａ】図１６Ａは、本発明の実施の形態に係る選択メモリセルへの書換え状態遷移図である。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、本発明の実施の形態に係る選択メモリセルへの書換え状態遷移図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、本発明の実施の形態に係る低抵抗安定化書込みのフローチャート図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、本発明の実施の形態に係る低抵抗安定化書込みのフローチャート図である。
【図１８Ａ】図１８Ａは、本発明の実施の形態に係る低抵抗安定化書込みのシーケンス図と選択メモリセル状態のイメージ図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、本発明の実施の形態に係る低抵抗安定化書込みのシーケンス図と選択メモリセル状態のイメージ図である。
【図１９】図１９は、本発明の実施の形態に係る選択メモリセルへの書換え状態遷移図である。
【図２０】図２０は、本発明の実施の形態に係る選択メモリセルへの書換え状態遷移図である。
【図２１】図２１は、本発明の実施の形態に係る低抵抗安定化書込みのフローチャート図である。
【図２２】図２２は、本発明の実施の形態に係る低抵抗安定化書込みのシーケンス図と選択メモリセル状態のイメージ図である。
【図２３】図２３は、本発明の実施の形態に係る低抵抗安定化書込みのフローチャート図である。
【図２４】図２４は、本発明の実施の形態に係る不揮発性記憶装置の第２の構成図である。
【図２５】図２５（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る抵抗変化素子のパルスＶ−Ｉ特性グラフである。
【図２６】図２６は、本発明の実施の形態に係る抵抗変化素子単体の書換え時の電圧−電流特性図である。
【図２７】図２７（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係るメモリセルのパルス電圧設定方法説明グラフである。
【図２８】図２８（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係るメモリセルの電圧印加説明図である。
【図２９】図２９は、本発明の実施の形態に係るメモリセルの低抵抗安定化書込みのフローチャート図である。
【図３０】図３０は、本発明の実施の形態に係るベリファイ付き低抵抗安定化書込みのフローチャート図である。
【図３１】図３１は、本発明の実施の形態に係る低抵抗安定化書込みのパルス電圧発生回路の構成図である。
【図３２】図３２は、特許文献１に記載のメモリセルの構成図である。
【図３３】図３３は、特許文献１に記載のメモリセルの書込み動作点解析図である。
【図３４】図３４は、特許文献２に記載のメモリセルの構成図である。
【図３５】図３５（ａ）、（ｂ）は、特許文献２に記載のメモリセルの書換えフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００４４】
まず、本願発明者らは、不揮発性抵抗変化材料として、タンタルやハフニウムの酸素不足型酸化物を抵抗変化層に用いたメモリセルで構成された抵抗変化型不揮発性記憶装置を検討している。
【００４５】
その基本構造は主に３種類で、図１（ａ）、図１（ｂ）、図１（ｃ）に３種類の抵抗変化素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃの模式図を示す。
【００４６】
図１（ａ）は、抵抗変化層１３に酸素不足型のタンタル酸化物（ＴａＯX）又は酸素不足型のハフニウム酸化物（ＨｆＯX’)を用い、その上部界面に３００℃、２００Ｗ、２０秒の酸素プラズマを照射して、ＴａＯXまたはＨｆＯX’より酸素濃度の高いＴａＯyまたはＨｆＯy’で構成される酸化層１２を薄く形成し、これを白金（Ｐｔ）で構成される上部電極１１と、窒化タンタル（ＴａＮ）で構成される下部電極１４ｔでサンドイッチしたような構造とした。
【００４７】
図１（ｂ）は、抵抗変化層１３に酸素不足型のタンタル酸化物（ＴａＯX）又は酸素不足型のハフニウム酸化物（ＨｆＯX’）を用い、これを白金Ｐｔで構成される上部電極１１と、タンタルナイトライド（ＴａＮ）で構成される下部電極１４ｔでサンドイッチしたような構造とした。
【００４８】
図１（ｃ）は、抵抗変化層１３に酸素不足型のタンタル酸化物（ＴａＯX）又は酸素不足型のハフニウム酸化物（ＨｆＯX’）を用い、その上部界面に酸素プラズマを照射して、ＴａＯXまたはＨｆＯX’より酸素濃度の高いＴａＯyまたはＨｆＯy’で構成される酸化層１２を薄く形成し、これを白金（Ｐｔ）で構成される上部電極１１と下部電極１４ｐでサンドイッチしたような構造とした。
【００４９】
ここで、酸素不足型の酸化物とは、酸素が化学量論的組成から不足した酸化物をいう。遷移金属の１つであるタンタルの例で言えば、化学量論的な組成を有する酸化物としてＴａ2Ｏ5がある。このＴａ2Ｏ5では、酸素がタンタルの２．５倍含まれており、酸素含有率で表現すると、７１．４％である。この酸素含有率７１．４％よりも酸素含有率が低くなった状態の酸化物、すなわちＴａＯXと表現したとき、０＜ｘ＜２．５を満足する非化学量論的な組成を有するタンタル酸化物を、酸素不足型のタンタル酸化物と呼ぶ。同様に、ハフニウム酸化物（ＨｆＯX’）の場合は、０＜ｘ’＜２．０を満足する場合、酸素不足型のハフニウム酸化物と呼ぶ。
【００５０】
化学量論的な組成を有する金属酸化物の多くは絶縁性を示すが、酸素不足型とすることで、半導体、または導体的特性を示すようになる。
【００５１】
前記抵抗変化層としてより好適には、酸素含有率が４５〜６５ａｔ％の組成範囲、即ち抵抗変化層に酸素不足型のタンタル酸化物を用い、ＴａＯXと表記した場合におけるｘの範囲が０．８≦ｘ≦１．９より適切な抵抗変化層の範囲であると言える（酸素含有率＝４５ａｔ％がｘ＝０．８に、酸素含有率＝６５ａｔ％がｘ＝１．９にそれぞれ対応）。
【００５２】
酸素不足型のタンタル酸化物を抵抗変化膜に使用した不揮発性記憶素子では、上部電極と下部電極とで異なる標準電極電位を有する材料を用いることで、片側の電極近傍で優勢に抵抗変化が起こって、理想的なバイポーラ型の抵抗変化を実現できる。さらに、抵抗変化モードの混ざり合いも起こらず、安定した抵抗変化動作が可能となる。また、抵抗変化層に酸素不足型のハフニウム酸化物を用い、ＨｆＯX’と表記した場合におけるｘ’の範囲が０．９≦ｘ’≦１．６より適切な抵抗変化層の範囲であると言える。
【００５３】
より好適には、抵抗変化膜としてタンタル酸化物を用いる場合、一方の電極材料には、タンタルの標準電極電位よりも大きく、かつ差の大きな材料を用い、もう一方の電極材料には、タンタルの標準電極電位よりも大きく差の小さな材料を用いればよい。
【００５４】
さらにより好適には、一方の電極材料には、タンタルの標準電極電位よりも大きな材料を用い、もう一方の電極材料には、タンタルの標準電極電位よりも小さな材料を用いればよい。
【００５５】
また、抵抗変化膜としてハフニウム酸化物を用いる場合は、一方の電極材料には、ハフニウムの標準電極電位よりも大きく、かつ差の大きな材料を用い、もう一方の電極材料には、ハフニウムの標準電極電位よりも大きく差の小さな材料を用いればよい。さらにより好適には、一方の電極材料には、ハフニウムの標準電極電位よりも大きな材料を用い、もう一方の電極材料には、ハフニウムの標準電極電位よりも小さな材料を用いればよい。
【００５６】
つまり、前記抵抗変化層は酸素不足型の遷移金属酸化物層を主たる抵抗変化材料とし、前記第１電極と前記第２電極は、異なる元素で構成される材料によって構成され、前記第１電極の標準電極電位Ｖ１と、前記第２電極の標準電極電位Ｖ２と、前記遷移金属酸化物層を構成する遷移金属の標準電極電位Ｖｔとが、Ｖｔ＜Ｖ２かつＶ１＜Ｖ２を満足した構成とすればよい。
【００５７】
具体的には、酸素不足型のタンタル酸化物を用いた不揮発性記憶素子では、前記第２電極材料としては、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）等であり、前記第１電極材料はタングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）等が望ましい。従って、前記第２電極は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ等で構成される群から選択され、前記第１電極は、Ｗ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｌ等で構成される群から選択されるのが好ましい。また、酸素不足型のハフニウム酸化物を用いた不揮発性記憶素子では、前記第２電極材料としては、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｗ等であり、前記第１電極材料はハフニウム（Ｈｆ）、Ｔｉ、Ａｌ等が望ましい。従って、前記第２電極は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｗ等で構成される群から選択され、前記第１電極は、Ｈｆ、Ｔｉ、Ａｌ等で構成される群から選択されるのが好ましい。
【００５８】
上記の構成とすることにより、標準電極電位の高い電極と抵抗変化膜の界面近傍において、抵抗変化膜の酸素濃度が選択的に変化し、安定な抵抗変化特性が得られる。
【００５９】
また、前記抵抗変化層は、ＴａＯX（但し、０．８≦ｘ≦１．９）で表される組成を有する第１の酸素不足型タンタル酸化物層と、ＴａＯy（但し、ｘ＜ｙ）で表される組成を有する第２の酸素不足型タンタル酸化物層とが積層された積層構造を有していてもよいし、ＨｆＯX’（但し、０．９≦ｘ’≦１．６）で表される組成を有する第１の酸素不足型ハフニウム酸化物層と、ＨｆＯy’（但し、ｘ’＜ｙ’）で表される組成を有する第２の酸素不足型ハフニウム酸化物層とが積層された積層構造としてもよい。
【００６０】
上記の構成とすることにより、第２の酸素不足型金属酸化物層と電極との界面近傍において、前記第２の酸素不足型金属酸化物層の酸素濃度が変化し、安定な抵抗変化特性が得られる。
【００６１】
さらに、第２の酸素不足型タンタル酸化物層が第２電極側に配置されている構造としてもよい。
【００６２】
図２は、抵抗変化素子１０ａをトランジスタ１０４と接続した１Ｔ１Ｒ型メモリセル１０５で、抵抗変化素子１０ａの下部電極１４ｔとトランジスタ１０４の拡散領域３０２ｂとをビア２０で接続して形成される。
【００６３】
メモリセルの端子は、上部電極１１をビア１９にて第２配線層１７まで引き出した端子Ｕと、下部電極１４ｔと接続するトランジスタ１０４の拡散領域３０２ａをビア２１にて第１配線層１８まで引き出した端子Ｓと、トランジスタ１０４のゲート電極３０３ｂを端子とする端子Ｇとで構成される。３０３ａはトランジスタ１０４を構成するゲート酸化膜である。
【００６４】
図２のメモリセル１０５は、抵抗変化素子として図１（ａ）に示される抵抗変化素子１０ａを適用した場合を示すが、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示される抵抗変化素子１０ｂや１０ｃを適用した場合も、抵抗変化素子１０ａと同様に下部電極１４ｐ又は１４ｔとトランジスタ１０４の拡散領域３０２ｂとをビア２０にて接続した構成となる。
【００６５】
図３、図６、図７に、図１に示す構造の３つの異なる抵抗変化素子１０ａ〜１０ｃを、図２のメモリセル１０５に用いて得られた抵抗変化特性の３つの異なる様子を示す電流−電圧特性グラフの一例を示す。なお、本明細書では、電圧印加の極性に関しては、特に断らない限り、抵抗変化素子１０ａ〜１０ｃの下部電極１４ｔ、１４ｐよりも高い電圧が上部電極１１に印加される場合を、正の電圧印加と定義する。ただし、電圧を印加する具体的な端子としては、抵抗変化素子の両端子だけに限られず、抵抗変化素子とトランジスタとが直列接続されたメモリセルの両端子も含まれる。いずれの端子間に電圧を印加するかは、各実施の形態の中で明記する。
【００６６】
（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１における抵抗変化素子の書き込み方法及び不揮発性記憶装置について説明する。
【００６７】
図３は、メモリセル１０５の抵抗変化に伴うパルス電圧（Ｖｐ）とセル電流（Ｉｒ）の様子の一例を示す電流−電圧特性のグラフであり、図２のトランジスタ１０４の端子Ｇにトランジスタ１０４がオンする電圧（＝２．４Ｖ）を印加し、図２の配線Ｕ−Ｓ間に配線Ｓを基準電位とした抵抗変化パルス（０Ｖ→Ｖｐ→０Ｖ、パルス幅５０ｎｓ）を印加し、パルス電圧Ｖｐを負電圧から正電圧に振った値を横軸に示す。そして抵抗変化パルスによる電圧印加後に、抵抗変化素子１０ａの両端に掛かる電圧が書き込みまたは消去閾値電圧よりも絶対値が低い電圧Ｖｒ＝０．４Ｖを、読み出し電圧として印加して抵抗変化素子１０ａを流れる読み出し電流値を縦軸に表している。以降、この測定方法による電圧−電流特性を、パルスＶ−Ｉ特性と呼ぶことにする。なお、書き込みまたは消去閾値電圧とは、抵抗変化素子の抵抗値を変化させないで印加できる最大の電圧（絶対値）であり、抵抗変化素子の抵抗値を変化させずに読み出すときに印加できる最大の電圧（絶対値）でもある。
【００６８】
図３（ａ）は、製造直後の初期状態の高抵抗状態（ＨＲ、ＶＰ＝０〜−１．６Ｖの状態）にある抵抗変化素子１０ａを最初のフォーミング（Ｖｐ＝−１．７Ｖ印加）にて低抵抗状態（ＬＲ）にした時のパルスＶ−Ｉ特性（抵抗変化素子にパルス電圧Ｖｐを印加し、そのとき抵抗変化素子に流れるセル電流Ｉｒを測定）グラフで、図３（ｂ）は、前記評価方法による１回目の測定結果、図３（ｃ）は、同評価方法による第２回目の測定結果、図３（ｄ）は、同評価方法による第３回目の測定結果である。その後もほぼ同じ波形の繰り返しなので省略している。
【００６９】
なお、「フォーミング」とは、製造直後の初期状態にある抵抗変化素子を、印加される電圧の極性に応じて高抵抗状態（ＨＲ）と低抵抗状態（ＬＲ）とを可逆的に遷移できる状態に遷移させる（初期化する）ことである。通常、抵抗変化素子は、初期状態では、通常使用時の高抵抗状態より高い高抵抗状態にあり、フォーミングによって低抵抗状態に遷移させ、抵抗変化を起こさせる。よって、「製造直後の初期状態にある抵抗変化素子」、あるいは、「製造直後の抵抗変化素子」とは、製造後であって、かつ、印加される電圧の極性に応じて高抵抗状態（ＨＲ）と低抵抗状態（ＬＲ）とを可逆的に遷移できる状態に、未だ、なっていない（つまり、初期化されていない）抵抗変化素子のことである。
【００７０】
図３（ｂ）のパルスＶ−Ｉ測定の前と、図３（ｄ）のパルスＶ−Ｉ測定の後に、正負交互パルスによる通常の抵抗変化測定を実施しており、図３（ｂ）を測定する前の抵抗変化特性グラフを図４に、図３（ｄ）を測定した後の抵抗変化特性グラフを図５に示す。
【００７１】
ここで、図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）、図３（ｄ）、図４、図５の測定順番ステップを以下に示す。
（評価ステップ１）
図３（ａ）  パルスＶ−Ｉ法によるフォーミング（初期ＬＲ化）
パルス電圧Ｖｐ＝０Ｖ→−１．７Ｖ（０．１Ｖステップ）
（評価ステップ２）
図４  正負交互パルスによる抵抗変化測定（ＬＲ安定化シーケンス前）
パルス電圧Ｖｐ＝−２．４Ｖ⇔＋２．４Ｖ  ４１回印加
（評価ステップ３）
図３（ｂ）  パルスＶ−Ｉ測定  第１回目
パルス電圧Ｖｐ＝０Ｖ→−２．４Ｖ→０Ｖ→＋２．４Ｖ→０Ｖ（０．１Ｖステップ）
（評価ステップ４）
図３（ｃ）  パルスＶ−Ｉ測定  第２回目
パルス電圧Ｖｐ＝０Ｖ→−２．４Ｖ→０Ｖ→＋２．４Ｖ→０Ｖ（０．１Ｖステップ）
（評価ステップ５）
図３（ｄ）  パルスＶ−Ｉ測定  第３回目
パルス電圧Ｖｐ＝０Ｖ→−２．４Ｖ→０Ｖ→＋２．４Ｖ→０Ｖ（０．１Ｖステップ）
（評価ステップ６）
図５  正負交互パルスによる抵抗変化測定（ＬＲ安定化シーケンス実施後）
パルス電圧Ｖｐ＝−２．４Ｖ⇔＋２．４Ｖ  ４１回印加
図３（ａ）は、製造直後の最初のフォーミングでのパルスＶ−Ｉ特性グラフで、測定前の抵抗状態は高抵抗状態にある。パルス電圧Ｖｐを０Ｖから負電圧側へ遷移させながら負のパルス電圧を印加して行くと、最初メモリセル１０５は高抵抗状態（初期状態）にあったが、パルス電圧ＶｐがＶｔｈ０を下回った（パルスＶｐの絶対値がＶｔｈ０の絶対値を上回った）時に低抵抗状態に変化し、その抵抗レベルは、セル電流にして３０μＡ程度である。このときにフォーミング（初期ＬＲ化）が完了する。メモリセルの抵抗状態が低抵抗側に動いた所でこれ以上の高電圧パルス印加を中止している。これは、初期でこれ以上のパルス電圧を印加するとその後の高抵抗状態の抵抗値が不安定になる傾向がある為である。
【００７２】
測定の順番としては、次に図４の正負交互パルス印加による抵抗変化測定を実施している。
【００７３】
図４は、図３と同様のメモリセル１０５に対して、図３（ａ）に示されるフォーミングを実行後に、正負交互パルス印加した場合の抵抗変化の様子の一例を示す。具体的には、トランジスタ１０４のゲートにトランジスタ１０４がオンするのに十分な電圧２．４Ｖを印加し、端子Ｓを基準にして、端子Ｕ−Ｓ間に抵抗変化素子１０ａの低抵抗化及び高抵抗化の抵抗変化閾値よりも十分大きい−２．４Ｖと＋２．４Ｖのパルス電圧を交互に印加している。図３（ａ）に示されるフォーミングの後、低抵抗状態にあったメモリセル１０５に＋２．４Ｖのパルスを印加すると高抵抗状態に変化し、次の読出し測定で、抵抗レベルは１μＡ程度となった（図４の点Ｈ１）。次に、高抵抗状態にあったメモリセル１０５に−２．４Ｖのパルスを印加すると低抵抗状態に変化し、次の読出し測定で、抵抗レベルは３２μＡ程度となった（図４の点Ｌ１）。その後も正負交互パルスを継続して印加し、それぞれにおける抵抗値は、点Ｈ２（１μＡ）→点Ｌ２（６１μＡ）→点Ｈ３（１μＡ）→点Ｌ３（７０μＡ）・・・と変化し、点Ｌ９までは低抵抗状態は７５μＡ程度を維持しているが、点Ｌ１０で２５μＡとなっている。
【００７４】
この様に、正負交互パルス印加による抵抗変化は、その低抵抗状態において点Ｌ１や点Ｌ１０の様な、高抵抗状態（１〜３μＡ程度）と低抵抗状態（７０μＡ程度）の中間に位置する中間抵抗状態（ハーフＬＲ）が時々存在する不安定な特性グラフとなっており、これが本発明が解決する課題の具体的な例である。
【００７５】
我々発明者らは、メモリセルのパルスＶ−Ｉ特性の繰り返し測定において、前記ハーフＬＲ状態の発生について３つのタイプが存在することを見い出した。
【００７６】
以下に前記３つのタイプの特徴を記載する。
（１）第１のタイプのパルスＶ−Ｉ特性
製造直後の１回目のみハーフＬＲの状態が存在する場合・・・図３
メモリセルアレイ内において、大多数のセルがこれに該当する。
（２）第２のタイプのパルスＶ−Ｉ特性
２回目以降においてもハーフＬＲの状態が稀に存在する場合・・・図６
（３）第３のタイプのパルスＶ−Ｉ特性
２回目以降においてもハーフＬＲの状態が毎回存在する場合・・・図７
次に、前記３つのタイプの特徴及び正負交互パルス印加による抵抗変化について、詳細に説明する。
【００７７】
まず、第１のタイプのパルスＶ−Ｉ特性について説明する。
【００７８】
図３（ｂ）は、図４の正負交互パルス測定から更に追跡した（図４に示される正負交互パルス測定の後で得られた）パルスＶ−Ｉ特性グラフである。最初の抵抗状態は、図４の最終状態（正負交互パルスを４１回印加後の高抵抗状態）となっている。パルス電圧Ｖｐを０Ｖから負電圧側へ遷移させながら負のパルス電圧を印加して行くと、最初メモリセル１０５は高抵抗状態にあったが、パルス電圧ＶｐがＶｔｈを下回った（Ｖｐの絶対値がＶｔｈの絶対値を上回った）時に低抵抗状態に変化している。低抵抗状態の抵抗レベルは、セル電流にして３４μＡ程度であり、ハーフＬＲの状態である。その後、パルス電圧Ｖｐを負電圧側から正電圧側に順次変化させているが、パルス電圧がおおよそ＋１Ｖを越えＶｔｌに達すると、セル電流は５５μＡまで上昇して負電圧パルスを印加した場合よりも更に低い低抵抗状態（正常な低抵抗状態）に変化し、パルス電圧がＶｔｌを越えるとセル電流は８μＡ程度まで下降して高抵抗状態に変化する。なお、低抵抗状態から高抵抗状態への遷移が開始する電圧Ｖｔｌを、「高抵抗化閾値電圧（あるいは、高抵抗化開始電圧）」と呼ぶ。この電圧は、ハーフＬＲ状態にある抵抗変化素子の抵抗値が最も低くなる（正常な低抵抗状態となる）電圧でもある。
【００７９】
つまり、負のパルス電圧印加により、一旦、中間レベルの低抵抗状態（ハーフＬＲの状態）への変化をするが、Ｖｔｌ以下の正のパルス電圧を印加すると、負パルス電圧にて遷移した低抵抗状態よりも更に抵抗値が低い低抵抗状態（正常な低抵抗状態）に遷移し、その後Ｖｔｌを越える正のパルス電圧を印加すると、高抵抗状態に遷移する。
【００８０】
図３（ｃ）は、図３（ｂ）と同じサンプルを同じ評価方法及び測定条件で実施した第２回目の測定結果である。この時も、最初メモリセル１０５は１回目と同様に高抵抗状態にあったが、パルス電圧ＶｐがＶｔｈを下回った時に十分に低い（正常な）低抵抗状態に変化し、更にパルス電圧を下げて行くと、セル電流は７０μＡまで上昇し、その後、パルス電圧Ｖｐを負電圧側から正電圧側に変化させるが、パルス電圧がＶｔｌ以下まではセル電流はほぼ７０μＡを維持する。そして、パルス電圧がＶｔｌを越えるとセル電流は１０μＡ程度まで下降する。
【００８１】
つまり、負のパルス電圧印加により、パルス電圧がＶｔｈを下回る（絶対値が上回る）と低抵抗状態への変化が行われ、最終的には負パルスのみによって十分低い抵抗状態（正常な低抵抗状態）へ遷移する。この低い抵抗状態は、Ｖｔｌ以下の正のパルス電圧を印加するまでほぼ同一レベルに維持され、Ｖｔｌを越える正のパルス電圧を印加すると、高抵抗状態に遷移する。
【００８２】
図３（ｄ）は、図３（ｂ）と同じサンプルを同じ評価方法及び測定条件で実施した第３回目の測定結果である。図３（ｄ）は図３（ｃ）とほぼ同様の軌道をたどっている。
【００８３】
つまり、負のパルス電圧印加により、パルス電圧がＶｔｈを下回ると低抵抗状態への変化が行われ、最終的には負パルスによって十分低い抵抗状態へ遷移する（セル電流は７０μＡまで上昇する）。この低い抵抗状態は、Ｖｔｌ以下の正のパルス電圧を印加するまでほぼ同一レベルに維持され、Ｖｔｌを越える正のパルス電圧を印加すると、高抵抗状態に遷移する（セル電流は１０μＡ程度である）。
【００８４】
図３（ｂ）と図３（ｃ）とでは、低抵抗状態への変化の過程が明らかに異なる。すなわち、高抵抗状態から低抵抗状態へ遷移するのに十分な同じパルス電圧を印加しても、図３（ｂ）の場合は、図３（ｃ）の高抵抗状態と低抵抗状態との中間レベルまでしか抵抗変化しない現象であり（つまり、ハーフＬＲの状態にあり）、その様な状態は、Ｖｔｌあるいはそれを少し下回る正のパルス電圧を印加することで、メモリセルの抵抗状態は図３（ｃ）の低抵抗状態に近いレベルまで変化させることができる。
【００８５】
ここで、図３（ｃ）の様なパルスＶ−Ｉ特性グラフとなるメモリセルの特性を、特性タイプ１と呼び、図３（ｂ）の様なパルスＶ−Ｉ特性グラフとなるメモリセルの特性を、特性タイプ２と呼ぶことにする。
【００８６】
図３（ｂ）の様に、ハーフＬＲの状態及びＶｔｌ付近の正電圧で低抵抗状態がピークとなる特性タイプ２の抵抗変化推定メカニズムを、図８（ａ）〜図８（ｄ）を用いて以下に説明する。
【００８７】
通常、抵抗変化層１３と上部電極界面付近の酸化層１２との間の酸素イオン１６の移動により、高抵抗状態（図８（ａ）)と低抵抗状態（図８（ｂ）または図８（ｃ）)が作られる。酸素イオン１６が酸化層１２に取り込まれて高い酸化状態となると高抵抗状態となり、酸素イオン１６が酸化層１２から放出されて低い酸化状態となると低抵抗状態となる。酸素イオンの移動は、図８（ａ）の様に上部電極１１側に酸化層１２を作る、あるいは、図１（ｂ）の様に抵抗変化層１３を構成する金属より酸化しにくい材料（例えば白金等の貴金属材料）を上部電極１１とし、上部電極１１を構成する材料より酸化しやすい材料（例えば窒化タンタル）を下部電極１４ｔとすることで、抵抗変化現象は上部電極１１と抵抗変化層１３との界面近傍で行われる。この場合、下部電極側の端子Ｌを基準にして上部電極側の端子Ｕに正電圧パルスを印加すると酸素イオン１６は上部電極近傍の抵抗変化層に吸収されて高濃度の酸素を含有する酸化層１２を形成し高抵抗状態に変化する（図８（ａ））。一方、上部電極側の端子Ｕに負電圧パルスを印加すると酸素イオン１６は酸化層１２から放出されて低抵抗状態に変化する（図８（ｂ））。つまり、抵抗変化時の電流の向きで考えると、上部電極側との界面で酸素イオンの移動がある場合、上部電極から下部電極へ電流が流れる場合は上部電極側の酸化層１２に酸素イオンが吸収されて高抵抗状態に変化し、下部電極から上部電極へ電流が流れる場合は上部電極側の酸化層１２から酸素イオンが放出されて低抵抗状態に変化する。
【００８８】
しかし、図３（ｂ）の様にＶｔｌ付近の正電圧パルス印加でセル電流が最大化（更に低い低抵抗化）する現象は、下部電極界面付近にも薄い酸化層１５が存在し、薄い酸化層１５と抵抗変化層１３との間で酸素イオン１６の移動が行われていると推測され、この場合、下部電極側の端子Ｌを基準にして上部電極側の端子Ｕに正電圧パルスを印加すると、上部電極から下部電極へ電流が流れ、下部電極界面近傍の薄い酸化層１５から酸素イオン１６が放出されて下部電極界面近傍が低抵抗状態に変化する（図８（ｄ））。この様な下部電極１４ｔの界面近傍の酸化層１５から抵抗変化層１３に酸素イオン１６が放出される現象がＶｔｌ付近の正電圧パルス印加で起こりセル電流が最大化（更に低い低抵抗化）すると推測される。一方、下部電極側の端子Ｌを基準にして上部電極側の端子Ｕに負電圧パルスを印加すると、下部電極から上部電極へ電流が流れ、下部電極側の酸化変化層１５に酸素イオン１６が吸収されて酸化層１５の導電パスが高抵抗化し、ハーフＬＲの状態に変化すると考えられる（図８（ｃ））。
【００８９】
また、上部電極界面付近の酸化層１２と下部電極界面付近の酸化層１５との抵抗状態により、各酸化層に掛かる電位から酸化層１５における抵抗変化の容易性が推測され、その観点からも下部電極界面付近の酸化層１５の抵抗変化を図９（ａ）〜図９（ｄ）を用いて説明する。なお、図９（ａ）〜図９（ｄ）は図８（ａ）〜図８（ｄ）にそれぞれ対応している。図９（ａ）〜図９（ｄ）の２つの直列抵抗１１７、１１８は、上部電極界面付近の酸化層１２の抵抗状態を表す抵抗１１７と、下部電極界面付近の酸化層１５の抵抗状態を表す抵抗１１８を意味している。
【００９０】
図９（ａ）、図９（ｂ）は正常な状態でのＨＲ化（高抵抗化）及びＬＲ化（低抵抗化）の抵抗状態変化を示し、何れも下部電極界面付近の酸化層１５の抵抗１１８が低抵抗状態（ＬＲ）であるので、酸化層１５すなわち抵抗１１８にはほとんど電位差が生じないので、下部電極界面付近の酸化層１５の抵抗変化は起こらないと推測する。一方、図９（ｄ）の場合は、ＬＲ状態改善前のハーフＬＲの状態では（つまり、変化前の状態では）、下部電極界面付近の酸化層１５の抵抗１１８の状態が高抵抗状態（ＨＲ）であり、上部電極界面付近の酸化層１２の抵抗１１７の状態が低抵抗状態（ＬＲ）であり、この状態において、端子Ｕ、Ｌ間に電圧Ｖｐを印加すると、上部電極界面付近の酸化層１２（抵抗１１７）に掛かる電圧Ｖｕは小さく、下部電極界面付近の酸化層１５（抵抗１１８）に掛かる電圧Ｖｌは大きい。従って、下部電極界面付近の酸化層１５は抵抗変化閾値電圧を超え易く、その様な場合、酸化層１５は高抵抗状態から低抵抗状態へと変化すると推測する。図９（ｃ）の場合は、パルス印加前の状態では（つまり、変化前の状態では）、下部電極界面付近の酸化層１５の抵抗１１８の状態が低抵抗（ＬＲ）であり、上部電極界面付近の酸化層１２の抵抗１１７の状態が高抵抗状態（ＨＲ）であり、この状態においては、端子Ｕ、Ｌ間に電圧Ｖｐを印加すると、上部電極界面付近の酸化層１２（抵抗１１７）に掛かる電圧Ｖｕは大きく、下部電極界面付近の酸化層１５（抵抗１１８）に掛かる電圧Ｖｌは小さい。従って、上部電極界面付近の酸化層１２は抵抗変化閾値電圧を超え易く、その様な場合、酸化層１２は高抵抗状態から低抵抗状態へと変化し、その後、下部電極界面付近の酸化層１５（抵抗１１８）に掛かる電圧Ｖｌが増加し、抵抗変化閾値電圧を超えた場合に低抵抗状態から高抵抗状態へと変化してしまうと推測する。
【００９１】
図９（ｃ）の場合は、つまり、ハーフＬＲの出現は、抵抗１１７と抵抗１１８の状態が共に低抵抗（ＬＲ）となった状態において抵抗１１８が高抵抗状態に抵抗変化する閾値電圧を超えなくてはならないので稀な現象であり、図９（ｄ）の場合は、つまり、ハーフＬＲから低抵抗状態への復帰は、抵抗１１７が低抵抗（ＬＲ）で、かつ、抵抗１１８が高抵抗（ＨＲ）の状態となっているので、抵抗１１８が低抵抗状態に抵抗変化する閾値電圧を超え易く、ほぼ確実に下部電極界面付近の酸化層１５の抵抗状態は低抵抗へ変化することができると推測する。
【００９２】
図３（ｃ）、図３（ｄ）の２回目及び３回目のパルスＶ−Ｉ特性が図３（ｂ）の様に負電圧パルス印加後の抵抗状態がハーフＬＲの状態（すなわち、低セル電流状態）にならなかったのは、図３（ｂ）の１回目のパルスＶ−Ｉ特性評価において、Ｖｔｌ付近の正電圧パルスを印加することによって、下部電極界面付近の酸化層１５から酸素イオン１６の放出が行われ、下部電極界面付近の抵抗状態が低抵抗化し、以降のパルスＶ−Ｉ特性評価においても、下部電極付近の低抵抗状態が維持されている為と推測する。
【００９３】
次に、図５に２回目の正負交互パルス印加測定した抵抗変化の様子を示す。
【００９４】
図５は、図３（ｄ）の測定後に図４と同一条件にて測定した結果を示す図である。ここでは、＋２．４Ｖのパルスを印加すると７μＡ程度に高抵抗化され、−２．４Ｖのパルスを印加すると７０μＡ程度に低抵抗化されている。図５の正負交互パルス印加時は、図４とは異なり低抵抗状態が安定的である。
【００９５】
安定化した理由としては、図３（ｂ）のパルスＶ−Ｉ特性評価が関与しており、特にＶｔｌ付近の正電圧印加が大きく関係している。メカニズム面で考えるならば、Ｖｔｌ付近の電圧によって下部電極界面付近の酸化層１５から酸素イオンが放出されたことで、以降の動作が安定化したと推測する。
【００９６】
従って、製造直後の初期状態のメモリセルに対しては初回のパルスＶ−Ｉ特性評価と同様の動作が必要で、特に低抵抗状態をハーフＬＲの状態から低抵抗状態へシフトさせるために、Ｖｔｌ付近の電圧（より正確には、Ｖｔｌより低く、かつ、Ｖｔｌに近い電圧）を印加することが極めて効果的であることがわかる。
【００９７】
我々発明者らは、前記メモリセル１０５の抵抗変化特性を取得する中で、図３（ｂ）に示す不安定的な低抵抗状態（ハーフＬＲ）への抵抗変化特性が存在すること、また、Ｖｔｌより低く、かつ、Ｖｔｌに近い電圧印加で低抵抗化できることを見い出した。更に、（i）製造直後の初期状態においては、大多数のメモリセルにおいて下部電極付近の酸化層が高抵抗状態と推測されるので、１回はＶｔｌより低く、かつ、Ｖｔｌに近い電圧印加により下部電極付近の酸化層を低抵抗化させて安定化する必要がある。また、（ii）稀にハーフＬＲの状態となった場合も、Ｖｔｌより低く、かつ、Ｖｔｌに近い電圧印加により下部電極付近の酸化層を低抵抗化させることで、メモリセルは低抵抗状態に設定できる。これら（i）、（ii）により、メモリセルの低抵抗状態を安定化させる手法を新たに見いだした。
【００９８】
［パルスＶ−Ｉ特性と単一パルスによる抵抗変化の同一性］
図３（ｄ）に示す様な、メモリセル１０５のパルスＶ−Ｉ特性は、書込みパルス電圧Ｖｐを０Ｖから負電圧方向に徐々に下げて行き、低抵抗化が開始される閾値電圧Ｖｔｈを超えると高抵抗状態から低抵抗状態に変化し、更にパルス電圧Ｖｐを下げると低抵抗化は止まり、メモリセルの抵抗変化は飽和状態になる。次に、書込みパルス電圧Ｖｐを負電圧から正電圧に徐々に上げて行き、高抵抗化が開始される正の閾値電圧Ｖｔｌを超えると低抵抗状態から高抵抗状態に変化し、更にパルス電圧Ｖｐを上げると高抵抗化は止まり、メモリセルの抵抗変化は飽和状態になる。
【００９９】
前記の評価方法ではパルス電圧Ｖｐを負方向又は正方向に電圧の大きさを徐々に変化させたが、抵抗変化素子は、閾値電圧を超える大きさのパルスを１回印加することで図３に示す低抵抗状態及び高抵抗状態に抵抗変化させることが可能である。
【０１００】
図５は、図３（ｄ）と同様のメモリセル１０５に対して、ゲートには、オンするのに十分な電圧２．４Ｖを印加し、端子Ｓを基準にして、端子Ｕに低抵抗化及び高抵抗化の抵抗変化閾値よりも大きい−２．４Ｖと２．４Ｖのパルス電圧を交互に印加した場合の抵抗変化の様子の一例である。低抵抗化の状態にあったメモリセル１０５に２．４Ｖのパルスを印加すると高抵抗化され、その後の読出し測定で、抵抗レベルは７μＡ程度であることが分かる。この抵抗値レベルは、図３（ｄ）のパルスＶ−Ｉ特性の２．４（Ｖ）印加後にかなり近い。次に、高抵抗状態にあったメモリセル１０５に−２．４（Ｖ）のパルスを印加すると低抵抗化され、その後の読出し測定で、抵抗レベルは７０μＡ程度であることが分かる。この抵抗値レベルは、図３（ｄ）のパルスＶ−Ｉ特性の−２．４（Ｖ）印加後にかなり近い。
【０１０１】
この様に、メモリセル１０５に対して、抵抗変化することが可能な大きさの電圧パルスを一度印加することで、抵抗状態を高抵抗から低抵抗へ、あるいは低抵抗から高抵抗へ変化させることが可能であることが見えている。
【０１０２】
次に、第２のタイプのパルスＶ−Ｉ特性について説明する。
【０１０３】
図６は、図４と別のサンプルのメモリセル１０５の抵抗変化の様子の電流−電圧特性のグラフである。図６（ａ）は、前記評価方法による製造直後の初期状態からの測定結果、図６（ｂ）は、同評価方法による第２回目の測定結果、図６（ｃ）は、同評価方法による第４回目の測定結果である。
【０１０４】
図６（ａ）は、製造直後の最初のパルスＶ−Ｉ特性グラフで、初期の抵抗状態は高抵抗状態にある。パルス電圧Ｖｐを０Ｖから負電圧側へ遷移させながら負のパルス電圧を印加して行くと、最初メモリセル１０５は高抵抗状態にあったが、パルス電圧ＶｐがＶｔｈ０を下回った時に低抵抗状態に変化している。つまり、フォーミングを完了する。しかし、低抵抗状態の抵抗レベルは、セル電流にして３５μＡ程度である。つまり、ハーフＬＲの状態となっている。その後、パルス電圧Ｖｐを負電圧側から正電圧側に変化させているが、パルス電圧がおおよそ１Ｖを越えた辺りからセル電流は上昇し、最大５７μＡ程度となり、パルス電圧がＶｔｌを越えるとセル電流は４μＡ程度まで下降する。
【０１０５】
つまり、負のパルス電圧印加により、一旦、中間レベルの低抵抗状態（ハーフＬＲの状態）への変化をするが、Ｖｔｌ以下の正のパルス電圧を印加すると、負パルス電圧にて遷移した低抵抗状態よりも更に抵抗値が低い低抵抗状態（正常な低抵抗状態）に遷移し、更にＶｔｌを越える正のパルス電圧を印加すると、高抵抗状態に遷移する。本特性は、図３（ｂ）とほぼ同一特性で、特性タイプ２に属する。
【０１０６】
図６（ｂ）は、図６（ａ）と同じサンプルを同じ評価方法及び測定条件で実施した第２回目の測定結果である。この時は、最初メモリセル１０５は高抵抗状態にあったが、パルス電圧ＶｐがＶｔｈを下回った時に低抵抗状態（正常な低抵抗状態）に変化し、更にパルス電圧を下げて行くと、セル電流は６４μＡ程度まで上昇し、その後、パルス電圧Ｖｐを負電圧側から正電圧側に変化させるが、パルス電圧がＶｔｌ以下までは負のパルス電圧を印加した場合とほぼ同じセル電流である。そして、パルス電圧がＶｔｌを越えるとセル電流は７μＡ程度まで下降する。
【０１０７】
つまり、負のパルス電圧印加により、パルス電圧がＶｔｈを下回ると低抵抗状態への変化が行われ、最終的には負パルスによって十分低い抵抗状態（正常な低抵抗状態）へ遷移する。この低い抵抗状態は、Ｖｔｌ以下の正のパルス電圧を印加するまでほぼ同一レベルに維持され、Ｖｔｌを越える正のパルス電圧を印加すると、高抵抗状態に遷移する。本特性は、図３（ｃ）とほぼ同一特性で、特性タイプ１に属する。
【０１０８】
図６（ｃ）は、図６（ａ）と同じサンプルを同じ評価方法及び測定条件で実施した第４回目の測定結果である。図６（ｃ）は図６（ａ）とほぼ同様の軌道をたどっている。
【０１０９】
つまり、負のパルス電圧印加により、一旦、中間レベルの低抵抗状態（ハーフＬＲの状態）への変化をするが、Ｖｔｌ以下の正のパルス電圧を印加すると、負パルス電圧にて遷移した低抵抗状態よりも更に抵抗値が低い低抵抗状態（正常な低抵抗状態）に遷移し、更にＶｔｌを越える正のパルス電圧を印加すると、高抵抗状態に遷移する。本特性は、図６（ａ）とほぼ同一特性で、特性タイプ２に属する。
【０１１０】
図６の測定で使用されたサンプルは、図６（ｂ）、図６（ｃ）に示す様に、同じ評価方法で繰り返して測定すると、たまに図６（ｃ）の様な特性タイプ２が出現する。
【０１１１】
次に、第３のタイプのパルスＶ−Ｉ特性について説明する。
【０１１２】
図７（ａ）は、製造直後の初期状態からのパルスＶ−Ｉ特性グラフで、初期の抵抗状態は高抵抗状態にある。パルス電圧Ｖｐを０Ｖから負電圧側へ遷移させながら負のパルス電圧を印加して行くと、最初、メモリセル１０５は高抵抗状態にあったが、パルス電圧ＶｐがＶｔｈ０を下回った時に低抵抗状態に変化している。つまり、フォーミングを完了する。しかし、低抵抗状態の抵抗レベルは、セル電流にして４０μＡ程度である。つまり、ハーフＬＲの状態となっている。その後、パルス電圧Ｖｐを負電圧側から正電圧側に変化させているが、パルス電圧がＶｔｌ付近で、セル電流は６３μＡまで上昇し、パルス電圧がＶｔｌを越えるとセル電流は４μＡ程度まで下降する。
【０１１３】
つまり、負のパルス電圧印加により、一旦、中間レベルの低抵抗状態（ハーフＬＲの状態）への変化をするが、Ｖｔｌ以下の正のパルス電圧を印加すると、負パルス電圧にて遷移した低抵抗状態よりも更に抵抗値が低い低抵抗状態（正常な低抵抗状態）に遷移し、更にＶｔｌを越える正のパルス電圧を印加すると、高抵抗状態に遷移する。本特性は、図３（ｂ）とほぼ同一特性で、特性タイプ２に属する。
【０１１４】
図７（ｂ）、図７（ｃ）は、図７（ａ）と同じサンプルを同じ評価方法及び測定条件で実施した２回目と３回目の測定結果である。図７（ｂ）、図７（ｃ）共、ハーフＬＲの状態の抵抗レベルは図７（ａ）と異なるが、Ｖｔｌ付近の正電圧パルスを印加した場合に、セル電流は増加傾向にあり、メモリセルは一旦正常な低抵抗状態となっている。
【０１１５】
つまり、負のパルス電圧印加により、一旦、中間レベルの低抵抗状態（ハーフＬＲの状態）への変化をするが、Ｖｔｌ以下の正のパルス電圧を印加すると、負パルス電圧にて遷移した低抵抗状態よりも更に抵抗値が低い低抵抗状態（正常な低抵抗状態）に遷移し、更にＶｔｌを越える正のパルス電圧を印加すると、高抵抗状態に遷移する。本特性は、図７（ａ）と同傾向の特性で、特性タイプ２に属する。
【０１１６】
図７のサンプルは、図７（ｂ）、図７（ｃ）に示す様に、同じ評価方法で繰り返して測定しても、ほとんど毎回特性タイプ２が出現する。
【０１１７】
以上のような第１〜第３のタイプのパルスＶ−Ｉ特性（図３、図６、図７）から、以下のことが分かる。つまり、図３、図６、図７は、評価サンプルが異なりはするものの、何れも図２に示すメモリセル１０５と同一構成である。しかしながらその特性は、製造直後の最初のパルスＶ−Ｉ特性グラフでは全てが特性タイプ２となり、更に、２回目以降においては、図３は特性タイプ１のみが出現し、図６のサンプルは特性タイプ１と特性タイプ２の両方が出現し、図７のサンプルは特性タイプ２のみが出現するといったように、サンプル毎で特性タイプが異なり、特に特徴的なのは、特性タイプ２の様なパルスＶ−Ｉ特性が存在するということで、我々発明者らはその新たな特性のメモリセルが存在することと、初回は必ず出現することに気付いた。
【０１１８】
次に、以上のような抵抗変化素子を用いた本発明の実施の形態における抵抗変化型不揮発性記憶装置について説明する。本発明の実施の形態における抵抗変化型不揮発性記憶装置は、図２に示す抵抗変化素子とＭＯＳトランジスタとを直列に接続してなる１Ｔ１Ｒ型メモリセルを有する不揮発性記憶装置である。
【０１１９】
図１０は、本発明の実施の形態に係る不揮発性記憶装置２００の構成を示すブロック図である。
【０１２０】
図１０に示すように、本実施の形態に係る不揮発性記憶装置２００は、半導体基板上に、メモリ本体部２０１を備えており、メモリ本体部２０１は、メモリセルアレイ２０２と、行選択回路２０８、ワード線ドライバＷＬＤ、ソース線ドライバＳＬＤで構成される行ドライバ２０７と、列選択回路２０３と、データの書き込みを行うための書込み回路２０６と、選択ビット線に流れる電流量を検出し、記憶されているデータが「０（低抵抗状態）」か「１（高抵抗状態）」か、を判定するセンスアンプ２０４と、端子Ｄｉｎを介して入力データの入力処理を行うデータ入力回路２１５と、端子Ｄｏｕｔを介して出力データの出力処理を行うデータ出力回路２０５とを備える。
【０１２１】
さらには、書込み用電源２１１として、低抵抗（ＬＲ）化用電源２１２と、高抵抗（ＨＲ）化用電源２１３と、低抵抗（ＬＲ）安定化書込み用電源２１４とを備え、低抵抗（ＬＲ）化用電源２１２の出力Ｖ２は、行ドライバ２０７及び書込み回路２０６に供給され、高抵抗（ＨＲ）化用電源２１３の出力Ｖ１及び低抵抗（ＬＲ）安定化書込み用電源２１４の出力Ｖ３Ｇは、書込み回路２０６に供給されている。
【０１２２】
さらに、外部から入力されるアドレス信号を受け取るアドレス入力回路２０９と、外部から入力されるコントロール信号に基づいて、メモリ本体部２０１の動作及び書込み用電源２１１の動作を制御する制御回路２１０とを備えている。
【０１２３】
メモリセルアレイ２０２は、半導体基板の上に形成された、互いに交差するように配列された複数のワード線ＷＬ０、ＷＬ１、ＷＬ２、・・・、および複数のビット線ＢＬ０、ＢＬ１、ＢＬ２、・・・と、これらのワード線ＷＬ０、ＷＬ１、ＷＬ２、・・・、およびビット線ＢＬ０、ＢＬ１、ＢＬ２、・・・の交点に対応してそれぞれ設けられた複数のＮＭＯＳトランジスタＮ１１、Ｎ１２、Ｎ１３、Ｎ２１、Ｎ２２、Ｎ２３、Ｎ３１、Ｎ３２、Ｎ３３、・・・（以下、「トランジスタＮ１１、Ｎ１２、・・・」と表す）と、トランジスタＮ１１、Ｎ１２、・・・と１対１に直列接続された複数の抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３、Ｒ３１、Ｒ３２、Ｒ３３、・・・（以下、「抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２、・・・」と表す）とを備え、個々がメモリセルＭ１１、Ｍ１２、Ｍ１３、Ｍ２１、Ｍ２２、Ｍ２３、Ｍ３１、Ｍ３２、Ｍ３３、・・・（以下、「メモリセルＭ１１、Ｍ１２、・・・」と表す）を構成している。ここで、抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２、・・・と、トランジスタＮ１１、Ｎ１２、・・・が、本発明の基礎データとして上記で説明したメモリセルである。
【０１２４】
図１０に示すように、トランジスタＮ１１、Ｎ２１、Ｎ３１、・・・のゲートはワード線ＷＬ０に接続され、トランジスタＮ１２、Ｎ２２、Ｎ３２、・・・のゲートはワード線ＷＬ１に接続され、トランジスタＮ１３、Ｎ２３、Ｎ３３、・・・のゲートはワード線ＷＬ２に接続され、トランジスタＮ１４、Ｎ２４、Ｎ３４、・・・のゲートはワード線ＷＬ３に接続されている。
【０１２５】
また、トランジスタＮ１１、Ｎ２１、Ｎ３１、・・・およびトランジスタＮ１２、Ｎ２２、Ｎ３２、・・・はソース線ＳＬ０に共通に接続され、トランジスタＮ１３、Ｎ２３、Ｎ３３、・・・、およびトランジスタＮ１４、Ｎ２４、Ｎ３４、・・・はソース線ＳＬ２に共通に接続されている。
【０１２６】
また、抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４・・・はビット線ＢＬ０に接続され、抵抗変化素子Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３、Ｒ２４・・・はビット線ＢＬ１に接続され、抵抗変化素子Ｒ３１、Ｒ３２、Ｒ３３、Ｒ３４・・・はビット線ＢＬ２に接続されている。
【０１２７】
アドレス入力回路２０９は、外部装置（図示せず）からアドレス信号を受け取り、このアドレス信号に基づいて行アドレス信号を行選択回路２０８へ出力するとともに、列アドレス信号を列選択回路２０３へ出力する。ここで、アドレス信号は、複数のメモリセルＭ１１、Ｍ１２、・・・のうちの選択される特定のメモリセルのアドレスを示す信号である。
【０１２８】
制御回路２１０は、データの書き込みサイクルにおいては、後述する選択部で選択されたメモリセルに含まれる抵抗変化素子に対してデータが書き込まれるように書込み用電源２１１と書込み回路２０６とを制御するものであり、ここでは、書込み時のパルス電圧の電圧レベルを指示する電圧設定信号を書込み用電源２１１へ出力し、データ入力回路２１５に入力された入力データＤｉｎに応じて、書き込み用電圧の印加を指示する書き込み信号を書込み回路２０６へ出力する。他方、データの読み出しサイクルにおいて、制御回路２１０は、読み出し動作を指示する読み出し信号をセンスアンプ２０４へ出力する。
【０１２９】
行選択回路２０８は、アドレス入力回路２０９から出力された行アドレス信号を受け取り、この行アドレス信号に応じて、行ドライバ２０７より、複数のワード線ＷＬ０、ＷＬ１、ＷＬ２、・・・のうちの何れかに対応するワード線ドライバ回路ＷＬＤより、その選択されたワード線に対して、所定の電圧を印加する。
【０１３０】
また同様に、行選択回路２０８は、アドレス入力回路２０９から出力された行アドレス信号を受け取り、この行アドレス信号に応じて、行ドライバ２０７より、複数のソース線ＳＬ０、ＳＬ２、・・・のうちの何れかに対応するソース線ドライバ回路ＳＬＤより、その選択されたソース線に対して、所定の電圧を印加する。
【０１３１】
また、列選択回路２０３は、アドレス入力回路２０９から出力された列アドレス信号を受け取り、この列アドレス信号に応じて、複数のビット線ＢＬ０、ＢＬ１、ＢＬ２、・・・のうちの何れかを選択し、その選択されたビット線に対して、書き込み用電圧または読み出し用電圧を、非選択ビット線に対しては、非選択電圧を印加する。
【０１３２】
なお、行選択回路２０８及び列選択回路２０３によって、メモリセルアレイ２０２の中から少なくとも１つメモリセルを選択する選択部が構成されている。
【０１３３】
書込み回路２０６は、制御回路２１０からの制御の下で、選択部で選択されたメモリセルに含まれる抵抗変化素子に対して、書込み用電源２１１から供給される電源に基づく電圧パルスが印加されるように制御する回路であり、ここでは、制御回路２１０から出力された書き込み信号を受け取った場合、列選択回路２０３による選択されたビット線に対して、書き込み用電圧の印加を指示する信号を受けて、書込みモードによって設定された電圧に従った書込みパルスを出力する。
【０１３４】
また、センスアンプ２０４は、データの読み出しサイクルにおいて、読み出し対象となる選択ビット線に流れる電流量を複数の検知レベルから目的に合わせた１つの検知レベルに従って検出し、ビット線に流れる電流量が検知レベル以上か以下かをデータ「０（低抵抗状態）」か「１（高抵抗状態）」の論理結果として出力し、記憶されているデータの状態を判定する。その結果得られた出力データＤＯは、データ出力回路２０５を介して、外部装置へ出力される。
【０１３５】
書込み用電源２１１は、低抵抗（ＬＲ）化書込み（単に書き込みともいう）時のパルス電圧を発生するための電源を供給するＬＲ化用電源２１２と、高抵抗（ＨＲ）化書込み（単に消去ともいう）時のパルス電圧を発生するための電源を供給するＨＲ化用電源２１３及び低抵抗（ＬＲ）安定化書込み時のパルス電圧を発生するための電源を供給するＬＲ安定化書込み用電源２１４より構成され、ＬＲ化用電源２１２は行ドライバ２０７と書込み回路２０６へ、他は書込み回路２０６へ入力されている。
【０１３６】
ここで、制御回路２１０がもつ、抵抗変化素子に対する書き込み機能をまとめると、次のようになる。つまり、制御回路２１０は、抵抗変化素子に対する書き込み機能として、（i）高抵抗（ＨＲ）化用電源２１３からの電源に基づいて、高抵抗状態にするのに必要な正の第１の電圧が抵抗変化素子に印加されるように、書込み用電源２１１と書込み回路２０６とを制御する高抵抗（ＨＲ）化書き込み部と、（ii）低抵抗（ＬＲ）化用電源２１２からの電源に基づいて、低抵抗状態にするのに必要な負の第２の電圧が抵抗変化記憶素子に印加されるように、書込み用電源２１１と書込み回路２０６とを制御する低抵抗（ＬＲ）化書き込み部と、（iii）ＬＲ化書き込み部による負の第２の電圧印加の後に、ＬＲ安定化書込み用電源２１４からの電源に基づいて、確実に（あるいは、追加的に）低抵抗状態にするのに必要な正の第３の電圧が抵抗変化素子に印加されるように、書込み用電源２１１と書込み回路２０６とを制御するＬＲ安定化書き込み部とを有する。ここで、ＬＲ化書き込み部による負の第２の電圧印加によって、抵抗変化素子は、上述したように、低抵抗化する場合と、ハーフＬＲ化する場合がある。ＬＲ安定化書き込み部による正の第３の電圧印加は、ＬＲ化書き込み部による負の第２の電圧印加によって抵抗変化素子がハーフＬＲ化している場合に、その抵抗変化素子を確実に低抵抗化するという意義をもつ。
【０１３７】
なお、３つの機能（ＨＲ化書き込み部、ＬＲ化書き込み部、ＬＲ安定化書き込み部）は、制御回路２１０による制御の下で書込み回路２０６が発揮する機能であるので、書き込み機能という観点からは、書込み回路２０６が有する機能とも言える。
【０１３８】
次に、データ書込み時に用いる書込み回路系の、書込み用電源２１１と書込み回路２０６について、実施可能な詳細回路を図１１に記載し、その動作を説明する。
【０１３９】
図１１は、ＬＲ化用電源２１２とＨＲ化用電源２１３とＬＲ安定化書込み用電源２１４と書込み回路２０６の詳細回路とそれらの接続構成を示す。図中には示していないが、図１１の回路に、外部から入力される電源電圧をＶＤＤとする。
【０１４０】
図１１において、ＬＲ化用電源２１２の内部構成は、ＬＲ化用基準電圧発生器２２１と差動増幅回路２２２とで構成される。ＬＲ化用基準電圧発生器２２１は、ＬＲ化書込み時の書込みパルスのパルス電圧レベルＶＲＥＦＬＲを出力する参照電位発生器であり、差動増幅回路２２２は、差動増幅回路の入力の一方にＬＲ化用基準電圧発生器２２１の出力電圧ＶＲＥＦＬＲを入力し、他方に出力Ｖ２をフィードバックして入力した一般的な構成であり、参照電圧ＶＲＥＦＬＲを受け、ＶＲＥＦＬＲと同一電圧で電流能力を増幅した電圧Ｖ２を発生する増幅回路（ボルテージフォロワ）である。
【０１４１】
ＨＲ化用電源２１３の内部構成は、ＨＲ化用基準電圧発生器２２４と差動増幅回路２２５とで構成される。ＨＲ化用基準電圧発生器２２４は、ＨＲ化書込み時の書込みパルスのパルス電圧レベルＶＲＥＦＨＲを出力する参照電位発生器であり、差動増幅回路２２５は、差動増幅回路の入力の一方にＨＲ化用基準電圧発生器２２４の出力電圧ＶＲＥＦＨＲを入力し、他方に出力Ｖ１をフィードバックして入力した一般的な構成であり、参照電圧ＶＲＥＦＨＲを受け、ＶＲＥＦＨＲと同一電圧で電流能力を増幅した電圧Ｖ１を発生する増幅回路（ボルテージフォロワ）である。
【０１４２】
低抵抗安定化書込み用電源２１４の内部構成は、ＶＰＰ端子とグランド端子との間に複数個の固定抵抗２３２を直列接続し、各固定抵抗２３２のＶＰＰ側の端子ｎＬａ〜ｎＬｎを取り出し、複数のスイッチ２３１ａ〜２３１ｎのそれぞれの一方の端子にｎＬａ〜ｎＬｎのそれぞれを１対１で接続し、複数のスイッチ２３１ａ〜２３１ｎのそれぞれの他方の端子の全てに出力Ｖ３Ｇを接続する。スイッチ２３１ａ〜２３１ｎは、印加電圧コントローラ２２９の指示に従って何れか１つのスイッチがＯＮ（導通）し、他のスイッチはＯＦＦさせる様に動作する。これにより、ＶＰＰとグランド間で分圧された任意の電圧をスイッチ２３１ａ〜２３１ｎにて選択し、Ｖ３Ｇに出力する。印加電圧コントローラ２２９は、制御回路２１０からの選択電圧指示に従って、スイッチ群２３１の複数のスイッチの内１つを導通させるように全てのスイッチ２３１ａ〜２３１ｎに対して信号を出力する。この構成によって、低抵抗安定化書込み用電源２１４は、複数の電圧から選択した１つの電圧を順に選択して供給することで、段階的に上昇する正の電圧を供給することができる。
【０１４３】
書込み回路２０６は、上述したＬＲ化書き込み部として機能するドライバ２２６、上述したＨＲ化書き込み部として機能するドライバ２２７、上述した低抵抗安定化書き込み部として機能する低抵抗安定化書込み回路２３６とから構成される。
【０１４４】
ドライバ２２６は制御回路２１０からの出力イネーブル信号ＥＮ２がＨｉｇｈの時に制御回路２１０からのパルス信号ＰＬＳに従ってＶ２電圧とグランド電圧の何れかを出力し、ＥＮ２がＬｏｗの時にＨｉ−ｚ（ハイ・インピーダンス状態）を出力するＬＲパルス用の３状態ドライバ、ドライバ２２７は出力イネーブル信号ＥＮ１がＨｉｇｈの時にパルス信号ＰＬＳに従ってＶ１電圧とグランド電圧の何れかを出力し、ＥＮ１がＬｏｗの時にＨｉ−ｚを出力するＨＲパルス用の３状態ドライバである。ドライバ２３３は、制御回路２１０からの書込みパルス信号ＰＬＳの指示を受けて、電流増幅されたパルスを出力端子ＶＰＬＳに出力する。Ｎチャネルトランジスタ２３４はドライバ２３３の出力ＶＰＬＳを電圧クランプする目的で設けられ、ゲートに入力される電圧Ｖ３Ｇよりも閾値Ｖｔ（Ｎチャネルトランジスタ２３４の閾値電圧）だけ低い電圧（Ｖ３＝Ｖ３Ｇ−Ｖｔ）を最大電圧として出力端子ＤＴに出力する。例えば、ＰＬＳ信号の変化に従って、ドライバ２３３の出力ＶＰＬＳが０Ｖ→ＶＤＤ→０Ｖの矩形パルスを出力した場合、Ｎチャネルトランジスタ２３４の出力（出力端子ＤＴでの電圧）は、０Ｖ→Ｖ３→０Ｖの矩形パルスとして出力される（ＶＤＤ≧Ｖ３の場合）。
【０１４５】
図１１に示される書込み用電源２１１及び書込み回路２０６の全体動作の例を以下に記載する。
【０１４６】
ＨＲ化書込みの場合、つまり、制御回路２１０のＨＲ化書き込み部による制御の下で、まず、ＶＲＥＦＨＲと同等の電圧Ｖ１が出力され、制御回路２１０からのイネーブル信号ＥＮ１がＨｉｇｈに設定されてドライバ２２７はＬｏ−ｚ（ロー・インピーダンス）出力に、イネーブル信号ＥＮ２がＬｏｗに設定されてドライバ２２６はＨｉ−ｚ出力に、Ｎチャネルトランジスタ２３４のゲート電圧が０Ｖに設定されてＯＦＦ状態になり、次に、制御回路２１０からの書き込みパルス信号ＰＬＳを受けてドライバ２２７は０Ｖ→Ｖ１（ＶＲＥＦＨＲ）→０Ｖのパルスを出力端子ＤＴに出力する。出力端子ＤＴに出力されたパルスが列選択回路２０３を介して選択メモリセルに印加される。
【０１４７】
ＬＲ化書込みの場合、つまり、制御回路２１０のＬＲ化書き込み部による制御の下で、まず、ＶＲＥＦＬＲと同等の電圧Ｖ２が出力され、制御回路２１０からのイネーブル信号ＥＮ２がＨｉｇｈに設定されてドライバ２２６はＬｏ−ｚ出力に、イネーブル信号ＥＮ１がＬｏｗに設定されてドライバ２２７はＨｉ−ｚ出力に、Ｎチャネルトランジスタ２３４のゲート電圧が０Ｖに設定されてＯＦＦ状態になり、次に、制御回路２１０からの書き込みパルス信号ＰＬＳを受けてドライバ２２６は０Ｖ→Ｖ２（ＶＲＥＦＬＲ）→０Ｖのパルスを出力端子ＤＴに出力する。出力端子ＤＴに出力されたパルスが列選択回路２０３を介して選択メモリセルに印加される。
【０１４８】
ＬＲ安定化書込みの場合は、つまり、制御回路２１０のＬＲ安定化書き込み部による制御の下で、まず、制御回路２１０からのイネーブル信号ＥＮ１とＥＮ２がＬｏｗに設定されてドライバ２２６と２２７はＨｉ−ｚ出力にされる。次に制御回路２１０からの指示によって、印加電圧コントローラ２２９によって複数のスイッチ２３１ａ〜２３１ｎの内、１つのスイッチが導通となり、Ｎチャネルトランジスタ２３４のゲートが設定電圧Ｖ３Ｇとなる。その後、制御回路２１０からの書き込みパルス信号ＰＬＳを受けてドライバ２３３はＶＰＬＳノードに対して０Ｖ→ＶＤＤ→０Ｖのパルスを発生し、Ｎチャネルトランジスタ２３４はゲートに入力されたＶ３Ｇ電圧にて前記パルスのＨｉｇｈレベルＶＤＤを（Ｖ３Ｇ−Ｖｔ）にクランプし、０Ｖ→Ｖ３（Ｖ３Ｇ−Ｖｔ）→０Ｖのパルスを出力端子ＤＴに出力する。出力端子ＤＴに出力されたパルスが列選択回路２０３を介して選択メモリセルに印加される。
【０１４９】
これによって一連の書込み動作は実施される。
【０１５０】
図１２は、図１０におけるセンスアンプ２０４の一例の詳細な構成を示す回路図である。センスアンプ２０４は、ミラー比が１対１のカレントミラー回路２４４と、サイズが等しいクランプトランジスタ２４０、２４１と、基準回路２５２、及び、バッファ２４５から構成される。
【０１５１】
基準回路２５２では、選択トランジスタ２４９と低抵抗（ＬＲ）ベリファイ用の基準抵抗２４６が直列に接続されたブランチの一端が接地電位に接続され、他方の端子がクランプトランジスタ２４０のソース端子に接続され、また、選択トランジスタ２４９のゲート端子には、制御回路２１０からのＬＲベリファイイネーブル信号Ｃ１が入力され、ＬＲベリファイイネーブル信号Ｃ１により、選択トランジスタ２４９は、導通／非導通状態を切り換えられる。
【０１５２】
同様に、選択トランジスタ２５０と読み出し用の基準抵抗２４７が直列に接続されたブランチの一端が接地電位に接続され、他方の端子がクランプトランジスタ２４０のソース端子と接続され、また選択トランジスタ２５０のゲート端子には、制御回路２１０からの読み出しイネーブル信号Ｃ２が入力され、読み出しイネーブル信号Ｃ２により、選択トランジスタ２５０は、導通／非導通状態を切り換えられ、同様に、選択トランジスタ２５１と高抵抗（ＨＲ）ベリファイ用の基準抵抗２４８が直列に接続されたブランチの一端が接地電位に接続され、他方の端子がクランプトランジスタ２４０のソース端子と接続され、また選択トランジスタ２５１のゲート端子には、制御回路２１０からのＨＲベリファイイネーブル信号Ｃ３が入力され、ＨＲベリファイイネーブル信号Ｃ３により、選択トランジスタ２５０は、導通／非導通状態を切り換えられる。
【０１５３】
また、クランプトランジスタ２４０、２４１は、ノードＮＢＬ０とＮＢＬをクランプ電圧（０．４Ｖ）に抑えるため、ゲート端子にＶＣＬＰ（０．９Ｖ）が入力され、クランプトランジスタ２４１のソース端子は、列選択回路２０３とビット線を介して、メモリセルと接続され、クランプトランジスタ２４０、２４１のドレイン端子は、それぞれカレントミラー回路２４４を構成するトランジスタ２４２、２４３のドレイン端子と接続される。クランプトランジスタ２４１のドレイン端子電位は、バッファ２４５により反転増幅され、センスアンプ出力ＳＡＯとしてデータ出力回路２０５に伝達される。
【０１５４】
図１３は、センスアンプ２０４の判定レベルを説明するための図である。
【０１５５】
センスアンプ２０４は、図１３に示すように、低抵抗（ＬＲ）状態のメモリセルのセル電流ＩＬＲ（７０μＡ付近）と高抵抗（ＨＲ）状態のメモリセルのセル電流ＩＨＲ（１０μＡ付近）の間に、第１の検知レベルとして、読み出し用の基準電流ＩＨＬｄｅｔ（４０μＡ）と、第２の検知レベルとして、高抵抗（ＨＲ）ベリファイ用の基準電流ＩＨＲｄｅｔ（２０μＡ）と、第３の検知レベルとして、低抵抗（ＬＲ）ベリファイ用の基準電流ＩＬＲｄｅｔ（６０μＡ）とを有する。
【０１５６】
図１２のセンスアンプ２０４において、低抵抗（ＬＲ）ベリファイ用の基準電流ＩＬＲｄｅｔ（６０μＡ）は抵抗値Ｒｌｄｔの抵抗２４６と選択トランジスタ２４９とで構成される基準メモリセルにクランプ電圧を印加することで発生され、読み出し用の基準電流ＩＨＬｄｅｔ（４０μＡ）は抵抗値Ｒｍｉｄの抵抗２４７と選択トランジスタ２５０とで構成される基準メモリセルにクランプ電圧を印加することで発生され、高抵抗（ＨＲ）ベリファイ用の基準電流ＩＨＲｄｅｔ（２０μＡ）は抵抗値Ｒｈｄｔの抵抗２４８と選択トランジスタ２５１とで構成される基準メモリセルにクランプ電圧を印加することで発生される。
【０１５７】
次にセンスアンプ２０４の判定出力と検知レベルの使用目的について説明する。
【０１５８】
図１０に示すセンスアンプ２０４は、データの読み出しサイクルにおいて、読み出し対象となる選択メモリセルのセル電流を、選択ビット線を介してそれに流れる電流量として検知し、設定した検知レベルより電流が多い場合は論理「０」を、電流が少ない場合は論理「１」を出力するものであり、検知レベルの設定は前記の３種類が用意されている。
【０１５９】
まず、第１の検知レベルは、選択されたメモリセルの抵抗記憶状態が、高抵抗状態にあるか、低抵抗状態にあるか、を区別する為の検知レベルである。従って、高抵抗状態にあるメモリセルのセル電流（例えば図３（ｃ）の１０μＡ）と、低抵抗状態にあるメモリセルのセル電流（例えば図３（ｃ）の７０μＡ）との中間レベル（例えば４０μＡ）に設定される。
【０１６０】
第２の検知レベルは、選択されたメモリセルの抵抗記憶状態が、十分に高い抵抗値の高抵抗状態にあるかを判断する為のベリファイ用検知レベルで、とりわけ、選択メモリセルの高抵抗化書込み後に、前記第１の検知レベルに対して十分なマージンを持って高抵抗状態にセットされたか、後の読み出しサイクルにおいて、そのメモリセルの電流が高抵抗状態（例えば２０μＡ以下）にあるかを判断する目的で使用される。
【０１６１】
第３の検知レベルは、選択されたメモリセルの抵抗記憶状態が、正常な低抵抗状態にあるかを判断する為のベリファイ用検知レベルで、とりわけ、選択メモリセルの低抵抗化書込み後に、前記第１の検知レベルに対して十分なマージンを持って低抵抗状態にセットされたか、後の読み出しサイクルにおいて、そのメモリセルの電流が低抵抗状態（例えば６０μＡ以上）にあるかを判断する目的で使用される。なお、この第３の検知レベルは、第１の検知レベルとともに使用することで、ハーフＬＲの状態を検知するために使用することができる。つまり、選択メモリセルのセル電流が第１の検知レベルよりも大きいが、第３の検知レベルよりも小さいと判断された場合には、その選択メモリセルの抵抗変化素子は、ハーフＬＲ状態にあると判定できる。
【０１６２】
図１０の抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２、・・・は、図１（ａ）、図１（ｂ）又は図１（ｃ）と同様の断面構造としている。
【０１６３】
また、メモリセルＭ１１、Ｍ２１、・・・は、抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ２１、・・・とＮチャネルトランジスタＮ１１、Ｎ２１、・・・を直列接続（Ｒ１１＋Ｎ１１、Ｒ２１＋Ｎ２１、・・・）したものであり、それぞれが図２と同様な構造である。
【０１６４】
ここで、図２のメモリセル１０５と図１１のＬＲ安定化書込み回路２３６との接続関係と、抵抗変化方向について説明する。
【０１６５】
図２の抵抗変化素子１０ａの上部電極１１からビア１９によって引き出されたメタル配線１８（端子Ｕ）は、図１０のメモリセルアレイ２０２内を縦に伸びるビット線（例えばＢＬ０）と接続され、前記ビット線は列選択回路２０３を介してＬＲ安定化書込み回路２３６の出力端子ＤＴと接続される。従って、ＬＲ安定化書込み回路２３６から出力された正電圧パルスは抵抗変化素子１０ａの上部電極１１に印加される。上部電極１１に電圧Ｖｔｌ付近の正パルスが印加されると、図３（ｂ）の場合はハーフＬＲの状態から低抵抗状態に遷移させることが可能で、上部電極１１に電圧Ｖｔｌを越える正パルスが印加されると、高抵抗状態に遷移する。この様に書込み回路からビット線に（つまり抵抗変化素子の上部電極に）高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌを越える正電圧のパルスを印加すると高抵抗状態に抵抗変化する抵抗変化特性をＢモードと呼び、逆に書込み回路からビット線に電圧Ｖｔｌを越える正電圧のパルスを印加すると低抵抗状態に抵抗変化する抵抗変化特性をＡモードと呼ぶ。これらＡ／Ｂモードの抵抗変化特性は抵抗変化素子固有の性質である。ちなみに、Ｂモードの抵抗変化素子を低抵抗状態に変化させる場合は、下部電極に接続されるトランジスタ１０４の拡散領域３０２ａからビア２１によって引き出されたメタル配線１７（端子Ｓ）を基準として、メタル配線１８（端子Ｕ）に負の電圧パルスを印加する。なお、「正パルス」とは正電圧のパルスを意味し、「負パルス」とは負電圧のパルスを意味する。
【０１６６】
図１（ａ）、図１（ｂ）、図１（ｃ）の何れの抵抗変化素子も、Ｂモードにて抵抗変化する。
【０１６７】
なお、Ａモードのメモリセルを用いて図３と同様な抵抗変化特性を得る為には、メタル配線１８（端子Ｓ）をビット線に接続させることは言うまでもない。
【０１６８】
以上のことから、図１０のメモリセルＭ１１、Ｍ２１、・・・のパルスＶ−Ｉ特性は、図３（ｂ）、図３（ｃ）、図３（ｄ）、図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）あるいは図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）と類似した特性を有している。
【０１６９】
従って、書き込み動作に関して、低抵抗化書込みに必要な書込み電圧の絶対値は図３記載のＶｔｈの絶対値以上であり、ＬＲ化用電源２１２は、その出力電圧Ｖ２の絶対値が、抵抗変化素子に対してＶｔｈを越える負の電圧の印加が可能な電源回路である。一方、高抵抗化書込みに必要な書込み電圧は図３記載のＶｔｌ以上であり、ＨＲ化用電源２１３は、その出力電圧Ｖ１が、抵抗変化素子に対してＶｔｌを越える正の電圧の印加が可能な電源回路である。
【０１７０】
図１４は、図１０におけるＣ部に対応するメモリセル３００の構成（２ビット分の構成）を示す断面図、および抵抗変化素子１０ａの拡大図である。
【０１７１】
トランジスタ３１７、抵抗変化素子１０ａは、各々図１０におけるトランジスタＮ１１、Ｎ１２と抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２に対応している。
【０１７２】
メモリセル３００は、半導体基板３０１上に、第２のＮ型拡散層領域３０２ａ、第１のＮ型拡散層領域３０２ｂ、ゲート絶縁膜３０３ａ、ゲート電極３０３ｂ、第１ビア３０４、第１配線層３０５、第２ビア３０６、第２配線層３０７、第３ビア３０８、抵抗変化素子１０ａ、第４ビア３１０、第３配線層３１１を順に形成して構成される。
【０１７３】
第４ビア３１０と接続される第３配線層３１１がビット線ＢＬ０に対応し、トランジスタ３１７の第２のＮ型拡散層領域３０２ａに接続された、第１配線層３０５および第２配線層３０７が、この図面に垂直に走るソース線ＳＬ０に対応している。
【０１７４】
半導体基板３０１の電圧は０Ｖで、０Ｖ電源線（図示なし）より、一般的に知られている構成で供給されている。
【０１７５】
図１４の拡大部分（左の図）に示されるように、抵抗変化素子１０ａは、第３ビア３０８上に下部電極１４ｔ、抵抗変化層１３、酸化層１２、上部電極１１がサンドイッチ状に形成され、さらには第３配線と接続される第４ビア３１０につながっている。
【０１７６】
ここで、酸化層１２及び抵抗変化層１３は酸素不足型のタンタル酸化物で構成され、下部電極１４ｔと上部電極１１は異なる材料で構成され、下部電極１４ｔが抵抗変化を起こしにくい（上部電極材料より酸化しやすい）電極材料である窒化タンタル（ＴａＮ）で構成され、ビアを介してトランジスタの第１のＮ型拡散層領域３０２ｂに接続され、上部電極１１は抵抗変化を起こしやすい（抵抗変化層を構成する金属より酸化しにくい）材料である白金（Ｐｔ）で構成し、ビアを介して第３配線層３１１で形成のビット線ＢＬ０に接続される構造となっている。
【０１７７】
［抵抗変化型不揮発性記憶装置のタイミングチャート］
以上の様に構成された抵抗変化型不揮発性記憶装置２００について、データを書き込む場合の低抵抗化書き込み、高抵抗化書き込み及び低抵抗安定化書き込み（追加書き込みともいう）に対応する書き込みサイクル、およびデータを読み出す場合の読み出しサイクルにおける動作例について、図１５（ａ）〜図１５（ｄ）に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。
【０１７８】
図１５（ａ）〜図１５（ｄ）は、本発明の実施の形態に係る不揮発性記憶装置の動作例を示すタイミングチャートである。なお、ここでは、抵抗変化層が高抵抗状態の場合をデータ「１」に、低抵抗状態の場合をデータ「０」にそれぞれ割り当てると定義して、その動作例を示す。また、説明は、メモリセルＭ１１についてデータの書き込みおよび読み出しをする場合のみについて示す。図１５（ａ）は制御回路２１０のＬＲ化書き込み部による制御の下で抵抗変化素子に対して低抵抗状態への書込みを実施するタイミングチャートであり、図１５（ｂ）は制御回路２１０のＨＲ化書き込み部による制御の下で抵抗変化素子に対して高抵抗状態への書込みを実施するタイミングチャートであり、図１５（ｃ）は制御回路２１０のＬＲ安定化書き込み部による制御の下で抵抗変化素子に対して低抵抗安定化書込みを実施するタイミングチャートである。
【０１７９】
図１５（ａ）において、ＬＲ化用電源２１２で発生する電圧Ｖ２は、抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２・・・に対し実効的に印加される電圧値が、低抵抗化閾値電圧Ｖｔｈの絶対値を超えるような電圧値に決定される。
【０１８０】
図１５（ｂ）において、ＨＲ化用電源２１３で発生し、書込み回路２０６を介してビット線ＢＬ０に供給する電圧Ｖ１は、抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２・・・に対し実効的に印加される電圧値が、高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌを超えるような電圧値に決定される。
【０１８１】
図１５（ｃ）において、書込み回路２０６で発生する電圧Ｖ３は、抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２・・・に対し実効的に印加される電圧値が、高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌ近辺でかつＶｔｌを越えないような電圧に決定され、抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２・・・には、前記ＬＲ安定化書込み用電源２１４による可変電圧Ｖ３が印加される。
【０１８２】
図１５（ｄ）において、Ｖｒｅａｄは、センスアンプ２０４で発生されている読み出し用電圧で、高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌよりも十分低い電圧が、抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２・・・に実効的に印加される電圧値である。
【０１８３】
また、図１５（ａ）〜図１５（ｄ）において、ＶＤＤは不揮発性記憶装置２００に外部から供給される電源電圧に対応している。
【０１８４】
図１５（ａ）に示すメモリセルＭ１１に対するデータ「０」の低抵抗化書き込みサイクルにおいては、選択部及び制御回路２１０のＬＲ化書き込み部等の制御の下で以下の制御が行われる。まず、最初に選択ビット線ＢＬ０、ソース線ＳＬ０を電圧Ｖ２に設定する。次に、選択するワード線ＷＬ０を電圧ＶＤＤに設定し、選択メモリセルＭ１１のＮＭＯＳトランジスタＮ１１をオンする。この段階ではトランジスタ３１７の第２のＮ型拡散層領域３０２ａと、第１のＮ型拡散層領域３０２ｂはともに電圧Ｖ２が印加されているので、トランジスタ３１７に電流は流れない。
【０１８５】
次に、選択ビット線ＢＬ０を所定期間、電圧０Ｖに設定し、所定期間後、再度電圧Ｖ２となるパルス波形を印加する。この段階で、抵抗変化素子１０ａには下部電極１４ｔを基準にして上部電極１１に、低抵抗化閾値電圧Ｖｔｈを超える絶対値を持つ負の電圧が印加され、高抵抗値から低抵抗値に書き込みが行われる。その後、ワード線ＷＬ０を電圧０Ｖに設定し、トランジスタ３１７をオフして、データ「０」の書き込みが完了する。
【０１８６】
図１５（ｂ）に示すメモリセルＭ１１に対するデータ「１」の高抵抗化書き込みサイクルにおいては、選択部及び制御回路２１０のＨＲ化書き込み部等の制御の下で以下の制御が行われる。最初に選択ビット線ＢＬ０、ソース線ＳＬ０を電圧０Ｖに設定する。次に、選択するワード線ＷＬ０を電圧ＶＤＤに設定し、選択メモリセルＭ１１のＮＭＯＳトランジスタＮ１１をオンする。
【０１８７】
次に、選択ビット線ＢＬ０を所定期間、電圧Ｖ１に設定し、所定期間後、再度電圧０Ｖとなるパルス波形を印加する。この段階で、抵抗変化素子１０ａには下部電極１４ｔを基準にして上部電極１１に、高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌを超える正の電圧が印加され、低抵抗値から高抵抗値に書き込みが行われる。その後、ワード線ＷＬ０を電圧０Ｖに設定し、データ「１」の書き込みが完了する。
【０１８８】
図１５（ｃ）に示すメモリセルＭ１１に対するデータ「０」の低抵抗安定化書き込みサイクルにおいては、選択部及び制御回路２１０のＬＲ安定化書き込み部等の制御の下で以下の制御が行われる。最初に選択ビット線ＢＬ０、ソース線ＳＬ０を電圧０Ｖに設定する。次に、選択するワード線ＷＬ０を電圧ＶＤＤに設定し、選択メモリセルＭ１１のＮＭＯＳトランジスタＮ１１をオンする。
【０１８９】
次に、選択ビット線ＢＬ０を所定期間、電圧Ｖ３に設定し、所定期間後、再度電圧０Ｖとなるパルス波形を印加する。この段階で、抵抗変化素子１０ａには下部電極１４ｔを基準にして上部電極１１に、高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌ付近の正の電圧が印加され、ハーフＬＲ値から低抵抗値に書き込みが行われる。その後、ワード線ＷＬ０を電圧０Ｖに設定し、低抵抗安定化書き込みサイクルが完了する。この書き込みは、高抵抗化する電圧印加極性で、高抵抗化する電圧以下のパルスを印加することが特徴である。
【０１９０】
図１５（ｄ）に示すメモリセルＭ１１に対するデータの読み出しサイクルにおいては、選択部及び制御回路２１０等の制御の下で以下の制御が行われる。最初に選択ビット線ＢＬ０、ソース線ＳＬ０を電圧０Ｖに設定する。次に、選択するワード線ＷＬ０を電圧ＶＤＤに設定し、選択メモリセルＭ１１のＮＭＯＳトランジスタＮ１１をオンする。
【０１９１】
次に、選択ビット線ＢＬ０を所定期間、読み出し電圧Ｖｒｅａｄに設定し、センスアンプ２０４により、選択メモリセルＭ１１に流れる電流値を検出することで、記憶されているデータがデータ「０」かデータ「１」かについて判定する。その後、ワード線ＷＬ０を電圧０Ｖに設定し、データの読み出し動作を完了する。
【０１９２】
次に、図１０記載の不揮発性記憶装置２００に搭載されたメモリセルのパルスＶ−Ｉ特性について、特性タイプ１と特性タイプ２の両方が存在する場合の低抵抗安定化書き込みについて、その具体的な方法例を説明する。
【０１９３】
［正パルス印加法による低抵抗安定化書き込み（ウェハー検査における書き込み方法）］
前述のように我々発明者らは、メモリセル１０５の初期評価を行う中で、以下の特徴的な特性に気付いた。それは、製造直後に図３（ａ）の様に初期の低抵抗化（フォーミング）を実施し、その後に図４の様に交互パルス印加による書換えを実施しても、その抵抗変化特性は不安定であるが、一旦図３（ｂ）に示すパルスＶ−Ｉ特性評価のシーケンス、特にＶｔｌ付近でかつＶｔｌを越えないような正電圧パルスを印加すると、図８（ｄ）に示すように下部電極付近の酸素イオンが放出されて下部電極近傍の酸化層１５が低抵抗化されると推測され、図５に示す様に、交互パルス印加による抵抗変化特性が安定化する。更に、２回目以降のパルスＶ−Ｉ特性においても、図３（ｃ）、図３（ｄ）の様にハーフＬＲの状態は解消され、その後は特性タイプ１の正常特性を示すことを見い出した。
【０１９４】
このことから、製造直後のウェハー検査の段階で一旦、ハーフＬＲの状態を解消する為に、初期の低抵抗化（フォーミング）を実施した後、高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌ付近でかつＶｔｌを越えないような正電圧パルスを抵抗変化素子に印加することにより、ハーフＬＲより低い低抵抗状態（正常な低抵抗状態）にした後、高抵抗状態に変化させるといった手法が、低抵抗状態の安定化に有効である。
【０１９５】
この手法を不揮発性記憶装置にて実施する場合を例に、その方法を以下に説明する。
【０１９６】
なお、以下では抵抗変化素子の抵抗変化特性を安定化させるための電圧印加を「安定化書き込み」と呼ぶ。本実施の形態では、ハーフＬＲを含む不安定な低抵抗状態から、正常な低抵抗状態に遷移させるために、Ｖｔｌ付近の正電圧を印加する「ＬＲ安定化書き込み」をしているが、この「ＬＲ安定化書き込み」は、低抵抗化のための「安定化書き込み」の一つといえる。
【０１９７】
図１６Ａは、製造直後の初期状態から低抵抗状態の安定化及びその後の通常書換えまでの処理の概要を示す状態遷移図である。
【０１９８】
図１６Ａにおいて、状態４０７は製造直後の初期状態であり、抵抗状態は通常動作時の高抵抗状態よりも抵抗値が高い高抵抗状態である。まず、書換え対象となる選択メモリセル（抵抗変化素子）に対して、（i）フォーミングの閾値電圧Ｖｔｈ０を下回るフォーミング負パルス印加４０８（初期状態を低抵抗化するためのフォーミング工程；つまり、負の第４の電圧印加）を実施し、低抵抗（ハーフＬＲ）状態４０２へ変化させる。この時、特性タイプ２のハーフＬＲの状態になっている。そして、（ii）低抵抗の安定化書込みとしてＶｔｌよりも小さい正のパルス電圧（つまり、正の第３の電圧）から高抵抗状態に抵抗変化させる正のパルス電圧（つまり、正の第１の電圧）まで徐々に電圧を上昇させながら書込みパルス電圧を連続的に印加させる正パルス上昇連続印加４０４（低抵抗安定化書き込みステップ；つまり、正の第３の電圧印加から正の第１の電圧までを段階的に）を実施し、抵抗変化素子を、正常な低抵抗状態にした後高抵抗状態４０１に遷移させる。なお、正パルス上昇連続印加４０４では、ハーフＬＲ状態４０２から高抵抗状態４０１への遷移が図示されているが、厳密には、その遷移途中における、高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌ付近の正電圧印加による正常な低抵抗状態が含まれる。
【０１９９】
以上の状態遷移により、ハーフＬＲの状態は解消されたので、以降は、抵抗変化素子は通常の抵抗変化となり、高抵抗状態４０１から低抵抗状態４０３へ抵抗変化させる場合は、低抵抗化書込みとして低抵抗化閾値電圧Ｖｔｈを下回る負電圧パルス印加４０６（低抵抗化書き込みステップ；つまり、負の第２の電圧印加）を、低抵抗状態４０３から高抵抗状態４０１へ抵抗変化させる場合は、高抵抗化書込みとして高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌを超える正電圧パルス印加４０５（高抵抗化書き込みステップ；つまり、正の第１の電圧印加）を、必要に応じて実施する。
【０２００】
図１７Ａに製造直後の初期状態から低抵抗状態の安定化のフローチャートを示す。本フローチャートは、図１６Ａの状態遷移図における（i）〜（ii）の詳細手段を示すもので、ウェハー検査における機能検査の最初に実施される。
【０２０１】
図１７Ａにおいて、製造直後の初期状態における選択メモリセルに対し、
（０）選択するメモリセルを初期アドレスに設定する。
（１）最初に処理４１０でフォーミング工程を実施する。
（２）次に処理４２１で低抵抗安定化書込みの為の初回の正パルス電圧Ｖｐを０．７Ｖに設定する。
（３）次に処理４１５で低抵抗安定化書込みの為の正電圧パルスをメモリセル１０５に印加する。
（４）次に判断処理４２２で正パルス電圧Ｖｐが高抵抗化書込みの正電圧パルスＶＨＲ（ここでは２．４Ｖ）に到達したかを判断し、
もし到達していたら（処理４２２で「Ｙｅｓ」）、処理４２４へ進めて最終アドレスかを判断し、
最終アドレスであれば（処理４２２で「Ｙｅｓ」）、処理を終了（４２３）し、
最終アドレスでなければ（処理４２２で「Ｎｏ」）、処理４２５にて次のアドレスにインクリメントして、上記（１）のフォーミング工程４１０から実施する。
【０２０２】
もし判断処理で正パルス電圧Ｖｐが高抵抗化書込みの正電圧パルス２．４Ｖに到達していない場合は（処理４２２で「Ｎｏ」）、処理４１４へ進める。
（５）処理４１４では正パルス電圧Ｖｐを０．１Ｖだけ上昇させて設定する。
（６）次に再度処理４１５で低抵抗安定化書込みの為の正電圧パルスをメモリセル１０５に印加する。これは上記（４）と同じ処理である。
【０２０３】
以降、判断処理４２２で正パルス電圧Ｖｐが高抵抗化書込みの正電圧パルス２．４Ｖに到達していない場合は（処理４２２で「Ｎｏ」）、（５）処理４１４→（３）処理４１５→（４）判断処理４２２が正パルス電圧を上昇しながら繰り返される。
【０２０４】
初回の正パルス電圧Ｖｐは抵抗変化の閾値電圧Ｖｔｌより低い値で、高抵抗化書込みの正電圧パルスＶＨＲ＝２．４Ｖを含めた電圧の大きさの関係は、２．４Ｖ＞Ｖｔｌ＞０．７Ｖとなる。
【０２０５】
以上の様な低抵抗状態への初期化を実施することにより、最初にＶｔｌ付近の正電圧パルスを印加することで、特性タイプ２のメモリセル状態を特性タイプ１へ遷移させることが可能となる。
【０２０６】
図１８Ａに図１７Ａのフローチャートを不揮発性記憶装置２００で実施した場合のメモリセルアクセスシーケンス図（上段）とセル電流による選択メモリセルの抵抗状態イメージ図（下段）を示す。本シーケンス図における選択メモリセルは、図１０に示されるメモリセルＭ１１としている。
【０２０７】
図１８Ａにおいて、図１７Ａのフローチャートに示される処理を実施する前は、メモリセルＭ１１は非選択の状態なので、ワード線ＷＬ０とビット線ＢＬ０とソース線ＳＬ０の初期の電圧状態は全て０Ｖである。
【０２０８】
まず、図１８Ａに示されるｔｅ期間で処理４１０のフォーミング過程（負電圧パルス印加）を実施するため、全ビット線ＢＬ０、ＢＬ１、ＢＬ２、・・・とソース線ＳＬ０にＬＲ化用電源２１２の出力電圧Ｖ２を印加し、その後ワード線ＷＬ０をトランジスタＮ１１がＯＮするのに十分な電圧ＶＤＤを印加する。この時、同一ワード線上のメモリセルＭ１１、Ｍ２１、Ｍ３１、・・・の全てがＯＮするが、ビット線及びソース線の電圧が同一なので抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ２１、Ｒ３１、・・・の抵抗変化は起こらない。次に制御回路２１０からのパルス信号ＰＬＳを書込み回路２０６が受けると、パルス信号に従って選択ビット線ＢＬ０の電圧をＶ２→０Ｖ→Ｖ２と変化させ、選択メモリセルＭ１１の抵抗状態が製造直後の高抵抗状態から低抵抗（ハーフＬＲ）の状態へと変化する。そして処理４１０の低抵抗化書込みを終了させる為に、ワード線ＷＬ０を０Ｖにし、更に全ビット線ＢＬ０、ＢＬ１、ＢＬ２、・・・とソース線ＳＬ０を０Ｖにする。
【０２０９】
次にｔｐ１〜ｔｐｎ期間で処理４１５の低抵抗安定化書込みを実施する。書込み回路２０６から出力する第１回目のパルス電圧Ｖ３１（＝Ｖ３１Ｇ−Ｖｔ）を書込み回路２０６から出力する為に、ＬＲ安定化書込み用電源２１４の出力を処理４２１でＶ３１Ｇに設定する。この時、ＬＲ安定化書込み用電源２１４の電圧選択スイッチ２３１は印加電圧コントローラ２２９の指示でスイッチ２３１ａ〜２３１ｎの内の任意の１つのスイッチ（例えば２３１ｆがＯＮで他がＯＦＦ）のみＯＮし、固定抵抗２３２を直列接続した中間ノードの電位Ｖ３１ＧをＶ３Ｇに出力する（例えば２３１ｆがＯＮの場合はノードｎＬｆの電位が出力される）。
【０２１０】
その後処理４１５の低抵抗安定化書込みにおいて、ワード線ＷＬ０をトランジスタＮ１１がＯＮするのに十分な電圧ＶＤＤを印加し、次に制御回路２１０からのパルス信号ＰＬＳを書込み回路２０６が受けると、パルス信号のパルス時間に従って選択ビット線ＢＬ０の電圧を０Ｖ→Ｖ３１→０Ｖと変化させ、選択メモリセルＭ１１の抵抗状態がより低抵抗（ＬＲ）の状態へと変化する。
【０２１１】
その後、制御回路２１０は判断処理４２２にてパルス電圧ＶｐがＶＨＲに到達したかを判断し、到達していない場合、処理４１４にて書込みパルス電圧の第２回目のパルス電圧がＶ３２（＝Ｖ３２Ｇ−Ｖｔ）を書込み回路２０６から出力する為に、低抵抗安定化書込み用電源２１４の出力を処理４２１でＶ３２Ｇに設定する。この時、低抵抗安定化書込み用電源２１４の電圧選択スイッチ２３１は印加電圧コントローラ２２９の指示でスイッチ２３１ａ〜２３１ｎの内、電圧を上昇する方向にＯＮするスイッチ選択を変更（例えば２３１ｆはＯＦＦし、２３１ｅをＯＮ）し、固定抵抗２３２を直列接続した中間ノードの電位Ｖ３２ＧをＶ３Ｇに出力する（例えば２３１ｅがＯＮの場合はノードｎＬｅの電位が出力される）。
【０２１２】
その後処理４１５の低抵抗安定化書込みにおいて、制御回路２１０からのパルス信号ＰＬＳを書込み回路２０６が受けると、パルス信号のパルス時間に従って選択ビット線ＢＬ０の電圧を０Ｖ→Ｖ３２→０Ｖと変化させ、選択メモリセルＭ１１の抵抗状態がより低抵抗（ＬＲ）の状態へと変化する。この時、ワード線ＷＬ０の電圧は第１回目から継続してＶＤＤを維持している。
【０２１３】
同様に、判断処理４２２→処理４１４→処理４１５のフローに従って、処理４１４では低抵抗安定化書込み用電源２１４の電圧選択スイッチ２３１は印加電圧コントローラ２２９の指示でスイッチ２３１ａ〜２３１ｎの内、電圧を上昇する方向にＯＮするスイッチ選択を再度変更して、Ｖ３Ｇの出力電圧を上昇させ、処理４１５にて書込み回路２０６から前回よりも上昇したパルス電圧を選択ビット線ＢＬ０に印加する。前記、判断処理４２２→処理４１４→処理４１５のフローが繰り返されるに従って、ビット線ＢＬ０に印加される書込みパルス電圧を段階的に上昇させながら、パルス電圧が高抵抗化パルス電圧Ｖ１になるまで、連続的に印加される。その間、抵抗変化素子の抵抗値の読み出しは行わないので、上記の処理は高速に実施可能である。また、パルス電圧の増加量は、図３、図６、図７より０．１Ｖ以下が望ましいが、高速化のため０．２Ｖ程度まで粗くしても問題はない。
【０２１４】
ｔｐ１〜ｔｐ（ｎ−ｋ）前の間、選択メモリセルＭ１１の抵抗状態はハーフＬＲの状態から徐々に抵抗値が低下（セル電流は上昇）し、書込みパルス電圧がＶｔｌを上回ると高抵抗状態に遷移する（図１８ＡではＶ３（ｎ−ｋ）で高抵抗状態に変化している）。
【０２１５】
以上のように、本実施の形態では、低抵抗状態にある抵抗変化素子（特に、フォーミング後の抵抗変化素子、あるいは、ハーフＬＲとなっている抵抗変化素子）に対して、低抵抗状態から高抵抗状態への変化開始電圧（高抵抗化閾値電圧）Ｖｔｌがどこにあるかは意識せずに、低い正の電圧から開始して電圧Ｖｔｌを通過するように、正の書込みパルス電圧をスイープして印加する。故に、確実にＶｔｌ付近のピーク電流状態を通ることが特徴であり、これにより特性タイプ２は解消される。つまり、ハーフＬＲをとり得る不安定な抵抗変化素子が、正常な低抵抗状態と高抵抗状態とを遷移する安定な抵抗変化素子に初期化される。
【０２１６】
上記実施の形態１では、図１８Ａの低抵抗安定化書込みシーケンスに示す様に、選択メモリセルに関係するビット線に印加する正電圧パルスは、書込みパルス電圧を順次上昇させながら連続的に印加する。
【０２１７】
前記低抵抗安定化書込み時のパルス幅は、５０ｎｓと短時間なので、電圧上昇設定の時間が長くなることは、全書換え時間が長くなることより、極力避けなければならない。
【０２１８】
低抵抗安定化書込み回路を一般的な方法として、ＨＲ化用電源２１３と同様の差動アンプタイプの電源回路を用い、その安定な電源を順次切り換える事でパルス電圧を変える手段が考えられる。しかしながらこの方式は、電圧設定に数百ｎｓ〜数μｓの時間がかかる。本低抵抗安定化書込みシーケンスは順次電圧スイープさせるだけなので、比較的簡単な構成で実現させる回路方式を検討した。
【０２１９】
上記電圧上昇を伴う連続パルス印加のインターバル時間を高速化可能な回路方式の一例を以下に記載する。
【０２２０】
低抵抗安定化書き込み回路としては、図１１に示すように、書込み回路２０６内の低抵抗安定化書込み回路２３６と低抵抗安定化書込み用電源２１４とで構成される。各回路の構成と動作を次に説明する。低抵抗安定化書込み回路２３６は、パルス信号ＰＬＳを受けるとＶＤＤを電源として出力ＶＰＬＳに０Ｖ→ＶＤＤ→０Ｖの書込みパルスを出力するドライバ２３３と、ドライバ２３３の出力ＶＰＬＳを一方の拡散ノード（例えばドレイン）に接続し、ＶＤＤをクランプした電圧をもう一方の拡散ノード（例えばソース）に出力するＮチャネルトランジスタ２３４とで構成される。Ｎチャネルトランジスタ２３４のソース側端子（出力端子ＤＴ）に出力される電圧は、Ｎチャネルトランジスタ２３４の閾値をＶｔとし、ゲート電圧をＶ３Ｇとすると、Ｖ３Ｇ−Ｖｔとなる（ただし、Ｖ３Ｇ−Ｖｔ≦ＶＤＤの場合）。
【０２２１】
従って、出力端子ＤＴに出力されるクランプ電圧はゲート電圧Ｖ３Ｇで決まるので、出力すべき電圧に従ってゲート電圧Ｖ３Ｇを設定すれば良い。
【０２２２】
低抵抗安定化書込みにおいて出力端子ＤＴへのパルス出力のＨｉｇｈ側電圧レベルはパルス印加を行う度に出力Ｖ３Ｇの電圧変動量ΔＶだけ上昇させ、パルス印加のインターバル時間を短くする為には、本ゲート電圧の設定を短時間で完了することが重要である。それを可能とするのが低抵抗安定化書込み用電源２１４で、その内部構成は、ＶＰＰ端子とグランド端子との間に複数個の固定抵抗２３２を直列接続し、直列抵抗内の１つの中間ノードをスイッチ２３１ａ〜２３１ｎで選択出力している。その出力ノードＶ３Ｇの容量は、ＬＲ化用電源２１２の様なフィードバック接続を伴わない構成なので平滑容量を必要としないため、負荷容量としてはＮチャネルトランジスタ２３４のゲート容量のみで、多くても１００ｆＦ程度と極めて小容量である。したがって、ＶＰＰ端子とグランド端子間の直列抵抗を流れる電流を最適な電流量とすることで、中間ノード選択スイッチ２３１のＯＮするスイッチをＶＰＰ端子側へ１つ切り換え、ΔＶだけ電圧を上昇する場合の電圧設定時間は、数ｎｓ程度の極めて短い時間で完了する。例えば、Ｎチャネルトランジスタ２３４のゲート容量を１００ｆＦ、スイッチ切換えによる出力Ｖ３Ｇの電圧変動量ΔＶを０．１Ｖ、直列抵抗を流れる電流を１００μＡとし、電圧変動時に出力Ｖ３Ｇを充電する電流量を、直列抵抗を流れる電流量の１割程度１０μＡとすると、出力Ｖ３Ｇの電圧変動にかかる時間ΔＴｖは、１００ｆＦ×０．１Ｖ／１０μＡ＝１ｎｓとなる。
【０２２３】
この様に低抵抗安定化書込みにおけるパルス電圧の設定は、パルス印加時間に対して極めて短い時間で完了するので、図１８Ａの低抵抗安定化書込みシーケンスは、（一回のパルス印加時間＋ΔＴｖ）×パルス数で決まり、極めて短い時間で完了させることができる。
【０２２４】
更に、低抵抗安定化書込みシーケンスでのスイッチ２３１の選択は、パルスが印加される毎にＶ３Ｇ出力電圧をΔＶ上昇させる為に、一つＶＰＰに近い側のスイッチへシフトさせるだけなので、印加電圧コントローラ２２９の制御はその出力信号を順次インクリメントさせるだけでよく、印加電圧コントローラ２２９はシフトレジスタといった簡易な構成で実現可能となる。
【０２２５】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２における抵抗変化素子の書き込み方法及び不揮発性記憶装置について説明する。
【０２２６】
図６（ｃ）の様に、製造直後の初期に低抵抗安定化書込みを実施した後でも稀に低抵抗状態がハーフＬＲになる場合が存在する。その様な場合、誤読み出しの判定がされる可能性がある。一つの対処法はＥＣＣの様なエラー訂正を用いる方法、もう一つは、不揮発メモリで一般的な、書込み時にベリファイを行い、不良と判定された場合は、追加書込み（低抵抗安定化書込み）をする方法がある。ここでは、後者のベリファイと追加書込み（低抵抗安定化書込み）をする方法について説明する。
【０２２７】
低抵抗化書込みを行った後、低抵抗状態を判定し、ハーフＬＲ状態、つまり図６（ｃ）の様な異常な状態になった場合は、再度低抵抗安定化書込みを実施して解消する必要がある。
【０２２８】
正負交互のパルス印加に抵抗変化を実施する中で、再度低抵抗安定化書込みを実施する場合の処理の状態遷移図を図１６Ｂに示す。
【０２２９】
図１６Ｂにおいて、正負交互のパルス印加により正常に高抵抗状態又は低抵抗状態の書換えが行われる場合は、高抵抗状態又は低抵抗状態４０１ａからＬＲ化書込み負パルス印加４０６（低抵抗化書き込みステップ；つまり、負の第２の電圧印加）により、低抵抗状態４０３に遷移（矢印（iii））する。一方、高抵抗状態又は低抵抗状態４０１ａに対しＬＲ化書込み負パルス印加４０６（低抵抗化書き込みステップ；つまり、負の第２の電圧印加）を実施した後の抵抗状態が遷移し、（i）方向のハーフＬＲ状態４０２となった場合、それを解消する為に低抵抗安定化書込みの為の正パルス上昇連続印加４０４（低抵抗安定化書き込みステップ；つまり、正の第３の電圧印加）を実施し、これによって、低抵抗状態を経て、一旦高抵抗状態４０１に戻し、再度ＬＲ化書込み負パルス印加４０６（低抵抗化書き込みステップ；つまり、負の第２の電圧印加）を実施する。その結果、先に低抵抗安定化書込み４０４を実施しているので、次は低抵抗状態４０３へ遷移する。なお、正パルス上昇連続印加４０４では、ハーフＬＲ状態４０２から高抵抗状態４０１への遷移が図示されているが、厳密には、その遷移途中における、Ｖｔｌ付近の電圧印加による低抵抗状態が含まれる。
【０２３０】
よって、ＬＲ化書込み負パルス印加４０６（低抵抗化書き込みステップ；つまり、負の第２の電圧印加）を行った後、低抵抗状態が正常か否かを判断する処理が必要である。
【０２３１】
また、低抵抗状態４０３から高抵抗状態４０１に設定する時は、ＨＲ化書込みとしてＶｔｌ以上の正電圧パルス印加４０５（高抵抗化書き込みステップ；つまり、正の第１の電圧印加）を実施する。
【０２３２】
図１７Ｂに複数のメモリセルに低抵抗化書き込みを順次実施する場合に、低抵抗状態がハーフＬＲの状態になったかを判断し、ハーフＬＲの状態になってしまった場合の解消手段としての低抵抗状態の安定化フローチャートを示す。本フローチャートは、図１６Ｂの状態遷移図において、ハーフＬＲの状態４０２になっていないかを判断する判断手段と図中の（ii）低抵抗安定化書き込み４０４の詳細手段を示すもので、通常使用の状態において実施される。
【０２３３】
図１７Ｂにおいて、選択メモリセルに対し、
（０）選択するメモリセルを先頭アドレスに設定する。
（１）処理４１０でＶｔｈを下回る低抵抗化が可能な負電圧パルスを印加して低抵抗化書込みを実施する。
（２）次に判断処理４１１で低抵抗状態がセル電流として規定電流ＩＬＲｄｅｔ以上であるか否かを図１２に示されるセンスアンプ２０４で判定する（ベリファイステップ）。そのために、センスアンプ２０４において、規定電流をＩＬＲｄｅｔに設定するために、制御回路２１０は、基準回路２５２内のゲートに入力される各信号をＣ１＝ＶＤＤ、Ｃ２＝０Ｖ、Ｃ３＝０Ｖに設定する。もし選択セルの電流が規定電流ＩＬＲｄｅｔ以上であれば、出力ＳＡＯは０Ｖを出力するので、図１０に示されるデータ出力端子Ｄｏｕｔには「０」が出力され（処理４１１で「真」）、選択セルの電流が規定電流ＩＬＲｄｅｔ未満であれば、ＳＡＯはＶＤＤを出力するので、データ出力端子Ｄｏｕｔには「１」が出力される（処理４１１で「偽」）。
【０２３４】
もしセル電流がＩＬＲｄｅｔ以上であれば、センスアンプ２０４からの出力に従ってデータ出力端子Ｄｏｕｔに「０」が出力され（処理４１１で「真」）、外部装置によって正常な低抵抗状態であると認識され、真の方向へ進めて選択メモリセルのＬＲ書込みは終了し、最終アドレスかを確認し（処理４２４）、最終アドレスではない場合は（処理４２４で「偽」）、アドレスをインクリメントして（処理４２５）、処理４１０から実施する。
【０２３５】
一方、もしセル電流がＩＬＲｄｅｔ未満であれば、センスアンプ２０４からの出力に従ってデータ出力端子Ｄｏｕｔに「１」が出力され、外部装置によって異常なハーフＬＲの状態であると認識され、処理４１１で「偽」の方向へ進み、以降の低抵抗安定化書込みフロー（処理４２１〜４１４）を実行する。
【０２３６】
低抵抗安定化書込みフローは図１７Ａの製造直後の最初の低抵抗安定化書込みフローと同一で、
（３）まず、処理４２１で低抵抗安定化書込みの為の初回の正パルス電圧Ｖｐを０．７Ｖに設定し、
（４）次に処理４１５で低抵抗安定化書込みの為の正電圧パルスをメモリセル１０５に印加し、
（５）次に判断処理４２２で正パルス電圧Ｖｐが高抵抗化書込みの正電圧パルス２．４Ｖに到達したかを判断し、
もし到達していたら（処理４２２で「真」）、処理４１０へ進めて低抵抗安定化書込みを終了とし、
もし到達していない場合は（処理４２２で「偽」）、処理４１４へ進め、
（６）処理４１４では正パルス電圧Ｖｐを０．１Ｖだけ上昇させて設定し、
（７）次に再度処理４１５で低抵抗安定化書込みの為の正電圧パルスをメモリセル１０５に印加する。これは上記（４）と同じ処理である。
【０２３７】
以降、判断処理４２２で正パルス電圧Ｖｐが高抵抗化書込みの正電圧パルスＶＨＲ（ここでは２．４Ｖ）に到達していない場合は（処理４２２で「偽」）、処理４１４→処理４１５→判断処理４２２が正パルス電圧を上昇しながら繰り返される。
【０２３８】
初回の正パルス電圧Ｖｐは抵抗変化の閾値電圧Ｖｔｌより低い値で、ＶＨＲを含めた電圧の大きさの関係は、ＶＨＲ＝２．４Ｖ＞Ｖｔｌ＞０．７Ｖとなる。
【０２３９】
以上の様な抵抗状態判定（ベリファイステップ）及び低抵抗安定化書込みの手順を実施することにより、ハーフＬＲの状態のメモリセルを低抵抗状態へ遷移させることが可能となる。
【０２４０】
図１８Ｂに図１７Ｂのフローチャートを不揮発性記憶装置２００で実施した場合のメモリセルアクセスシーケンス図（上段）とセル電流による選択メモリセルの抵抗状態イメージ図（下段）を示す。本シーケンス図における選択メモリセルは、図１０に示されるＭ１１としている。
【０２４１】
図１８Ｂにおいて、図１７Ｂのフローチャートに示される処理を実施する前は、メモリセルＭ１１は非選択の状態なので、ワード線ＷＬ０とビット線ＢＬ０とソース線ＳＬ０の初期の電圧状態は全て０Ｖである。
【０２４２】
まず、図１８Ｂに示されるｔｅ期間で処理４１０の低抵抗化書込みを実施する。この動作は図１８Ａと同一より、詳細説明は省略する。
【０２４３】
低抵抗化書込みを実施すると、高抵抗状態（ＨＲ）にあった抵抗状態が低抵抗状態に遷移するが、ハーフＬＲの状態になっていないかを判断するために、ｔｒ期間で次にセンスアンプ２０４によるベリファイ読出しを実施する。ベリファイ読出しでは、センスアンプ２０４内の基準回路２５２の設定をＣ１＝ＶＤＤ、Ｃ２＝０Ｖ、Ｃ３＝０Ｖにする。これにより判定時に判定電流ＩＬＲｄｅｔが選択ビット線に対して供給される様になる。まず、選択ビット線ＢＬ０に抵抗変化が行われない高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌ以下の電圧Ｖｒをセンスアンプ２０４からプリチャージ印加する。この時、センスアンプからのビット線電流はビット線を高速充電する目的より、高い電流能力で供給される。次に選択ワード線ＷＬ０をトランジスタＮ１１がＯＮするのに十分な電圧ＶＤＤを印加し、同時にセンスアンプからの電流能力をメモリセル状態の判定電流ＩＬＲｄｅｔに設定する。その後、選択メモリセルの抵抗状態により、ハーフＬＲの状態の場合は、ビット線電圧は降下せず、低抵抗状態の場合は、ビット線電圧は降下する。その電圧の差をセンスアンプ２０４で検知し、その結果を論理信号としてデータ出力回路２０５へ出力する。センスアンプの検知結果が低抵抗状態となればデータ出力端子Ｄｏｕｔが「０」を出力するので、外部装置は低抵抗化書込みをそこで終了し、一方、ハーフＬＲの状態の場合はデータ出力端子Ｄｏｕｔが「１」を出力するので、外部装置は次にｔｐ１以降の処理４１５の低抵抗安定化書込みシーケンスを実施する。なお、低抵抗安定化書込みシーケンス動作の詳細説明は図１８Ａに示されるものと同一により省略する。低抵抗安定化書込み終了後のメモリセルの状態は高抵抗（ＨＲ）状態となっているので、再度処理４１０の低抵抗化書込みを実施し、低抵抗状態へ遷移させる。
【０２４４】
この様にして、ハーフＬＲの状態が解消され、低抵抗状態へ修復される。
【０２４５】
以上のように、本実施の形態では、フォーミング後の抵抗変化素子については、選択メモリセルに関係するビット線に印加する正電圧パルスの電圧を順次上昇させながら連続的に印加することで高速に低抵抗の安定化書き込みが可能となり、また、このような初期化を終えて読み書きする実動作においては、低抵抗化書き込みの後でベリファイすることで、ハーフＬＲ状態が出現したときにだけ、低抵抗の安定化書き込みをしている。これにより、製造直後の初期状態にある抵抗変化素子であっても、その後の実動作における抵抗変化素子であって、ハーフＬＲ状態を回避する処理が確実に実施される。
【０２４６】
（実施の形態３）
次に、ベリファイを用いないで正電圧パルスで低抵抗安定化書き込みをする本発明の実施の形態３における抵抗変化素子の書き込み方法及び不揮発性記憶装置について説明する。
【０２４７】
図７（ｂ）、図７（ｃ）に示されるデータは、製造直後の低抵抗安定化書込みを実施しても、その後の低抵抗化書込みにおいても頻繁に特性タイプ２のハーフＬＲの状態になる場合は、前記実施の形態１に記載の修正方法では解消できないし、実施の形態２に記載の修正方法でもほぼ毎回修正工程が発生する場合があることを示唆している。
【０２４８】
我々発明者らはこの様な頻繁的な特性タイプ２の書込み特性を有するメモリセルのハーフＬＲの状態を低抵抗状態に修正する方法を検討した。
【０２４９】
図７のパルスＶ−Ｉ特性グラフに注目すると、特性タイプ２である図７（ｃ）は低抵抗化閾値電圧Ｖｔｈ以下の負電圧パルスを印加すると、セル電流が３７μＡ程度のハーフＬＲの状態で抵抗変化が止まっているが、その後、パルス電圧を正側に上昇させて行くと高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌ付近で低抵抗状態に変化している。パルス電圧がＶｔｌ付近での最大セル電流は６０μＡで、低抵抗状態と同等の電流値である。
【０２５０】
この現象から、ハーフＬＲの状態を低抵抗状態に修正する方法として、パルス電圧をＶｔｌ付近にセット（固定）して低抵抗安定化書込みを実施する、つまり、電圧を徐々に上昇させながら電圧印加を繰り返すのではなく、Ｖｔｌ付近の電圧を１回印加するだけで低抵抗安定化書き込みをする新たな方法を考案した。
【０２５１】
また、書き込みは高速であることが要求されるが、前述のベリファイ方式は低抵抗化書込みの全てのビットに対し、一旦読み出し動作を実施するので書込み速度の低下を招く。そこで、センスアンプの判定ステップを省略することにした。このような書込みの高速化も図る具体的な方法としては、負電圧パルスの低抵抗化書込みに引き続き、メモリセルの抵抗状態が、特性タイプ２の様なハーフＬＲの状態になった場合を想定して、高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌ以下の正電圧パルスを１回だけ印加する方法である。つまり、抵抗変化素子に負電圧パルスを印加し、印加後の抵抗状態を判断することなく、Ｖｔｌ以下で、かつ、Ｖｔｌに近い電圧による低抵抗安定化書き込みを１回だけ実施する。これによりハーフＬＲの状態のメモリセルを高速に低抵抗状態に変化させることができる。
【０２５２】
一方、図３（ｄ）（特性タイプ１）で分かる様に、負電圧パルスによって正常な低抵抗状態になっている抵抗変化素子に対して、Ｖｔｈ以下の負電圧パルスを印加すると、セル電流が７０μＡ程度の低抵抗状態になり、その後、パルス電圧を正側に上昇させてもＶｔｌ以下までその状態は変らない。このことから、低抵抗化の書込みパルスを印加後、メモリセルの抵抗状態が特性タイプ１の様な低抵抗状態になった場合でも、次に高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌ以下の正電圧パルスを印加しても何ら抵抗状態には影響がないので、低抵抗化の書込みパルスを印加後、抵抗状態を確認すること無く、低抵抗安定化書込みを実施しても何ら問題ない。
【０２５３】
このことから、特性タイプ２を有する不揮発性記憶装置の場合、その書換えシーケンスの１つは、図１９の状態遷移図に示す方法が効果的である。その方法は、低抵抗状態又は高抵抗状態にあるメモリセル１０５に、（i）低抵抗状態に変化させる為の低抵抗（ＬＲ）化書込みの負パルスを印加する処理４０６（低抵抗化書き込みステップ；つまり、負の第２の電圧印加）と、更に、（ii）（前記（i）の処理の結果、ハーフＬＲ状態４０２になった場合を想定して、正常な低抵抗状態４０３に変化させる為に）低抵抗（ＬＲ）安定化書込みの正パルス（Ｖｔｌ以下）を印加する処理４０７（低抵抗安定化書き込みステップ；つまり、正の第３の電圧印加）を実施する。つまり、低抵抗状態へ変化させる場合は（i）の処理の次に（ii）の処理を必ず実施する。
【０２５４】
この様に、（i）→（ii）の手段を実施することで、抵抗変化素子が特性タイプ１であるか特性タイプ２であるかに拘わらず、確実に抵抗変化素子を正常な低抵抗状態にすることができる。
【０２５５】
なお、（i）の低抵抗（ＬＲ）化書込みの負パルス印加４０６により、高抵抗状態４０１及び４０１ａから特性タイプ１の正常な低抵抗状態４０３に変化した場合であっても、正常な低抵抗状態４０３にある抵抗変化素子に対して（ii）の低抵抗（ＬＲ）安定化書込みの正パルスを印加しても正常な低抵抗状態は変らないので、（ii）を実施することに何ら問題はない。
【０２５６】
従って、特性タイプを気にすること無く、低抵抗変化の手段（i）、（ii）を実施することが出来る。
【０２５７】
なお、低抵抗状態から高抵抗状態に設定する時は、ＨＲ化書込みとしてＶｔｌ以上の正電圧パルス印加（高抵抗化書き込みステップ；つまり、正の第１の電圧印加）を実施する。
【０２５８】
（実施の形態４）
次に、抵抗変化素子を確実に高抵抗状態から低抵抗状態に遷移させる本発明の実施の形態４における抵抗変化素子の書き込み方法及び不揮発性記憶装置について説明する。
【０２５９】
まず、抵抗変化素子を確実に低抵抗状態に遷移させる手法の一つとして、ベリファイを用いる手法を説明する。
【０２６０】
図７（ｃ）（特性タイプ２）に示されるように、高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌ以下のハーフＬＲから低抵抗に変化するセル電流の変化量は、Ｖｔｌ付近において０．５Ｖのパルス電圧Ｖｐの変化でセル電流Ｉｒが３６μＡから６０μＡへと２４μＡも急峻に増加し、しかも最大電流を越えたＶｔｌより大きい電圧を印加すると、抵抗状態は高抵抗状態（セル電流の少ない状態）に変化してしまう。一旦、高抵抗状態に変化してしまうと、低抵抗化閾値電圧Ｖｔｈ以下の負電圧パルスを印加しなければ低抵抗状態に変化することが出来ないので、再度、低抵抗状態に変化させる為には、負電圧パルス印加による低抵抗（ＬＲ）化書込みから実施する必要がある。この様に、意図せず高抵抗状態になってしまったものを、再度低抵抗状態に書き直すことは、書込み時間のロスといったデメリットが生ずる。
【０２６１】
従って、低抵抗化の時に、高抵抗化することを防ぎ、確実に低抵抗状態に変化させる為に、ベリファイ（読出しによる抵抗状態の確認）判断の導入を考案した。
【０２６２】
以下のベリファイ付加による低抵抗化書込みの方法を説明する。
【０２６３】
図２０にメモリセル１０５に対するベリファイ導入時の状態遷移図を示す。
【０２６４】
図２０において、高抵抗状態又は低抵抗状態４０１ａにあるメモリセル１０５に、低抵抗状態に変化させる為の低抵抗（ＬＲ）化書込みの負パルスを印加する処理４０６（低抵抗化書き込みステップ；つまり、負の第２の電圧印加）を実施し、正常に低抵抗状態の書換えが行われる場合は、高抵抗状態又は低抵抗状態４０１ａからＬＲ化書込み負パルス印加４０６により低抵抗状態４０３に遷移（矢印（iii））する。一方、高抵抗状態の４０１ａに対しＬＲ化書込み負パルス印加４０６を実施した後の抵抗状態が遷移（i）方向のハーフＬＲ状態４０２となった場合、それを解消する為にベリファイ判定も合わせた低抵抗安定化書込み４０９（低抵抗安定化書き込みステップ；つまり、正の第３の電圧印加）を実施し、低抵抗状態４０３が達成されたところで低抵抗安定化書込みを終了する。
【０２６５】
また、低抵抗状態から高抵抗状態に設定する時は、ＨＲ化書込みとしてＶｔｌ以上の正電圧パルス印加（高抵抗化書き込みステップ；つまり、正の第１の電圧印加）を実施する。
【０２６６】
図２１にメモリセル１０５に対するベリファイ導入時の低抵抗化書込みフローチャートを示す。本フローチャートは、図２０の状態遷移図において、高抵抗状態から低抵抗状態に遷移する為の（i）、（ii）、（iii）に関連する手段の詳細を示すものである。
【０２６７】
図２１において、選択メモリセルに対し、
（０）選択するメモリセルを先頭アドレスに設定する。
（１）処理４１０にて、低抵抗状態に変化させる為に低抵抗化閾値電圧Ｖｔｈ以下の負電圧パルスを印加する低抵抗化書込みを実施する。
（２）次に判断処理４１１で低抵抗状態がセル電流として規定電流ＩＬＲｄｅｔ以上であるか否かをセンスアンプ２０４で判定する。そのために、センスアンプ２０４において、規定電流をＩＬＲｄｅｔに設定するために、制御回路２１０は、基準回路２５２内のゲートに入力される各信号をＣ１＝ＶＤＤ、Ｃ２＝０Ｖ、Ｃ３＝０Ｖに設定する。もし選択セルの電流が規定電流ＩＬＲｄｅｔ以上であれば、出力ＳＡＯは０Ｖを出力するので、図１０に示されるデータ出力端子Ｄｏｕｔには「０」が出力され（処理４１１で「真」）、選択セルの電流が規定電流ＩＬＲｄｅｔ未満であれば、出力ＳＡＯはＶＤＤを出力するので、データ出力端子Ｄｏｕｔには「１」が出力される（処理４１１で「偽」）。
【０２６８】
もしセル電流がＩＬＲｄｅｔ以上であれば、センスアンプ２０４からの出力に従ってデータ出力端子Ｄｏｕｔに「０」が出力され（処理４１１で「真」）、外部装置によって正常な低抵抗状態であると認識され、処理４１１の「真」の方向へ進めて選択メモリセルのＬＲ書込みは終了し、最終アドレスかを確認し（処理４２４）、最終アドレスではない場合は（処理４２４で「偽」）、アドレスをインクリメントして（処理４２５）、処理４１０から実施する。
【０２６９】
一方、もしセル電流がＩＬＲｄｅｔ未満であれば、センスアンプ２０４からの出力に従ってデータ出力端子Ｄｏｕｔに「１」が出力され、外部装置によって異常なハーフＬＲの状態であると認識され、処理４１１で「偽」の方向へ進み、以降の低抵抗安定化書込みフロー（処理４２１〜４１４）を実行する。
（３）処理４２１にて、低抵抗安定化書込みを実施すべく高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌ以下の正電圧Ｖｐ＝０．７Ｖをパルス電圧として設定する。
（４）処理４１５にて低抵抗安定化書込みの為の正電圧パルスを印加する。この時の正のパルス電圧は高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌよりも十分低い値（例えば図７においては０．７Ｖ）からスタートする。
（５）次に判断処理４１３にて、再度低抵抗状態に変化したかを判定する為、センスアンプ２０４でベリファイ読出しを行い、セル電流が判定レベル以上であるかをベリファイ読出しの論理値結果にて判断する。センスアンプ２０４の設定は判断処理４１１と同じである。
【０２７０】
もし、セル電流が判定電流ＩＬＲｄｅｔ以上の場合は（処理４１３で「真」、選択メモリセルの低抵抗化書込みは終了し、判断処理４２４へ進める。
（６）もし、セル電流が判定電流ＩＬＲｄｅｔ未満の場合は（処理４１３で「偽」）、処理４１４にて、正のパルス電圧Ｖｐを０．１Ｖ高く設定し、再度、上記（４）の処理４１５へ進める。
【０２７１】
処理４１５の低抵抗安定化書込みが終了したら、上記（５）と同様に、判断処理４１３のベリファイ読出し及び抵抗状態判定を実施する。
【０２７２】
以上の様に、判断処理４１３のベリファイ読み出し判定でセル電流が判定電流ＩＬＲｄｅｔ以上となるまで、処理４１４のパルス電圧上昇設定と処理４１５の低抵抗安定化書込みを繰り返して実施する。
【０２７３】
この様に、ベリファイ読出し判定４１３を付加した低抵抗安定化書込み方法により、ハーフＬＲの状態は、正常な低抵抗状態に限りなく近づけることが出来る。
【０２７４】
次に図２２において図２１のフローチャートを不揮発性記憶装置２００で実施した場合のメモリセルアクセスシーケンス図（上段）とセル電流による選択メモリセルの抵抗状態イメージ図（下段）を示す。本シーケンス図における選択メモリセルは、図１０に示されるＭ１１としている。
【０２７５】
図２２において、図２１のフローチャートに示される処理を実施する前は、メモリセルＭ１１は非選択の状態なので、ワード線ＷＬ０とビット線ＢＬ０とソース線ＳＬ０の初期の電圧状態は全て０Ｖである。
【０２７６】
まず、図２２に示されるｔｅ期間で処理４１０の低抵抗化書込み（負電圧パルス印加）を実施する。タイミングチャートの動作は図１８Ａと同一により、詳細説明は省略する。
【０２７７】
次に、抵抗状態がハーフＬＲの状態になっていないかを判断するために、ｔｒ０期間でベリファイ読出しを実施する。ベリファイ読出し動作は図１８Ｂと同一により、詳細説明は省略する。ベリファイ読出しにおけるセンスアンプの検知結果が正常な低抵抗状態となればデータ出力端子Ｄｏｕｔは「０」を出力するので、外部装置は低抵抗化書込みをそこで終了し、ハーフＬＲの状態の場合はデータ出力端子Ｄｏｕｔが「１」を出力するので、外部装置は次にｔｐ１以降の処理４１５の低抵抗安定化書込みを次に実施する。
【０２７８】
次にｔｐ１期間で処理４１５の低抵抗安定化書込みを実施する場合、前準備として、書込み回路２０６から出力する第１回目のパルス電圧Ｖ３１（＝Ｖ３１Ｇ−Ｖｔ）を書込み回路２０６から出力する為に、低抵抗安定化書込み用電源２１４の出力を処理４２１でＶ３１Ｇに設定する。この時、低抵抗安定化書込み用電源２１４の電圧選択スイッチ２３１は印加電圧コントローラ２２９の指示でスイッチ２３１ａ〜２３１ｎの内の任意の１つのスイッチ（例えば２３１ｆがＯＮで他がＯＦＦ）のみＯＮし、固定抵抗２３２を直列接続した中間ノードの電位Ｖ３１ＧをＶ３Ｇに出力する。例えば２３１ｆがＯＮの場合はノードｎＬｆの電位が出力される。
【０２７９】
その後、ｔｐ１期間の処理４１５の低抵抗安定化書込みにおいて、ワード線ＷＬ０をトランジスタＮ１１がＯＮするのに十分な電圧ＶＤＤを印加し、次に制御回路２１０からのパルス信号ＰＬＳを書込み回路２０６が受けると、パルス信号のパルス時間に従って選択ビット線ＢＬ０の電圧を０Ｖ→Ｖ３１→０Ｖと変化させ、選択メモリセルＭ１１の抵抗状態がより低い低抵抗（ＬＲ）状態へと変化する。そして低抵抗安定化書込みを終了させる為、ワード線ＷＬ０を０Ｖに戻しトランジスタＮ１１をＯＦＦさせる。
【０２８０】
次に、ｔｒ１期間で抵抗状態が正常な低抵抗状態に到達していないかを判断するために、再度ベリファイ読出しを実施する。ベリファイ読出しにおけるセンスアンプの検知結果が正常な低抵抗状態となればデータ出力端子Ｄｏｕｔは「０」を出力するので、外部装置は低抵抗化書込みをそこで終了し、ハーフＬＲの状態の場合はデータ出力端子Ｄｏｕｔが「１」を出力するので、外部装置は次にｔｐ２期間で処理４１５の低抵抗安定化書込みを実施する。
【０２８１】
次にｔｐ２期間で処理４１５の低抵抗安定化書込みを実施する場合、前準備として、書込み回路２０６から出力する電圧を第２回目のパルス電圧Ｖ３２（＝Ｖ３２Ｇ−Ｖｔ）を書込み回路２０６から出力する為に、低抵抗安定化書込み用電源２１４の出力を処理４２１でＶ３２Ｇに設定した後、処理４１５の低抵抗安定化書込みを実施する。
【０２８２】
次に、ｔｒ２期間で抵抗状態が正常な低抵抗状態に到達していないかを判断するために、再度ベリファイ読出しを実施する。ベリファイ読出しにおけるセンスアンプの検知結果が正常な低抵抗状態となればデータ出力端子Ｄｏｕｔは「０」を出力するので、外部装置は低抵抗安定化書込みをそこで終了し、ハーフＬＲの状態の場合はデータ出力端子Ｄｏｕｔが「１」を出力するので、外部装置は次にｔｐ３期間で処理４１５の低抵抗安定化書込みを実施する。
【０２８３】
この様に、低抵抗状態が判定電流ＩＬＲｄｅｔ以上の状態であるとセンスアンプで判断されるまで、順次正のパルス電圧を上昇させた低抵抗安定化書込みと、センスアンプによるベリファイ読出し判定を繰り返す。
【０２８４】
次に、抵抗変化素子を確実に低抵抗状態に遷移させる手法の一つとして、低抵抗安定化書き込みによって抵抗変化素子が高抵抗化してしまった場合に再度の低抵抗化を繰り返す手法を説明する。
【０２８５】
図７（ｂ）、図７（ｃ）の第２回目と第３回目の測定結果が示す様に、頻繁に特性タイプ２のパルスＶ−Ｉ特性となる場合があるが、その特性は毎回同一軌道をたどるわけでなく、セル電流は多少なりとも変化する。例えば図７においてＶｔｌ付近の最大のセル電流に注目すると、図７（ｂ）は７０μＡ、図７（ｃ）は６０μＡと、第２回目の図７（ｂ）方が多い。
【０２８６】
その様な特性おいて、低抵抗化ベリファイ読出し時のセル電流判定レベルが例えば６２μＡすなわち図７（ｃ）のＶｔｌ付近の低抵抗状態の最大電流以上に設定されていた場合に図２１のフローチャートを実行すると、処理４１３〜４１５のループを繰り返すとその途中で高抵抗状態に変化してしまい、処理４１３〜４１５のループを抜けられなくなる。それを回避する為、高抵抗状態になったか判断するための第２の判定レベルを設けることが効果的であると考えた。
【０２８７】
図２３に高抵抗状態を判断する第２の判定レベルを追加した低抵抗化書換えフローチャートの一例を示す。本フローチャートは、図２１の処理４１５と判断処理４１３の間に判断処理４１７を挿入したものに相当する。判断処理４１７では、選択メモリセルがセル電流判定レベルＩＨＲｄｅｔ以下の高抵抗状態に変化したか（つまり、セル電流Ｉｒ＜セル電流判定レベルＩＨＲｄｅｔか）をセンスアンプ２０４で判断し、もし高抵抗状態（出力端子Ｄｏｕｔ＝「１」）になっていなければ（処理４１７で「偽」）、低抵抗化状態になったかをセンスアンプで判断する判断処理４１３へ進め、一方、高抵抗状態になっていれば（処理４１７で「真」）、処理４１０の負パルス印加による低抵抗書込みへ戻る。他の処理ブロック及びフローは図２１と同一なので説明は省略する。
【０２８８】
本フローチャートを用いて図７のメモリセル特性の場合を一例にその動作を説明する。ここでは、低抵抗状態になったことを判断する第１のセル電流判定レベルＩＬＲｄｅｆ＝６２μＡとし、高抵抗状態になったことを判断する第２のセル電流判定レベルＩＨＲｄｅｆ＝２０μＡとし、また、図７（ｃ）に示される特性を第ｎ回目、図７（ｂ）に示される特性を第ｎ＋１回目の低抵抗化書換えとする。
【０２８９】
図２３において、選択メモリセルに対し、
（０）選択するメモリセルを先頭アドレスに設定する。
（１）次に、処理４１０により低抵抗状態に変化する。
（２）次に判断処理４１１で低抵抗状態がセル電流として規定電流ＩＬＲｄｅｔ以上であるか否かをセンスアンプ２０４で判定する。そのために、センスアンプ２０４において、規定電流をＩＬＲｄｅｔに設定するため、制御回路２１０は、基準回路２５２内のゲートに入力される各信号をＣ１＝ＶＤＤ、Ｃ２＝０Ｖ、Ｃ３＝０Ｖに設定する。
【０２９０】
もし選択セルの電流が規定電流ＩＬＲｄｅｔ以上であれば、出力ＳＡＯは０Ｖを出力するので、図１０に示されるデータ出力端子Ｄｏｕｔには「０」が出力され（処理４１１で「真」）、選択セルの電流が規定電流ＩＬＲｄｅｔ未満であれば、出力ＳＡＯはＶＤＤを出力するので、データ出力端子Ｄｏｕｔには「１」が出力される（処理４１１で「偽」）。
【０２９１】
以上のセンスアンプでの設定で低抵抗状態を判断する。メモリセルは図７（ｃ）に示される特性であるハーフＬＲの状態であるので、セル電流は３７μＡ程度で、第１のセル電流判定レベルＩＬＲｄｅｆより低いことから、センスアンプ判定結果としてデータ出力端子Ｄｏｕｔには「１」が出力され、外部装置によって処理４２１へ進められる。
（３）処理４２１では正パルス電圧Ｖｐを初期値の０．７Ｖに設定し、引き続いて処理４１５の低抵抗安定化書込みを実施し、
（４）判断処理４１７にて選択メモリセルが第２のセル電流判定レベルＩＨＲｄｅｔ以下の高抵抗状態に変化したかを判断する。そのために、センスアンプ２０４において、規定電流をＩＨＲｄｅｔに設定するために、制御回路２１０は、基準回路２５２内のゲートに入力される各信号をＣ１＝０Ｖ、Ｃ２＝０Ｖ、Ｃ３＝ＶＤＤに設定する。もし選択セルの電流が規定電流ＩＨＲｄｅｔ以上であれば、出力ＳＡＯは０Ｖを出力するので、図１０に示されるデータ出力端子Ｄｏｕｔには「０」が出力され（処理４１７で「偽」）、一方、選択セルの電流が規定電流ＩＨＲｄｅｔ未満であれば、出力ＳＡＯはＶＤＤを出力するので、データ出力端子Ｄｏｕｔには「１」が出力される（処理４１７で「真」）。
【０２９２】
もし高抵抗状態になっていない、つまり、選択セルの電流が規定電流ＩＨＲｄｅｔ以上であれば、出力ＳＡＯは０Ｖを出力するので、データ出力端子Ｄｏｕｔには「０」が出力され（処理４１７で「偽」）、外部装置によって判断処理４１３へ進む。判断処理４１３で第１のセル電流判定レベルＩＬＲｄｅｔより高いセル電流（低抵抗状態）と判断されるか（処理４１３で「真」）、または判断処理４１７で第２のセル電流判定レベルＩＨＲｄｅｔより低いセル電流（高抵抗状態）と判断される（処理４１７で「真」）まで、処理４１５〜処理４１４のループを繰り返す。その間、低抵抗安定化書込みの正のパルス電圧は順次上昇しつつ処理４１５の低抵抗安定化書込みが実施される。図７（ｃ）に示される特性における最大の低抵抗状態のセル電流は６０μＡで、第１のセル電流判定レベルＩＬＲｄｅｔ＝６２μＡより低いので、判断処理４１３のベリファイ判定条件を満足しないので「真」の方向とはならず、Ｖｐはインクリメントされ次の処理４１５〜処理４１４のループを繰り返す。そうすると正のパルス電圧（Ｖｐ）はじきにＶｔｌ以上の１．６Ｖとなり、メモリセルは高抵抗状態に変化し、判断処理４１７のベリファイ判定条件を満足して「真」の方向を指示される。この場合、次に再び処理４１０で低抵抗状態に書き戻され、図７（ｂ）に示されるハーフＬＲの状態（５４μＡ）になる。
（５）次に判断処理４１１にて低抵抗状態を判断するが、メモリセルは特性（ｂ）のハーフＬＲの状態であるので（処理４１１で「偽」）、セル電流は５４μＡ程度と第１のセル電流判定レベルＩＬＲｄｅｔより低いことから、処理４２１へ進む。
（６）処理４２１では正パルス電圧Ｖｐを初期値の０．７Ｖに設定し、処理４１５の低抵抗安定化書込みを実施し、判断処理４１７にて選択メモリセルが第２のセル電流判定レベルＩＨＲｄｅｔ以下の高抵抗状態に変化したかを判断し、もし高抵抗状態になっていないならば（処理４１７で「偽」）、判断処理４１３へ進む。判断処理４１３で第１のセル電流判定レベルＩＬＲｄｅｔより高いセル電流（低抵抗状態）と判断されるか（処理４１３で「真」）、または判断処理４１７で第２のセル電流判定レベルＩＨＲｄｅｔより低いセル電流（高抵抗状態）と判断される（処理４１７で「真」）まで、判断処理４１５〜処理４１４のループを繰り返す。その間、低抵抗安定化書込みの正のパルス電圧は順次上昇しつつ処理４１５の低抵抗安定化書込みが実施される。図７（ｂ）に示される特性における最大の低抵抗状態のセル電流は７０μＡであり、第１のセル電流判定レベルＩＬＲｄｅｔ＝６２μＡより高いので、パルス電圧上昇を伴って低抵抗安定化書込みを実施し続けると、第１のセル電流判定レベルＩＬＲｄｅｔ以上となり、判断処理４１３のベリファイ判定条件を満足して「真」の方向に進み、低抵抗化書込みは完了となり、判断処理４２４へ進める。
（７）判断処理４２４では、選択メモリセルが最終アドレスかを判断し、最終アドレスではない場合は、「偽」の方向へ進め、処理４２５にて次のアドレスへインクリメントして選択メモリセルを１つ進め、上記（１）〜（６）の処理を実施する。
【０２９３】
このように、低抵抗安定化書込みを実施する中で、メモリセルの変化ばらつき等により、高抵抗状態になった場合、再度低抵抗化書込みのフローを実施させることで、確実に低抵抗状態に設定することができる。
【０２９４】
なお、図１０の不揮発性記憶装置において、前記図２１あるいは図２３のフローチャートを実行する場合、各モードステップの判断と実行命令は、一般的には、不揮発性記憶装置２００外の外部装置（図示せず）によって行われる。つまり、書込み動作の場合は、コントロール信号とアドレス信号が外部装置から指示されると、それを受けて不揮発性記憶装置２００が書込み用電源２１１により書込み電圧を設定し、書込み回路２０６や行ドライバ２０７が図１５（ａ）、図１５（ｂ）、図１５（ｃ）の書込み動作を実施する。また、ベリファイ読出しは、外部装置からのコントロール信号とアドレス信号によって選択メモリセルの選択と、センスアンプの電流判定レベル設定を含めた読み出し動作が実行され、セル電流が判定レベル以上か以下かの読出しデータが端子Ｄｏｕｔに出力される。そして、端子Ｄｏｕｔに出力されたデータを外部装置が受け取り、外部装置は分岐判断（例えばフローチャートの分岐（判断処理４１３）では端子Ｄｏｕｔに出力されたデータが「０」なら真の方向、「１」なら偽の方向）から次の動作決定及び実行命令まで実施する。
【０２９５】
しかしながら、本発明に係る不揮発性記憶装置は、そのような外部装置からの制御によって書き込みの全過程を行う装置に限られず、そのような外部装置の制御機能を内蔵した不揮発性記憶装置として実現してもよい。具体的には、図２４に示す別の不揮発性記憶装置２６０の様に、書込みデータを格納したデータ入力回路２１５の出力とセンスアンプの読出しデータを格納したデータ出力回路２０５の出力を、メモリコントローラ２６２を介して制御回路２６１へ入力し、前記外部装置が行っていた動作判定や実行命令等をメモリコントローラ２６２が代わって実行し、メモリコントローラ２６２の下で制御回路２６１が制御を行うことで、これまでの全ての図面におけるフローチャートに示す書込みの開始から完了まで（つまり、低抵抗安定化書き込み、ベリファイ読み出し、判断を含む全ての処理）を一貫して不揮発性記憶装置２６０で実行することも可能である。この場合、書込みの開始から完了までを不揮発性記憶装置内で実行されるので、外部装置を介する場合に比べ、書込み完了時間が短縮されるという効果がある。
【０２９６】
（実施の形態５）
次に、低抵抗安定化書込み電圧を簡易に設定できる本発明の実施の形態５における抵抗変化素子の書き込み方法及び不揮発性記憶装置について説明する。
【０２９７】
前記実施の形態４における、ベリファイ読み出し付加による低抵抗安定化書込みは、ハーフＬＲ状態を正常な低抵抗状態にするための正パルス(Ｖｐ)の最適な高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌが不明な為、正パルス(Ｖｐ)のスイープを、高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌよりも十分低い値からスタートさせている。その為、図２１あるいは図２３のフローチャートにおいて、処理を繰り返す回数が多くなり、低抵抗状態を設定する時間が長くなるといった課題が生じ、また、Ｖｔｌ付近の抵抗変化が急峻な為（Ｖｔｌ付近のピーク電流の電圧幅は０．４Ｖ程度）、前記実施の形態４に記載の様なベリファイを用いた方法では、制御が難しいといった課題が生じる。
【０２９８】
我々発明者らは、本課題を解決すべく、低抵抗安定化書込み時の正パルスの最適な電圧値Ｖｔｌを事前に知る方法について検討した。
【０２９９】
上記課題を解決する為に、図１に示す様な２端子で構成される単体の抵抗変化素子の特徴的な特性に注目した。
【０３００】
図２５（ａ）、図２５（ｂ）は単体の抵抗変化素子に対するパルスＶ−Ｉ特性グラフを示す。図２５（ａ）は、特性タイプ２の抵抗変化素子特性であり、図２５（ｂ）は、特性タイプ１の抵抗変化素子特性である。低抵抗状態から高抵抗状態へ変化する閾値電圧Ｖｔｒｌは、図２５（ａ）、図２５（ｂ）何れの特性も２．０（Ｖ）程度であり、これより大きい電圧のパルスを印加すると高抵抗状態に変化している。図２５（ａ）の特性タイプ２においては、電圧Ｖｔｒｌ時に最小の低抵抗状態となっている。
【０３０１】
我々発明者らは、数々のサンプルの本特性グラフを取得する中で、前記低抵抗状態から高抵抗状態へ変化する高抵抗化閾値電圧Ｖｔｒｌの大きさが、低抵抗化のための負パルス電圧（−Ｖｐｒｌ）の大きさと概ね同じであることに気付いた。つまり、式１の関係にある。
【０３０２】
｜Ｖｔｒｌ｜＝｜−Ｖｐｒｌ｜  ・・・・・式１
従って、Ｖｔｒｌの電圧の大きさは、その前に低抵抗化させた時に印加した負パルス電圧の大きさから決定することができ、抵抗変化素子単体の場合は、Ｖｔｒｌ＝｜−Ｖｐｒｌ｜となる。
【０３０３】
図２６は単体の抵抗変化素子に対し、下部電極を基準にパルス電圧Ｖｐを印加したときの、抵抗変化書込み時のパルス電圧Ｖｐとパルス電流Ｉとの関係を表すＶ−Ｉ特性グラフを示す。最初、高抵抗（ＨＲ）状態（Ｏ点）にある抵抗変化素子に上部電極を基準に下部電極に電圧｜Ｖｐ｜の大きさのパルスを印加（特性グラフは下部電極を基準として示されるので印加電圧は−Ｖｐ）する。印加電圧の大きさを図中の（i）に示すように負側に大きくすると、ある電圧（Ａ点）の大きさを越えると低抵抗（ＬＲ）化の抵抗変化が起こり、図中の（ii）の特性を示す。このときパルス電圧の大きさ｜−Ｖｐｒｌ｜（特性グラフでは−Ｖｐｒｌ）を最大印加電圧として、低抵抗化をＢ点で停止させる。次に、パルス電圧の大きさを小さくして行くと、低抵抗状態は変化しないので、オーミックな特性（図中の（iii））を示しＯ点に至る。更に、下部電極を基準に上部電極に電圧｜Ｖｐ｜の大きさのパルスを印加（特性グラフは下部電極を基準として示されるので印加電圧は＋Ｖｐ）する。印加電圧の大きさを図中の（iv）に示すように正側に大きくして行くと、Ｖｔｒｌ（Ｃ点）を越えた電圧から高抵抗化（ＨＲ）の抵抗変化が起こってＤ点に至り、図中の（v）の特性を示す。その後パルス電圧の大きさをＡ点まで低下させても高抵抗状態は変わらず、図中の（vi）に示す特性となる。
【０３０４】
この様に、パルス印加電圧を変化させながら書き換え時のＶ−Ｉ特性を取得すると、その抵抗変化によって、（i）〜（vi）に示すヒステリシス特性を示す。
【０３０５】
この時、低抵抗化の最大電圧｜−Ｖｐｒｌ｜を印加した時の抵抗変化素子に流れる電流は−Ｉｐｒｌとし、低抵抗状態から高抵抗状態へ抵抗変化が開始される高抵抗化開始電圧（高抵抗化閾値電圧）Ｖｔｒｌを印加した時の抵抗変化素子に流れる電流はＩｔｒｌとする。
【０３０６】
本抵抗変化素子に関して、低抵抗変化時の最小電圧の大きさ｜−Ｖｐｒｌ｜と高抵抗化開始電圧の大きさ｜Ｖｔｒｌ｜がほぼ同じであるという特徴は先に述べた通りで、更に、低抵抗変化時の最大電圧｜−Ｖｐｒｌ｜を印加した時の電流の大きさ｜−Ｉｐｒｌ｜と高抵抗化開始電圧Ｖｔｒｌを印加した時の電流の大きさ｜Ｉｔｒｌ｜は同じであるという特徴も備えていることに気付いた。つまり式２の関係にある。
【０３０７】
｜Ｉｔｒｌ｜＝｜−Ｉｐｒｌ｜  ・・・・・式２
つまり、低抵抗状態から高抵抗状態への抵抗変化が開始される高抵抗化開始電圧の大きさ及びその時の電流の大きさは、低抵抗化を行った時に印加したパルス電圧の大きさ及びその時の電流の大きさと同じになる、といった特徴を有する。ここで、上述したように、高抵抗化開始電圧Ｖｔｒｌは、負の電圧を印加してハーフＬＲ状態となった抵抗変化素子を低抵抗状態に遷移させるＬＲ安定化書き込み（低抵抗安定化書き込み）のために印加する正の電圧に相当する。よって、低抵抗化（ハーフＬＲ化を含む）時に抵抗変化素子に流れた電流と同じ値で、かつ、逆方向の電流が流れるような正の電圧を抵抗変化素子に印加することで、ハーフＬＲ状態から正常な低抵抗状態に確実に遷移させることができる。
【０３０８】
図２の抵抗変化素子１０ａを用いた１Ｔ１Ｒ型のメモリセル１０５においても、抵抗変化素子１０ａは関係式１及び関係式２の特徴を有するので、図３においてメモリセル１０５における低抵抗安定化書込み時の正パルスの最適な電圧値Ｖｔｌ（高抵抗状化閾値電圧でもある）は、抵抗変化素子１０ａとトランジスタ１０４との書き込み時の動作点解析から求めることができる。
【０３０９】
図２７（ａ）、図２７（ｂ）に抵抗変化素子１０ａとトランジスタ１０４との書き込み時の動作点解析グラフを示す。横軸は図２に示すメモリセル１０５の端子Ｕ、Ｓ間にかかる電圧（端子Ｕを基準として端子Ｓに印加される電圧）、縦軸は端子Ｕ、Ｓ間に流れる電流（端子Ｓから端子Ｕに流れる電流）を表す。図２７（ａ）は、図２８（ａ）に示す様に、メモリセル１０５のゲート端子Ｇに電圧Ｖｇ、Ｕ端子をグランドＧＮＤ、Ｓ端子に電圧Ｖｅを印加した場合の動作点解析特性図である。つまり、図２７（ａ）は、抵抗変化素子に負の電圧を印加して低抵抗化する際の動作点解析特性図である。なお、図２８（ａ）は電圧Ｖｅが上側になる様に、図２８（ｂ）を上下反転させた構成図となっている。図２７（ａ）において、実線は抵抗変化素子１０ａの抵抗変化時の電圧−電流特性であり、抵抗変化素子は、抵抗変化時の抵抗変化素子１０ａの２端子間電圧が抵抗変化閾値電圧を超える電圧が印加されると終始ＶＲが一定となる様に抵抗値が変化する特性を有している。点線はトランジスタ１０４の電圧−電流特性であり、動作点解析を見やすくする為にトランジスタのグラフ線（点線）を電圧方向に反転させ、更に基点をＶｅに合わせている。このとき抵抗変化素子１０ａの特性とトランジスタ１０４の特性との交点がメモリセル１０５のＵ−Ｓ端子間に流れるセル電流Ｉｃｅｌｌである。
【０３１０】
図２７（ｂ）は、図２８（ａ）とは電流の向きが逆の図２８（ｂ）（構成図を図２７（ａ）に対し上下反転）に示すバイアス印加方向で、メモリセル１０５のゲート端子Ｇに電圧Ｖｇ、Ｓ端子をグランドＧＮＤ、Ｕ端子に正電圧ＶＬＲＭＡＸ（上述した高抵抗化閾値電圧Ｖｔｌ、つまり、ハーフＬＲ状態の抵抗変化素子の抵抗が最も低くなる電圧）を印加した場合の動作点解析特性図である。つまり、図２７（ｂ）は、抵抗変化素子に正の電圧を印加して低抵抗の安定化書き込み（ＬＲ追加書き込み）をする際の動作点解析特性図である。実線は抵抗変化素子１０ａの電圧−電流特性で、その傾きは前記関係式１及び式２の理由により図２７（ａ）の抵抗変化素子と同一で、その特性線を電圧方向に反転させ、基点をＶＬＲＭＡＸに合わせている。点線はトランジスタ１０４の電圧−電流特性である。このとき抵抗変化素子１０ａの特性とトランジスタ１０４の特性との交点がメモリセル１０５のＵ−Ｓ端子間に流れるセル電流Ｉｃｅｌｌである。
【０３１１】
つまり、パルス電圧Ｖｅを印加して低抵抗化書き込みを実施する時は、図２７（ａ）の書き換え時の動作点解析図に示す様に、セル電流はＩｃｅｌｌが流れる。本パルス電圧Ｖｅを印加後の低抵抗状態のメモリセルに対して、先の低抵抗化書き込みとは逆極性のバイアスを印加する場合、図２８（ｂ）に示す様に、前記関係式２に従ってその時のセル電流が先の低抵抗化書き込み時と同一（つまり、Ｉｃｅｌｌ）となる様にメモリセルにパルス電圧Ｖｐを設定（ここではＶＬＲＭＡＸに設定）した場合、その電圧がメモリセル１０５の高抵抗化開始電圧Ｖｔｌとなる。
【０３１２】
この様に、低抵抗化書込み時の印加電圧からメモリセル１０５における低抵抗安定化書込み時の正パルスの最適な電圧値Ｖｔｌを求めることができる。
【０３１３】
以上の様な手段により、低抵抗安定化書込み時の正パルスの電圧が求まるので、低抵抗化書込みの電圧フローは図２９に示すように単純化することが出来る。つまり、（１）最初に処理４１０にて負電圧Ｖｅのパルス印加による低抵抗化書込みを実施し、（２）次に特性タイプ２のハーフＬＲの状態に変化した場合を想定して、前記手段（つまり、低抵抗化書き込み時のセル電流と同一の値のセル電流を流す正の電圧を求める手法）によって求めた正電圧Ｖｔｌのパルス印加による低抵抗安定化書込み４２０を実施する。正電圧Ｖｔｌは前記手段によって求めた正常な低抵抗状態に変化させる最適な電圧を設定するので、低抵抗安定化書込み４２０は一回のみの実施にて書込みは完了する。
【０３１４】
更に、低抵抗安定化書込み４２０を実施するか否かの判断を行うベリファイ判断処理４１１を挿入した低抵抗化書込みのフローチャートを図３０に示す。図３０のフローチャートは、
（１）最初に処理４１０にて負電圧Ｖｅのパルス印加による低抵抗化書込みを実施し、
（２）次に判断処理４１１にて、低抵抗状態に変化したかを判定する為のベリファイ読出しをセンスアンプ２０４にて行い、セル電流が判定レベルＩＬＲｄｅｔ以上であるかをベリファイ読出しの論理値結果を出力する端子Ｄｏｕｔ出力データにて判断する。セル電流が、判定レベルＩＬＲｄｅｔ以上の場合は、センスアンプの判定結果として「０」のデータが出力端子Ｄｏｕｔから出力され（処理４１１で「真」となり）、外部措置により低抵抗化書込みが終了となるので「真」の方向へ進み、判定レベルＩＬＲｄｅｔ以下の場合は。特性タイプ２となっているのでセンスアンプの判定結果として「１」のデータが出力端子Ｄｏｕｔから出力され（処理４１１で「偽」となり）、外部措置により「偽」の方向へ進め、
（３）前記手段によって求めた正電圧Ｖｔｌのパルス印加による低抵抗安定化書込みの処理４２０を実施する。ここでも正電圧Ｖｔｌは前記手段によって求めた正常な低抵抗状態に変化させる最適な電圧を設定するので、低抵抗安定化書込み４２０は一回のみの実施にて書込みは完了する。
【０３１５】
この様に、ベリファイ判断処理を実施することで、特性タイプ１のメモリセルの場合は追加書込み（低抵抗安定化書込み）を省略することが出来るので、全書込み時間を短縮することが可能となる。
【０３１６】
なお、図２９においては、特性タイプ２のハーフＬＲの状態に変化した場合を想定して正常な低抵抗状態に変化させる為の最適な正パルス電圧を設定する方法について述べたが、処理４１０にて負電圧Ｖｅのパルス印加による低抵抗化書込みを実施した後の高抵抗化書込み時の正パルス電圧を設定する方法にも適用可能で、その場合は、前記手段により求めた電圧Ｖｔｌよりも僅かに高い電圧（例えばＶｔｌよりも０．５Ｖ高い、Ｖｔｌ＋０．５Ｖの電圧）に設定して、正電圧のパルス印加による高抵抗化書込みを実施してもよい。
【０３１７】
更に我々発明者らは、前記手段の低抵抗化書込みパルス電圧から、選択されたメモリセルに含まれる抵抗変化素子に対して低抵抗化書き込みのための負の電圧が印加されたときに当該抵抗変化素子に流れる電流と同じ値の電流を逆方向に流すのに必要な正の電圧が当該抵抗変化素子に印加されるように、当該メモリセルに低抵抗安定化書込みパルス電圧を出力する回路を考案した。通常、１Ｔ１Ｒ型メモリセルに、逆向きに同じ電圧を印加するとメモリセルのトランジスタに発生する自己基板バイアス効果により、メモリセルに流れる電流は異なったものとなり、低抵抗化時と同じ値の電流を逆向きに流す事は困難である。
【０３１８】
図３１に、低抵抗（ＬＲ）化用電源２１２を電源とするパルス電圧発生回路５１４、前記パルス電圧発生回路５１４の出力電圧を入力とする低抵抗安定化書込み用電源２１４、前記低抵抗安定化書込み用電源２１４の出力と同じ値の電圧を出力するバッファアンプ５１２、前記バッファアンプ５１２の出力を入力電源とするドライバ５１３より構成される低抵抗安定化書き込み部の一例を示す。パルス電圧発生回路５１４は低抵抗安定化書込みパルス電圧を発生する。前記低抵抗安定化書き込み部は、ＬＲ化用電源２１２からの電源に基づいて、選択部（行選択回路２０８、列選択回路２０３）で選択されたメモリセルに含まれる抵抗変化素子に対して低抵抗化書き込みための負の電圧が印加されたときに当該抵抗変化素子に流れる電流と同じ値の電流を逆方向に流すのに必要な正の電圧が当該抵抗変化素子に印加されるように、当該メモリセルに電圧を印加する回路である。
【０３１９】
このパルス電圧発生回路５１４は、低抵抗状態における抵抗変化素子の抵抗値と同じ抵抗値をもつ抵抗素子（固定抵抗５０３及び５０５）とスイッチ素子（Ｎチャネルトランジスタ５０２及び５０６）とが、それぞれ、直列に接続された擬似メモリセル回路５０７及び５０８と、ＬＲ化用電源２１２からの電源を入力とし、低抵抗化時に選択メモリセルに印加する電圧と同じ値の電圧を、擬似メモリセル回路５０７に印加する第１バッファアンプ（差動増幅回路５００）と、擬似メモリセル回路５０７に流れる電流と同じ値の電流を発生し、発生した電流を擬似メモリセル回路５０８に印加するカレントミラー回路（Ｐチャネルトランジスタ５０１及び５０４）と、擬似メモリセル回路５０８の両端に生じた電圧を入力とし、電流増幅をすることにより、入力電圧と同じ値の電圧を出力する第２バッファアンプ（差動増幅回路５１１）と、第２バッファアンプ（差動増幅回路５１１）から出力された電圧を、複数の分圧比から選択された一つの分圧比で分圧して出力する低抵抗安定化書込み用電源２１４と、低抵抗安定化書込み用電源２１４から出力される電圧を入力とし、電流増幅をすることにより、入力電圧と同じ値の電圧を出力する第３バッファアンプ（差動増幅回路５１２）と、第３バッファアンプ（差動増幅回路５１２）から出力される電圧をもつパルスを発生する３状態ドライバ５１３とを有する。
【０３２０】
なお、擬似メモリセル回路５０７及び５０８では、抵抗素子（固定抵抗５０３及び５０５）の一の端子とスイッチ素子（Ｎチャネルトランジスタ５０２及び５０６）の一の端子とが、それぞれ、接続されているとすると、第１バッファアンプ（差動増幅回路５００）は、擬似メモリセル回路５０７を構成する抵抗素子（固定抵抗５０３）の他の端子を基準にスイッチ素子（Ｎチャネルトランジスタ５０２）の他の端子に対して電圧を印加し、カレントミラー回路（Ｐチャネルトランジスタ５０１及び５０４）は、擬似メモリセル回路５０８を構成する抵抗素子（固定抵抗５０５）の他の端子からスイッチ素子（Ｎチャネルトランジスタ５０６）の他の端子に向けて電流が流れるように、電流を印加する。
【０３２１】
図３１において、トランジスタ５０１と５０４はＰチャネルＭＯＳトランジスタ、トランジスタ５０２と５０６はメモリセル１０５内のトランジスタ１０４と同一ゲート長ゲート幅サイズのＮチャネルＭＯＳトランジスタ、抵抗５０３と５０５は正常な低抵抗状態の抵抗変化素子１０ａと同じ抵抗値のポリシリコン又は半導体基板上の拡散層で構成される配線で構成した固定抵抗である。
【０３２２】
擬似メモリセル回路５０７は、Ｎチャネルトランジスタ５０２と固定抵抗５０３とを直列接続した回路であり、メモリセル１０５の抵抗変化素子１０ａを固定抵抗５０３に置き換えた構成を有し、図２８（ａ）のメモリセルが高抵抗状態から低抵抗状態に変化する場合と同じ電流方向となる接続形態として、固定抵抗５０３側の他端がグランドに接続され、Ｎチャネルトランジスタ５０２側の一端に低抵抗化のための電圧が印加され接続構成であり、その抵抗状態は、抵抗変化素子が低抵抗状態に変化した時に相当する。つまり、抵抗変化素子とＮチャネルトランジスタとを備えたメモリセルに低抵抗化のために電圧を印加した時、抵抗変化素子が高抵抗状態から低抵抗状態に変化し、低抵抗状態に変化した後のメモリセルに流れる電流値を第１の電流値とするとき、擬似メモリセル回路５０７には、固定抵抗５０３の他端側である第１の端子を基準として、Ｎチャネルトランジスタ５０２の、固定抵抗５０３と接続されていない他端の拡散層端子である第２の端子に低抵抗化のための電圧を印加した時、第１の電流値と概ね等しい電流が流れる。
【０３２３】
一方、擬似メモリセル回路５０８は、Ｎチャネルトランジスタ５０６の拡散層の一端と、抵抗値が５０３と等しい固定抵抗５０５の一端とが接続された直列接続形態であり、Ｎチャネルトランジスタ５０６の拡散層の他端（前記第２の端子）がグランドに接続され、メモリセルの抵抗変化素子１０ａが固定抵抗５０５に置き換えられた図２８（ｂ）と同一接続（擬似メモリセル回路５０７を上下反転させた逆接続構成）の回路である。
【０３２４】
差動増幅回路５００は、Ｐチャネルトランジスタ５０１の電流量Ｉｃｅｌｌを調整してノードＮｅを低抵抗（ＬＲ）化書込み電圧Ｖｅに維持するための差動回路（オペアンプ）で、＋端子（非反転入力端子）にＬＲ化用電源２１２の出力ノードＮｉが接続され（ＬＲ化用電圧Ｖｅが入力され）、−端子（反転入力端子）にはノードＮｅをフィードバック接続されている。
【０３２５】
カレントミラー回路を構成するＰチャネルトランジスタ５０４のゲートはＰチャネルトランジスタ５０１のゲートと同様に差動増幅回路５００の出力に接続されているので、Ｐチャネルトランジスタ５０４のソース−ドレイン間電流はＰチャネルトランジスタ５０１のソース−ドレイン間電流と同一のＩｃｅｌｌが流れる。つまり、擬似メモリセル回路５０７にはノードＮｅにＬＲ化用電圧Ｖｅが印加されてＩｃｅｌｌが流れ、擬似メモリセル回路５０８にも同じＩｃｅｌｌ電流が流れ、ノードＮｐに電圧Ｖｏが発生する。本構成は図２８（ａ）と同様の擬似メモリセル回路５０７に電圧Ｖｅを印加し、その時に流れる電流Ｉｃｅｌｌと同じ電流量を図２８（ｂ）と同様の擬似メモリセル回路５０８に流したときの電圧がＶｏとしてノードＮｐに出力されるので、図２７の特性関係を回路化したものであり、出力電圧ＶｏはＶＬＲＭＡＸとなる。つまり、メモリセルに含まれる抵抗変化素子を低抵抗化するために負の電圧が印加されたときに当該抵抗変化素子に流れる電流と同じ値の電流で、かつ、逆方向の電流を当該抵抗変化素子に流すのに必要な正の電圧が得られる。
【０３２６】
前記ノードＮｐに発生した電圧Ｖｏをそのまま書込み回路２０６の出力（出力端子ＤＴの電圧）として使用するには、電流能力が小さい。また、電圧Ｖｏは図７のＶｔｌ（最大電流となるパルス電圧）となるが、Ｖｔｌより僅かに低い電圧からスタートして図２１のフローチャートに示される手順を実施する場合も想定して、更に回路を付加している。
【０３２７】
具体的には、図２１のフローチャートに示される処理を実行する為に、低抵抗安定化書込み用電源２１４を備え、その入力電源Ｖｐｐは、差動増幅回路５１１により電圧Ｖｏを電流増幅した同電位の電圧としている。容量２３７は差動増幅回路５１１の出力電圧の安定化を高める為の平滑容量である。低抵抗安定化書込み用電源２１４の出力電圧は電圧選択スイッチ２３１により、電圧Ｖｏ以下の電圧を選択的に出力し、それを差動増幅回路５１２にて電流増幅し、パルス発生用の３状態ドライバ５１３に供給する。
【０３２８】
従って本構成により、パルス電圧発生回路５１４により、高抵抗状態に変化する直前の電圧Ｖｏを生成することができ、更に、Ｖｏ以下の電圧に変換した電圧パルスを供給することが可能となる。つまり、この電圧Ｖｏは、ハーフＬＲ状態となった抵抗変化素子を確実に低抵抗化する（低抵抗安定化書き込みをする）ために抵抗変化素子に印加する正の電圧である。なお、低抵抗安定化書込み用電源２１４の出力Ｖ３Ｇを図１１と同様の低抵抗安定化書込み回路２３６に入力した書込み回路構成としても良い。
【０３２９】
また、Ｐチャネルトランジスタ５０１のゲート端子と前記Ｐチャネルトランジスタ５０４のゲート端子とを接続したカレントミラー構成において、前記Ｐチャネルトランジスタ５０４の電流能力を前記Ｐチャネルトランジスタ５０１の電流能力より大きくし、ノードＮｐに出力される電圧ＶｏがＬＲ化用電圧Ｖｅより高くなる様に構成しても良い。この場合、ノードＮｐに出力される電圧Ｖｏを基準電圧として、低抵抗状態から高抵抗状態に変化させる高抵抗化書込み時のパルス電圧を発生することも可能となる。
【０３３０】
また、前記抵抗素子の一端と前記Ｎチャネルトランジスタの拡散層の一端とを接続した構成の前記擬似メモリセルは、前記第１の端子を前記抵抗素子の他端と接続し、前記第２の端子を前記Ｎチャネルトランジスタの拡散層の他端と接続した形態で構成されるとしているが、前記第２の端子を前記抵抗素子の他端と接続し、前記第１の端子を前記Ｎチャネルトランジスタの拡散層の他端と接続した形態で構成されてもよい。第１バッファアンプ（差動増幅回路５００）は、擬似メモリセル回路５０７を構成する抵抗素子（固定抵抗５０３）の他の端子を基準にスイッチ素子（Ｎチャネルトランジスタ５０２）の他の端子に対して電圧を印加し、カレントミラー回路（Ｐチャネルトランジスタ５０１及び５０４）は、擬似メモリセル回路５０８を構成する抵抗素子（固定抵抗５０５）の他の端子からスイッチ素子（Ｎチャネルトランジスタ５０６）の他の端子に向けて電流が流れるように、電流を印加する構成としていたが、これとは逆に、第１バッファアンプ（差動増幅回路５００）は、擬似メモリセル回路５０７を構成するスイッチ素子（Ｎチャネルトランジスタ５０２）の他の端子を基準に抵抗素子（固定抵抗５０３）の他の端子に対して電圧を印加し、カレントミラー回路（Ｐチャネルトランジスタ５０１及び５０４）は、擬似メモリセル回路５０８を構成するスイッチ素子（Ｎチャネルトランジスタ５０６）の他の端子から抵抗素子（固定抵抗５０５）の他の端子に向けて電流が流れるように、電流を印加する構成としてもよい。すなわち、擬似メモリセル回路５０７では、Ｎチャネルトランジスタ５０２の他方の拡散層端子（ソース）を基準電圧（グランド）に接続し、固定抵抗５０３の他方の端子をノードＮｅに接続し、擬似メモリセル回路５０８では、Ｎチャネルトランジスタ５０６の他方の拡散層端子（ドレイン）をノードＮｐに、固定抵抗５０５の他方の端子を基準電圧（グランド）に接続する構成でもよい。
【０３３１】
また、擬似メモリセル回路５０７及び５０８内の抵抗素子は固定抵抗素子として説明したが、メモリセルと同様の抵抗変化素子で構成し、その抵抗値を、抵抗変化素子の低抵抗状態における抵抗値に設定しても良い。
【０３３２】
本回路により、低抵抗化書込みパルス電圧Ｖｅが変わってもそれに対応した低抵抗安定化書込みパルス電圧ＶＬＲＭＡＸを自動的に設定することが可能となる。
【０３３３】
また、本実施の形態は１Ｔ１Ｒ型のメモリセルを中心に説明してきたが、メモリセルの抵抗変化は抵抗変化素子によって行われるので、ヒューズ素子等への適用を目的とした抵抗変化素子単体の記憶装置においても同様の特性が考えられ、図１６Ａ、図１６Ｂ、図１９、図２０又は図２３に示す状態遷移図やフローチャートと同様な書換えシーケンスを実施すること可能である。
【０３３４】
また、単体の抵抗変化素子のメモリセルに対する低抵抗安定化書込み用のパルス電圧発生回路は図２５の抵抗変化素子単体の特性の特徴説明から分かるように、図３１の擬似メモリセル回路５０７と５０８を単体の抵抗素子として置き換えた形態とすることで同様の効果を発揮する。
【０３３５】
更に、抵抗変化素子と整流素子（双方向ダイオード等）を直列接続したメモリセル又は擬似メモリセルにおいても同様の手法や回路が適用できることは言うまでもない。
【０３３６】
また、本発明は、本実施の形態における不揮発性記憶装置として実現できるだけでなく、この不揮発性記憶装置におけるデータ書き込みの制御という観点から見ることで、抵抗変化素子に対するデータの書き込み方法として実現することもできる。つまり、本発明は、第１電極及び第２電極を備え、第１及び第２電極間に印加する電圧の極性に応じて高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に遷移する抵抗変化素子に対するデータの書き込み方法であって、抵抗変化素子とスイッチ素子とが直列に接続された複数のメモリセルから構成されるメモリセルアレイの中から、少なくとも１つのメモリセルを選択する選択ステップと、抵抗変化素子を高抵抗状態にするための高抵抗化用電源からの電源に基づいて、選択ステップで選択されたメモリセルに含まれる抵抗変化素子を高抵抗状態にするのに必要な正の電圧が当該抵抗変化素子の第１電極を基準に第２電極に対して印加されるように、当該メモリセルに電圧を印加する高抵抗化書き込みステップと、抵抗変化素子を低抵抗状態にするための低抵抗化用電源からの電源に基づいて、選択ステップで選択されたメモリセルに含まれる抵抗変化素子を低抵抗状態にするのに必要な負の電圧が当該抵抗変化素子の第１電極を基準に第２電極に対して印加されるように、当該メモリセルに電圧を印加する低抵抗化書き込みステップと、低抵抗化用電源からの電源に基づいて、選択ステップで選択されたメモリセルに含まれる抵抗変化素子に対して低抵抗化書き込みステップによって負の電圧が印加されたときに当該抵抗変化素子に流れる電流と同じ値の電流を当該抵抗変化素子の第２電極から第１電極に流すのに必要な正の電圧が当該抵抗変化素子の第１電極を基準に第２電極に対して印加されるように、当該メモリセルに電圧を印加する低抵抗安定化書き込みステップとを有する。
【０３３７】
以上、本発明に係る抵抗変化素子の書き込み方法及び不揮発性記憶装置について、実施の形態１〜５に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない範囲で、これらの実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、これらの実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせて実現される形態も、本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０３３８】
以上説明したように、本発明に係る抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み方法及び抵抗変化型不揮発性記憶装置は、抵抗変化型不揮発性記憶装置を構成する抵抗変化素子を用いた１Ｔ１Ｒ型メモリセル等のメモリセルの低抵抗状態と高抵抗状態の抵抗変化ウィンドウを最大限に設定可能な手法及び回路であり、低抵抗状態の安定化を実現することができるので、例えば、メモリの読出し高速化や安定化、更には歩留り向上を実現するのに有用である。また、ヒューズ素子の代わりとしての状態記憶回路にも有用である。
【符号の説明】
【０３３９】
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ  抵抗変化素子（抵抗変化型不揮発性記憶素子）
１１  上部電極
１２  酸化層
１３  抵抗変化層
１４ｐ、１４ｔ  下部電極
１５  酸化層
１０４  トランジスタ
１０５  メモリセル
２００  不揮発性記憶装置（抵抗変化型不揮発性記憶装置）
２０１  メモリ本体部
２０２  メモリセルアレイ
２０３  列選択回路
２０４  センスアンプ
２０５  データ出力回路
２０６  書き込み回路
２０７  行ドライバ
２０８  行選択回路
２０９  アドレス入力回路
２１０  制御回路
２１１  書込み用電源
２１２  低抵抗（ＬＲ）化用電源
２１３  高抵抗（ＨＲ）化用電源
２１４  低抵抗（ＬＲ）安定化書込み用電源
２１５  データ入力回路
２２１  ＬＲ化用基準電圧発生器
２２２、２２５、５００、５１１、５１２  差動増幅回路
２２４  ＨＲ化用基準電圧発生器
２２６、２２７  ３状態ドライバ
２２９  印加電圧コントローラ
２３１  電圧選択スイッチ群
２３２、２４６、２４７、２４８、５０３、５０５  固定抵抗
２３３、５１３  ドライバ
２３４、２４０、２４１、２４９、２５０、２５１、５０２、５０６  Ｎチャネルトランジスタ
２３５、２４２、２４３、５０１、５０４  Ｐチャネルトランジスタ
２３６  低抵抗安定化書込み回路
２３７  平滑容量
２４５  バッファ
２６２  メモリコントローラ
３００  メモリセル
３０１  半導体基板
３０２ａ、３０２ｂ  Ｎ型拡散層領域
３０３ａ  ゲート絶縁膜
３０３ｂ  ゲート電極
３０４、３０６、３０８、３１０  ビア
３０５、３０７、３１１  配線層
３１７  トランジスタ
５０７、５０８  擬似メモリセル回路
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極及び第２電極を備え、前記第１及び第２電極間に印加する電圧の極性に応じて高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に遷移する抵抗変化型不揮発性記憶素子に対するデータの書き込み方法であって、
前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を高抵抗状態にするために、前記第１電極を基準に前記第２電極に正の第１の電圧を印加する高抵抗化書き込みステップと、
前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を低抵抗状態にするために、前記第１電極を基準に前記第２電極に負の第２の電圧を印加する低抵抗化書き込みステップと、
前記低抵抗化書き込みステップによって前記負の第２の電圧が印加された後に、前記第１電極を基準に前記第２電極に正の第３の電圧を印加することによって前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を低抵抗状態にする低抵抗安定化書き込みステップと
を含む抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み方法。
【請求項２】
前記低抵抗化書き込みステップによる負の第２の電圧印加によって、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値は、前記高抵抗状態における抵抗値である高抵抗値と前記低抵抗状態における抵抗値である低抵抗値との間の中間低抵抗値に変化する場合があり、
前記低抵抗安定化書き込みステップでは、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値を、前記中間低抵抗値から前記低抵抗値に変化させる
請求項１記載の抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み方法。
【請求項３】
前記低抵抗安定化書き込みステップでは、段階的に上昇する正の電圧を印加する
請求項２記載の抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み方法。
【請求項４】
前記低抵抗安定化書き込みステップでは、段階的に上昇する正の電圧を印加することで、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値を、前記中間低抵抗値から前記低抵抗値を経て前記高抵抗値に変化させる
請求項３記載の抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み方法。
【請求項５】
前記低抵抗安定化書き込みステップでは、予め定められた前記正の第３の電圧を１回だけ印加することによって、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値を、前記中間低抵抗値から前記低抵抗値に変化させる
請求項２記載の抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み方法。
【請求項６】
前記予め定められた正の第３の電圧は、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値が、低抵抗状態にある前記抵抗変化型不揮発性記憶素子がとり得る低抵抗値のうち最小の低抵抗値となるために印加すべき電圧以下である
請求項５記載の抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み方法。
【請求項７】
さらに、前記低抵抗化書き込みステップによって負の電圧が印加された後における前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値が前記低抵抗値であるか否かを判断する確認ステップを含み、
前記低抵抗安定化書き込みステップは、前記確認ステップで前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値が前記低抵抗値でないと判断された場合にだけ行われる
請求項２〜６のいずれか１項に記載の抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み方法。
【請求項８】
さらに、製造直後の前記抵抗変化型不揮発性記憶素子に対して前記高抵抗化書き込みステップ及び前記低抵抗化書き込みステップのいずれも行われていない場合に、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値を前記高抵抗値以上の高抵抗値からそれよりも低い抵抗値に変化させるために、前記第１電極を基準に前記第２電極に負の電圧を印加するフォーミングステップを含み、
前記低抵抗安定化書き込みステップは、前記フォーミングステップに続いて行われる
請求項２〜７のいずれか１項に記載の抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み方法。
【請求項９】
前記第３の電圧は、前記低抵抗化書き込みステップによって前記負の第２の電圧が印加されたときに前記抵抗変化型不揮発性記憶素子に流れる電流と同じ値の電流を当該抵抗変化型不揮発性記憶素子の第２電極から第１電極に流すのに必要な電圧である
請求項１又は２記載の抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み方法。
【請求項１０】
第１電極及び第２電極を備え、前記第１及び第２電極間に印加する電圧の極性に応じて高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に遷移する抵抗変化型不揮発性記憶素子に対して、製造直後の初期状態から、記憶素子として使用できる状態に変化させる初期化方法であって、
製造直後の初期状態にある抵抗変化型不揮発性記憶素子に対して、その抵抗値を下げるために、前記第１電極を基準に前記第２電極に負の第４の電圧を印加するフォーミングステップと、
前記フォーミングステップによって前記負の第４の電圧が印加された後に、前記第１電極を基準に前記第２電極に正の電圧を印加することによって前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を低抵抗状態にする低抵抗安定化書き込みステップと
を含む抵抗変化型不揮発性記憶素子の初期化方法。
【請求項１１】
前記フォーミングステップでは、前記負の第４の電圧を印加することによって、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値を、前記高抵抗状態における抵抗値である高抵抗値よりも高い抵抗値から、前記高抵抗値と前記低抵抗状態における抵抗値である低抵抗値との間の中間低抵抗値に変化させ、
前記低抵抗安定化書き込みステップでは、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値を前記中間低抵抗値から前記低抵抗値に変化させる
請求項１０記載の抵抗変化型不揮発性記憶素子の初期化方法。
【請求項１２】
前記抵抗変化型不揮発性記憶素子は、複数個あり、
前記初期化方法はさらに、前記複数個の抵抗変化型不揮発性記憶素子から一つずつ順に選択していく選択ステップを含み、
前記フォーミングステップと前記低抵抗安定化書き込みステップとは、前記選択ステップで一つの抵抗変化型不揮発性記憶素子が選択される度に行われる
請求項１０又は１１記載の抵抗変化型不揮発性記憶素子の初期化方法。
【請求項１３】
抵抗変化型不揮発性記憶素子にデータを記憶させる抵抗変化型不揮発性記憶装置であって、
第１電極及び第２電極を有し前記第１及び第２電極間に印加する電圧の極性に応じて高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に遷移する抵抗変化型不揮発性記憶素子とスイッチ素子とが直列に接続された複数のメモリセルから構成されるメモリセルアレイと、
前記メモリセルアレイの中から、少なくとも１つのメモリセルを選択する選択部と、
前記抵抗変化型不揮発性記憶素子に対してデータを書き込むための電源を供給する書き込み用電源と、
前記書き込み用電源から供給される電源に基づいて、前記選択部で選択されたメモリセルに含まれる前記抵抗変化型不揮発性記憶素子に対してデータを書き込むための電圧を印加する書き込み回路とを備え、
前記書き込み用電源は、
前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を高抵抗状態にするための電源を供給する高抵抗化用電源と、
前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を低抵抗状態にするための電源を供給する低抵抗化用電源と、
前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を追加的に安定な低抵抗状態にするための電源を供給する低抵抗安定化書き込み用電源とを有し、
前記書き込み回路は、
前記高抵抗化用電源からの電源に基づいて、前記選択部で選択されたメモリセルに含まれる前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を高抵抗状態にするのに必要な正の第１の電圧が前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の前記第１電極を基準に前記第２電極に印加されるように、当該メモリセルに電圧を印加する高抵抗化書き込み部と、
前記低抵抗化用電源からの電源に基づいて、前記選択部で選択されたメモリセルに含まれる前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を低抵抗状態にするのに必要な負の第２の電圧が前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の前記第１電極を基準に前記第２電極に印加されるように、当該メモリセルに電圧を印加する低抵抗化書き込み部と、
前記低抵抗化書き込み部による前記負の第２の電圧印加の後に、前記低抵抗安定化書き込み用電源からの電源に基づいて、前記選択部で選択されたメモリセルに含まれる前記抵抗変化型不揮発性記憶素子を低抵抗状態にするのに必要な正の第３の電圧が前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の前記第１電極を基準に前記第２電極に印加されるように、当該メモリセルに電圧を印加する低抵抗安定化書き込み部とを有する
抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項１４】
前記低抵抗安定化書き込み部は、前記低抵抗化書き込み部による前記負の第２の電圧印加によって前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値が前記高抵抗状態における抵抗値である高抵抗値と前記低抵抗状態における抵抗値である低抵抗値との間の中間低抵抗値に変化した場合に、前記正の第３の電圧印加によって前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値を前記中間低抵抗値から前記低抵抗値に変化させる
請求項１３記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項１５】
前記低抵抗安定化書き込み用電源は、複数の電圧から選択した１つの電圧を順に選択して供給することで、段階的に上昇する正の電圧を供給する
請求項１４記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項１６】
前記低抵抗安定化書き込み部は、前記低抵抗安定化書き込み用電源からの電源に基づいて段階的に上昇する正の電圧を前記抵抗変化型不揮発性記憶素子に印加することで、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値を、前記中間低抵抗値から前記低抵抗値を経て前記高抵抗値に変化させる
請求項１５記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項１７】
前記低抵抗安定化書き込み用電源は、予め定められた正の電圧を供給し、
前記低抵抗安定化書き込み部は、前記低抵抗化書き込み部による前記負の第２の電圧印加の後に、前記低抵抗安定化書き込み用電源からの電源に基づいて前記予め定められた正の第３の電圧を１回だけ前記抵抗変化型不揮発性記憶素子に印加することによって、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値を、前記中間低抵抗値から前記低抵抗値に変化させる
請求項１４記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項１８】
前記低抵抗安定化書き込み用電源は、前記予め定められた正の第３の電圧として、前記抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値が、低抵抗状態にある前記抵抗変化型不揮発性記憶素子がとり得る低抵抗値のうち最小の低抵抗値となるために印加すべき電圧以下である電圧を供給する
請求項１７記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項１９】
前記第３の電圧は、前記低抵抗化書き込み部によって前記負の第２の電圧が印加されたときに前記抵抗変化型不揮発性記憶素子に流れる電流と同じ値の電流を当該抵抗変化型不揮発性記憶素子の第２電極から第１電極に流すのに必要な電圧である
請求項１３又は１４記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項２０】
前記低抵抗安定化書き込み部は、
前記低抵抗状態における抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値と同じ抵抗値をもつ抵抗素子とスイッチ素子とが直列に接続された第１及び第２擬似メモリセルと、
前記低抵抗化用電源からの電源を入力とし、前記低抵抗化書き込み部が前記メモリセルを低抵抗化する時に印加する電圧と同じ値の電圧を、前記第１擬似メモリセルに印加する第１バッファアンプと、
前記第１擬似メモリセルに流れる電流と同じ値の電流を発生し、前記発生した電流を前記第２擬似メモリセルに印加するよう電流を制御する端子を有するカレントミラー回路と、
前記第２擬似メモリセルの両端に生じた電圧を入力とし、入力された前記電圧と同じ値の電圧を出力する第２バッファアンプとを有する
請求項１９記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項２１】
前記第１バッファアンプは、非反転入力端子が前記低抵抗化用電源に接続され、反転入力端子が第１擬似メモリセルに接続され、出力端子が前記カレントミラー回路における前記電流を制御する端子に接続された差動増幅回路である
請求項２０記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項２２】
前記第１及び第２擬似メモリセルでは、前記抵抗素子の一の端子と前記スイッチ素子の一の端子とが接続され、
前記第１バッファアンプは、前記第１擬似メモリセルを構成する抵抗素子の他の端子を基準に当該第１擬似メモリセルを構成するスイッチ素子の他の端子に対して、前記電圧を印加し、
前記カレントミラー回路は、前記第２擬似メモリセルを構成する抵抗素子の他の端子から当該第２擬似メモリセルを構成するスイッチ素子の他の端子に向けて電流が流れるように、前記電流を印加する
請求項２０記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項２３】
前記第１及び第２擬似メモリセルでは、前記抵抗素子の一の端子と前記スイッチ素子の一の端子とが接続され、
前記第１バッファアンプは、前記第１擬似メモリセルを構成するスイッチ素子の他の端子を基準に当該第１擬似メモリセルを構成する抵抗素子の他の端子に対して、前記電圧を印加し、
前記カレントミラー回路は、前記第２擬似メモリセルを構成するスイッチ素子の他の端子から当該第２擬似メモリセルを構成する抵抗素子の他の端子に向けて電流が流れるように、前記電流を印加する
請求項２０記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項２４】
前記第１及び第２擬似メモリセルに含まれるスイッチ素子は、ＭＯＳトランジスタであり、同一のゲート長及びゲート幅で構成されるゲートを有する
請求項２０記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項２５】
前記第１及び第２擬似メモリセルに含まれる抵抗素子は、ポリシリコン又は半導体基板上の拡散層で構成される配線で構成される
請求項２０記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項２６】
前記第１及び第２擬似メモリセルに含まれる抵抗素子は、前記低抵抗状態における抵抗変化型不揮発性記憶素子の抵抗値と同じ抵抗値に設定された可変抵抗素子である
請求項２０記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項２７】
前記カレントミラー回路は、ゲートどうしが接続された第１及び第２ＭＯＳトランジスタから構成され、
前記第１ＭＯＳトランジスタは、前記第１擬似メモリセルに接続され、
前記第２ＭＯＳトランジスタは、前記第２擬似メモリセルに接続され、前記第１ＭＯＳトランジスタよりも大きな電流能力を有する
請求項２０記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【請求項２８】
前記低抵抗安定化書き込み部はさらに、
前記第２バッファアンプから出力された電圧を、複数の分圧比から選択された一の分圧比で分圧して出力する低抵抗安定化書き込み用電源と、
前記低抵抗安定化書き込み用電源から出力される電圧を入力とし、入力された前記電圧と同じ値の電圧を出力する第３バッファアンプとを有する
請求項２０記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【国際調査報告】
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