(57)【要約】【課題】ストレージ要素に可変抵抗を使用する不揮発性記憶装置及びその動作方法を提供する。【解決手段】この装置は、第１電極１２及び第２電極１４を含み、第１電極１２及び第２電極１４の間に可変抵抗体１６が介される。可変抵抗体１６は、臨界電圧を有すると共に、臨界電圧以上の電圧で抵抗−電圧の特性がスイッチングされ、スイッチングの後の読み出し電圧に対する抵抗値がスイッチングの前より大きいことを特徴とする。不揮発性記憶装置の動作方法は、初期臨界電圧より高い複数の書き込み電圧を設定し、各書き込み電圧からスイッチングされた状態にデータ値を与えることを含む。初期臨界電圧より低い電圧の読み出し電圧を設定し、読み出し電圧から可変抵抗体１６を通じて流れる電流を測定してデータ値を識別する。【選択図】 図８
2008124471.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極及び第２電極と、
前記第１電極及び前記第２電極の間に介された可変抵抗体とを含み、
前記可変抵抗体は、臨界電圧を有すると共に、前記臨界電圧以上の電圧で抵抗−電圧の特性がスイッチングされ、スイッチングの後の電圧に対する抵抗値がスイッチングの前より大きいことを特徴とする不揮発性記憶装置。
【請求項２】
前記可変抵抗体の厚さは、５Åから１５Åであることを特徴とする請求項１に記載の不揮発性記憶装置。
【請求項３】
前記可変抵抗体の大きさは、１０ｎｍから６０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の不揮発性記憶装置。
【請求項４】
前記可変抵抗体は、マグネシウム酸化膜、ハフニウム酸化膜、ジルコニウム酸化膜、チタニウム酸化膜及びシリコン酸化膜の中で選択される何れか一つ又は二つ以上が積層されることを特徴とする請求項１に記載の不揮発性記憶装置。
【請求項５】
前記可変抵抗体の臨界電圧は、スイッチングされた後上がることを特徴とする請求項１に記載の不揮発性記憶装置。
【請求項６】
前記可変抵抗体に印加される電圧が臨界電圧より低い第１電圧まで上がった後、下がる時に、前記第１電圧から下がる区間の抵抗値は、前記第１電圧に上がる区間の電圧−抵抗曲線にそって回帰することを特徴とする請求項１に記載の不揮発性記憶装置。
【請求項７】
前記可変抵抗体に印加される電圧が臨界電圧以上のスイッチング電圧まで上がった後、下がる時にスイッチングされ、
前記スイッチング電圧から下がる区間の抵抗値は、前記スイッチング電圧に上がる区間の電圧−抵抗曲線とは、異なる経路にそって回帰することを特徴とする請求項６に記載の不揮発性記憶装置。
【請求項８】
電圧−抵抗曲線で、電圧が下がる区間の抵抗値は、前記スイッチング電圧に上がる区間の抵抗値より大きいことを特徴とする請求項７に記載の不揮発性記憶装置。
【請求項９】
第１臨界電圧以上のスイッチング電圧を印加する時、前記可変抵抗体の臨界電圧は、第２臨界電圧に上がることを特徴とする請求項７に記載の不揮発性記憶装置。
【請求項１０】
臨界電圧が前記第２臨界電圧に上がった後、
印加電圧が前記第２臨界電圧以下の第２電圧まで上がった後、下がる時に、前記第２電圧から下がる区間の抵抗値は、前記第２電圧に上がる区間の電圧−抵抗曲線にそって回帰することを特徴とする請求項９に記載の不揮発性記憶装置。
【請求項１１】
前記可変抵抗体に印加される電圧が前記第２臨界電圧以上の第２スイッチング電圧まで上がった後、下がる時に、２次スイッチングされ、
前記第２スイッチング電圧から下がる区間の抵抗値は、前記第２スイッチング電圧に上がる区間の電圧−抵抗曲線とは、異なる経路にそって回帰することを特徴とする請求項９に記載の不揮発性記憶装置。
【請求項１２】
電圧−抵抗曲線で、前記印加電圧が下がる区間の抵抗値は、前記スイッチング電圧に上がる区間の抵抗値より大きいことを特徴とする請求項１１に記載の不揮発性記憶装置。
【請求項１３】
前記第２スイッチング電圧が印加される時、前記可変抵抗体の臨界電圧は、第３臨界電圧に上がることを特徴とする請求項１１に記載の不揮発性記憶装置。
【請求項１４】
前記第３臨界電圧は、前記第２スイッチング電圧であることを特徴とする請求項１１に記載の不揮発性記憶装置。
【請求項１５】
前記可変抵抗体は、電流−電圧の特性を表し、
前記可変抵抗体に印加される電圧が前記臨界電圧より低い第１電圧まで上がった後、下がる時に、
前記第１電圧から下がる区間の電流値は、前記第１電圧に上がる区間の第１電流−電圧曲線にそって回帰し、
前記臨界電圧以上のスイッチング電圧まで上がった後、下がる時に、
前記スイッチング電圧から下がる区間の電流値は、前記第１電流−電圧曲線とは、異なる第２電流−電圧曲線にそって回帰することを特徴とする請求項１に記載の不揮発性記憶装置。
【請求項１６】
前記臨界電圧より低い読み出し電圧から電流値を測定してデータを識別することを特徴とする請求項１５に記載の不揮発性記憶装置。
【請求項１７】
前記第１電流−電圧曲線から、前記読み出し電圧に対する第１電流値と、前記第２電流−電圧曲線から、前記読み出し電圧に対する第２電流値に、各々データ値を与えることを特徴とする請求項１６に記載の不揮発性記憶装置。
【請求項１８】
前記可変抵抗体がスイッチングされた後、臨界電圧より高い反対極性の電圧を印加する時、前記抵抗−電圧曲線は、初期化されることを特徴とする請求項１に記載の不揮発性記憶装置。
【請求項１９】
ストレージのノードとして可変抵抗体を含み、
前記可変抵抗体は、抵抗−電圧の特性がスイッチングされる臨界電圧を有し、
前記可変抵抗体に印加される電圧が前記臨界電圧より低い第１電圧まで上がった後、下がる時に、抵抗−電圧曲線から電圧が下がる区間の抵抗値は、電圧が上がる区間にそって回帰し、
前記臨界電圧以上のスイッチング電圧まで上がった後、下がる時に、抵抗−電圧曲線から前記電圧が上がる区間の抵抗値より電圧が下がる区間の抵抗値が大きく、
前記臨界電圧以上の電圧が印加される時に、臨界電圧が上がることを特徴とする不揮発性記憶装置。
【請求項２０】
前記スイッチング電圧が印加される時に、前記臨界電圧は、スイッチング電圧に上がることを特徴とする請求項１９に記載の不揮発性記憶装置。
【請求項２１】
前記スイッチング電圧が印加された後、変化された臨界電圧は、前記スイッチング電圧の大きさに比例して上がることを特徴とする請求項１９に記載の不揮発性記憶装置。
【請求項２２】
前記可変抵抗体の臨界電圧が変化された後、
変化された臨界電圧より低い第２電圧まで印加電圧が上がった後、下がる時に、抵抗−電圧曲線から電圧が下がる区間の抵抗値は、電圧が上がる区間にそって回帰し、
変化された臨界電圧以上の第２スイッチング電圧まで印加電圧が上がった後、下がる時に、抵抗−電圧曲線から電圧が上がる区間の抵抗値より電圧が下がる区間の抵抗値が大きく、
前記変化された臨界電圧より高い電圧が印加される時に、臨界電圧が上がることを特徴とする請求項２１に記載の不揮発性記憶装置。
【請求項２３】
前記臨界電圧以上のスイッチング電圧まで印加電圧が上がった後、下がる時に、
電圧が上がる区間と電圧が下がる区間の抵抗値の差は、前記スイッチング電圧の大きさに比例して増加することを特徴とする請求項１９に記載の不揮発性記憶装置。
【請求項２４】
ストレージのノードとして可変抵抗体を含み、前記可変抵抗体は、抵抗−電圧の特性がスイッチングされる臨界電圧を有し、臨界電圧より高いスイッチング電圧まで印加電圧が上がる時、印加電圧に比例して臨界電圧が上がり、
臨界電圧より低い電圧まで印加電圧が上がった後、下がる時に、電圧が下がる区間の抵抗値は、電圧が上がる区間にそって回帰し、
前記臨界電圧以上のスイッチング電圧まで印加電圧が上がった後、下がる時に、電圧が下がる区間の抵抗値は、電圧が上がる区間の抵抗値より大きい経路にそって回帰する不揮発性記憶装置に於いて、
前記初期臨界電圧より高い複数の書き込み電圧を設定する段階、
各書き込み電圧からスイッチングされた状態にデータ値を与える段階、
前記初期臨界電圧より低い電圧の読み出し電圧を設定する段階、
前記読み出し電圧から前記可変抵抗体を通じて流れる電流を測定して前記データ値を識別する段階を含む不揮発性記憶装置の動作方法。
【請求項２５】
前記可変抵抗体に反対極性の消去電圧を印加して前記可変抵抗体の抵抗値及び臨界電圧を初期化する段階を含む請求項２４に記載の不揮発性記憶装置の動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその動作方法に関するもので、詳しくは、ストレージとして可変抵抗を使用する不揮発性記憶装置及びその動作方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、様々な分野に応用できる半導体装置に対する要求が高まっており、大容量、小型化、低電力で高速の動作及び高い集積度等の要求に対応できる記憶装置に対する研究が活発である。
例えば、ＦｅＲＡＭ（強誘電体ＲＡＭ）、ＭＲＡＭ（磁気ＲＡＭ）及びＯＵＭ（Ｏｖｏｎｉｃ  Ｕｎｉｆｉｅｄ  ＲＡＭ）の様な構造等が次世代の不揮発性記憶装置として提案されている。ＦｅＲＡＭは、強誘電体の自発分極の現象を利用して、低い消費電力、高速動作の利点があるが、高い費用とデータのリテンションの面で問題点がある。ＭＲＡＭは、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ；Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  Ｅｆｆｅｃｔ）を利用する強磁性トンネリング素子として磁化反転の為の消費電力が高く、高集積化に限界がある。ＯＵＭの様なＰＲＡＭは、スイッチング電流の為の消費電力が高い短所がある。
【０００３】
これらに比べて向上された技術として、電気パルス誘導抵抗効果（ＥＰＩＲ；Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｐｕｌｓｅ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  Ｅｆｆｅｃｔ）を利用するＲＲＡＭが知られている。ＲＲＡＭは、低い消費電力と高集積化及び幅広い抵抗変化によるマルチビットの実現等に長所がある。
ＥＰＩＲ素子は、その中心に３ｄ遷移金属元素を有する酸素８面体のネットワークを基にするペロブスカイトの構造を有するＰｒ１−ｘＣａｘＭｎＯ３（ＰＣＭＯ）、Ｌａ１−ｘＣａｘＭｎＯ３、Lａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３、Ｇｄ０．７Ｃａ０．３ＢａＣｏ２Ｏ５+５等が可変抵抗体として利用される。ｘが０．３辺りである造成を有するＰＣＭＯが抵抗値で一番広い範囲の変化を有するものと知られている。
【０００４】
しかし、均一なペロブスカイト構造のＰＣＭＯ膜を形成することが難しく、可変抵抗体の変形等の問題で４００℃以上の高温の製造工程の適用はできない。又、抵抗のスイッチングに於いて、抵抗減少の時に１μｓ〜１００μｓのパルスと０．５Ｖ〜１０Ｖの電圧が必要であり、抵抗増加の時には、１０ｎｓ〜１０００ｎｓのパルスと、抵抗減少の時の１．５から２．５倍の電圧が必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、製造工程の熱安定性を確保し、速い動作速度及び低い電力消費が実現できる不揮発性記憶装置及びその動作方法を提供する。
又、マルチビット貯蔵及び高集積が可能であり、速い動作速度及び低い電力消費が実現できる不揮発性記憶装置及びその動作方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、可変抵抗体をストレージとして使用する不揮発性記憶装置を提供する。この装置は、第１電極及び第２電極を含み、前記第１電極及び第２電極の間に可変抵抗体が介される。前記可変抵抗体は、臨界電圧を有すると共に、前記臨界電圧以上の電圧で抵抗−電圧の特性がスイッチングされ、スイッチングの後の読み出し電圧に対する抵抗値がスイッチングの前より大きい。
【０００７】
前記可変抵抗体に印加される電圧が前記臨界電圧より低い第１電圧まで上がった後、下がる時に、抵抗−電圧のグラフ曲線から電圧が下がる区間の抵抗値は、電圧が上がる区間にそって回帰し、前記臨界電圧以上のスイッチング電圧まで上がった後、下がる時に、抵抗−電圧のグラフ曲線から前記電圧が上がる区間の抵抗値より電圧が下がる区間の抵抗値が大きい。又、前記臨界電圧以上の電圧が印加される時に、臨界電圧が上昇する。
【０００８】
本発明は、可変抵抗体をストレージとして使用する不揮発性記憶装置の動作方法を提供する。この方法は、前記初期臨界電圧より高い複数の書き込み電圧を設定し、各書き込み電圧からスイッチングされた状態にデータ値を与えることを含む。前記初期臨界電圧より低い電圧の読み出し電圧を設定し、前記読み出し電圧から前記可変抵抗体を通じて流れる電流を測定して前記データ値を識別する。
（発明の効果）
【０００９】
本発明のストレージは、可変抵抗体の厚さ及びストレージセルの大きさが小さいほど有利な効果を得る。従って、記憶装置が高集積化されるほど本発明の効用は、高まる。又、１０ｎｓ以下のスイッチングの速度及びマルチビット貯蔵が可能な記憶装置が提供できる。
さらに、従来のＰＣＭＯの様なペロブスカイトの構造とは、異なる金属絶縁膜を使うので、６００℃以上の高温工程が可能であり、熱安定性が良い記憶装置が提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、添付された図面等を参考にして、本発明の実施形態を詳しく説明する。しかし、本発明は、説明される実施形態等に限定されず、他の実施形態に具体化できる。本発明の明細書及び図面の同じ符号は、同じ構成の要素を表す。
【００１１】
（一実施形態）
図８は、本発明の一実施形態による不揮発性記憶装置の概略図である。
図８を参考にすれば、本発明の不揮発性記憶装置は、第１電極１２と第２電極１４との間に可変抵抗体１６が介される構造の情報貯蔵部１００を含む。前記情報貯蔵部１００は、ＭＩＭキャパシタの構造と同様な積層構造を有する。前記情報貯蔵部１００は、基板１０の上に形成され、絶縁膜１８によって保護される。前記可変抵抗体１６は、マグネシウム酸化膜、ハフニウム酸化膜、ジルコニウム酸化膜、チタニウム酸化膜又はシリコン酸化膜等の酸化膜で形成される。本発明は、薄い厚さ、例えば、１５Å以下の絶縁膜から発生する直接トンネリングとＮＤＲ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）挙動を利用する。
【００１２】
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明による不揮発性記憶装置の抵抗−電圧の特性及び電流−電圧の特性を各々説明する為のグラフである。
図１Ａを参考にすれば、実験結果、マグネシウム酸化膜又はチタニウム酸化膜等の酸化膜は、５Åから１５Åの厚さから直接トンネリングによる漏洩が発生し、印加電圧が上がる時に、絶縁膜の破壊が起こらない時点で、ＮＤＲ挙動によって電圧の抵抗が変化することを確認した。本発明の可変抵抗体に電圧が印加される時、電圧が上がる区間（１）から臨界電圧Ｖｔまでは、抵抗が初期抵抗Ｒ0より減少する。印加電圧が上がることによって臨界電圧Ｖｔの以後には、抵抗が増加してスイッチング電圧Ｖｓでは、初期抵抗より高い抵抗値Ｒｓを表す。
【００１３】
前記スイッチング電圧Ｖｓまで印加電圧が上がった後、下がる区間（２）では、抵抗−電圧の特性がスイッチングされ、前記抵抗値は、電圧が上がる区間（１）とは、異なる経路にそって回帰する。この時、電圧下がり区間（２）の抵抗は、電圧上がり区間（１）より大きい抵抗値を有し、０Ｖ電圧の辺りで初期抵抗Ｒ0より増加したスイッチされた抵抗Ｒ1を表す。
【００１４】
図１Ａの結果によると、臨界電圧Ｖｔまでは、電流の流れを邪魔するトラップ電荷が可変抵抗体から放出されて抵抗が減少されることと推定され、臨界電圧Ｖｔの以後には、電流原因電荷のトラップによって可変抵抗体のポテンシャル障壁が高くなり、クーロンブロッケード効果（ｃｏｕｌｏｍｂ  ｂｌｏｃｋａｄｅ  ｅｆｆｅｃｔ）によって電荷の流れを邪魔するＮＤＲ挙動が発生することが推定される。しかし、ＮＤＲ挙動に関係なく、５Åから１５Åの厚さの絶縁膜から耐圧以下の直接トンネリング区間で発生する前記結果を利用して可変抵抗体をストレージとして使用できる。この時、第１電極と第１電極の面積が小さい場合、前記可変抵抗体を通じてトンネリングされる電流量が制限されて絶縁膜の耐圧が高くなる。従って、所定の電圧区間でＮＤＲ挙動を十分に利用する為には、前記可変抵抗体の面積が小さいものが好ましい。例えば、可変抵抗体の幅は、約１０ｎｍから６０ｎｍであるものが好ましい。
【００１５】
図１Ｂを参考にすれば、可変抵抗体の電流−電圧のグラフ曲線で、電圧上がり区間（ａ）から臨界電圧Ｖｔまでは、電流が臨界電流Ｉｔまで増加し、臨界電圧Ｖｔの以後の区間（ｂ）では、抵抗が増加して電流が急に減少する。前記臨界電圧Ｖｔの以後の任意のスイッチング電圧Ｖｓまで電圧が上がった後、下がる時に、電流は、スイッチング電流値Ｉｓから段々減少する。電圧下がり区間（ｃ）で、電流値は、電圧上がり区間（ａ）と異なる経路に回帰する。図１から分かる様に、抵抗がスイッチングされることによって電圧下がり区間（ｃ）で、電流値は、電圧上がり区間（ａ）の電流値より低い。
【００１６】
初期の可変抵抗体に於いて、臨界電圧Ｖｔより低い電圧まで上がった後、下がる時には、抵抗値及び電流値は、電圧上がり区間の抵抗−電圧のグラフ曲線（１）及び電流−電圧のグラフ曲線（ａ）にそって回帰する。それに比べて、前記スイッチング電圧Ｖｓから可変抵抗体がスイッチングされた後には、臨界電圧が上昇して初期臨界電圧Ｖｔを超えても前記スイッチング電圧Ｖｓより低い電圧まで上がった後、下がる時には、初期電圧の下がり区間の抵抗−電圧のグラフ曲線（２）及び電流−電圧のグラフ曲線（ｂ）にそって抵抗及び電流が回帰する。
【００１７】
前記初期臨界電圧Ｖｔより低い読み出し電圧Ｖｒから前記可変抵抗体による電流値を読み出す時に、スイッチングの前の可変抵抗体から第１電流値Ｉ0が検出され、スイッチングの後の可変抵抗体から第２電流値Ｉ1が検出される。前記第１電流値Ｉ0が検出される時、データ‘０’と判断し、前記第２電流値Ｉ1が検出される時、データ‘１’と判断して１ビットを貯蔵することが可能である。
【００１８】
臨界電圧以上に印加電圧が上がった後には、印加電圧によって回帰する経路が異なる。具体的に、スイッチング電圧が高いほど抵抗は、より高い抵抗値を有して回帰し、電流は、より低い電流値を有して回帰し、臨界電圧は、スイッチング電圧に比例して増加する。
図２Ａ及び図２Ｂは、複数のスイッチング電圧等を設定して、印加電圧による抵抗及び電流曲線を表す図面である。
【００１９】
図２Ａを参考にすれば、初期臨界電圧Ｖｔ以上の複数のスイッチング電圧Ｖ1〜Ｖ3を設定して、各々のスイッチング電圧まで印加電圧が上がった後、下がる時に、電圧下がり区間から抵抗−電圧のグラフ曲線は、電圧上がり区間の抵抗−電圧のグラフ曲線と異なる経路を表す。
例えば、第１から第３スイッチング電圧Ｖ1〜Ｖ3を設定する。初期抵抗Ｒ0から始めて第１経路（１）にそって第１スイッチング電圧Ｖ1まで上がった後、下がった場合、前記可変抵抗体の抵抗値は、第２経路（２）にそって回帰される第１スイッチされた抵抗Ｒ1であり、第２スイッチング電圧Ｖ2まで上がった後、下がった場合は、第３経路（３）にそって回帰される第２スイッチされた抵抗Ｒ2であり、第３スイッチング電圧Ｖ3まで上がった後、下がった場合は、抵抗値は、第４経路（４）にそって回帰される第３スイッチされた抵抗Ｒ3になる。
【００２０】
初期の可変抵抗体に於いて、前記臨界電圧Ｖｔより低い電圧まで印加電圧が上がった後、下がる時には、電圧上がり区間と同じ経路にそって抵抗値が回帰される。第ｎスイッチ電圧Ｖnまで印加電圧が上がった後には、臨界電圧が上昇して変更された臨界電圧より低い電圧まで上がった後、下がっても第ｎ＋１の経路にそって回帰する。
【００２１】
図２Ｂを参考にすれば、前記抵抗−電圧の特性によるスイッチング電圧の電流−電圧のグラフ曲線を表す。初期臨界電圧Ｖｔ以上の複数のスイッチング電圧Ｖnを設定すれば、各スイッチング電圧Ｖnまで印加電圧が上がった後、下がる時に、電流値は、互いに異なる経路にそって回帰し、臨界電圧も上がる。
例えば、初期電圧上がり区間で、第１経路（ａ）にそって増加した電流は、第１から第３スイッチング電圧Ｖ1〜Ｖ3まで印加電圧が上がった後、下がる時に、電流−電圧の特性がスイッチングされて、各々の第２経路（ｂ）、第３経路（ｃ）及び第４経路（ｄ）にそって回帰する。各々のスイッチング電圧によって臨界電圧が上がって、電流−電圧の特性がスイッチングされた後には、変化された臨界電圧より低い電圧が印加される時、電圧上がり区間にそって電流値が回帰する。その特性を利用することによって、可変抵抗体をマルチビットを貯蔵できるストレージに使用できる。
【００２２】
即ち、初期臨界電圧Ｖｔより低い読み出し電圧Ｖｒを設定し、前記可変抵抗体を通じて流れる電流値を測定することによって、初期可変抵抗体の電流値Ｉ0、第１スイッチされた電流値Ｉ1、第２スイッチされた電流値I2及び第３スイッチされた電流値I3に各々のデータ値を与えて２ビットを貯蔵する。
結果的に、可変抵抗体の耐圧の以下で、スイッチ電圧を分化することによってマルチビットが貯蔵できる。データを書き込みする為の印加電圧と反対極性の電圧を前記可変抵抗体に供給して、前記可変抵抗体を初期状態にリセットさせることができる。即ち、前記可変抵抗体に書き込みと反対極性のリセット電圧を印加すれば、図２Ａの（６）区間の様に抵抗が急に減少して図２Ｂの（ｅ）経路にそって電流の絶対値が急に増加して初期化される。
【００２３】
図３Ａから図３Ｄは、本発明の不揮発性記憶装置の動作方法を説明する為の図面等である。
図３Ａは、‘００’から‘０１’、図３Ｂは、‘０１’から‘１０’、図３Ｃは、‘１０’から‘１１’の書き込みを、そして、図３Ｄは、リセット過程を表す。
【００２４】
図３Ａを参考にすれば、初期状態（データ‘００’）から可変抵抗体に第１臨界電圧Ｖｔより低い任意のレベルまで印加電圧が上がった後、下がる時には、第１経路Ｉにそって電流値が上がった後、下がる。第１臨界電圧Ｖｔ以上の第１スイッチング電圧Ｖ1まで印加電圧が上がった後、下がる時には、電圧上がり区間では、第１経路Ｉに沿い、電圧下がり区間では、第２経路ＩＩに沿う。
【００２５】
第１スイッチング電圧Ｖ1からスイッチされた後には、前記可変抵抗体に電圧が印加される時、前記第２経路ＩＩにそって電流値が変化する。
前記第１臨界電圧Ｖｔより低い読み出し電圧から前記可変抵抗体を通じて流れる電流を測定した時、第１経路Ｉの第１電流値Ｉ0が検出される時にデータ‘００’と判断し、第２経路ＩＩの第２電流値Ｉ1が検出される時にデータ‘０１’と判断する。
【００２６】
図３Ｂを参考にすれば、第１スイッチング電圧Ｖ1からスイッチングされた後、可変抵抗体の臨界電圧は、第２臨界電圧Ｖｔ’に上昇する。前記第２臨界電圧Ｖｔ’は、前記第１スイッチング電圧Ｖ1以上になる。電流−電圧のグラフ曲線が前記第２経路ＩＩに沿う途中に第２臨界電圧Ｖｔ’以上では、電流値が急に減少し、前記第２臨界電圧Ｖｔ’以上の第２スイッチング電圧Ｖ２まで電圧が上がった後、下がる時には、電流−電圧のグラフ曲線は、第３経路ＩＩＩにそって回帰する。
【００２７】
前記第１臨界電圧Ｖｔより低い読み出し電圧から前記可変抵抗体を通じて流れる電流を測定した時、第２経路ＩＩの第２電流値Ｉ1が検出される時にデータ‘０１’と判断し、第３経路ＩＩＩの第３電流値Ｉ2が検出される時にデータ‘１０’と判断する。
図３Ｃを参考にすれば、第２スイッチング電圧Ｖ２からスイッチングされた後、可変抵抗体の臨界電圧は、第３臨界電圧Ｖｔ”に上がる。前記第３臨界電圧Ｖｔ”は、前記第２スイッチング電圧Ｖ２以上になる。電流−電圧のグラフ曲線が前記第３経路ＩＩＩに沿う途中に第３臨界電圧Ｖｔ”以上では、電流値が急に減少し、前記第３臨界電圧Ｖｔ”以上の第３スイッチング電圧Ｖ3まで電圧が上がった後、下がる時には、電流−電圧のグラフ曲線は、第４経路ＩＶにそって回帰する。
【００２８】
前記第１臨界電圧Ｖｔより低い読み出し電圧から前記可変抵抗体を通じて流れる電流を測定した時、第３経路ＩＩＩの第３電流値Ｉ2が検出される時のデータは、‘１０’と判断し、第４経路ＩＶの第４電流値Ｉ3が検出される時のデータは、‘１１’と判断する。
本発明の一実施形態に於いて、前記図３Ａから図３Ｃの過程を経て、可変抵抗体にデータ‘００’、‘０１’、‘１０’及び‘１１’が貯蔵できる。可変抵抗体に貯蔵されたデータ値を‘００’に初期化する為には、前記可変抵抗体に書き込み電圧と反対極性のリセット電圧を印加する。
【００２９】
図３Ｄを参考にすれば、前記可変抵抗体に書き込み電圧と反対極性のリセット電圧を印加してＮＤＲ挙動に関与したトラップ電荷及びポテンシャル障壁を初期状態にリセットさせる。前記リセット電圧は、前記可変抵抗体の耐圧以上の電圧にする。
前記実施形態に於いて、データ‘００’、‘０１’、‘１０’及び‘１１’は、順にバイナリデジットを増加させながら書き込みする。然し、スイッチング電圧によって、電流−電圧のグラフ曲線の回帰経路が異なるものを利用すると、ランダム書き込みも可能である。この時、最大のスイッチング電圧は、可変抵抗体として使用される絶縁膜の耐圧より低い耐圧に設定する。
【００３０】
（他の実施形態）
図４Ａから図４Ｃ及び図５は、本発明の他の実施形態による不揮発性記憶装置の動作方法を説明する為の図面である。
図４Ａを参考にして‘００’から‘１０’の書き込みを説明する。初期状態のデータ‘００’から第１臨界電圧Ｖｔ以上の第２スイッチング電圧Ｖ２まで印加電圧が上がった後、下がる時には、電圧上がり区間では、第１経路Ｉ’に沿い、電圧下がり区間では、第３経路ＩＩＩに沿う。第２スイッチング電圧Ｖ２からスイッチされた後には、前記可変抵抗体に電圧が印加される時、前記第３経路ＩＩＩにそって電流値が変化する。
【００３１】
前記第１臨界電圧Ｖｔより低い読み出し電圧から前記可変抵抗体を通じて流れる電流を測定した時、第１経路Ｉ’の第１電流値Ｉ0が検出される時のデータは、‘００’と判断し、第３経路ＩＩＩの第３電流値Ｉ2が検出される時のデータは、‘１０’と判断する。
図４Ｂを参考にして‘００’から‘１１’の書き込みを説明する。初期状態のデータ‘００’から第１臨界電圧Ｖｔ以上の第３スイッチング電圧Ｖ3まで印加電圧が上がった後、下がる時には、電圧上がり区間では、第１経路Ｉ”に沿い、電圧下がり区間では、第４経路ＩＶに沿う。第３スイッチング電圧Ｖ3からスイッチされた後には、前記可変抵抗体に電圧が印加される時、前記第４経路ＩＶにそって電流値が変化する。
【００３２】
前記第１臨界電圧Ｖｔより低い読み出し電圧から前記可変抵抗体を通じて流れる電流を測定した時、第１経路Ｉ”の第１電流値Ｉ0が検出される時のデータは、‘００’と判断し、第４経路ＩＶの第４電流値Ｉ3が検出される時のデータは、‘１１’と判断する。
図５を参考にして‘０１’から‘１１’の書き込みを説明する。第１スイッチング電圧Ｖ1からスイッチングされた後、可変抵抗体の臨界電圧は、第２臨界電圧Ｖｔ’に上がる。前記第２臨界電圧Ｖｔ’は、前記第１スイッチング電圧Ｖ1以上になる。電流−電圧のグラフ曲線が前記第２経路ＩＩ’に沿い、第２臨界電圧Ｖｔ’以上では、電流値が急に減少し、前記第２臨界電圧Ｖｔ’以上の第３スイッチング電圧Ｖ3まで電圧が上がった後、下がる時には、電流−電圧のグラフ曲線は、第４経路ＩＶにそって回帰する。
【００３３】
前記第１臨界電圧Ｖｔより低い読み出し電圧から前記可変抵抗体を通じて流れる電流を測定した時、第２経路ＩＩ’の第２電流値Ｉ1が検出される時のデータは、‘０１’と判断し、第４経路ＩＶの第４電流値Ｉ3が検出される時のデータは、‘１１’と判断する。
図６は、可変抵抗に印加された電圧がスイッチング電圧まで上がった後、下がった時の実験結果を表すグラフである。図７は、可変抵抗に印加された電圧のパルスがスイッチング電圧まで上がった後、下がった時の実験結果を表すグラフである。
【００３４】
前記グラフから分かる様に、電圧を上げたり、パルスの形態に印加する場合、スイッチングの特性を有し、スイッチングされた後、抵抗−電圧のグラフ曲線及び電流−抵抗曲線が変形されることが分かる。
サンプルは、横５０ｎｍ、縦１００ｎｍの大きさのストレージのセルから測定されており、ＭＲＡＭストレージの構造で可変抵抗体として厚さ７Åのマグネシウム酸化膜（ＭｇＯ）を使用した。本発明では、ＭＲＡＭストレージの構造を使用したが、可変抵抗体の両側の第１電極及び第２電極として貴金属を使用した場合、可変抵抗体の界面特性が向上される。又、酸化膜の結晶配向を向上させることによってデータの間の識別が向上できる。
【００３５】
本発明の実施形態では、スイッチングの時間を１０００ｎｓから１０ｎｓまで変化させながら測定したが、その結果は、同様であり、実施形態の結果によって推定すれば、１０ｎｓより短いスイッチングの時間でも本発明のスイッチングの特性が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１Ａ】本発明の一実施形態による不揮発性記憶装置の抵抗−電圧の特性及び電流−電圧の特性を説明する為の特性図である。
【図１Ｂ】本発明の一実施形態による不揮発性記憶装置の抵抗−電圧の特性及び電流−電圧の特性を説明する為の特性図である。
【図２Ａ】複数のスイッチング電圧を設定して、印加電圧による抵抗及び電流曲線を表す特性図である。
【図２Ｂ】複数のスイッチング電圧を設定して、印加電圧による抵抗及び電流曲線を表す特性図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による不揮発性記憶装置の動作方法を説明する為の特性図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態による不揮発性記憶装置の動作方法を説明する為の特性図である。
【図３Ｃ】本発明の一実施形態による不揮発性記憶装置の動作方法を説明する為の特性図である。
【図３Ｄ】本発明の一実施形態による不揮発性記憶装置の動作方法を説明する為の特性図である。
【図４Ａ】本発明の他の実施形態による不揮発性記憶装置の動作方法を説明する為の特性図である。
【図４Ｂ】本発明の他の実施形態による不揮発性記憶装置の動作方法を説明する為の特性図である。
【図５】本発明の他の実施形態による不揮発性記憶装置の動作方法を説明する為の特性図である。
【図６】可変抵抗に印加された電圧がスイッチング電圧まで上がった後、下がった時の実験結果を表す特性図である。
【図７】可変抵抗に印加された電圧のパルスがスイッチング電圧まで上がった後、下がった時の実験結果を表す特性図である。
【図８】本発明の一実施形態による不揮発性記憶装置の概略図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０：基板、１２：第１電極、１４：第２電極、１６：可変抵抗体、１８：絶縁膜
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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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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