JP2006351061A - Memory circuit - Google Patents
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Abstract
【課題】 大容量・低信頼性・低速で動作する多値モードと低容量・高信頼性・高速で動作する2値モードとを1つの記憶素子で切り替え可能とする場合におけるメモリ全体としての信頼性を高める。
【解決手段】 複数の抵抗状態を有し、各抵抗状態が異なった抵抗値を有する薄膜であって多値の抵抗メモリとなる第1の薄膜材料からなり、2n個の抵抗状態を用いてnビットとして動作させる多値モードと2個の抵抗状態を用いて1ビットとして動作させる2値モードとが切り替え可能なメモリセルからなる第1のメモリアレイ領域と、第2の薄膜材料を用いた2値モードで動作させるメモリセルからなる情報格納用の信頼性の高い第2のメモリアレイ領域とを設け、第2のメモリアレイ領域にデータ記憶用の第1のメモリアレイ領域の動作モードのための情報を格納する。
【選択図】 図9
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide reliability as a whole memory when a single storage element can be switched between a multi-value mode operating at a large capacity, low reliability and low speed and a binary mode operating at a low capacity, high reliability and high speed. Increase sex.
A thin film having a plurality of resistance states, each of the resistance states having a different resistance value, and made of a first thin film material serving as a multi-value resistance memory, and using 2 n resistance states. A first memory array region composed of memory cells capable of switching between a multi-value mode operated as n bits and a binary mode operated as one bit using two resistance states, and a second thin film material were used. A highly reliable second memory array region for storing information, which is composed of memory cells operated in the binary mode, and the second memory array region is for the operation mode of the first memory array region for data storage Stores the information.
[Selection] Figure 9
Description
本発明は、抵抗値が変化する材料を記憶素子として用いたメモリ回路に関する。 The present invention relates to a memory circuit using a material whose resistance value changes as a memory element.
近年、電子機器におけるデジタル技術の進展に伴い、画像などのデータを保存するため、固体記憶素子に対し容量の増大およびデータの転送の高速化の要求がますます高まりつつある。 In recent years, with the advancement of digital technology in electronic devices, in order to store data such as images, there has been an increasing demand for increased capacity and faster data transfer for solid-state storage elements.
こうした要求に対し、電気的パルスにより抵抗値が変化する材料、例えばPr1-xCaxMnO3(PCMO)、LaSrMnO3(LSMO)、GdBaCoxOy(GBCO)等を用いて固体記憶素子を構成することが米国特許第6,473,332号明細書に提案されている。これらの材料は、電気的パルスの極性により、抵抗値を増大もしくは減少させ、その結果変化した抵抗値の状態を異なる数値の記憶に用いることにより、不揮発性の記憶素子として用いるものである。
抵抗変化材料を用いた記憶素子は、1個のメモリセルに2ビット以上の多値情報を記憶させることが可能なため、大容量化の要求に応えることができるがエラーの確率は高く速度は遅い。一方、2値のモードで動作させると多値モードで動作させる場合に比べて低容量であるがエラーの確率は低く速度は速い。記憶素子が取り扱うデータの要求する特性に応じて、大容量・低信頼性・低速で動作する多値モードと低容量・高信頼性・高速で動作する2値モードとを、1つの記憶素子で可能とするため、メモリアレイ中に、2値モードで動作させるメモリセルからなる情報格納用メモリーアレイ領域を設け、該領域にデータ記憶用メモリアレイ領域の動作モードのための情報を格納することにより、複数のモードで動作させることができるが、上記Pr1-xCaxMnO3(PCMO)、LaSrMnO3(LSMO)、GdBaCoxOy(GBCO)等は、書き換え回数(Endurance特性)が十分でなく、動作モードのための情報格納用としては、信頼性が十分とはいえなかった。 A memory element using a resistance change material can store multi-value information of 2 bits or more in one memory cell, so that it can meet the demand for large capacity, but the probability of error is high and the speed is high. slow. On the other hand, when operating in the binary mode, the capacity is lower than when operating in the multi-level mode, but the error probability is low and the speed is high. Depending on the characteristics required by the data handled by the memory element, one memory element can be used for multi-value mode that operates at large capacity, low reliability, and low speed and binary mode that operates at low capacity, high reliability, and high speed. In order to make this possible, an information storage memory array area comprising memory cells operated in the binary mode is provided in the memory array, and information for the operation mode of the data storage memory array area is stored in the area. Can be operated in multiple modes, but Pr1-xCaxMnO3 (PCMO), LaSrMnO3 (LSMO), GdBaCoxOy (GBCO), etc. do not have enough number of rewrites (Endurance characteristics) and store information for operation mode For use, the reliability was not sufficient.
複数の抵抗状態を有し、各抵抗状態が異なった抵抗値を有する薄膜であって多値の抵抗メモリとなる第1の薄膜材料からなり、2n個の抵抗状態を用いてnビットとして動作させる多値モードと2個の抵抗状態を用いて1ビットとして動作させる2値モードとが切り替え可能なメモリセルからなる第1のメモリアレイ領域と、第2の薄膜材料を用いた2値モードで動作させるメモリセルからなる情報格納用の信頼性の高い第2のメモリアレイ領域とを設け、第2のメモリアレイ領域にデータ記憶用の第1のメモリアレイ領域の動作モードのための情報を格納する。第2の薄膜材料としては、例えば強誘電体薄膜を用いる。 It is a thin film having a plurality of resistance states, each resistance state having a different resistance value, and made of a first thin film material that becomes a multi-value resistance memory, and operates as n bits using 2 n resistance states A first memory array region composed of memory cells that can be switched between a multi-value mode to be operated and a binary mode to be operated as one bit by using two resistance states, and a binary mode using a second thin film material And a second memory array area having high reliability for storing information comprising memory cells to be operated, and storing information for the operation mode of the first memory array area for data storage in the second memory array area To do. For example, a ferroelectric thin film is used as the second thin film material.
記憶素子が取り扱うデータの要求する特性に応じて、大容量・低信頼性・低速で動作する多値モードと低容量・高信頼性・高速で動作する2値モードとを、1つの記憶素子(メモリセル)で切り替え可能とする手段を提供することが可能となる。 Depending on the characteristics required by the data handled by the storage element, a multi-value mode that operates at large capacity, low reliability, and low speed and a binary mode that operates at low capacity, high reliability, and high speed can be combined into one storage element ( It is possible to provide means for enabling switching by a memory cell.
以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
本発明の記憶素子に用いる第1の材料は、例えばペロブスカイト構造の酸化物CMR材料、高温超伝導材料であり、具体的には例えば、Pr1-xCaxMnO3(PCMO)、LaSrMnO3、GdBaCoxOy等である。図1はメモリセルの一部を構成する抵抗変化材料および電極を示す概略図である。基板4上に抵抗変化材料2としてPr0.7Ca0.3MnO3をゾルゲル法により形成し、抵抗変化材料2の上部電極1および下部電極3(例えばPt)を設ける。この電極間に電気パルスを加え抵抗を変化させる。パルスの電圧および幅により電気抵抗の変化の大きさが異なる。電極1および3の間に図2に示したような電気的パルスを加える。抵抗変化材料2の抵抗R1は、電圧がvw2のパルスa,b,cによりr10→r11→r12→r13と変化し、逆極性かつ振幅がvw2より大きいvw1のリセットパルスrによりr10に戻る(図3参照)。抵抗値r10、r11、r12、r13を2進法の値としてそれぞれ00、01、10、11に対応させる。抵抗変化材料2を用いてメモリとして動作させるためには、例えば図4に示したように、抵抗変化のない固定抵抗部分R0と抵抗変化材料からなる抵抗部分R1とを直列に組み入れた構造により実現可能である。この構成の記憶素子に対し、図4の端子6および端子7の間に、図2に示した記録のための電気パルスを加える。結果として抵抗R1の抵抗値は、図3の様にr10、r11、r12、r13、r10と変化する。各抵抗値を有する抵抗状態は、新たな記録パルスが加えられない限り、保持されるので不揮発の記憶素子として動作する。記憶された状態を読み出す場合は、端子7を接地し、端子5に電圧Eccを加え、次式で与えられる端子6の電圧V1を読み出す。
・V1=Ecc×R1/(R0+R1)
図5に端子6の出力電圧V1を示した。この場合は、4個の異なる出力値v10、v11、v12、v13を2進法の値としてそれぞれ00、01、10、11として読み出すことにより、多値モードとして動作させることが可能である。
The first material used for the memory element of the present invention is, for example, an oxide CMR material having a perovskite structure, a high-temperature superconducting material, and specifically, for example, Pr1-xCaxMnO3 (PCMO), LaSrMnO3, GdBaCoxOy, or the like. FIG. 1 is a schematic view showing a resistance change material and electrodes constituting a part of the memory cell. Pr0.7Ca0.3MnO3 is formed as a
・ V1 = Ecc × R1 / (R0 + R1)
FIG. 5 shows the output voltage V1 of the
図4に示した記憶素子の端子6および端子7の間に、図6に示した記録のための電気パルスa,b,cを加える。結果として抵抗R1の抵抗値は、図7の様にr10→r13→r10→r13と変化する。抵抗値r10、r13を2進法の0、1に対応させる。図8に端子6の出力電圧v1を示した。この場合は、2個の異なる出力値v10、v13を1ビットとしてそれぞれ0、1として読み出すことにより、2値モードとして動作させることが可能である。多ビット用センスアンプの出力のうち上位ビットのみを用いて2値モード用のセンスアンプとして使うことにより読み取りを行うことが可能である。
Electric pulses a, b, and c for recording shown in FIG. 6 are applied between the
多値モードと2値モードを比較すると、記憶容量は多値モードの方が大きい。図5と図8を比較すればわかるように、多値モードの場合の4個の異なる抵抗値r10、r11、r12、r13の差に比べて2値モードの場合のr10、r13の差の方が大きくS/Nが高いため、誤りの確率は、多値モードの方が大きい。また、多値モードで書き込みする場合、図2と図3で示したように、抵抗値をr11、r12、r13に設定するためには一旦リセットパルスによりr10に設定した後、それぞれ1回、2回、3回のパルスを加える必要があるため、単一のパルスにより、r10、r13に変化させる2値モードに比べて動作速度が遅い。 When comparing the multi-value mode and the binary mode, the storage capacity is larger in the multi-value mode. As can be seen by comparing FIG. 5 and FIG. 8, the difference between r10 and r13 in the binary mode is larger than the difference between four different resistance values r10, r11, r12 and r13 in the multi-value mode. And the S / N is high, the error probability is greater in the multi-value mode. Further, when writing in the multi-value mode, as shown in FIGS. 2 and 3, in order to set the resistance value to r11, r12, r13, once set to r10 by a reset pulse, once each, 2 times Since it is necessary to add three or three times, the operation speed is slower than the binary mode in which the single pulse changes to r10 and r13.
通常、2値モードは、高速かつデータの高信頼性が要求される場合に用いられ、多値モードは大容量が要求される場合に用いられる。1つの種類のメモリセルにより2値モードおよび多値モードを切り替える手段として、図9に示したようにメモリの領域8を2つのブロック9,10に分割し、2値モードもしくは多値モードに切り替え可能なメモリアレイからなるデータ記憶領域(第1のメモリアレイ領域)9と、情報格納領域(第2のメモリアレイ領域)10とで構成する。情報格納領域10としては、図1中の抵抗変化材料2に代えて第2の材料として、強誘電体材料のペロブスカイト材料:SrBi2Ta2O9をゾルゲル法により、形成した。データ記憶領域9の記憶素子は、図10に示した記憶素子構成であり、情報格納領域10の記憶素子は、図11に示した記憶素子構成もしくは図12に示した記憶素子構成とする。抵抗変化材料を用いた図10に示した記憶素子の書き換え回数は約1E5回程度であって信頼性は十分とはいえない。これに対し図11もしくは図12に示した記憶素子の書き換え回数は1E12回以上であり、抵抗変化材料を用いたものに比べて高い信頼性を有するため、情報格納領域10が特性劣化により機能しなくなることが防止できる。
Usually, the binary mode is used when high speed and high data reliability are required, and the multilevel mode is used when a large capacity is required. As a means for switching between the binary mode and the multi-value mode by one type of memory cell, the
抵抗変化材料として用いるペロブスカイト材料、例えば、Pr1-xCaxMnO3(PCMO)等を用いた記憶素子は、電気的パルスによりその抵抗値を高速に変化させることが可能であり、また複数の抵抗値を用いて多値のメモリ素子として動作させることが可能であるが、これらの材料を用いた素子に繰り返し電気的パルスを加えた場合に、特性が劣化し、記憶素子として機能しなくなることが分かった。従って、最も高い信頼性を必要とする情報格納領域10に、これらの材料を用いた場合に、メモリ全体が機能しなくなるおそれがある。領域9に用いる抵抗変化材料と領域10に用いる強誘電体材料は、製膜プロセスがほぼ同じであるため、同一の基板上の異なる領域に形成することが容易である。本実施例では、抵抗変化材料Pr0.7Ca0.3MnO3および強誘電体材料SrBi2Ta2O9をゾルゲル法により作成したが、MOCVD法等の薄膜作成技術を用いて作成することも可能である。情報格納領域10に記憶する必要のある2値モードと多値モードを切り替えるための情報は次に示したものである。
(1)モード選択のフラッグ
(2)記録用電気パルスの振幅、幅
(3)読み取り時のセンスアンプの動作モード
(4)メモリーマップ情報
以上の様な情報格納領域10を設けることにより、動作させるモードのための情報を情報格納領域10に書き込むことにより、記憶素子が取り扱うデータの要求する特性に応じて記憶素子の動作を最適化することが可能となる。
A memory element using a perovskite material used as a resistance change material, such as Pr1-xCaxMnO3 (PCMO), can change its resistance value at high speed by an electric pulse, and can use a plurality of resistance values. Although it can be operated as a multi-value memory element, it has been found that when an electric pulse is repeatedly applied to an element using these materials, the characteristics deteriorate and the element does not function as a memory element. Therefore, when these materials are used for the
(1) Flag for mode selection (2) Amplitude and width of electric pulse for recording (3) Operation mode of sense amplifier at the time of reading (4) Memory map information It is operated by providing the
本実施例で示した多値モードは、2ビットの例であるが、許容可能な範囲でエラーの確率が低く動作速度が十分な場合、3ビットもしくはそれ以上の多ビットで動作させることが可能である。 The multi-value mode shown in this embodiment is an example of 2 bits. However, when the error probability is low and the operation speed is sufficient within an allowable range, the operation can be performed with 3 bits or more. It is.
本発明は、大容量・低信頼性・低速で動作する多値モードと低容量・高信頼性・高速で動作する2値モードとを1つの記憶素子で切り替え可能とするメモリに適用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to a memory that can switch between a multi-value mode that operates at large capacity, low reliability, and low speed and a binary mode that operates at low capacity, high reliability, and high speed with a single storage element. .
1:上部電極
2:抵抗変化材料
3:下部電極
4:基板
5、6、7:メモリセルの端子
8:メモリアレイ領域
9:データ記憶領域
10:情報格納領域
1: Upper electrode 2: Variable resistance material 3: Lower electrode 4:
Claims (4)
前記第1のメモリアレイ領域には、
電気的パルスにより抵抗値の異なる複数の抵抗状態を有する可変抵抗薄膜であって多値の抵抗メモリとなる第1の薄膜材料を用いて形成され、2n個の抵抗状態を用いてnビットとして動作させる多値モードと2個の抵抗状態を用いて動作させる2値モードとが切り替え可能なメモリセルが複数個形成されており、
前記第2のメモリアレイ領域には、
第2の薄膜材料を用いたメモリセルが複数個形成されており、
前記第2のメモリアレイ領域には、前記第1のメモリアレイ領域の動作モードのための情報が格納される、
ことを特徴とするメモリ回路。 A first memory array region and a second memory array region formed on the same substrate;
In the first memory array area,
A variable resistance thin film having a plurality of resistance states having different resistance values due to an electric pulse, and formed using a first thin film material that becomes a multi-value resistance memory, and n bits using 2 n resistance states A plurality of memory cells capable of switching between a multi-value mode to be operated and a binary mode to be operated using two resistance states are formed.
In the second memory array area,
A plurality of memory cells using the second thin film material are formed,
Information for an operation mode of the first memory array area is stored in the second memory array area.
A memory circuit characterized by that.
前記第2のメモリアレイ領域には、
前記第1のメモリアレイ領域を2値モードとして動作させるか多値モードで動作させるかの情報が格納される、
ことを特徴とするメモリ回路。 In claim 1,
In the second memory array area,
Information on whether to operate the first memory array area as a binary mode or a multi-value mode is stored.
A memory circuit characterized by that.
前記第2の薄膜材料は、強誘電体薄膜である、
ことを特徴とするメモリ回路。 In claim 1 or 2,
The second thin film material is a ferroelectric thin film.
A memory circuit characterized by that.
前記第2のメモリアレイ領域には、
前記第1のメモリアレイ領域を2値モードで動作させるか多値モードで動作させるかに応じたメモリマップ情報が格納される、
ことを特徴とするメモリ回路。 In any one of Claims 1-3,
In the second memory array area,
Memory map information is stored according to whether the first memory array area is operated in a binary mode or a multi-value mode.
A memory circuit characterized by that.
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|---|---|---|---|
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