(57)【要約】【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
2006351061.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一基板上に形成された第１のメモリアレイ領域と第２のメモリアレイ領域とを備え、
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。
【請求項２】
請求項１において、
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。
【請求項３】
請求項１または２において、
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。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１つにおいて、
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【特許文献１】米国特許第６，２０４，１３９号明細書
【特許文献２】米国特許第６，４７３，３３２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
【発明の効果】
【０００６】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【産業上の利用可能性】
【００１４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】抵抗変化材料と電極の構成を示す図
【図２】多値モードで記録するための電気パルスの例
【図３】多値モードで動作する際の抵抗値の変化の例
【図４】メモリセルの構成の一部の例
【図５】多値モードで動作する際の読み出し用出力電圧の例
【図６】２値モードで記録するための電気パルスの例
【図７】２値モードで動作する際の抵抗値の変化の例
【図８】２値モードで動作する際の読み出し用出力電圧の例
【図９】情報格納領域とデータ記憶領域とからなる記憶素子を示す概略図
【図１０】データ記憶領域の記憶素子の例
【図１１】情報格納領域の記憶素子の例
【図１２】情報格納領域の記憶素子の例
【符号の説明】
【００１６】
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
【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】
2006351061.tif 000008
【図７】
2006351061.tif 000009
【図８】
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【図９】
2006351061.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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