(57)【要約】【課題】大容量で且つ高速動作可能な不揮発性メモリ装置を提供する。【解決手段】マンガンを含有するペロブスカイト構造の酸化物で形成され、電圧パルスの印加により電気抵抗が変化し、且つ、電圧パルスの電圧振幅の大小により電気抵抗の変化量が異なる可変抵抗素子７０を備えて構成されたメモリセルをマトリクス状に複数配列してなるメモリセルアレイ７と、１つの消去状態と２以上の書き込み状態に対応する３値以上の多値データを可変抵抗素子７０に書き込むために、書き込み状態に対応する２以上の異なる電圧振幅の書き込みパルスを、書き込みデータに応じて各別に発生可能な書き込みパルス発生回路３と、を備えてなる。【選択図】        図２
2004185756.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マンガンを含有するペロブスカイト構造の酸化物で形成され、電圧パルスの印加により電気抵抗が変化し、且つ、前記電圧パルスの電圧振幅の大小により前記電気抵抗の変化量が異なる可変抵抗素子を備えて構成されたメモリセルをマトリクス状に複数配列してなるメモリセルアレイと、
１つの消去状態と２以上の書き込み状態に対応する３値以上の多値データを前記可変抵抗素子に書き込むために、前記書き込み状態に対応する２以上の異なる電圧振幅の書き込みパルスを、書き込みデータに応じて各別に発生可能な書き込みパルス発生回路と、を備えてなることを特徴とする不揮発性メモリ装置。
【請求項２】
前記可変抵抗素子が、前記電圧振幅が所定電圧以下において、前記電圧振幅を増加させると電気抵抗が単調に増加または減少する電圧−抵抗特性を有し、
前記書き込みパルスの前記電圧振幅が、前記消去状態にある前記可変抵抗素子に対して前記書き込みパルスを印加した場合、前記消去状態における第１抵抗値から前記第１抵抗値のバラツキの範囲以上に抵抗値が変化するに十分な電圧振幅の最小値で与えられる書き込み識別限界電圧以上であることを特徴とする請求項１に記載の不揮発性メモリ装置。
【請求項３】
前記可変抵抗素子が、前記電圧振幅が所定電圧以下において、前記電圧振幅を増加させると電気抵抗が単調に増加または減少し、更に、前記電圧振幅の微小増加に対する前記電気抵抗の微小増加または減少量が最大となる最大抵抗変化電圧の存在する電圧−抵抗特性を有し、
前記書き込みパルスの前記２以上の異なる電圧振幅の少なくとも一つが前記最大抵抗変化電圧以下で、他の少なくとも一つが前記最大抵抗変化電圧以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の不揮発性メモリ装置。
【請求項４】
マンガンを含有するペロブスカイト構造の酸化物で形成され、電圧パルスの印加により電気抵抗が変化し、且つ、前記電圧パルスの電圧振幅の大小により前記電気抵抗の変化量が異なる可変抵抗素子を備えて構成されたメモリセルをマトリクス状に複数配列してなるメモリセルアレイと、
１つの消去状態と１つの書き込み状態に対応する２値データを前記可変抵抗素子に書き込むために、前記書き込み状態に対応する２以上の異なる電圧振幅の書き込みパルスを、書き込みデータに応じて各別に発生可能な書き込みパルス発生回路と、を備えてなり、
前記可変抵抗素子が、前記電圧振幅が所定電圧以下において、前記電圧振幅を増加させると電気抵抗が単調に増加または減少する電圧−抵抗特性を有し、
前記書き込みパルスの前記電圧振幅が、前記消去状態にある前記可変抵抗素子に対して前記書き込みパルスを印加した場合、前記消去状態における第１抵抗値から前記第１抵抗値のバラツキの範囲以上に抵抗値が変化するに十分な電圧振幅の最小値で与えられる書き込み識別限界電圧以上であることを特徴とする不揮発性メモリ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、不揮発性メモリに関し、詳しくは、電気抵抗の変化する可変抵抗素子をメモリセルに用いて、当該電気抵抗の変化を利用して１つのメモリセルに２値または３値以上の多値データを記憶可能な不揮発性メモリに関する。
【０００２】
【従来の技術】
不揮発性メモリ装置は、携帯電話機、ＩＣカード、デジタルカメラ装置などの携帯機器に搭載され、広く普及している。近年、画像データが取り扱われる機会が増え、より大量のデータを記憶でき、且つ、高速に動作する不揮発性メモリ装置への要求が高まってきた。また、携帯機器用途であるので、低消費電力への要求も依然強くある。
【０００３】
このような状況下において現在の主流である不揮発性メモリ装置はフローティングゲートに蓄積する電荷を制御してデータの記憶を行うフラッシュメモリであるが、このフラッシュメモリはフローティングゲートに高電界で電荷を蓄積する構造であるので、セル構造が複雑で高集積化を行う上で障害となっている。
【０００４】
この問題を解決する不揮発性メモリ装置として、電気的消去可能相転移メモリ（Ｏｖｏｎｉｃ  Ｕｎｉｆｉｅｄ  Ｍｅｍｏｒｙ、ＯＵＭメモリ）が提案されており、例えば、特開平５−２１７４０号公報に開示されている（特許文献１参照）。即ち、特開平５−２１７４０号公報には、メモリ層を電気的に結晶状態―非結晶状態の２種類の状態を利用することで書き込み−消去を行う電気的消去可能相転移メモリが開示されている。メモリセル構造がフラッシュメモリに比べ簡単であるため、理論的にフラッシュメモリより高集積化が可能である。
【０００５】
不揮発性メモリの記憶容量不足を解決するための他の技術として、１つのメモリセルに３値以上の多値データを記憶する多値不揮発性メモリ技術があり、特開２００２−２０３３９２号公報には、ＯＵＭメモリを用いて多値データを記憶する多値不揮発性メモリ装置が開示されている（特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−２１７４０号公報
【特許文献２】
特開２００２−２０３３９２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術のＯＵＭメモリは、メモリ層を電気的に制御して結晶状態―非結晶状態の２種類の状態に変化することでデータを記憶する原理であるため、単一特性材料の可変抵抗素子に３値以上の多値レベルの状態を正確に制御し記憶させることが困難であるいう問題がある。上記特開２００２−２０３３９２号公報に開示されている多値不揮発性メモリ装置のメモリ素子は、特性（結晶化温度、結晶化時間、融点温度）の異なるＯＵＭ材料を積層した複数層を備えて多値メモリ装置を実現しているが、製造工程が増えるという問題がある。また、書き込みレベル数が増加すると、それに対応して必要となるＯＵＭ材料の種類も増加するという問題もある。また、メモリ層に接近して備えた発熱手段により温度制御を電気的に行うことで可変抵抗素子への書き込み・消去の制御を行うので、隣接セル間の熱的ディスターブを回避する配慮が必要である。また、電気的手段で熱を発生させる必要があるので、書き込み電流は現在、１メモリセル当り１ｍＡ程度とかなり大きく、それに対応して配線を太くする必要があるためメモリセル面積の単純縮小が困難という問題もある。従って、製造プロセスルールの縮小に比例してメモリセルを単純縮小することができない、即ち、電気的特性のみを考慮したスケーリング則が適用できないという問題がある。現在のＯＵＭ材料に対するシミュレーションでは、メモリセルサイズの限界は０．０６５μｍとされている（例えば、「第４２回日経マイクロデバイスセミナー、不揮発性メモリ技術最前線、Ｐ．１−２６」を参照）。
【０００８】
以上のように、従来の技術による不揮発性メモリ装置では、記憶容量が大きく、且つ、高速動作が行え、更に、低消費電力であるというユーザ要望を十分に満たすことができない。
【０００９】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、上記問題点を解消し、且つ高集積化が可能な不揮発性メモリ装置を提供することにある。また、高集積化に加え、高速動作可能な不揮発性メモリ装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明に係る不揮発性メモリ装置は、マンガンを含有するペロブスカイト構造の酸化物で形成され、電圧パルスの印加により電気抵抗が変化し、且つ、前記電圧パルスの電圧振幅の大小により前記電気抵抗の変化量が異なる可変抵抗素子を備えて構成されたメモリセルをマトリクス状に複数配列してなるメモリセルアレイと、１つの消去状態と２以上の書き込み状態に対応する３値以上の多値データを前記可変抵抗素子に書き込むために、前記書き込み状態に対応する２以上の異なる電圧振幅の書き込みパルスを、書き込みデータに応じて各別に発生可能な書き込みパルス発生回路と、を備えてなることを特徴とする。
【００１１】
上記特徴構成によれば、メモリセルにマンガンを含有するペロブスカイト構造の酸化物で形成された電圧パルスの印加により電気抵抗の変化する可変抵抗素子を使用するため、例えば、７Ｖ以下の電圧振幅で且つ１００ｎｓ以下のパルス幅の書き込みパルスの印加で、１桁乃至２桁以上の抵抗変化が得られ、高速且つ低電力でのデータ書き込みが実現できる。また、書き込み時に熱などの隣接するメモリセルに影響するストレスを用いないため、電気的特性のみを考慮したスケーリング則を適用でき、製造プロセスの微細化によるメモリセルの縮小が可能となる。また、電圧パルス印加で大きな抵抗変化が得られ、その電圧振幅の大小で２以上のデータを単体メモリセルに選択的に書き込みできるため、単体メモリセルに多値データを記憶することが可能となり、大容量化が図れる。この結果、大容量化、低消費電力化、高速化の同時に実現できる不揮発性メモリ装置を提供することが可能となる。また、メモリセルは、高耐圧構造や特性の異なる材料からなる積層構造は基本的に必要でないので、製造が容易な多値メモリ装置を提供することが可能となる。
【００１２】
尚、本願において、電圧パルスの電圧振幅とは、パルスの極性に関係なくその印加電圧の絶対値を意味する。
【００１３】
更に、本発明に係る不揮発性メモリ装置は、前記可変抵抗素子が、前記電圧振幅が所定電圧以下において、前記電圧振幅を増加させると電気抵抗が単調に増加または減少する電圧−抵抗特性を有し、前記書き込みパルスの前記電圧振幅が、前記消去状態にある前記可変抵抗素子に対して前記書き込みパルスを印加した場合、前記消去状態における第１抵抗値から前記第１抵抗値のバラツキの範囲以上に抵抗値が変化するに十分な電圧振幅の最小値で与えられる書き込み識別限界電圧以上であることを特徴とする。
【００１４】
この特徴構成によれば、書き込みパルス印加後の可変抵抗素子の抵抗値が、メモリセルアレイ内の消去状態にある他のメモリセルの抵抗値と識別可能となり、書き込み不良を防止できる。つまり、２値メモリ装置または３値以上の多値メモリ装置として利用できる。
【００１５】
更に、本発明に係る不揮発性メモリ装置は、前記可変抵抗素子が、前記電圧振幅が所定電圧以下において、前記電圧振幅を増加させると電気抵抗が単調に増加または減少し、更に、前記電圧振幅の微小増加に対する前記電気抵抗の微小増加または減少量が最大となる最大抵抗変化電圧の存在する電圧−抵抗特性を有し、前記書き込みパルスの前記２以上の異なる電圧振幅の少なくとも一つが前記最大抵抗変化電圧以下で、他の少なくとも一つが前記最大抵抗変化電圧以上であることを特徴とする。
【００１６】
この特徴構成によれば、２以上の書き込み状態に対応する抵抗値の差を大きく設定でき、高速且つ安定した読み出し動作が可能となる。また、３以上の書き込み状態を設定する場合にも、各書き込み状態間での抵抗値の差を大きく設定でき、多値化による記憶容量の増大が図れる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る不揮発性メモリ装置（以下、適宜「本発明装置」という。）の実施の形態につき、図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は、本発明装置１００の機能ブロック構成図である。本発明装置１００は、外部から入力される１６ビットの２値データを８つのメモリセルに書き込み記憶する機能を有するものである。各メモリセルは、４値データ（２ビット）を記憶することができる。
【００１９】
本発明装置１００は、入力レベル検出回路１、書き込みデータラッチ回路２、書き込みパルス発生回路３、比較・判定回路４、ロウ・デコーダ５、カラム・デコーダ６、メモリセルアレイ７、書き込み電圧発生回路８を備えている。また、図示しないが、機能ブロック全体を制御する制御回路、及びメモリセルから記憶された情報を読み出す読み出し回路を備えている。
【００２０】
メモリセルアレイ７は、情報（データ）記憶部である。ｎ本のビット線７１、ｋ本のワード線７２、ｎ×ｋ個のメモリセルが備えられている。各メモリセルには、可変抵抗素子７０と選択トランジスタ７３が備えられている。可変抵抗素子７０として、電圧パルスの印加により電気抵抗が変化し、且つ、電圧パルスの電圧振幅の大小により電気抵抗の変化量が異なる可変抵抗素子を用いて、各可変抵抗素子７０に４通りの抵抗値を設定することで、４値データを記憶する。
【００２１】
上記特性を有する可変抵抗素子７０としてＲＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）素子を用いる。ＲＲＡＭ素子は、電気的ストレスの印加により電気抵抗が変化し、電気的ストレス解除後も変化した電気抵抗が保持されることにより、その抵抗変化でデータの記憶が可能な不揮発性の記憶素子で、例えば、Ｐｒ（１−ｘ）ＣａｘＭｎＯ３、Ｌａ（１−ｘ）ＣａｘＭｎＯ３、または、Ｌａ（１−ｘ―ｙ）ＣａｘＰｂｙＭｎＯ３（但し、ｘ＜１、ｙ＜１、ｘ＋ｙ＜１）で表される何れかの物質、例えば、Ｐｒ０．７Ｃａ０．３ＭｎＯ３、Ｌａ０．６５Ｃａ０．３５ＭｎＯ３、Ｌａ０．６５Ｃａ０．１７５Ｐｂ０．１７５ＭｎＯ３等のマンガン酸化膜をＭＯＣＶＤ法、スピンコーティング法、レーザアブレーション、スパッタリング法等で成膜して作製される。また、電気的ストレスとしてＲＲＡＭ素子の電極間に電圧パルスを印加し、そのパルス幅、電圧振幅またはその両方を調整することによりＲＲＡＭ素子の抵抗変化量を制御できる。本実施の形態では、電圧振幅を調整して抵抗変化量を制御する。後述するが、上記ＲＲＡＭ素子の場合、電圧振幅が大きい程、抵抗変化が大きく、電圧パルス印加後の抵抗値は高くなる。
【００２２】
入力レベル検出回路１は、本発明装置１００の外部から入力される１６ビット（２値信号）の入力データＩ／Ｏ０〜Ｉ／ＯＦに基づいて、書き込み対象のメモリセルに印加する書き込みパルスの電圧振幅を検出するための、書き込み電圧検出データＡｉ，Ｂｉ，Ｃｉ，Ｄｉ（ｉ＝１〜８）を発生する。またＡｉ，Ｂｉ，Ｃｉ，Ｄｉは夫々１ビットで、各１組が４ビットデータで構成される。各１組のＡｉ，Ｂｉ，Ｃｉ，Ｄｉは、夫々入力データの２ビットに対応する。尚、１６ビットの入力信号Ｉ／Ｏ０〜Ｉ／ＯＦは、簡易化のためＩ／Ｏ０〜Ｆと表現することもある。
【００２３】
書き込みデータラッチ回路２は、書き込み電圧検出データＡｉ，Ｂｉ，Ｃｉ，Ｄｉ（ｉ＝１〜８）の各データを所定の方式でラッチする回路である。
【００２４】
書き込み電圧発生回路８は、４種類の書き込みパルスの電圧振幅に対応する書き込みパルス基準電圧を生成する。
【００２５】
書き込みパルス発生回路３は、書き込みデータラッチ回路２から入力されるラッチされた書き込み電圧検出データＡ’ｉ，Ｂ’ｉ，Ｃ’ｉ，Ｄ’ｉ（ｉ＝１〜８）と書き込み電圧発生回路８から入力される書き込みパルス基準電圧に基づいて所望の電圧振幅の書き込みパルスを、カラム・デコーダ６で選択されたビット線７２に印加する回路である。
【００２６】
比較・判定回路４は、メモリセルアレイ７内のメモリセルからビット線７２に読み出されたデータが、４種類の多値レベルのどのデータ値であるかを比較・判定する回路である。
【００２７】
ロウ・デコーダ５は、外部から本発明装置１００に入力されたロウ・アドレスデータをデコードし、所望のワード線７１を選択する回路である。
【００２８】
カラム・デコーダ６は、外部から本発明装置１００に入力されたカラム・アドレスデータをデコードし、所望のビット線７２を選択する回路である。
【００２９】
次に、上記各ブロックの詳細につき説明する。図２は、メモリセルアレイ７の構成を示す図である。メモリセルアレイ７には、ｋ本のワード線７１、ｎ本のビット線７２、ｎ×ｋ個のメモリセルが備えられている。また、１６ビットの２値データを８つのメモリセルに書き込み記憶するため、ｎは８の整数倍で、ｎ＝８×ｍである。各メモリセルには、可変抵抗素子７０と選択トランジスタ７３が備えられている。選択トランジスタ７３はＮ型ＭＯＳトタンジスタである。選択トランジスタ７３のゲート電極にはワード線７１が接続されている。選択トランジスタ７３のソース電極にはソース線７４が接続されている。また、選択トランジスタ７３のドレイン電極には可変抵抗素子７０の一方の電極が接続され可変抵抗素子７０の他方の電極はビット線７２に接続されている。
【００３０】
図３は、メモリセルの動作を説明するための図で、４つのメモリセルより構成されている。２本のワード線ＷＬ１、ＷＬ２のうち、ＷＬ１には低レベル（例えば０Ｖ）が印加されＷＬ２には高レベル（例えば５Ｖ）が印加されている状態を示している。選択トランジスタ７３のＴＲ１２とＴＲ１１は共にオフ状態、選択トランジスタ７３のＴＲ２２とＴＲ２１は共にオン状態であるので、ワード線方向には、ＷＬ２に接続されたメモリセルが選択されている。ビット線方向には、選択したビット線７２に接続するメモリセルが選択され、選択されたワード線７１とビット線７２に接続するメモリセルが、書き込み・消去・読み出しの各動作の対象として選択される。
【００３１】
図４乃至図６はメモリセルの動作原理を示す図である。何れの場合もワード線７１には高レベルの６Ｖを印加し、選択トランジスタＴＲ２１をオン状態としている。なお、ロウ・デコーダ５には、６Ｖを発生するためのブースト回路が備えられている。
【００３２】
図４は書き込み動作を行うときの電圧パルスの印加状態を示す図である。ソース線７４を０Ｖに設定し、ビット線７２に所定の電圧振幅の正極性の書き込みパルスを印加して可変抵抗素子７０に所望のデータを書き込む。書き込みパルスの電圧振幅は、１６ビットデータを書き込むために８つのメモリセルの夫々に割り当てられる４値データの各書き込みデータに対応して決定される所定の電圧振幅である。ここでは、４値データを１つの可変抵抗素子に書き込むために、４種類の電圧振幅５Ｖ、４．２Ｖ、３．５Ｖ、０Ｖの内の１つを選択して書き込み動作を行う。また、書き込みパルス幅は、２０ｎ秒乃至１００ｎ秒の範囲であればよい。
【００３３】
図５は消去動作を行うときの電圧パルスの印加状態を示す図である。消去時は、ビット線７２に０Ｖを印加し、ソース線７４に電圧振幅５Ｖの正極性のパルス（消去パルス）を印加する。消去パルスを印加することで可変抵抗素子７０の電気抵抗は最小の値となる。同時に複数のビット線７２に０Ｖを印加した状態でソース線７４に消去パルスを印加すると、その複数のビット線７２とソース線７４に接続する複数のメモリセルが同時に一括消去される。
【００３４】
図６は読み出し動作を行うときの電圧印加状態を示す図である。可変抵抗素子７０の記憶データを読み出す場合は、ソース線７４を０Ｖに設定し、所定の読み出し電圧（例えば１．０Ｖ）を読み出し回路を経由して選択したビット線７２に印加し、比較判定回路でビット線７２のレベルを読み出し用のリファレンスレベルと比較して記憶データを読み出す。
【００３５】
図７及び図８は、可変抵抗素子７０の両端に印加する書き込みパルスの電圧振幅と可変抵抗素子７０の電気抵抗の関係を示す特性図である。図７は縦軸の可変抵抗素子７０の電気抵抗を対数スケールで、図８は線形スケールで表示している。図７及び図８に示す特性曲線より、電圧振幅を増加させると電気抵抗が単調に増加していることが分かる。また、電圧振幅の領域として、書き込みパルスを印加しても大きな抵抗変化とならない、つまり抵抗変化率（電圧振幅の微小増加に対する電気抵抗の微小増加量の比率）の比較的小さな第１領域と、該第１領域よりも抵抗変化率の大きい第２領域と、それ以上電圧振幅を高くしても電気抵抗がそれ以上増加せずに飽和する第３領域の３領域の存在することが分かる。電圧振幅は、第１領域、第２領域、第３領域の順番に大きくなっている。前記第１領域には、消去状態から変化する抵抗値が、メモリセルアレイ７内の各メモリセルの消去状態における抵抗値（第１抵抗値）のバラツキの範囲以上には変化しない領域（書き込み識別不能領域）が含まれる。書き込み識別不能領域内にある電圧振幅の書き込みパルスを印加しても、書き込みが行われたのか否かの識別ができない。即ち、電圧振幅と抵抗値が比例関係にあると想定して電源電圧と接地電圧間を単純に多値データの書き込みレベル数にて均等分割し書き込みパルスの電圧振幅を決定する方法では、異なる電圧振幅での書き込みを行っても、その結果得られる各データ値に対応する抵抗値がオーバラップし、多値データを読み出すことができないからである。つまり、可変抵抗素子７０を多値メモリとし活用することができないことになる。
【００３６】
以降の説明の便宜上、４値データ（００、０１、１０、１１）に対応する電圧振幅をＷ００、Ｗ０１、Ｗ１０、Ｗ１１（Ｗ００＜Ｗ０１＜Ｗ１０＜Ｗ１１）とする。図５の説明で例示したケースでは、Ｗ００＝０Ｖ、Ｗ０１＝３．５Ｖ、Ｗ１０＝４．２Ｖ、Ｗ１１＝５Ｖである。但し、Ｗ００は消去状態に対応し、実際には書き込みパルスは印加されないので、書き込み状態における最小の電圧振幅はＷ０１となる。
【００３７】
最小電圧振幅Ｗ０１にて書き込みを行うときの電圧振幅の条件としては、少なくとも第１抵抗値に第１抵抗値のバラツキ分を加算した値より大きな抵抗値が得られる電圧振幅の書き込みパルスにて書き込みを行うことが必須の条件となる。このような電圧振幅の最小値を書き込み識別限界電圧（ＶＷＬＬ）と称す。
【００３８】
また、２値メモリ装置における書き込みパルスの電圧振幅についても、書き込み識別限界電圧（ＶＷＬＬ）よりも大きいことが必須の条件となる。
【００３９】
今回作製したデバイスでは、消去時の抵抗値のバラツキは２０ＫΩ±２ＫΩである。従って、書き込みパルスの電圧振幅として、２２ＫΩ以上の抵抗値が得られる電圧振幅（書き込み識別限界電圧ＶＷＬＬ）を越える電圧振幅を選択する必要がある。図７に示す特性では、書き込み識別限界電圧ＶＷＬＬは１．５Ｖである。書き込み識別限界電圧以下の電圧振幅の書き込みパルスで書き込みを行っても可変抵抗素子７０の抵抗値は書き込みを識別できる程度には変化しない。従って、消去状態（レベル００）の次のレベル（レベル０１）に書き込みを行う場合は、最小電圧振幅Ｗ０１を１．５Ｖより大きく設定する必要がある。更に、最大バラツキの抵抗値２２ＫΩよりさらバラツキの最大値２ＫΩ分大きい２４ＫΩとなる電圧振幅を選択することが望ましい。
【００４０】
図９は、可変抵抗素子７０の抵抗変化率を縦軸に、書き込みパルスの電圧振幅を横軸にした場合の可変抵抗素子７０の電気抵抗の抵抗変化率特性を示す特性図である。抵抗変化率の最大値を示す電圧（変化率最大電圧ＶＰと称す。）は、略４．２Ｖである。電圧振幅に対する可変抵抗素子７０の抵抗変化率が最も大きいところは、書き込みデータに対応して複数ある書き込みパルスの電圧振幅のセンター電圧として選択することが好ましいので、電圧振幅のセンター値Ｗ１０を４．２Ｖに設定した。本実施形態では、電源電圧が５．０Ｖであり、電圧振幅Ｗ１０と最大電圧振幅Ｗ１１との抵抗差を大きく取るため、Ｗ１１を５．０Ｖに設定した。また、最小電圧振幅Ｗ０１は、書き込み識別限界電圧ＶＷＬＬ以上且つ変化率最大電圧ＶＰ以下であることが条件となる。図９に、最小電圧振幅Ｗ０１の適正範囲を図示する。これより、電圧振幅Ｗ０１の適正範囲は１．５Ｖ以上且つ４．２Ｖ以下となるので、３．５Ｖと設定した。
【００４１】
尚、上記第３領域（飽和領域）の電圧振幅は書き込みパルスとして使用するには好ましくない。これは、書き込みパルスの電圧振幅に対する抵抗変化率が非常に小さい上に高電圧を印加することによる可変抵抗素子７０の劣化の虞が比較的大きいからである。以上より、４値データを書き込むための電圧振幅として、消去状態を保持する０Ｖと、３つの書き込み状態に設定するための２Ｖ以上且つ８Ｖ以下範囲で定める３点の合計４点を選択した。書き込みパルスが２Ｖ以上且つ５Ｖ以下の範囲で定める３点の電圧振幅夫々にて書き込んだ場合の抵抗差を容易に識別するため、本実施の形態では、３．５Ｖ、４．２Ｖ、５Ｖの３種類の電圧振幅にて書き込む。後述する書き込み電圧発生回路では、３．５Ｖ、４．２Ｖ、５Ｖの３種類の電圧を発生するよう設定してある。
【００４２】
図１０は、可変抵抗素子７０の両端に印加する書き込みパルスのパルス幅と可変抵抗素子７０の電気抵抗との関系を示す特性図である。消去動作を行う消去パルスは、電圧振幅は５Ｖである。また、パルス幅は２０ｎ秒乃至５０ｎ秒で変化させた。評価した複数のメモリセルと評価したパルス幅のバラツキ範囲内において消去時の抵抗値のバラツキは、２０ＫΩ±２ＫΩ内にある。書き込みパルスの電圧振幅は５Ｖである。書き込みパルスの電圧振幅印加時間（パルス幅）が２０ｎ秒以上であれば、消去時と書き込み後の抵抗値は２０倍以上の差がある。経験的に可変抵抗素子の消去時と書き込み時の抵抗変化が２０％程度であれば２値記憶が可能であるので、消去時の抵抗値と書き込みパルスの最大電圧振幅で書き込んだ時の抵抗値の差が、１．２の１５乗＝１８．５倍以上あれば１６値の記憶が可能である。従って、本特性を示す可変抵抗素子７０の場合、４値情報を書き込むには十分の抵抗差であることが分かる。従って、以下の実施例では４値情報を記憶するメモリセルについて説明するが、１つのメモリセルに記憶するデータは４値データに限定されない。
【００４３】
図１１は、入力レベル検出回路１を示す回路ブロック図である。入力レベル検出回路１は、本発明装置１００の外部から入力される１６ビット（２値信号）の入力データＩ／Ｏ０〜Ｉ／ＯＦに基づいて、対応する書き込みパルスの電圧振幅が、４種類の内の何れの電圧であるかを検出して書き込み電圧検出信号Ａ１乃至Ａ８を生成するものである。つまり、本発明装置１００の外部から入力された入力データを２ビット毎にデコードし、８つの可変抵抗素子７０に書き込むための書き込みパルス電圧検出信号Ａｉ，Ｂｉ，Ｃｉ，Ｄｉ（ｉ＝１〜８）（各４ビット）を生成するものである。入力レベル検出回路１は、図１２に示す入力レベル検出回路ユニット１０を８回路備えている。入力レベル検出回路ユニット１０には、１６ビット入力データＩ／Ｏ０〜Ｆの連続した２ビットのデータからなる８組の書き込みレベル検出入力データ、即ち、Ｉ／Ｏ０〜１、Ｉ／Ｏ２〜３、Ｉ／Ｏ４〜５、Ｉ／Ｏ６〜７、Ｉ／Ｏ８〜９、Ｉ／ＯＡ〜Ｂ、Ｉ／ＯＣ〜Ｄ、Ｉ／ＯＥ〜Ｆの８組が各別に入力される（ｉ＝１〜８に順番に対応する。）。各組の書き込みレベル検出入力データは入力レベル検出回路ユニット１０に入力され、書き込みレベル検出入力データに基づき、所定のメモリセルに書き込むべき４値データが、４値レベルのどのレベルに該当するかを検出し、４種類の電圧振幅Ｗ００、Ｗ０１、Ｗ１０、Ｗ１１の何れかに対応づけた書き込みレベル検出データＡｉ，Ｂｉ，Ｃｉ，Ｄｉ（ｉ＝１〜８の８通り）を生成する。書き込みレベル検出入力データＩ／Ｏ（各２ビットの上位ビットと下位ビット）と、書き込みレベル検出データＡｉ，Ｂｉ，Ｃｉ，Ｄｉと、書き込みパルスの電圧振幅Ｗ００、Ｗ０１、Ｗ１０、Ｗ１１との関係を表１に示す。
【００４４】
【表１】
2004185756.tif 000003
【００４５】
尚、書き込みパルスの電圧振幅は、上述の如く、Ｗ００＜Ｗ０１＜Ｗ１０＜Ｗ１１の関係にある。また、１６ビット入力データＩ／Ｏ０〜Ｆ、書き込みレベル検出データＡｉ，Ｂｉ，Ｃｉ，Ｄｉは、２値の論理値データ（各１ビット）であり、電圧振幅Ｗ００，Ｗ０１，Ｗ１０，Ｗ１１はアナログ値である。２ビットの書き込みレベル検出入力データから生成された書き込みレベル検出データは、Ａｉ，Ｂｉ，Ｃｉ，Ｄｉからなる４ビットデータで、書き込みデータラッチ回路２に入力されて、８つの可変抵抗素子単位で、ラッチされる。
【００４６】
図１３は、書き込みデータラッチ回路２を示す回路ブロック図である。書き込みデータラッチ回路２は，＃１から＃ｍのｍ個の書き込みデータラッチ回路ユニット２０で構成されている。各書き込みデータラッチ回路ユニット２０には、カラム・デコーダ６から入力される選択信号Ｙｉ（ｉ＝１〜ｍ）の１ビット信号が入力される。Ｙｉは、＃ｉの書き込みデータラッチ回路ユニット２０の選択信号である。図１４は、書き込みデータラッチ回路ユニット２０の具体的な回路構成を示す回路図である。書き込みデータラッチ回路ユニット２０は、さらに＃１から＃８の８個の書き込みデータラッチ回路サブユニット２１で構成されている。各書き込みデータラッチ回路サブユニット２１には、選択信号Ｙｉとその反転信号、及び、入力レベル検出回路１にてデコードされた書き込み電圧検出信号Ａｉ，Ｂｉ，Ｃｉ，Ｄｉの内の１つの可変抵抗素子７０に対応する１組（４ビット）が入力されている。書き込みデータラッチ回路ユニット２０にはデータラッチ回路サブユニット２１が８ユニット備えられているので、書き込み電圧検出信号Ａｉ，Ｂｉ，Ｃｉ，Ｄｉが８組（ｉ＝１〜８の８組）、合計３２ビットのデータが入力される。この３２ビットのデータは、＃１から＃ｍまでの全ての書き込みデータラッチ回路ユニット２０に共通に入力されているが、選択信号Ｙｉにて選択された１つの書き込みデータラッチ回路ユニット２０のみが書き込み電圧検出信号の８組合計３２ビットのデータをラッチすることができる。即ち、８つの可変抵抗素子７０に対する書き込み電圧検出信号（即ち、書き込みパルスの電圧振幅の情報）がラッチされる。各書き込みデータラッチ回路ユニット２０は、４ビット×８組＝３２ビットの情報をラッチし、ラッチした書き込み電圧検出データＡ’ｉ，Ｂ’ｉ，Ｃ’ｉ，Ｄ’ｉ（ｉ＝１〜８）を書き込みパルス発生回路３に出力する。
【００４７】
図１５は、書き込みパルス発生回路３を示す回路ブロック図である。書き込みパルス発生回路３は、書き込みデータラッチ回路２にてラッチされた書き込み電圧検出データＡ’ｉ，Ｂ’ｉ，Ｃ’ｉ，Ｄ’ｉ（ｉ＝１〜８）と、後述の書き込み電圧発生回路８から入力される電圧信号に基づいて、所望の書き込みパルスを、所望のメモリセルに印加する回路である。書き込みパルス発生回路３は、カラム・デコーダの出力Ｙｉが入力され、選択された書き込みパルス発生回路のみがアクティブになる。即ち、非アクティブの場合は、出力は全て低レベルとなり、書き込みパルスを発生しない。アクティブの場合は、次の動作を行う。書き込みパルス発生回路３は、＃１から＃ｍまでのｍ個の書き込みパルス発生回路ユニット３０が備えられている。書き込みパルス発生回路ユニット３０の全てにラッチ後の書き込み電圧検出データＡ’ｉ，Ｂ’ｉ，Ｃ’ｉ，Ｄ’ｉ（ｉ＝１〜８）（３２ビット）と、書き込み電圧発生回路８から３種類のアナログ電圧信号（電圧振幅Ｗ１１、Ｗ１０、Ｗ０１）に対応する書き込みパルス基準電圧（５Ｖ，４．２Ｖ，３．５Ｖ）が入力される。
【００４８】
図１６は、書き込みパルス発生回路ユニット３０の回路構成を示す回路図である。書き込みパルス発生回路ユニット３０は、＃１乃至＃８の８つの書き込みパルス発生回路サブユニット３１を備えている。また、書き込みパルス発生回路サブユニット３１は、＃１〜＃３の３つの第１シングルパルス発生回路３２と一つの第２シングルパルス発生回路３３と＃１〜＃３のＰ型ＭＯＳトランジスタ及び一つのＮ型ＭＯＳトランジスタが備えられている。＃１〜＃３のシングルパルス発生回路３２は、「１」の信号が入力されて選択されると、図示しない制御手段から出力される書き込みイネブル信号のタイミングで「０」の期間が５０ｎ秒のシングルパルスを発生する。各Ｐ型ＭＯＳトランジスタのソース電極に書き込みパルス基準電圧が各別に入力され、３つのシングルパルス発生回路３２の各出力パルスがＰ型ＭＯＳトランジスタの各ゲート電極に入力されるので、出力パルスの入力された１つのＰ型ＭＯＳトランジスタのみ、そのソース電極に接続した書き込みパルス基準電圧の電圧振幅で、高レベル期間が５０ｎ秒のシングルパルスを発生する。
【００４９】
例えば、（Ａ’ｉ，Ｂ’ｉ，Ｃ’ｉ，Ｄ’ｉ）が（０，１，０，０）の場合、出力ｂｉから電圧振幅がＷ１０＝（４．２Ｖ±補正電圧）で、高レベル期間が５０ｎ秒のシングルパルスを発生する。（Ａ’ｉ，Ｂ’ｉ，Ｃ’ｉ，Ｄ’ｉ）が（０，０，０，１）の場合、Ｎ型ＭＯＳトランジスタがオンとなり０Ｖが出力される。このシングルパルスを可変抵抗素子７０に印加し書き込みを行う。
【００５０】
図１７は、書き込み電圧発生回路８を示す回路ブロック図である。書き込み電圧発生回路８は、＃１から＃３までの３つのパルス電圧発生回路ユニット８０を備えて構成されている。図１８はパルス電圧発生回路ユニット８０を示す回路図である。各パルス電圧発生回路ユニット８０は、ＤＡＣ（デジタルアナログコンバータ）８１、加減算器８２、書き込みパルス理想電圧入力データ記憶手段８３、書き込みパルス補正電圧入力データ記憶手段８４、パルス電圧発生回路ユニット制御手段８５、演算手段８６、記憶手段８７より構成されている。書き込み電圧生成回路８は、カラム・デコーダ６にて選択された各ビット線夫々に印加する書き込みパルス基準電圧を生成するものである。１つのメモリセルには４値データを記憶させるので、各記憶データに対応して４種類の書き込みパルスの電圧振幅Ｗ００，Ｗ０１，Ｗ１０，Ｗ１１を生成するが、本実施の形態では、４種類の書き込み電圧の内の１つは消去状態を維持するため、電圧振幅Ｗ００＝０Ｖ（接地電位）とするので、３種類の電圧振幅、即ち、Ｗ１１＝５Ｖ、Ｗ１０＝４．２Ｖ、Ｗ０１＝３．５Ｖの３つの書き込みパルス基準電圧を生成する回路を備えている。ＤＡＣ８１は、デジタル入力データに基づきアナログ電圧を出力する。出力された各電圧信号は、書き込みパルス発生回路３に入力される。
【００５１】
パルス電圧発生回路ユニット８０には、比較・判定回路８から比較判定結果に基づく制御信号が入力される。書き込みパルス理想電圧入力データ記憶手段８３は、書き込み電圧のセンター電圧値を記憶する。記憶データは、予め電源投入後の初期設定ルーチンやマスクＲＯＭ等にて記憶されており、データは変更されることがない。書き込みパルス補正電圧入力データ記憶手段８４は、書き込み電圧が高い或は低い場合に実際に出力する電圧をセンター値から補正するための補正データを記憶する手段である。加減算器８２は、前記２種類のデータを加減算してＤＡＣ８１に入力するデータを算出する。パルス電圧発生回路ユニット制御手段８５は、比較判定回路から入力される信号をもとに、パルス電圧発生回路ユニット８０を制御する。制御には、書き込み電圧の加減指示、書き込みの中止指示、入力される指示情報の記憶司令などを行う。演算手段８６は、パルス電圧発生回路ユニット８０の指示に対応して、新たな書き込みパルス補正電圧入力データを演算する。記憶手段８７は、入力された指示情報や演算結果を一次記憶するためのものである。各パルス電圧発生回路ユニット８０は、５Ｖ±補正電圧、４．２Ｖ±補正電圧、３．５Ｖ±補正電圧のアナログ信号を夫々出力する。
【００５２】
書き込みが行われた可変抵抗素子７０は、図６に示す動作原理に従ってビット線にデータを読み出すが、読み出した時の電圧は書き込みパルスの電圧振幅（つまり書き込みデータ）に応じた所定の値に対し一定のバラツキを生じる。
【００５３】
図１９は、４値の書き込みデータに対応した読み出し電圧の分布状態を示している。読み出し電圧が４つの電圧範囲０〜３の何れに属するかを比較・判定回路４で判定し、記憶データを２ビットデータにエンコードする。即ち、読み出し電圧が、電圧範囲０〜３の何れにかあることを判定し、記憶データを「００」、「０１」、「１０」または「１１」にエンコードする。
【００５４】
比較・判定回路４は、メモリセルアレイ８内のメモリセルからビット線７２に読み出されたデータが、多値レベルのどのデータ値であるかを比較・判定する回路である。通常の読み出し回路ではなく、書き込み検証用回路である。図２０は、比較・判定回路４の一例を簡易的に示す回路図である。一つの可変抵抗素子３０の読み出しに対し、コンパレータ９１（ＳＡｊ、ｊ＝１〜６）及びリファレンス電圧生成用の抵抗９２（Ｒｒｅｆｊ、ｊ＝１〜６）を接続し、６つ比較結果（コンパレータ９１の出力）を全てエンコーダ回路９３と判定回路９４に入力する。エンコーダ回路９３では、６つ比較結果から得られる読み出し電圧に応じて「００」、「０１」、「１０」または「１１」の何れかの信号にエンコードする。読み出し電圧が図１９に示す電圧範囲０〜３の範囲外では、例えば、ＲＬ２Ｌよりも低くＲＬ１Ｈよりも高い状態では、その読み出し電圧は一意的にエンコードされない。この例では、電圧振幅Ｗ１０またはＷ０１の何れかの書き込みパルスで書き込まれた場合に起こり得る。この場合は、判定回路で書き込み電圧を更に増加すべきか、減少すべきかを判定する。電圧振幅Ｗ１０で書き込んだ場合は、書き込みが不十分であるので、書き込み電圧を上昇させる判定信号を生成し、書き込み電圧発生回路８に出力する。これを受けて書き込み電圧発生回路８は、書き込みパルスの電圧振幅を補正し、高い電圧振幅の書き込みパルスで再書き込みを行う。この動作は、読み出し電圧が電圧範囲２に収まるまで繰り返される。
【００５５】
図２０において、Ｎ型ＭＯＳトランジスタの負荷トランジスタＴＮ１，ＴＮ２は、読み出し時はオン、非読み出し時はオフである。また、読み出し電圧は読み出し電圧発生回路９５から発生される。読み出し電圧は可変抵抗素子７０に印加されても可変抵抗素子７０の抵抗値が変化しない、つまり、記憶データがディスターブされない程度の低電圧であることが必要で、本実施の形態ではビット線７２に１．０Ｖを印加する。
【００５６】
尚、上記各実施の形態において、書き込み動作、消去動作、読み出し動作の各動作における、ワード線７１、ビット線７２、ソース線７４に印加する電圧振幅、その極性、パルス幅（印加時間）は、使用するＲＲＡＭ素子の特性に依存して決定されるべきものであり、上記の各電圧値、パルス幅は例示であり、上記各実施の形態の電圧値等に限定されるものではない。
【００５７】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、マンガンを含有するペロブスカイト構造の酸化物で形成され、電圧パルスの印加により電気抵抗が変化し、且つ、前記電圧パルスの電圧振幅の大小により前記電気抵抗の変化量が異なる可変抵抗素子をメモリ素子として備えた不揮発性メモリ装置は、３値以上の多値データを記憶することができる。このときの書き込み電流は、書き込みパルスの電圧振幅の最大値が５Ｖ、選択トランジスタのオン抵抗を含む可変抵抗素子の最小抵抗は２０ＫΩ程度であるので、書き込み電流は１つの可変抵抗素子当たり２５μＡ程度となる。ＯＵＭメモリが１ｍＡであるのに比べ大幅な低消費電流化が図れる。また、図７または図８に示した抵抗−電圧特性の抵抗変化率の大きな領域（第２領域）を選んで書き込みパルスの電圧振幅を選んだので、読み出しデータの誤読み出しを回避することができる。即ち、低消費電力の書き込み動作ができ、読み出しが容易な多値データ記憶に好適な不揮発性メモリ装置を提供することができる。更に、本発明に係る多値不揮発性メモリ装置のメモリ素子は特性の異なる複数の材料よりなる多層構造にする必要もないので、製造等も容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る不揮発性メモリ装置の一実施の形態を示す機能ブロック構成図
【図２】本発明に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルアレイの構成例を示す回路ブロック図
【図３】本発明に係る不揮発性メモリ装置の動作説明用の２×２のメモリセル構成を示す回路図
【図４】本発明に係る不揮発性メモリ装置のメモリセルの書き込み動作を行うときの電圧パルスの印加状態を示す図
【図５】本発明に係る不揮発性メモリ装置のメモリセルの消去動作を行うときの電圧パルスの印加状態を示す図
【図６】本発明に係る不揮発性メモリ装置のメモリセルの読み出し動作を行うときの電圧印加状態を示す図
【図７】本発明に係る不揮発性メモリ装置に用いる可変抵抗素子の両端に印加する書き込みパルスの電圧振幅と可変抵抗素子の電気抵抗の関係を示す特性図
【図８】本発明に係る不揮発性メモリ装置に用いる可変抵抗素子の両端に印加する書き込みパルスの電圧振幅と可変抵抗素子の電気抵抗の関係を示す特性図
【図９】本発明に係る不揮発性メモリ装置に用いる可変抵抗素子の電気抵抗の抵抗変化率特性を示す特性図
【図１０】本発明に係る不揮発性メモリ装置に用いる可変抵抗素子の両端に印加する書き込みパルスのパルス幅と可変抵抗素子の電気抵抗の関係を示す特性図
【図１１】本発明に係る不揮発性メモリ装置の入力レベル検出回路の一例を示す回路ブロック図
【図１２】図１２に示す入力レベル検出回路に用いる入力レベル検出回路ユニットの一例を示す回路図
【図１３】本発明に係る不揮発性メモリ装置の書き込みデータラッチ回路の一例を示す回路ブロック図
【図１４】図１３に示す書き込みデータラッチ回路に用いる書き込みデータラッチ回路ユニットの一例を示す回路ブロック図
【図１５】本発明に係る不揮発性メモリ装置の書き込みパルス発生回路の一例を示す回路ブロック図
【図１６】図１５に示す書き込みパルス発生回路に用いる書き込みパルス発生回路ユニットの一例を示す回路ブロック図
【図１７】本発明に係る不揮発性メモリ装置の書き込み電圧発生回路の一例を示す回路ブロック図
【図１８】図１７に示す書き込み電圧発生回路に用いるパルス電圧発生回路ユニットの一例を示す回路ブロック図
【図１９】本発明に係る不揮発性メモリ装置の４値の書き込みデータに対応した読み出し電圧の分布状態を模式的に示す説明図
【図２０】本発明に係る不揮発性メモリ装置の比較・判定回路の一例を示す回路ブロック図
【符号の説明】
１００：本発明に係る不揮発性メモリ装置
１：    入力レベル検出回路
２：    書き込みデータラッチ回路
３：    書き込みパルス発生回路
４：    比較判定回路
５：    ロウ・デコーダ
６：    カラム・デコーダ
７：    メモリセルアレイ
８：    書き込み電圧発生回路
１０：  入力レベル検出回路ユニット
２０：  書き込みデータラッチ回路ユニット
２１：  書き込みデータラッチ回路サブユニット
３０：  書き込みパルス発生回路ユニット
３１：  書き込みパルス発生回路サブユニット
３２：  第１シングルパルス発生回路
３３：  第２シングルパルス発生回路
７０：  可変抵抗素子
７１：  ワード線
７２：  ビット線
７３：  選択トランジスタ
７４：  ソース線
８０：  パルス電圧発生回路ユニット
８１：  ＤＡＣ（デジタルアナログコンバータ）
８２：  加減算器
８３：  書き込みパルス理想電圧入力データ記憶手段
８４：  書き込みパルス補正電圧入力データ記憶手段
８５：  パルス電圧発生回路ユニット制御手段
８６：  演算手段
８７：  記憶手段
９１：  コンパレータ
９２：  読み出しリファレンス電圧生成用の抵抗
９３：  エンコーダ回路
９４：  判定回路
９５：  読み出し電圧発生回路
【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１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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