EP3080482A1 - Verfahren zum auslesen einer resistiven speicherzelle und eine speicherzelle zur durchführung - Google Patents

Verfahren zum auslesen einer resistiven speicherzelle und eine speicherzelle zur durchführung

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EP3080482A1
EP3080482A1 EP14828126.4A EP14828126A EP3080482A1 EP 3080482 A1 EP3080482 A1 EP 3080482A1 EP 14828126 A EP14828126 A EP 14828126A EP 3080482 A1 EP3080482 A1 EP 3080482A1
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EP
European Patent Office
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state
memory cell
hrs
lrs
ion
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14828126.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jan Van Den Hurk
Eike Linn
Rainer Waser
Ilia Valov
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Forschungszentrum Juelich GmbH
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH, Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a method for reading a resistive memory cell and a resistive memory cell for carrying out the method.
  • Resistive memory elements from an antiserial circuit of two resistive memory cells combine the fast access time of DRAM main memory with the non-volatility of flash memory and are therefore suitable for combining main memory and mass memory in computer technology.
  • digital information is encoded in two stable states 0 and 1, in which the memory element has a high total resistance in each case.
  • German patent 10 2011 012 738 discloses designing resistive memory elements such that they have different capacitances in states 0 and 1, and non-destructively detecting this difference during readout. The disadvantage of this advantage must be paid that the usable signal in an array of many memory elements decreases rapidly with increasing array size.
  • a method of reading out a resistive memory cell having two electrodes spaced from each other by an ionically conductive resistive material is achieved by applying a write voltage from a stable high resistance state (HRS) to a stable lower resistance state low resistance state (LRS).
  • the method requires a memory cell in which the writing voltage drives migration of ions through the ion-conducting resistive material and an electrically conductive path is formed through the ion-conducting resistive material along the way of this migration.
  • HRS stable high resistance state
  • LRS stable lower resistance state low resistance state
  • the ionically conductive resistive material may be ionically conductive only and electronically isolated. It may be electronic but also, for example, a semiconductor. From the electronic conductivity, the resistance values of HRS and LRS and in particular the usable stroke between these resistance values depend. The material may in particular be a solid electrolyte. The ionic conductivity is needed for the migrations of the ions forming the electrically conductive path.
  • the ions may, for example, be ions of the material of an electrode. This is then referred to as an "electrochemical metallization" memory cell (ECM), but the ions can also be driven, for example, by oxygen ions of the ion-conducting resistive material through the ion-conducting resistive material, which is referred to as a valence change-mechanism memory cell (VCM).
  • ECM electrochemical metallization memory cell
  • VCM valence change-mechanism memory cell
  • the read voltage is applied as a read pulse, wherein the number of ions driven through the ion-conducting resistive material during the pulse is higher than the height and duration of the pulse is adjusted to be from the state to form an electrically conductive path through the ionically conductive resistive material at least until onset of current flow through that path, and thus for transition to a reduced state VRS Resistance value and a predetermined relaxation time for the return to the state HRS sufficient, but not for the transition to the state LRS.
  • the formation of the electrically-conductive path in the transition from the HRS state to the LRS state is a gradual process, the speed and progress of which are determined by the supply of ions driven through the ion-conductive resistive material.
  • the formation and the stability of the electrically conductive path can be precisely metered via the number of ions which are driven through the ion-conducting resistive material.
  • the path Starting from the higher resistance state, as the number of ions transported increases, the path progresses from one electrode to the other electrode, until tunneling occurs as the first contact allowing current to flow through the path.
  • the current flow through this tunnel junction depends exponentially on the width of the tunnel barrier. If this width changes by only one atomic diameter, the tunneling current already changes by three orders of magnitude.
  • the stability of the tunneling contact thus depends crucially on how many atoms the tunnel current is carried. If there is an atom in contact, over which substantially all of the tunneling current flows, it virtually collapses if it diffuses away an atom or is removed from the tunnel junction by another thermally or chemically induced process. So just as many ions have been driven through the ion-conducting resistive material that a tunneling contact has just come into existence, this is highly unstable. If further ions are driven, the initially fragile tunnel junction is removed. The tunneling current spreads to more atoms by making the path, especially the top of the path, wider and thicker. At the same time, the tunneling barrier of the ion-conducting resistive material becomes smaller as the path progresses further towards the other electrode.
  • the read pulse is terminated while the electrically conductive path contains a tunnel barrier.
  • the memory cell If the memory cell is already in the LRS state before the start of the read pulse, its resistance value does not change. If, on the other hand, it is in the HRS state before the start of the read pulse, an electrically conductive path is formed by the ion-conducting resistive material which is only metastable and after a relaxation time which can be set by the duration and duration of the pulse, ie by the number of ions driven from the end of the reading pulse disintegrates by itself.
  • the read pulse thus causes a brief transition to a metastable third state with a reduced resistance value (VRS), but is again in the original state HRS with a high resistance value after the predetermined relaxation time has elapsed.
  • VRS reduced resistance value
  • the VRS can thus be used to read out the memory cell in such a way that during read-out it has in any case a resistance value which is lower than the state HRS and still maintains its original state (LRS or HRS) after completion of the read-out.
  • the readout according to the invention is therefore non-destructive.
  • This functionality is also called a "selector.”
  • a pulse can be made from the write pulse to the read pulse by reducing its magnitude from a write pulse by shortening its duration versus a write pulse, or by applying a combination of both measures is advantageous to shorten the duration of the read pulse, since the reading then works faster and also in the drive circuit no additional voltage level for the read pulse is required.
  • the resistance value in the metastable state VRS can be the same resistance value which also sets in the stable state LRS. Both states can then still be non-destructively distinguished from one another in an advantageous embodiment of the invention, for example by measuring the resistance value with another pulse at the end of the relaxation time, the magnitude and duration of which are selected such that it is not suitable for a transition from HRS to VRS still for a transition from LRS to HRS enough. If the memory cell was in the HRS state before the first pulse, the first pulse has placed it in the VRS state, which has disappeared after the relaxation time has elapsed. The second pulse thus again registers a high resistance value. On the other hand, if the memory cell was in the LRS state before the first pulse, it is still present for a long time and therefore after the relaxation time has elapsed. The second pulse thus registers a low resistance value.
  • a state VRS is selected whose resistance value lies between the resistance values of the states HRS and LRS. Then, a current measurement during a single read pulse is sufficient to uniquely determine whether the memory cell was in HRS state or LRS state before the beginning of the pulse.
  • the resistance value of the VRS state is determined by the interplay of the specific configuration (materials and geometry) of the memory cell with the duration and magnitude of the read pulse.
  • the relaxation time of the state VRS should be at least so long that the switching to this state also after many transitions from HRS to VRS and back, or after many write operations between HRS and LRS, each causing a slight degradation of the ion-conducting resistive material, still works reliably. On the other hand, it determines the working speed when reading the memory cell. As an advantageous compromise relaxation times have been found in the range between 10 ns and 10. It has also proved to be advantageous if the intended storage duration for the storage cell is at least 1000 times as long as the relaxation time.
  • a memory cell is selected, which can be converted by a second writing voltage with reverse polarity from the stable state LRS in the stable state HRS.
  • the memory cell may in particular be a bipolar switching memory cell, the magnitude of which is a smaller
  • a transient condition VRS only intervenes on the way from HRS to LRS, but usually not in the opposite direction from LRS to HRS. For this purpose, it would be necessary to break up the electrically conductive path just enough so that it recovers itself after a relaxation time has elapsed.
  • the thermally activated processes basically drive the system into the state of greater entropy and work to destroy the order in the presence of the electrically conductive path. Therefore, the formation of a useful transient intermediate state on the way from HRS to LRS is preferable to the formation of such a state on the way from LRS to HRS.
  • a memory cell is selected, which is in antiserial series connection with a further memory cell.
  • the read pulse is applied via the series connection.
  • a memory element designed as a resistive double cell can be selected according to German Patent 10 2009 023 153.
  • Such a memory element has two distinguishable states 0 and 1, which are encoded in the state combinations HRS / LRS or LRS / HRS. In both states, the memory element has a high resistance value, so that in an array of many memory elements, each parasitic current path is interrupted by non-addressed memory elements at at least one location. As a result, individual memory elements can be read even in large arrays with a sufficiently strong signal.
  • the first memory cell is converted by the read pulse in the state VRS, while the second memory cell remains in the state LRS.
  • the state combination VRS / LRS with a reduced resistance value is thus present, so that a clearly detectable read current flows.
  • the first memory cell After expiration of the relaxation time, the first memory cell returns to the state HRS again, so that the original state combination HRS / LRS is restored.
  • the memory element If the memory element is in the LRS / HRS state before the read pulse, neither of the two memory cells is switched, since in each case one polarity would be required which is opposite to that of the read pulse. Thus, the memory element remains in a high resistance state, and the read pulse drives only a very small current through the memory element.
  • the readout method according to the invention utilizes the significantly larger jump in the resistance value which is experienced by each memory cell of the memory element during the transition between the states HRS and LRS.
  • This jump can be in the order of magnitude 10 6 to 10 8 .
  • the resulting read current is much larger than the parasitic current through the non-addressed memory elements connected in parallel on the same bitline.
  • the readout method according to the invention thus has the effect that a non-destructive readout of the memory element no longer has to be paid for by a drastic reduction of the usable array size.
  • a relaxation time of 10 seconds or less is chosen. This represents the area in which the return to the state HRS or the remaining in the state LRS is still practically controllable.
  • the goal of the development of resistive memory is a universal memory that unites the formerly separate working and mass storage devices.
  • Relaxation times in the claimed range occur, for example, for resistance values of the state LRS between 10 kQ and 15 kQ, preferably between 12.5 kQ and 13.5 kQ, in particular for resistance values around 12.9 kQ, in which the state VRS of one or a few atoms in a tunnel contact is worn.
  • a high resistance value of the state VRS is accompanied by a short relaxation time, while, conversely, a low resistance value is associated with a long relaxation time.
  • the exact context is material- and condition-specific.
  • the invention therefore also relates to a memory cell for carrying out the method according to the invention.
  • the memory cell comprises two electrodes and a resistive memory material connected between the electrodes, which has a stable state LRS with a lower electrical resistance and a stable state HRS with a higher electrical resistance.
  • the memory material can be converted into a third metastable state VRS whose resistance value is at most one tenth of the resistance value of the HRS state, the memory material changing into the HRS state on the basis of this state VRS after a predetermined relaxation time has elapsed.
  • the storage material itself can be changed for conversion into the metastable state, for example by driving oxygen ions of the storage material through the storage material to form an electrically conductive path.
  • ions of the material of one of the electrodes may be driven by the storage material.
  • the prior art undesirable state VRS can be made to be technically safe from the HRS state by the claimed distance of its resistance value from that of the HRS state.
  • an antiserial circuit of two such memory cells to form a memory element can thereby be made nondestructive, without this diminishing the possibility of realizing large arrays of these memory elements.
  • the memory material is an ion-conducting resistive material, through which an electrically conductive path runs between the two electrodes in the state LRS.
  • such a path is formed gradually so that, starting from the HRS state, it can be controlled, in particular by the magnitude and duration of an electrical pulse applied to the memory cell, whether the state VRS or the state LRS is reached.
  • the resistance value of the state VRS may correspond to that of the state LRS.
  • the state LRS By waiting for the relaxation time is still distinguishable from the state LRS. If the state has returned to the HRS state after the relaxation time has elapsed, it was the VRS; If it persists even after the relaxation time has elapsed, it is the stable state LRS. As a rule, however, the resistance of the VRS state will be higher than the resistance of the LRS state due to the instability of the VRS state.
  • the resistance value of the state VRS is at least twice as high, preferably at least five times as high and very particularly preferably at least ten times as high as the resistance value of the state LRS. Then these two states can be distinguished technically safe before the relaxation time expires.
  • the resistance value of the state VRS is between 10 kQ and 15 kQ, preferably between 12.5 kQ and 13.5 kQ.
  • a state VRS which returns to the state HRS with relaxation times on the order of current DRAM access times, can be implemented particularly easily with an ion-conducting resistive material as memory material, through which an unstable electrically conductive path runs between the two electrodes.
  • Such a path is particularly unstable if the contact between the path and at least one of the electrodes only consists of one or a few parallel tunnel paths or even only of a contact-forming atom.
  • one atom has the quantum conductivity e 2 / h and the resistance value 12.9 kQ.
  • the resistance value of the state LRS is 5 k ⁇ or less, preferably 2 k ⁇ or less, and most preferably 1 k ⁇ or less.
  • the storage material is an ion-conducting resistive material which is electrochemically metallized by at least one electrode material when switching from the HRS state to the LRS state.
  • the physical and chemical forces acting resolutely on an electrically conductive path are particularly large, so that short relaxation times can be achieved.
  • high electromotive forces (EMF) form a strong driving force for dissolution processes in these storage materials.
  • the memory material may contain a semiconductor and at least one of the electrodes may contain a noble metal.
  • the storage element then goes into the state LRS (or VRS) in that the semiconductor reacts with the noble metal to form an electrically conductive path through the storage element.
  • the semiconductor may be germanium or silicon, for example, and the noble metal may be, for example, silver.
  • the memory material contains a compound of the semiconductor with sulfur, selenium or tellurium.
  • the compound may be germanium sulfide (GeS x ) or germanium selenide (GeSe x ). be.
  • the stoichiometry of this compound can then be used to determine how much the semiconductor is bound in the compound and what amount of substance of the semiconductor is available for the formation of the electrically conductive path.
  • a similar effect can be achieved with a memory material containing a compound of at least one metal which is also contained in at least one electrode.
  • the metal may in particular be copper or silver, and the compound may contain as further element in particular sulfur, selenium or tellurium.
  • the compound may be Ag x S, Cu x S, Ag x Se, Cu x Se or Cu x Te.
  • Figure 1 Time course of voltage and current during readout according to two exemplary embodiments (partial images a and b) of the method according to the invention.
  • Figure 1 illustrates the non-destructive readout of a resistive memory element of two memory cells A and B with the inventive method.
  • the read pulse R differs from the write pulse W with the same polarity due to its lower height, but lasts just as long as the write pulse W.
  • the read pulse R differs from the write pulse W with the same polarity due to its shorter duration but just as high.
  • the time curve of the voltage U (U over time t) applied to the storage element is plotted in the upper curve
  • the time curve of the current I (I over time t) driven by the storage element is plotted in the lower curve.
  • the states in which the memory cells A and B, which are connected in series in the memory element, are indicated in each case in FIGS. 1 a and 1 b.
  • the memory element is poled so that positive read or write voltages can transfer the memory cell A from the state HRS to VRS or LRS.
  • the memory element is in the state LRS / HRS (0).
  • a positive read pulse (step 1) does not change anything in this state, so that the total resistance of the memory element remains high and no appreciable current is driven through the memory element.
  • a negative write pulse (step 2) switches the memory element to the state HRS / LRS (1). It remains high impedance, so that still no appreciable current flows. If a positive read pulse is applied again (step 3), the memory cell A is switched from HRS to VRS, and the total resistance of the memory element decreases. It flows a well detectable read current.
  • step 4 the memory element is permanently transferred to the state LRS / HRS (0) by a positive write pulse.

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  • Semiconductor Memories (AREA)

Abstract

Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren zum Auslesen einer resistiven Speicherzelle mit zwei voneinander durch ein ionenleitendes resistives Material beabstandeten Elektroden, die sich durch Anlegen einer Schreibspannung von einem stabilen Zustand mit höherem Widerstandswert (high resistive state, HRS) in einen stabilen Zustand mit niedrigerem Widerstandswert (low resistance state, LRS) überführen lässt, entwickelt. Erfindungsgemäß wird zum Auslesen eine Lesespannung als Lesepuls angelegt, wobei die Anzahl der während des Pulses durch das ionenleitende resistive Material getriebenen Ionen über die Höhe und Dauer des Pulses so eingestellt wird, dass sie ausgehend vom Zustand zur Bildung eines elektrisch leitenden Pfades durch das ionenleitende resistive Material mindestens bis zum Einsetzen eines Stromflusses durch diesen Pfad und damit für den Übergang in einen metastabilen Zustand VRS (volatile resistance state) mit vermindertem Widerstandswert und einer vorgegebenen Relaxationszeit für die Rückkehr in den Zustand HRS ausreichen, nicht jedoch für den Übergang in den Zustand LRS. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass sich die Speicherzelle nach dem Auslesen auf jeden Fall wieder im gleichen Zustand befindet wie vor dem Auslesen. Dies macht insbesondere Speicherelemente, die aus einer antiseriellen Schaltung zweier Speicherzellen bestehen, nichtdestruktiv auslesbar, ohne dass dies die Möglichkeit schmälert, große Arrays aus diesen Speicherelementen zu realisieren.

Description

B e s c h r e i b u n g
Verfahren zum Auslesen einer resistiven Speicherzelle und
eine Speicherzelle zur Durchführung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auslesen einer resistiven Speicherzelle sowie eine resistive Speicherzelle zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Resistive Speicherelemente aus einer antiseriellen Schaltung zweier resistiver Speicherzel- len gemäß dem deutschen Patent 10 2009 023 153 vereinen die schnelle Zugriffszeit von DRAM-Arbeitsspeicher mit der Nichtflüchtigkeit von Flash-Speicher und sind daher dazu geeignet, in der Computertechnik Arbeitsspeicher und Massenspeicher zusammenzuführen. In ihnen ist digitale Information in zwei stabilen Zuständen 0 und 1 kodiert, in denen das Speicherelement jeweils einen hohen Gesamtwiderstand aufweist. Dadurch werden in gro- ßen Arrays aus vielen Speicherelementen parasitäre Ströme, die das beim Auslesen einzelner Speicherelemente entstehende Signal überlagern, minimiert.
Um beim Auslesen die beiden Zustände mit großem Signalhub voneinander unterscheiden zu können, wird das Speicherelement mit einer Lesespannung so angesteuert, dass es ausgehend vom Zustand 1 in einen Zustand ON mit geringem Gesamtwiderstand überführt wird, ausgehend vom Zustand 0 jedoch nicht. Nachteilig ist dieses Auslesen destruktiv, d.h. die ursprünglich vorhandene 1 geht verloren und muss neu in das Speicherelement eingeschrieben werden. Dies verbraucht Zeit und Energie und verkürzt außerdem die Lebensdauer des Speicherelements, da das aktive Material bei jedem Schreiben um einen kleinen Betrag degradiert und Speicher in der Regel viel öfter gelesen als geschrieben werden. Aus dem deutschen Patent 10 2011 012 738 ist bekannt, resistive Speicherelemente so auszulegen, dass sie in den Zuständen 0 und 1 unterschiedliche Kapazitäten aufweisen, und diesen Unterschied beim Auslesen nichtdestruktiv zu detektieren. Nachteilig muss dieser Vorteil damit erkauft werden, dass der nutzbare Signalhub in einem Array aus vielen Speicherelementen mit zunehmender Arraygröße sehr schnell abnimmt. Aufgabe und Lösung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Auslesen einer Speicherzelle zur Verfügung zu stellen, mit dem sich in einem Array aus vielen Speicherelementen der Zielkonflikt aus nichtdestruktivem Auslesen und großem Signalhub lösen lässt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Hauptanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen.
Gegenstand der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren zum Auslesen einer resistiven Speicherzelle mit zwei voneinander durch ein ionenleitendes resistives Material beabstandeten Elektroden, die sich durch Anlegen einer Schreibspannung von einem stabilen Zustand mit höherem Widerstandswert (high resistive State, HRS) in einen stabilen Zustand mit niedrigerem Widerstandswert (low resistance State, LRS) überführen lässt, entwickelt. Das Verfahren setzt eine Speicherzelle voraus, in der die Schreibspannung eine Migration von Ionen durch das ionenleitende resistive Material treibt und entlang des Weges dieser Migration ein elektrisch leitender Pfad durch das ionenleitende resistive Material gebildet wird. Zum Auslesen wird eine Lesespannung mit gleicher Polarität wie die Schreibspannung angelegt und der durch die Speicherzelle fließende Strom als Maß für den Widerstandswert der Speicherzelle ausgewertet. Das ionenleitende resistive Material kann beispielsweise ausschließlich ionisch leitfähig sein und elektronisch isolieren. Es kann elektronisch aber auch beispielsweise ein Halbleiter sein. Von der elektronischen Leitfähigkeit hängen die Widerstandswerte von HRS und LRS und insbesondere der nutzbare Hub zwischen diesen Widerstandswerten ab. Das Material kann insbesondere ein Festkörperelektrolyt sein. Die ionische Leitfähigkeit wird für die Migrationen der Ionen, die den elektrisch leitenden Pfad bilden, benötigt.
Die Ionen können beispielsweise Ionen des Materials einer Elektrode sein. Man spricht dann von einer„electrochemical metallization"-Speicherzelle (ECM). Die Ionen können aber auch beispielsweise Sauerstoffionen des ionenleitenden resistiven Materials durch das ionenleitende resistive Material getrieben werden. Man spricht dann von einer„valence change mechanism"-Speicherzelle (VCM).
Erfindungsgemäß wird die Lesespannung als Lesepuls angelegt, wobei die Anzahl der während des Pulses durch das ionenleitende resistive Material getriebenen Ionen über die Höhe und Dauer des Pulses so eingestellt wird, dass sie ausgehend vom Zustand zur Bildung eines elektrisch leitenden Pfades durch das ionenleitende resistive Material mindestens bis zum Einsetzen eines Stromflusses durch diesen Pfad und damit für den Übergang in einen metastabilen Zustand VRS (volatile resistance State) mit vermindertem Widerstandswert und einer vorgegebenen Relaxationszeit für die Rückkehr in den Zustand HRS ausreichen, nicht jedoch für den Übergang in den Zustand LRS.
Es wurde erkannt, dass die Bildung des elektrisch leitenden Pfades beim Übergang vom Zustand HRS in den Zustand LRS ein gradueller Prozess ist, dessen Geschwindigkeit und Fortschritt durch das Angebot an durch das ionenleitende resistive Material getriebenen Ionen bestimmt werden. Damit lassen sich das Zustandekommen und die Stabilität des elektrisch leitenden Pfades über die Anzahl der Ionen, die durch das ionenleitende resistive Material getrieben werden, genau dosieren. Ausgehend vom Zustand mit höherem Widerstandswert arbeitet sich der Pfad mit zunehmender Anzahl der transportierten Ionen ausgehend von einer Elektrode immer weiter in Richtung der anderen Elektrode vor, bis als erster Kontakt, der einen Stromfluss durch den Pfad zulässt, ein Tunnelkontakt zu Stande kommt. Der Stromfluss durch diesen Tunnelkontakt hängt exponentiell von der Breite der Tunnelbarriere ab. Ändert sich diese Breite auch nur um einen Atomdurchmesser, ändert sich der Tunnelstrom bereits um drei Größenordnungen. Die Stabilität des Tunnelkontakts hängt somit entscheidend davon ab, von wie vielen Atomen der Tunnelstrom getragen wird. Gibt es im Kontakt ein Atom, über das im Wesentlichen der gesamte Tunnelstrom fließt, bricht dieser praktisch zusammen, wenn dieses eine Atom wegdiffundiert oder durch einen anderen thermisch oder chemisch veranlassten Prozess aus dem Tunnelkontakt entfernt wird. Sind also gerade so viele Ionen durch das ionenleitende resistive Material getrieben worden, dass ein Tunnelkontakt gerade erst zu Stande gekommen ist, ist dieser hochgradig instabil. Werden nun weitere Ionen getrieben, wird der zunächst noch fragile Tunnelkontakt ausgebaut. Der Tunnelstrom verteilt sich auf mehr Atome, indem der Pfad, insbesondere die Spitze des Pfades, breiter und dicker wird. Gleichzeitig wird die Tunnelbarriere aus dem ionenleitenden resistiven Material kleiner, indem sich der Pfad weiter in Richtung der anderen Elektrode vorarbeitet. Im Extremfall entsteht ein durch und durch leitender Pfad durch das ionenleiten- de resistive Material, so dass die Tunnelbarriere ganz verschwindet. Mit jedem weiteren Ion, das durch das ionenleitende resistive Material getrieben wird, wird die Lebensdauer des Pfades bei der Betriebstemperatur größer, bis schließlich der stabile Zustand mit niedrigerem Widerstandswert erreicht ist. Die Lebensdauer des Pfades bei der Betriebstemperatur ist äquivalent zur Relaxationszeit für seine Zerstörung bzw. zu der für seine Zerstörung notwen- digen Aktivierungsenergie. Gerade ein Tunnelkontakt ist so instabil, dass er mit einer kleinen Aktivierungsenergie und daher auch mit einer kurzen Relaxationszeit wieder zerstört werden kann. Damit kann das Auslesen schneller erfolgen. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird daher der Lesepuls beendet, während der elektrisch leitende Pfad eine Tunnelbarriere enthält.
Befindet sich die Speicherzelle vor dem Beginn des Lesepulses bereits im Zustand LRS, ändert sich ihr Widerstandswert nicht. Befindet sie sich dagegen vor dem Beginn des Lesepulses im Zustand HRS, wird ein elektrisch leitender Pfad durch das ionenleitende resistive Material gebildet, der lediglich metastabil ist und nach Ablauf einer durch Höhe und Dauer des Pulses, also durch die Anzahl der getriebenen Ionen, einstellbaren Relaxationszeit ab Ende des Lesepulses von sich aus zerfällt. Der Lesepuls bewirkt also einen kurzzeitigen Übergang in einen metastabilen dritten Zustand mit vermindertem Widerstandswert (volatile resistance State, VRS), befindet sich aber nach Ablauf der vorgegebenen Relaxationszeit wieder im Ursprungszustand HRS mit hohem Widerstandswert. Der VRS lässt sich somit nutzen, um die Speicherzelle in einer Weise auszulesen, dass sie während des Auslesens auf jeden Fall einen gegenüber dem Zustand HRS verminderten Widerstandswert aufweist und dennoch ihr ursprünglicher Zustand (LRS oder HRS) nach Abschluss des Auslesens erhalten bleibt. Das erfindungsgemäße Auslesen ist also nichtdestruktiv. Diese Funktionalität wird auch„Selektor" genannt. Für die Unterscheidung, ob ein Puls ein Lesepuls ist, der die Speicherzelle von HRS nach VRS schaltet, oder ob er ein Schreibpuls ist, der sie dauerhaft von HRS nach LRS schaltet, ist nur die Anzahl der vom Puls durch das ionenleitende resistive Material getriebenen Ionen maßgeblich. Ein Puls kann also vom Schreibpuls zum Lesepuls gemacht werden, indem seine Höhe gegenüber einem Schreibpuls vermindert wird, indem seine Dauer gegenüber einem Schreibpuls verkürzt wird oder indem eine Kombination aus beiden Maßnahmen angewendet wird. Es ist vorteilhaft, die Dauer des Lesepulses zu verkürzen, da das Auslesen dann schneller funktioniert und zudem in der Ansteuerschaltung kein zusätzlicher Spannungspegel für den Lesepuls erforderlich ist.
Der Widerstandswert im metastabilen Zustand VRS kann der gleiche Widerstandswert sein, der sich auch im stabilen Zustand LRS einstellt. Beide Zustände können dann in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung immer noch nichtdestruktiv voneinander unterschieden werden, etwa indem nach Ablauf der Relaxationszeit der Widerstandswert mit einem weiteren Puls gemessen wird, dessen Höhe und Dauer so gewählt werden, dass er weder für einen Übergang von HRS nach VRS noch für einen Übergang von LRS nach HRS aus- reicht. Befand sich die Speicherzelle vor dem ersten Puls im Zustand HRS, hat der erste Puls sie in den Zustand VRS versetzt, der nach Ablauf der Relaxationszeit wieder verschwunden ist. Der zweite Puls registriert somit wieder einen hohen Widerstandswert. Befand sich die Speicherzelle vor dem ersten Puls dagegen im Zustand LRS, ist dieser von Dauer und daher auch nach Ablauf der Relaxationszeit noch vorhanden. Der zweite Puls registriert somit einen niedrigen Widerstandswert.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Zustand VRS gewählt, dessen Widerstandswert zwischen den Widerstandswerten der Zustände HRS und LRS liegt. Dann reicht eine Strommessung während eines einzigen Lesepulses aus, um eindeutig zu bestimmen, ob sich die Speicherzelle vor Beginn des Pulses im Zustand HRS oder im Zustand LRS befunden hat. Der Widerstandswert des Zustandes VRS ist durch das Wechselspiel der konkreten Konfiguration (Materialien und Geometrie) der Speicherzelle mit Dauer und Höhe des Lesepulses bestimmt.
Die Relaxationszeit des Zustandes VRS sollte mindestens so lang sein, dass das Umschal- ten in diesen Zustand auch nach vielen Übergängen von HRS nach VRS und zurück bzw. nach vielen Schreibvorgängen zwischen HRS und LRS, die jeweils eine geringe Degradation des ionenleitenden resistiven Materials bewirken, noch zuverlässig funktioniert. Auf der anderen Seite bestimmt sie die Arbeitsgeschwindigkeit beim Auslesen der Speicherzelle. Als vorteilhafter Kompromiss haben sich Relaxationszeiten im Bereich zwischen 10 ns und 10 erwiesen. Als vorteilhaft hat es sich auch erwiesen, wenn die beabsichtigte Speicherdauer für die Speicherzelle mindestens 1000mal so lang ist wie die Relaxationszeit.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Speicherzelle gewählt, die sich durch eine zweite Schreibspannung mit umgekehrter Polarität vom stabilen Zustand LRS in den stabilen Zustand HRS überführen lässt. Die Speicherzelle kann insbe- sondere eine bipolar schaltende Speicherzelle sein, die betragsmäßig eine geringere
Schreibspannung benötigt als eine unipolare Speicherzelle. Ein flüchtiger Zustand VRS stellt sich nur auf dem Weg von HRS nach LRS ein, in der Regel jedoch nicht jedoch auf dem umgekehrten Weg von LRS nach HRS. Hierfür wäre es erforderlich, den elektrisch leitenden Pfad gerade so weit aufzubrechen, dass er sich nach Ablauf einer Relaxationszeit von selbst wiederherstellt. Die thermisch aktivierten Prozesse treiben das System jedoch grundsätzlich in den Zustand größerer Entropie und arbeiten darauf hin, die in dem Vorhandensein des elektrisch leitenden Pfades liegende Ordnung zu zerstören. Daher ist die Ausbildung eines nutzbaren flüchtigen Zwischenzustandes auf dem Weg von HRS nach LRS bevorzugt gegenüber der Ausbildung eines solchen Zustandes auf dem Weg von LRS nach HRS. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Speicherzelle gewählt, die sich in antiserieller Reihenschaltung mit einer weiteren Speicherzelle befindet. Zugleich wird der Lesepuls über die Reihenschaltung angelegt. Insbesondere kann ein als resistive Doppelzelle ausgebildetes Speicherelement gemäß dem deutschen Patent 10 2009 023 153 gewählt werden. Ein derartiges Speicherelement hat zwei voneinander unterscheidbare Zustände 0 und 1 , die in den Zustandskombinationen HRS/LRS bzw. LRS/HRS kodiert sind. In beiden Zuständen hat das Speicherelement einen hohen Widerstandswert, so dass in einem Array aus vielen Speicherelementen jeder parasitäre Strompfad durch nicht adressierte Speicherelemente an mindestens einer Stelle unterbrochen wird. Dadurch lassen sich einzelne Speicherelemente auch in großen Arrays noch mit einem hinreichend starken Signal auslesen.
Es wurde erkannt, dass sich ein solches Speicherelement mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nichtdestruktiv auslesen läst. Durch die antiserielle Verschaltung haben die Schreibspannungen beider Speicherzellen des Speicherelements unterschiedliche Vorzei- chen. Das bedeutet, dass eine über die Reihenschaltung angelegte Schreibspannung immer nur eine der beiden Speicherzellen zu beeinflussen vermag. Der Lesepuls wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit mit einer Polarität angelegt, die die erste Speicherzelle vom stabilen Zustand HRS in den metastabilen Zustand VRS zu überführen vermag.
Befindet sich das Speicherelement vor dem Lesepuls im Zustand HRS/LRS, wird die erste Speicherzelle durch den Lesepuls in den Zustand VRS überführt, während die zweite Speicherzelle im Zustand LRS verbleibt. Während des Lesepulses liegt also die Zustandskombi- nation VRS/LRS mit vermindertem Widerstandswert vor, so dass ein gut detektierbarer Lesestrom fließt. Nach Ablauf der Relaxationszeit kehrt die erste Speicherzelle wieder in den Zustand HRS zurück, so dass die ursprüngliche Zustandskombination HRS/LRS wieder hergestellt ist.
Befindet sich das Speicherelement vor dem Lesepuls im Zustand LRS/HRS, wird keine der beiden Speicherzellen umgeschaltet, da hierfür jeweils eine Polarität benötigt würde, die der des Lesepulses entgegengesetzt ist. Damit bleibt das Speicherelement in einem Zustand mit hohem Widerstandswert, und der Lesepuls treibt nur einen sehr geringen Strom durch das Speicherelement.
Nach dem Stand der Technik gemäß dem deutschen Patent 10 201 1 012 738 kann ein Speicherelement, das durch entsprechende Auslegung in den beiden Zuständen HRS/LRS und LRS/HRS unterschiedliche Kapazitäten aufweist, durch eine Kapazitätsmessung nichtdestruktiv ausgelesen werden. Der dabei erzielbare Kapazitätsunterschied liegt derzeit ledig- lieh in der Größenordnung Faktor 10, da er nur durch eine teilweise Abkehr vom eigentlich erwünschten absolut symmetrischen Aufbau des Speicherelements erreichbar ist. Der dadurch schon vergleichweise geringe Signalhub zwischen den beiden Zuständen HRS/LRS und LRS/HRS verringert sich in Arrays aus vielen Speicherelementen noch weiter, weil alle zum aktuell adressierten Speicherelement an der gleichen Bitline parallel geschalteten Speicherelemente eine hohe parasitäre Kapazität bilden. Derzeit sind Arraygrößen von 40 x 40 Speicherelementen realistisch.
Das erfindungsgemäße Ausleseverfahren nutzt dagegen den wesentlich größeren Sprung im Widerstandswert, den jede Speicherzelle des Speicherelements beim Übergang zwischen den Zuständen HRS und LRS erfährt. Dieser Sprung kann in der Größenordung Faktor 106 bis 108 liegen. Wenn ein einzelnes Speicherelement adressiert und vorübergehend in einen Zustand mit vermindertem Widerstandswert überführt wird, ist der hierdurch bewirkte Lesestrom sehr viel größer als der parasitäre Strom durch die an der gleichen Bitline parallel geschalteten nicht adressierten Speicherelemente. Das erfindungsgemäße Auslese verfahren hat also die Wirkung, dass ein nichtdestruktives Auslesen des Speicherelements nicht mehr mit einer drastischen Verminderung der nutzbaren Arraygröße erkauft werden muss.
Vorteilhaft wird eine Relaxationszeit von 10 s oder weniger gewählt. Dies repräsentiert den Bereich, in dem die Rückkehr in den Zustand HRS bzw. das Verbleiben im Zustand LRS noch praktisch kontrollierbar ist. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Relaxationszeit zwischen 10"10 s und 10'5 s, bevorzugt zwischen 10"9 s und 10'6 s, gewählt. Diese Zeiten decken den Bereich der Zugriffszeiten auf DRAM-Speicher und Massenspeicher (Flash-Speicher oder Festplatten) ab. Ziel der Entwicklung resistiver Speicher ist ein Universalspeicher, der die bisher getrennten Arbeits- und Massenspeicher vereint. Relaxationszeiten im bean- spruchten Bereich stellen sich beispielsweise bei Widerstandswerten des Zustands LRS zwischen 10 kQ und 15 kQ, bevorzugt zwischen 12,5 kQ und 13,5 kQ, ein, insbesondere bei Widerstandswerten um 12,9 kQ, bei denen der Zustand VRS von einem oder wenigen Atomen in einem Tunnelkontakt getragen wird. Grundsätzlich geht ein hoher Widerstandswert des Zustandes VRS mit einer kurzen Relaxationszeit einher, während umgekehrt ein niedri- ger Widerstandswert mit einer langen Relaxationszeit einhergeht. Der genaue Zusammenhang ist material- und bedingungsspezifisch.
Nach der bisherigen Meinung in der Fachwelt war die Möglichkeit, dass ein Schreibpuls auf Grund nicht ausreichender Stärke eine Speicherzelle ausgehend vom Zustand HRS in einen metastabilen Zustand VRS statt in den stabilen Zustand LRS überführt, ein Nachteil. Je nach Relaxationszeit konnte beim Anwender die Fehlvorstellung erweckt werden, dass die Information sicher gespeichert ist, während sie in Wahrheit nach kurzer Zeit verschwand. Im Interesse der Verlässlichkeit der Speicherung war man daher bislang bestrebt, das Auftreten metastabiler Zustände VRS in Speicherzellen zu unterdrücken. Zumindest wurde jedoch versucht, den Widerstandswert eines solchen Zustandes VRS so nah wie möglich an den des Zustandes HRS zu bringen, damit er beim digitalen Auslesen der Speicherzelle nach wie vor als HRS registriert wurde. Bei der weiteren Datenverarbeitung mit der Speicherzelle wurde ausgehend vom Zustand VRS so zumindest die korrekte Aussage weiterverarbeitet, dass die Speicherzelle nicht in den stabilen Zustand LRS umgeschaltet worden war; nur die Information, dass der stabile Zustand HRS kurzzeitig verlassen worden war, ging verloren. Dadurch entstanden geringere Fehler als wenn der Zustand VRS fälschlicherweise als Zustand LRS registriert worden wäre.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind daher gerade diejenigen Spei- cherzellen nutzbar, die nach den bisherigen Bewertungskriterien mangels Stabilität als minderwertig galten. Die Erfindung bezieht sich daher auch auf eine Speicherzelle zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Speicherzelle umfasst zwei Elektroden und ein zwischen die Elektroden geschaltetes resistives Speichermaterial, welches einen stabilen Zustand LRS mit geringerem elektrischem Widerstand und einen stabilen Zustand HRS mit höherem elektrischem Widerstand aufweist.
Erfindungsgemäß ist das Speichermaterial in einen dritten metastabilen Zustand VRS überführbar, dessen Widerstandswert höchstens ein Zehntel des Widerstandswerts des Zustandes HRS beträgt, wobei das Speichermaterial ausgehend von diesem Zustand VRS nach Ablauf einer vorgegebenen Relaxationszeit in den Zustand HRS übergeht. Zur Überführung in den metastabilen Zustand kann beispielsweise das Speichermaterial selbst verändert werden, beispielsweise indem Sauerstoffionen des Speichermaterials zwecks Ausbildung eines elektrisch leitenden Pfades durch das Speichermaterial getrieben werden. Es können aber beispielsweise zwecks Ausbildung eines solchen elektrisch leitenden Pfades Ionen des Materials einer der Elektroden durch das Speichermaterial getrieben werden. Es wurde erkannt, dass der nach dem bisherigen Stand der Technik unerwünschte Zustand VRS durch den beanspruchten Abstand seines Widerstandswerts von dem des Zustands HRS zu einem technisch sicher vom Zustand HRS unterscheidbaren Zustand gemacht werden kann. In Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist er dann kein unerwünschter Effekt mehr, sondern bereichert die Speicherzelle um eine Möglichkeit des nicht- destruktiven Auslesens. Insbesondere eine antiserielle Schaltung zweier derartiger Speicherzellen zu einem Speicherelement kann dadurch nichtdestruktiv auslesbar gemacht werden, ohne dass dies die Möglichkeit schmälert, große Arrays aus diesen Speicherelementen zu realisieren. Vorteilhaft ist das Speichermaterial ein ionenleitendes resistives Material, durch das im Zustand LRS ein elektrisch leitender Pfad zwischen den beiden Elektroden verläuft. Ein solcher Pfad bildet sich in der Regel graduell aus, so dass es ausgehend vom Zustand HRS insbesondere durch Höhe und Dauer eines an die Speicherzelle angelegten elektrischen Pulses steuerbar ist, ob der Zustand VRS oder der Zustand LRS erreicht wird. Der Widerstandswert des Zustandes VRS kann dem des Zustandes LRS entsprechen.
Durch Abwarten der Relaxationszeit ist dennoch vom Zustand LRS unterscheidbar. Ist der Zustand nach Ablauf der Relaxationszeit wieder in den Zustand HRS zurückgekehrt, hat es sich um den VRS gehandelt; besteht er auch nach Ablauf der Relaxationszeit fort, handelt es sich um den stabilen Zustand LRS. In aller Regel wird der Widerstandswert des Zustandes VRS wegen der Instabilität des Zustandes VRS jedoch höher sein als der Widerstandswert des Zustandes LRS.
Vorteilhaft ist der Widerstandswert des Zustandes VRS mindestens doppelt so hoch, bevorzugt mindestens fünfmal so hoch und ganz besonders bevorzugt mindestens zehnmal so hoch wie der Widerstandswert des Zustandes LRS. Dann können diese beiden Zustände vor Ablauf der Relaxationszeit technisch sicher unterschieden werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Widerstandswert des Zustandes VRS zwischen 10 kQ und 15 kQ, bevorzugt zwischen 12,5 kQ und 13,5 kQ. Ein Zustand VRS, der mit Relaxationszeiten in der Größenordnung derzeitiger DRAM- Zugriffszeiten in den Zustand HRS zurückkehrt, lässt sich besonders einfach mit einem ionenleitenden resistiven Material als Speichermaterial realisieren, durch das ein instabiler elektrisch leitender Pfad zwischen den beiden Elektroden verläuft. Ein derartiger Pfad ist besonders instabil, wenn der Kontakt zwischen dem Pfad und mindestens einer der Elektroden nur aus einem bzw. wenigen parallelen Tunnelpfaden oder sogar nur aus einem kontaktbildenden Atom besteht. Gemäß der Quantenphysik hat ein Atom die Quantenleitfähig- keit e2/h bzw. den Widerstandswert 12,9 kQ. Bei einem Widerstandswert im beanspruchten Bereich ist daher davon auszugehen, dass nicht der stabile Zustand LRS vorliegt, sondern der Zustand VRS, der auf Grund auflösend auf den Pfad wirkender physikalischer und/oder chemischer Kräfte instabil ist. Vorteilhaft beträgt der Widerstandswert des Zustandes LRS 5 kQ oder weniger, bevorzugt 2 kQ oder weniger und ganz besonders bevorzugt 1 kQ oder weniger. Zum Einen ist er dann besonders gut vom Zustand VRS zu unterscheiden, und zum Anderen führt bereits eine geringe Lesespannung zu einem gut detektierbaren Lesestrom. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Speichermaterial ein ionenleitendes resistives Material, das beim Umschalten vom Zustand HRS in den Zustand LRS durch mindestens ein Elektrodenmaterial elektrochemisch metallisiert wird. In derartigen Systemen sind die auflösend auf einen elektrisch leitenden Pfad wirkenden physikalischen und chemischen Kräfte besonders groß, so dass sich kurze Relaxationszeiten realisieren lassen. Insbesondere bilden in diesen Speichermaterialien hohe elektromotorische Kräfte (EMK) eine starke treibende Kraft für Auflösungsprozesse.
Beispielsweise kann das Speichermaterial einen Halbleiter und mindestens eine der Elektroden ein Edelmetall enthalten. Das Speicherelement geht dann in den Zustand LRS (bzw. VRS) über, indem der Halbleiter mit dem Edelmetall zur Ausbildung eines elektrisch leiten- den Pfades durch das Speicherelement reagiert. Der Halbleiter kann beispielsweise Germanium oder Silizium sein, und das Edelmetall kann beispielsweise Silber sein. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält das Speichermaterial eine Verbindung des Halbleiters mit Schwefel, Selen oder Tellur. Insbesondere kann die Verbindung Germaniumsulfid (GeSx) oder Germaniumselenid (GeSex) sein. sein. Über die Stöchiometrie dieser Verbindung lässt sich dann einstellen, wie stark der Halbleiter in der Verbindung gebunden ist und welche Stoffmenge des Halbleiters für die Bildung des elektrisch leitenden Pfades zur Verfügung steht. Je größer das Angebot an Halbleiter, desto schneller wächst die Stabilität des elektrisch leitenden Pfades.
Eine ähnliche Wirkung lässt sich mit einem Speichermaterial erzielen, das eine Verbindung mindestens eines Metalls enthält, das auch in mindestens einer Elektrode enthalten ist. Hier kann das Metall insbesondere Kupfer oder Silber sein, und die Verbindung kann als weiteres Element insbesondere Schwefel, Selen oder Tellur enthalten. Beispielsweise kann die Verbindung AgxS, CuxS, AgxSe, CuxSe oder CuxTe sein.
Sämtliche für das Verfahren gegebene Offenbarung gilt ausdrücklich auch für das Spei- cherelement und umgekehrt. Spezieller Beschreibunqsteil
Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung hierdurch beschränkt wird. Es ist gezeigt:
Figur 1 : Zeitverlauf von Spannung und Strom beim Auslesen gemäß zweier Ausführungs- beispiele (Teilbilder a und b) des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 1 verdeutlicht das nichtdestruktive Auslesen eines resistiven Speicherelements aus zwei Speicherzellen A und B mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. In Figur 1 a unterscheidet sich der Lesepuls R durch seine geringere Höhe vom Schreibpuls W mit gleicher Polarität, dauert aber genauso lange wie der Schreibpuls W. In Figur 1 b unterscheidet sich der Lesepuls R durch seine kürzere Dauer vom Schreibpuls W mit gleicher Polarität, ist aber genauso hoch. In der oberen Kurve ist jeweils der Zeitverlauf der an das Speicherelement angelegten Spannung U (U über Zeit t) aufgetragen, in der unteren Kurve ist der Zeitverlauf des durch das Speicherelement getriebenen Stroms I (I über Zeit t) aufgetragen. Unten in den Figuren 1 a und 1 b sind jeweils die Zustände angegeben, in denen sich die Speicherzel- len A und B, die in dem Speicherelement in Reihe geschaltet sind, befinden. Das Speicherelement ist so gepolt, dass positive Lese- bzw. Schreibspannungen die Speicherzelle A aus dem Zustand HRS nach VRS oder LRS überführen können.
Zu Beginn befindet sich das Speicherelement im Zustand LRS/HRS (0). Ein positiver Lesepuls (Schritt 1) ändert an diesem Zustand nichts, so dass der Gesamtwiderstand des Spei- cherelements hoch bleibt und kein nennenswerter Strom durch das Speicherelement getrieben wird. Ein negativer Schreibpuls (Schritt 2) schaltet das Speicherelement in den Zustand HRS/LRS (1 ) um. Dabei bleibt es hochohmig, so dass nach wie vor kein nennenswerter Strom fließt. Wird nun erneut ein positiver Lesepuls angelegt (Schritt 3), wird die Speicherzelle A von HRS nach VRS geschaltet, und der Gesamtwiderstand des Speicherelements nimmt ab. Es fließt ein gut detektierbarer Lesestrom. Nach dem Ende des Lesepulses relaxiert die Speicherzelle A wieder zurück in den Zustand HRS, so dass das Speicherelement sich insgesamt wieder in dem Zustand befindet, in dem es vor dem Beginn des Lesepulses war. Die Zeitskala, auf der diese Relaxation stattfindet, ist in Figur 1 stark übertrieben dargestellt. In Schritt 4 wird das Speicherelement schließlich durch einen positiven Schreibpuls dauerhaft in den Zustand LRS/HRS (0) überführt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1 . Verfahren zum Auslesen einer resistiven Speicherzelle mit zwei voneinander durch ein ionenleitendes resistives Material beabstandeten Elektroden, die sich durch Anlegen einer Schreibspannung von einem stabilen Zustand HRS mit höherem Widerstandswert in einen stabilen Zustand LRS mit niedrigerem Widerstandswert überführen lässt, indem die Schreibspannung eine Migration von Ionen durch das ionenleitende resistive Material treibt und entlang des Weges dieser Migration ein elektrisch leitender Pfad durch das ionenleitende resistive Material gebildet wird, wobei zum Auslesen eine Lesespannung mit gleicher Polarität wie die Schreibspannung angelegt und der durch die Speicherzelle fließende Strom ausgewertet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Lesespannung als Lesepuls angelegt wird, wobei die Anzahl der während des Pulses durch das ionenleitende resistive Material getriebenen Ionen über die Höhe und Dauer des Pulses so eingestellt wird, dass sie ausgehend vom Zustand HRS zur Bildung eines elektrisch leitenden Pfades durch das ionenleitende resistive Material mindestens bis zum Einsetzen eines Stromflusses durch diesen Pfad und damit für den Übergang in einen metastabilen Zustand VRS mit vermindertem Widerstandswert und einer vorgegebenen Relaxationszeit für die Rückkehr in den Zustand HRS ausreicht, nicht jedoch für den Übergang in den Zustand LRS.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des Pfades Ionen des Materials einer Elektrode oder Sauerstoffionen des ionenleitenden resistiven Materials durch das ionenleitende resistive Material getrieben werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lesepuls beendet wird, während der elektrisch leitende Pfad eine Tunnelbarriere enthält.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ablauf der Relaxationszeit der Widerstandswert mit einem weiteren Puls gemessen wird, dessen Höhe und Dauer so gewählt werden, dass er weder für einen Übergang von HRS nach VRS noch für einen Übergang von LRS nach HRS ausreicht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zustand VRS gewählt wird, dessen Widerstandswert zwischen den Widerstandswerten der Zustände HRS und LRS liegt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speicherzelle gewählt wird, die sich durch eine zweite Schreibspannung mit umgekehrter Polarität vom stabilen Zustand LRS in den stabilen Zustand HRS überführen lässt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Speicherzelle gewählt wird, die sich in antiserieller Reihenschaltung mit einer weiteren Speicherzelle befindet, und dass der Lesepuls über die Reihenschaltung angelegt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Relaxationszeit von 10 s oder weniger gewählt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Relaxationszeit zwischen 10"10 s und 10"5 s, bevorzugt zwischen 10"9 s und 10"6 s, gewählt wird.
10. Speicherzelle zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend zwei Elektroden und ein zwischen die Elektroden geschaltetes resistives Speichermaterial, welches einen stabilen Zustand LRS mit geringerem elektrischem Widerstand und einen stabilen Zustand HRS mit höherem elektrischem Widerstand aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
das Speichermaterial in einen dritten metastabilen Zustand VRS überführbar ist, dessen Widerstandswert höchstens ein Zehntel des Widerstandswerts des Zustandes HRS beträgt, wobei das Speichermaterial ausgehend von diesem Zustand VRS nach Ablauf einer vorgegebenen Relaxationszeit in den Zustand HRS übergeht.
1 1. Speicherzelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermaterial ein ionenleitendes resistives Material ist, durch das im Zustand LRS ein elektrisch leitender Pfad zwischen den beiden Elektroden verläuft.
12. Speicherzelle nach einem der Ansprüche 10 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandswert des Zustandes VRS mindestens doppelt so hoch, bevorzugt mindestens fünfmal so hoch und ganz besonders bevorzugt mindestens zehnmal so hoch ist wie der Widerstandswert des Zustandes LRS.
13. Speicherzelle nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandswert des Zustandes VRS zwischen 10 kQ und 15 kQ, bevorzugt zwischen 12,5 kQ und 13,5 kQ, beträgt.
14. Speicherzelle nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandswert des Zustandes LRS 5 kQ oder weniger, bevorzugt 2 kQ oder weniger und ganz besonders bevorzugt 1 kQ oder weniger, beträgt.
15. Speicherzelle nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermaterial ein ionenleitendes resistives Material ist, das beim Umschalten vom Zustand HRS in den Zustand LRS durch mindestens ein Elektrodenmaterial elektrochemisch metallisiert wird.
16. Speicherzelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermaterial einen Halbleiter enthält und dass mindestens eine der Elektroden ein Edelmetall enthält.
17. Speicherzelle nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch Germanium oder Silizium als Halbleiter.
18. Speicherzelle nach einem der Ansprüche 16 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermaterial eine Verbindung des Halbleiters mit Schwefel, Selen oder Tellur enthält.
19. Speicherzelle nach einem der Ansprüche 16 bis 18, gekennzeichnet durch Silber als Edelmetall.
20. Speicherzelle nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermaterial eine Verbindung mindestens eines Metalls enthält, das auch in mindestens einer Elektrode enthalten ist.
21. Speicherzelle nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall Kupfer oder Silber ist.
22. Speicherzelle nach einem der Ansprüche 20 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung Schwefel, Selen oder Tellur enthält.
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