JP2006179582A - Reproducing method of storage element and memory circuit - Google Patents

Reproducing method of storage element and memory circuit Download PDF

Info

Publication number
JP2006179582A
JP2006179582A JP2004369502A JP2004369502A JP2006179582A JP 2006179582 A JP2006179582 A JP 2006179582A JP 2004369502 A JP2004369502 A JP 2004369502A JP 2004369502 A JP2004369502 A JP 2004369502A JP 2006179582 A JP2006179582 A JP 2006179582A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
pulse
voltage
voltage pulse
variable resistor
state
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
JP2004369502A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shunsaku Muraoka
俊作 村岡
Koichi Osano
浩一 小佐野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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 Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP2004369502A priority Critical patent/JP2006179582A/en
Publication of JP2006179582A publication Critical patent/JP2006179582A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a reproducing method of a non-volatile storage element with which a data holding characteristic is remarkably improved, and also to provide a memory circuit. <P>SOLUTION: One group of reproduction voltage pulses formed of a first voltage pulse and a second voltage pulse whose code is the same as the first voltage pulse and whose pulse width is longer than the first voltage pulse are applied to a variable resistor, where a resistance value is changed to a different state by applying an electric pulse of the same code different in pulse width. The state where the resistance value of the variable resistor differs is read thereby. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、電源を切っても記憶情報が消えない不揮発記憶素子の再生方法及びメモリ回路に関する。   The present invention relates to a reproducing method and a memory circuit of a nonvolatile memory element in which stored information does not disappear even when the power is turned off.

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に、不揮発性記憶素子の要望が大きくなってきており、さらに記憶素子の大容量化、書き込み電力の低減、書き込み/読み出し時間の高速化、長寿命化の要求がますます高まりつつある。現在、不揮発性メモリ素子としては半導体トランジスタのゲート部分に浮遊ゲートを設け、その浮遊ゲート内に電子を注入するメカニズムを用いて不揮発性を実現したフラッシュメモリが実用化され、デジタルカメラやパーソナルコンピュータの外部記憶素子として多く用いられている。
米国特許第6,204,139号公報 米国特許第6,673,691号公報
In recent years, with the advancement of digital technology in electronic devices, there has been a growing demand for non-volatile memory elements to store data such as images. Furthermore, the capacity of memory elements, the reduction in write power, There is an increasing demand for faster reading time and longer life. Currently, as a nonvolatile memory element, a flash memory which has a floating gate provided in a gate portion of a semiconductor transistor and realizes nonvolatile using a mechanism for injecting electrons into the floating gate has been put into practical use. It is often used as an external storage element.
U.S. Pat.No. 6,204,139 U.S. Pat.No. 6,673,691

しかしながら、フラッシュメモリは書き込み電圧が高い、書き込み/消去時間が遅い、書き換え寿命が短い、大容量化(素子の微細化)が困難等の多くの課題を有している。そのため、現在これらフラッシュメモリの課題を解決すべく、強誘電体を用いた半導体メモリ(FeRAM)、TMR(トンネルMR)材料を用いた半導体メモリ(MRAM)、相変化材料用いた半導体メモリ(OUM)等の新規な不揮発性メモリ素子の開発が盛んに行われている。しかし、これらのメモリ素子もFeRAMに関しては、素子の微細化が困難、MRAMに関しては書き込み電圧が高い、OUMに関しては書き換え寿命が短い等の課題を有しており、不揮発性メモリ素子に対する全ての要望を満たす記憶素子がないのが現状である。したがって、それらを克服するための新しい記録方法をとしてヒューストン大学やSharp Laboratories of America. Inc.からパルス電圧によりペロブスカイト構造酸化物の抵抗値を変化させる手法が開発された(特許文献1、2)が、記憶素子としての動作時における再生の際に、記録された抵抗値が変化してしまい、データ保持特性に欠けるとういう大きな課題を有することがわかった。   However, the flash memory has many problems such as a high write voltage, a slow write / erase time, a short rewrite life, and difficulty in increasing the capacity (element miniaturization). Therefore, in order to solve the problems of these flash memories at present, a semiconductor memory (FeRAM) using a ferroelectric material, a semiconductor memory (MRAM) using a TMR (tunnel MR) material, and a semiconductor memory (OUM) using a phase change material. The development of new nonvolatile memory devices such as the above has been actively conducted. However, these memory elements also have problems such as difficulty in miniaturization of elements for FeRAM, high write voltage for MRAM, and short rewrite life for OUM, and all requests for nonvolatile memory elements. There is no memory element that satisfies this condition. Therefore, as a new recording method for overcoming them, a method of changing the resistance value of the perovskite structure oxide by a pulse voltage has been developed by the University of Houston and Sharp Laboratories of America. Inc. (Patent Documents 1 and 2). It has been found that there is a big problem that the recorded resistance value changes during reproduction as an operation as a storage element and lacks data retention characteristics.

本発明による記憶素子の再生方法は、パルス幅の異なる同符号の電気的パルスを印加することにより抵抗値を異なる状態に変化させることができる可変抵抗体を用いた記憶素子の再生方法であって、第1電圧パルスと前記第1電圧パルスと同符号で且つ第1電圧パルスよりパルス幅の長い第2電圧パルスとからなる一組の再生電圧パルスを前記可変抵抗体に印加することで、前記可変抵抗体の抵抗値の異なる状態を読み取る、ことを特徴とする。   A method for reproducing a memory element according to the present invention is a method for reproducing a memory element using a variable resistor capable of changing a resistance value to a different state by applying electric pulses of the same sign having different pulse widths. Applying a set of regenerative voltage pulses consisting of a first voltage pulse and a second voltage pulse having the same sign as the first voltage pulse and a longer pulse width than the first voltage pulse to the variable resistor, The state in which the resistance value of the variable resistor is different is read.

また、本発明によるメモリ回路は、パルス幅の異なる同符号の電気的パルスを印加することにより抵抗値を異なる状態に変化させることができる可変抵抗体と、前記可変抵抗対と直列に接続されたローパスフィルタと、前記ローパスフィルタと並列に接続されたセンスアンプとを備え、前記可変抵抗体に第1電圧パルスと第1電圧パルスと同符号で且つ第1電圧パルスよりパルス幅の長い第2電圧パルスからなる一組の再生電圧パルスを印加することで、前記可変抵抗体の抵抗値の異なる状態を前記センスアンプに流れる電流値により読み取る、ことを特徴とする。   A memory circuit according to the present invention is connected in series with a variable resistor capable of changing a resistance value to a different state by applying electric pulses of the same sign having different pulse widths, and the variable resistor pair. A second voltage having a low-pass filter and a sense amplifier connected in parallel with the low-pass filter, wherein the variable resistor has the same sign as the first voltage pulse and the first voltage pulse and has a longer pulse width than the first voltage pulse; By applying a set of regenerative voltage pulses consisting of pulses, different states of the resistance value of the variable resistor are read by the value of current flowing through the sense amplifier.

本発明によれば、従来の不揮発性記憶素子で課題となっていた、書き込み電力が高い、書き込み時間が長い、書き換え寿命が短い、大容量化(素子の微細化)が困難等の多くの課題を全て解決することができる不揮発性記憶素子(ペロブスカイト構造酸化物の抵抗値をパルス電圧により変化させる原理を用いた)で大きな課題となっていた再生過程での抵抗変化を低減することができ、この結果、データ保持特性を飛躍的に向上させることができる。   According to the present invention, many problems such as high write power, long write time, short rewrite life, and difficulty in increasing capacity (element miniaturization) have been problems with conventional nonvolatile memory elements. Non-volatile memory element (using the principle of changing the resistance value of the perovskite structure oxide by the pulse voltage) can reduce the resistance change during the reproduction process, which has been a big problem, As a result, data retention characteristics can be dramatically improved.

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。なお、図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付してその説明は繰り返さない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.

<可変抵抗体の基本構成及び基本特性>
まず、本発明の実施形態において用いられる可変抵抗体の基本構成および基本特性について説明する。
<Basic configuration and basic characteristics of variable resistor>
First, the basic configuration and basic characteristics of the variable resistor used in the embodiment of the present invention will be described.

本実施形態において用いられる可変抵抗体は、与えられる電気的パルスのパルス幅に応じてその抵抗値を増加/減少させる特性を有するものである。その基本構成を図1に示す。この可変抵抗体では、基板4上に電極3を設け、電極3上に抵抗変化材料2を成膜し、抵抗変化材料2上に電極1を設けている。ここでは、抵抗変化材料2としてPr0.7Ca0.3MnO3(PCMO)からなるCMR材料を用いた。PCMO材料は、印加されるパルス電圧(ここでは電極1、3間に与えられるパルス電圧)のパルス幅(ここでは電極1,3間に与えられる同極性のパルス電圧のパルス幅)により、抵抗値が可逆的に変化(増加/減少)することが特許文献2に報告されている。図2に我々が成膜したPCMO膜の抵抗変化の実験結果を示す。ここでは、PCMO膜の形成は基板温度を700℃に加熱してスパッタ法で行った。膜厚は0.1μmとした。また電極材料としては電極1、3ともにPtを用いた。本実験ではパルス電圧の極性を、便宜上PCMO材料2の膜表面(電極1)に与える電圧の極性として定義した。ここで、成膜直後のPCMO材料の抵抗値は高く、またバラツキも大きいため、本実験では+極性のパルス電圧(電圧値3V、パルス幅10μsec.)を複数回印加して抵抗値を減少させ、約1000Ωになった時点を初期状態(リセット)とした。抵抗値を1000Ωに初期化したPCMO材料の抵抗値が、印加したパルス電圧のパルス幅によりどのように変化したかを調べた実験結果を図2に示す。本実施例では印加したパルス電圧は+5Vでパルス幅を1nsec.から1msec.まで変化させてPCMO膜の抵抗変化を調べた。ここでの印加パルス数は1回としている。図2(a)に示すように、パルス電圧のパルス幅が10nsec.以上2μsec.以下において、PCMO膜の抵抗値は初期状態の1000Ωから10000Ω(高抵抗状態)へと約1桁増加した。また、パルス幅が10nsec.より短い場合、抵抗値は初期の1000Ω(低抵抗状態)のままであった。さらに、パルス幅が10μsec.以上では、PCMO膜の抵抗値は初期状態の1000Ωから大きく減少した。したがって、上記方法で初期化されたPCMO膜の抵抗値を1000Ω(低抵抗状態)から10000Ω(高抵抗状態)に増加させるためには電圧パルスのパルス幅τが約10nsec.以上かつ約2μsec.以下であることが必要であることがわかる。次に図2(a)に示した実験においてパルス幅が100nsec.の電圧パルス(+5V)を印加して抵抗値が10000Ω(高抵抗状態)になったPCMO膜に、パルス幅を1nsec.から1msec.まで変化させた同極性の電圧パルス(+5V)を印加し、抵抗値がパルス幅によりどのように変化したかを調べた実験結果を図2(b)に示す。ここでの印加パルス数は1回としている。パルス幅が10μsec.以上において抵抗値が10000Ω(高抵抗状態)から1000Ω(低抵抗状態)に減少する結果となった。したがって、上記方法で10000Ω(高抵抗状態)になったPCMO膜の抵抗値を1000Ω(低抵抗状態)に減少させるためには電圧パルスのパルス幅τが、10μsec.以上であることが必要であることがわかる。以上の結果より、成膜直後には高い抵抗状態でばらついていたPCMO膜の初期抵抗値を、+5Vでパルス幅τ=10μsec.の電圧パルスを複数回印加して1000Ωに初期化したPCMO膜はその後、パルス幅τが10nsec.≦τ≦2μsec.の電圧パルス(短パルス)印加により、抵抗値が10000Ωに増加し、更にパルス幅τがτ≧10μsec.の電圧パルス(長パルス)印加により、再び1000Ωに減少することがわかった。図3に本実施例のようにして初期化して低抵抗状態(1000Ω)にしたPCMO膜にパルス幅の異なる電圧パルスを繰り返し印加し、その抵抗値が可逆的に変化することを確認した結果を示す。本実施例では電圧パルスのパルス幅τが
10nsec.≦τ≦2μsec.
であるパルスを短パルスと定義し、
τ≧10μsec.
であるパルスを長パルスと定義した。
The variable resistor used in the present embodiment has a characteristic of increasing / decreasing its resistance value according to the pulse width of an applied electric pulse. The basic configuration is shown in FIG. In this variable resistor, an electrode 3 is provided on a substrate 4, a variable resistance material 2 is formed on the electrode 3, and an electrode 1 is provided on the variable resistance material 2. Here, a CMR material made of Pr0.7Ca0.3MnO3 (PCMO) was used as the resistance change material 2. The PCMO material has a resistance value depending on a pulse width of an applied pulse voltage (here, a pulse voltage applied between the electrodes 1 and 3) (here, a pulse width of the same polarity pulse voltage applied between the electrodes 1 and 3). Has been reported in Patent Document 2 to reversibly change (increase / decrease). FIG. 2 shows the experimental results of the resistance change of the PCMO film we formed. Here, the PCMO film was formed by sputtering with the substrate temperature heated to 700.degree. The film thickness was 0.1 μm. As the electrode material, Pt was used for both the electrodes 1 and 3. In this experiment, the polarity of the pulse voltage is defined as the polarity of the voltage applied to the film surface (electrode 1) of the PCMO material 2 for convenience. Here, since the resistance value of the PCMO material immediately after film formation is high and the variation is large, in this experiment, a positive polarity pulse voltage (voltage value 3 V, pulse width 10 μsec.) Is applied multiple times to reduce the resistance value. The initial state (reset) was set at the time when the value reached about 1000Ω. FIG. 2 shows an experimental result of examining how the resistance value of the PCMO material whose resistance value is initialized to 1000Ω changes depending on the pulse width of the applied pulse voltage. In this embodiment, the applied pulse voltage is +5 V and the pulse width is 1 nsec. To 1 msec. The change in resistance of the PCMO film was examined by changing to The number of applied pulses here is one. As shown in FIG. 2A, the pulse width of the pulse voltage is 10 nsec. 2 μsec. In the following, the resistance value of the PCMO film increased by about one digit from the initial state of 1000Ω to 10,000Ω (high resistance state). The pulse width is 10 nsec. When shorter, the resistance value remained at the initial 1000Ω (low resistance state). Furthermore, the pulse width is 10 μsec. As described above, the resistance value of the PCMO film greatly decreased from the initial state of 1000Ω. Therefore, in order to increase the resistance value of the PCMO film initialized by the above method from 1000Ω (low resistance state) to 10000Ω (high resistance state), the pulse width τ of the voltage pulse is about 10 nsec. More than about 2 μsec. It can be seen that the following is necessary. Next, in the experiment shown in FIG. A pulse width of 1 nsec. Is applied to a PCMO film having a resistance value of 10000 Ω (high resistance state) by applying a voltage pulse (+5 V). To 1 msec. FIG. 2B shows the experimental results of examining how the resistance value changed according to the pulse width by applying a voltage pulse (+5 V) of the same polarity changed up to. The number of applied pulses here is one. Pulse width is 10 μsec. As a result, the resistance value decreased from 10,000Ω (high resistance state) to 1000Ω (low resistance state). Therefore, in order to reduce the resistance value of the PCMO film that has become 10000Ω (high resistance state) to 1000Ω (low resistance state) by the above method, the pulse width τ of the voltage pulse is 10 μsec. It turns out that it is necessary above. From the above results, the initial resistance value of the PCMO film, which varied in a high resistance state immediately after the film formation, was set to +5 V and the pulse width τ = 10 μsec. The PCMO film initialized to 1000 Ω by applying the voltage pulse of 2 times multiple times has a pulse width τ of 10 nsec. ≦ τ ≦ 2 μsec. When the voltage pulse (short pulse) is applied, the resistance value is increased to 10000Ω, and the pulse width τ is τ ≧ 10 μsec. It was found that the voltage again decreased to 1000Ω by applying a voltage pulse (long pulse). FIG. 3 shows the result of confirming that the resistance value is reversibly changed by repeatedly applying voltage pulses having different pulse widths to the PCMO film initialized to a low resistance state (1000Ω) as in this embodiment. Show. In this embodiment, the pulse width τ of the voltage pulse is 10 nsec. ≦ τ ≦ 2 μsec.
Is defined as a short pulse,
τ ≧ 10 μsec.
Was defined as a long pulse.

このように、+5Vの短パルス電圧印加により、PCMO膜の抵抗値が増加し、+5Vの長パルス印加によりPCMO膜の抵抗値が減少することがわかる。本実施例におけるPCMO膜を用いた記憶素子では高抵抗状態をセットと呼び、低抵抗状態をリセットと呼ぶと、このように、パルス幅の異なる同一符号の電圧パルスにより、記憶素子をセットとリセットを可逆的に変化させることができ、不揮発性記憶素子が実現できた。なお本実施例における各抵抗値の測定は、PCMO膜に約500mVのDC電圧を印加して、その時の電流を測定することで算出している。   Thus, it can be seen that the resistance value of the PCMO film increases by applying a short pulse voltage of +5 V, and the resistance value of the PCMO film decreases by applying a long pulse of +5 V. In the memory element using the PCMO film in this embodiment, when the high resistance state is called “set” and the low resistance state is called “reset”, the memory element is set and reset by voltage pulses of the same sign having different pulse widths. Can be reversibly changed, and a nonvolatile memory element can be realized. Note that each resistance value in this example is calculated by applying a DC voltage of about 500 mV to the PCMO film and measuring the current at that time.

本実施例では、パルス電圧の極性を、便宜上PCMO材料2の膜表面(電極1)に与える電圧の極性と定義して説明したが、回路図で説明する場合は材料の表裏の定義は意味を持たないので、ここで使用した可変抵抗体を図4に示すような記号で表記することにする。すなわち、可変抵抗体を記号11のように表し、記号11の中で、矢印の先端に+極性の短パルス電圧が印加されると抵抗値が増加して高抵抗状態にセットされ、矢印の先端に+極性の長パルス電圧が印加されると、抵抗値が減少して低抵抗状態にリセットされる特性を有すると定義すると、図4(a)のように+5Vの短パルス電圧15aが入力端子に印加されると可変抵抗体11の抵抗値が高抵抗状態にセットされ、図4(b)のように+5Vの長パルス電圧15bが印加されると可変抵抗体11の抵抗値が低抵抗状態にリセットされることになる。このようにして、データの記録、消去が可能となる。図5は記録(セット)状態、消去(リセット)状態を再生する方法を示す。再生時には図5に示すように+2Vの短パルス電圧(パルス幅は10nsec.)16を印加して、センスアンプ14により電流値を読み取ることにより、可変抵抗体11が記録状態(高抵抗状態)にあるのか消去状態(低抵抗状態)にあるのかを識別することができる。図6(a)は記録状態(高抵抗状態)を+2Vの短パルス電圧(パルス幅は10nsec.)で複数回読み出した場合の抵抗値の変化、図6(b)は記録状態(高抵抗状態)を+2Vの短パルス電圧(パルス幅は10nsec.)で複数回読み出した場合の抵抗値の変化を示す。このように、可変抵抗体11の抵抗値は短パルス電圧で読み出した場合は、読み出し回数に従い徐々に増加していくことがわかる。このように、本実験では可変抵抗体11の抵抗値が読み出し後に変化してしまうという基本的な特性を有していることがわかった。したがって、本可変抵抗体11を記憶素子として用いた場合には、データ保持特性に欠けるという大きな課題があった。   In this embodiment, the polarity of the pulse voltage is defined as the polarity of the voltage applied to the film surface (electrode 1) of the PCMO material 2 for convenience. However, in the case of explaining with a circuit diagram, the definition of the front and back of the material has meaning. Since it does not have, the variable resistor used here is described with a symbol as shown in FIG. That is, the variable resistor is represented as symbol 11, and in the symbol 11, when a short pulse voltage of + polarity is applied to the tip of the arrow, the resistance value is increased and set to a high resistance state. When a long pulse voltage with + polarity is applied to the capacitor, the resistance value decreases and the characteristic is reset to a low resistance state. As shown in FIG. 4A, a short pulse voltage 15a of +5 V is applied to the input terminal. Is applied to the variable resistor 11, the resistance value of the variable resistor 11 is set to a high resistance state, and when a + 5V long pulse voltage 15b is applied as shown in FIG. 4B, the resistance value of the variable resistor 11 is set to a low resistance state. Will be reset. In this way, data can be recorded and erased. FIG. 5 shows a method of reproducing the recording (set) state and the erasing (reset) state. At the time of reproduction, as shown in FIG. 5, a short pulse voltage (pulse width is 10 nsec.) 16 of + 2V is applied, and the current value is read by the sense amplifier 14, whereby the variable resistor 11 is brought into a recording state (high resistance state). Whether it is in an erased state (low resistance state) can be identified. 6A shows a change in resistance value when the recording state (high resistance state) is read out a plurality of times with a short pulse voltage of +2 V (pulse width is 10 nsec.), And FIG. 6B shows the recording state (high resistance state). ) Is read a plurality of times with a short pulse voltage of +2 V (pulse width is 10 nsec.). Thus, it can be seen that when the resistance value of the variable resistor 11 is read with a short pulse voltage, it gradually increases according to the number of times of reading. As described above, it was found that the present experiment has a basic characteristic that the resistance value of the variable resistor 11 changes after reading. Therefore, when the variable resistor 11 is used as a memory element, there is a big problem that data retention characteristics are lacking.

そこで我々は、低抵抗状態(リセット時)および高抵抗状態(セット時)のPCMO材料の抵抗値が、印加した再生パルス電圧のパルス幅によりどのように変化したかを調べた。この実験に使用したPCMO膜は上述の実験(図2)と同じものを使用した。その実験結果を図7に示す。ここでは、印加したパルス電圧は+2Vでパルス幅を1nsec.から1msec.まで変化させてPCMO膜の抵抗変化を調べた。ここでの印加パルス数は1回としている。リセット時においては、図7(a)に示すように、パルス電圧のパルス幅が約10nsec.以上かつ約2μsec.以下において、PCMO膜の抵抗値は初期状態の1000Ωから約1100Ωへと増加した。また、パルス幅が約10nsec.より短い場合、抵抗値は初期の1000Ω(低抵抗状態)のままであった。さらに、パルス幅が約10μsec.以上では、PCMO膜の抵抗値は初期状態の1000Ωから約900Ωへと減少した。また、セット時においても、図7(b)に示すように、パルス電圧のパルス幅が約10nsec.以上かつ約2μsec.以下において、PCMO膜の抵抗値は初期状態の10000Ωから約11000Ωへと増加した。また、パルス幅が約10nsec.より短い場合、抵抗値は初期の10000Ω(高抵抗状態)のままであった。さらに、パルス幅が約10μsec.以上では、PCMO膜の抵抗値は初期状態の10000Ωから約9000Ωへと減少した。   Therefore, we investigated how the resistance value of the PCMO material in the low resistance state (at the time of reset) and the high resistance state (at the time of setting) changed depending on the pulse width of the applied reproduction pulse voltage. The PCMO film used in this experiment was the same as the experiment described above (FIG. 2). The experimental results are shown in FIG. Here, the applied pulse voltage is +2 V and the pulse width is 1 nsec. To 1 msec. The change in resistance of the PCMO film was examined by changing to The number of applied pulses here is one. At the time of resetting, as shown in FIG. 7A, the pulse width of the pulse voltage is about 10 nsec. More than about 2 μsec. In the following, the resistance value of the PCMO film increased from 1000Ω in the initial state to about 1100Ω. The pulse width is about 10 nsec. When shorter, the resistance value remained at the initial 1000Ω (low resistance state). Further, the pulse width is about 10 μsec. As described above, the resistance value of the PCMO film decreased from 1000Ω in the initial state to about 900Ω. Even at the time of setting, as shown in FIG. 7B, the pulse width of the pulse voltage is about 10 nsec. More than about 2 μsec. In the following, the resistance value of the PCMO film increased from 10,000Ω in the initial state to about 11000Ω. The pulse width is about 10 nsec. When shorter, the resistance value remained at the initial 10000Ω (high resistance state). Further, the pulse width is about 10 μsec. As described above, the resistance value of the PCMO film decreased from 10000Ω in the initial state to about 9000Ω.

(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態による記憶素子の再生方法の概要を図8に示す。本実施形態では記憶素子が記録状態(高抵抗状態)か消去状態(低抵抗状態)を識別するための再生パルスが、+2V(10nsec.)の第1短パルス電圧と+2V(10μsec.)の第2長パルス電圧からなる一組の再生電圧パルス17からなることを特徴としており、センスアンプ14には、短パルス電流と長パルス電流が両方流れるが、最初に印加される第1短パルス電流の値から、可変抵抗体11が記録状態(高抵抗状態)にあるのか消去状態(低抵抗状態)にあるのかを識別することができ、さらに次に印加される第2長パルス電圧により、可変抵抗体11の抵抗値は再生前の状態に戻ることができる。図9に本実施形態の再生パルス電圧で読み出した後の抵抗値の読み出し回数による変化の様子を、(a)記録状態(高抵抗状態)及び(b)消去状態(低抵抗状態)について示す。このように本実施形態による再生方法により、可変抵抗体11の抵抗値が読み出しにより変化することなく、一定値を保持していることがわかり、データ保持特性に優れた記憶素子を実現することができた。
(First embodiment)
FIG. 8 shows an outline of a storage element reproducing method according to the first embodiment of the present invention. In the present embodiment, the reproduction pulse for identifying whether the storage element is in a recording state (high resistance state) or an erasing state (low resistance state) is a first short pulse voltage of +2 V (10 nsec.) And a first short pulse voltage of +2 V (10 μsec.). The short-circuit current and the long-pulse current both flow in the sense amplifier 14, but the first short-pulse current to be applied first From the value, it is possible to identify whether the variable resistor 11 is in the recording state (high resistance state) or the erasing state (low resistance state). The resistance value of the body 11 can return to the state before the reproduction. FIG. 9 shows changes in the resistance value according to the number of readings after reading with the reproduction pulse voltage of this embodiment in (a) recording state (high resistance state) and (b) erasing state (low resistance state). As described above, according to the reproducing method according to the present embodiment, it can be seen that the resistance value of the variable resistor 11 is maintained at a constant value without being changed by reading, and a memory element having excellent data retention characteristics can be realized. did it.

なお、本実施例では、再生電圧パルスの符号が正の場合について説明したが、再生電圧パルスの符号が負の場合においても、センスアンプに流れるパルス電流の符号が異なるだけであり、可変抵抗体11の記録状態を識別するのには何ら問題はない。   In this embodiment, the case where the sign of the regenerative voltage pulse is positive has been described. However, even when the sign of the regenerative voltage pulse is negative, only the sign of the pulse current flowing through the sense amplifier is different. There is no problem in identifying the 11 recording states.

(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態によるメモリ回路の再生方法の概要を図10に示す。このメモリ回路は、与えられる電気的パルスのパルス幅に応じてその抵抗値を増加/減少させる特性を有する可変抵抗体11とローパスフィルタ12とが直列に接続され、ローパスフィルタ12と並列にセンスアンプ14が接続された構成となっている。なお、本実施例で用いたローパスフィルタ12はパルス幅τがτ≧1μsec.のパルス電流のみを通す特性を有するものを用いた。このような構成にすることにより、記憶素子が記録状態(高抵抗状態)か消去状態(低抵抗状態)かを識別するための再生パルスとして+2V(10nsec.)の第1電圧パルスと+2V(10μsec.)の第2電圧パルスからなる一組の再生電圧パルス17が第1電圧パルス、第2電圧パルスの順番でメモリセルに印加されても、センスアンプ14には、パルス幅τがτ<1μsec.の第1パルス電流のみが流れるので、センスアンプ14に流れる電流値により、可変抵抗体11が記録状態(高抵抗状態)にあるのか消去状態(低抵抗状態)にあるのかを識別することができ、τ>10μsec.の第2パルス電流はセンスアンプ14には流れないが、第2電圧パルスにより可変抵抗体11の抵抗値は再生前の状態に戻すことができる。また、このように本実施形態によるメモリ回路においても第1の実施形態の再生方法により、可変抵抗体11の抵抗値が読み出しにより変化することなく、一定値を保持していることがわかり、データ保持特性に優れた記憶素子を実現することができた。
(Second Embodiment)
FIG. 10 shows an outline of a memory circuit reproducing method according to the second embodiment of the present invention. In this memory circuit, a variable resistor 11 having a characteristic of increasing / decreasing its resistance value according to the pulse width of an applied electric pulse and a low-pass filter 12 are connected in series, and a sense amplifier is connected in parallel with the low-pass filter 12. 14 is connected. The low-pass filter 12 used in this example has a pulse width τ of τ ≧ 1 μsec. The one having the characteristic of passing only the pulse current is used. With such a configuration, the first voltage pulse of +2 V (10 nsec.) And +2 V (10 μsec) are used as a reproduction pulse for identifying whether the memory element is in a recording state (high resistance state) or an erasing state (low resistance state). .)) Even if a set of reproduction voltage pulses 17 consisting of the second voltage pulses are applied to the memory cells in the order of the first voltage pulse and the second voltage pulse, the sense amplifier 14 has a pulse width τ of τ <1 μsec. . Since only the first pulse current flows, it is possible to identify whether the variable resistor 11 is in the recording state (high resistance state) or in the erasing state (low resistance state) by the current value flowing through the sense amplifier 14. , Τ> 10 μsec. The second pulse current does not flow to the sense amplifier 14, but the resistance value of the variable resistor 11 can be returned to the state before reproduction by the second voltage pulse. In addition, it can be seen that in the memory circuit according to the present embodiment as well, by the reproducing method of the first embodiment, the resistance value of the variable resistor 11 does not change by reading and maintains a constant value. A memory element having excellent retention characteristics could be realized.

なお、第1及び第2の実施形態では、記録及び消去パルス電圧の絶対値を5V、再生パルス電圧の絶対値を2Vとしたが、これは一例であり、再生パルス電圧の絶対値が記録及び消去パルスの絶対値以下であれば問題はない。また、再生電圧パルスを構成する第1電圧パルスと第2電圧パルスの間の間隔が1nsec.以上あることが好ましい。また、再生電圧パルスを構成する第1電圧パルスと第2電圧パルスの絶対値は同じである必要はなく、可変抵抗体11の抵抗値の読み出し前後で抵抗値の変化がないように、第1電圧パルスと第2電圧パルスの絶対値を調整すること(多くは第2電圧パルスの絶対値の方が、第1電圧パルスの絶対値より小さくなる)が好ましい。また、可変抵抗体11の抵抗値の読み出し前後で抵抗値の変化がないように第2電圧パルスの個数を複数個にして調整しても何ら差し支えない。さらに、第1及び第2の実施形態では、記録状態と消去状態の1ビット情報の再生の例について述べたが、1ビット情報に限らず、例えば、可変抵抗体11の抵抗値を記録パルス電圧あるいは記録パルス電圧印加回数を調整することで、多段階に変化させた多ビット情報の記憶素子についても適応可能である。   In the first and second embodiments, the absolute value of the recording and erasing pulse voltage is 5 V and the absolute value of the reproducing pulse voltage is 2 V. However, this is an example, and the absolute value of the reproducing pulse voltage is recorded and recorded. There is no problem as long as it is less than the absolute value of the erase pulse. Further, the interval between the first voltage pulse and the second voltage pulse constituting the reproduction voltage pulse is 1 nsec. It is preferable that there is more. Further, the absolute values of the first voltage pulse and the second voltage pulse constituting the reproduction voltage pulse do not need to be the same, and the first value pulse does not change before and after reading the resistance value of the variable resistor 11. It is preferable to adjust the absolute values of the voltage pulse and the second voltage pulse (in many cases, the absolute value of the second voltage pulse is smaller than the absolute value of the first voltage pulse). Further, there is no problem even if the number of the second voltage pulses is adjusted to be plural so that the resistance value does not change before and after the reading of the resistance value of the variable resistor 11. Furthermore, in the first and second embodiments, an example of reproducing 1-bit information in the recording state and the erasing state has been described. However, the present invention is not limited to 1-bit information. For example, the resistance value of the variable resistor 11 is changed to the recording pulse voltage. Alternatively, the present invention can be applied to a storage element of multi-bit information that is changed in multiple stages by adjusting the number of times of applying the recording pulse voltage.

本発明にかかる記憶素子の再生方法及びメモリ回路は、低電力、高速書き込み・消去、大容量化が可能である不揮発性メモリのデータ保持特性を飛躍的に向上させることができるという効果を有し、次世代不揮発性メモリとして有用である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The memory element reproducing method and memory circuit according to the present invention have the effect that the data retention characteristics of a nonvolatile memory capable of low power, high speed writing / erasing, and large capacity can be dramatically improved. It is useful as a next generation nonvolatile memory.

本発明の実施形態において用いられる可変抵抗体の基本構成を示す図。The figure which shows the basic composition of the variable resistor used in embodiment of this invention. 図1に示した可変抵抗体にパルス幅の異なるパルス電圧を印加したときの抵抗値の変化を示す図。The figure which shows the change of resistance value when the pulse voltage from which a pulse width differs is applied to the variable resistor shown in FIG. 図1に示した可変抵抗体にパルス幅の異なるパルス電圧を印可したときの抵抗値の変化の可逆性を示す図。The figure which shows the reversibility of the change of resistance value when the pulse voltage from which a pulse width differs is applied to the variable resistor shown in FIG. 本発明の記憶素子の抵抗値をセット(高抵抗状態)及びリセット(低抵抗状態)する時の様子を示した図。The figure which showed the mode at the time of setting (high resistance state) and reset (low resistance state) of the resistance value of the memory element of this invention. 従来の記憶素子の抵抗値を識別(再生)する方法を示す図。The figure which shows the method of identifying (reproducing) the resistance value of the conventional memory element. (a)可変抵抗体の高抵抗状態を従来の再生方法で再生したときの可変抵抗体の抵抗値の変化を示す図(b)可変抵抗体の低抵抗状態を従来の再生方法で再生したときの可変抵抗体の抵抗値の変化を示す図。(A) The figure which shows the change of the resistance value of a variable resistor when the high resistance state of a variable resistor is reproduced | regenerated by the conventional reproduction | regeneration method (b) When the low resistance state of a variable resistor is reproduced | regenerated by the conventional reproduction | regeneration method The figure which shows the change of the resistance value of a variable resistor. 図1に示した可変抵抗体にパルス幅の異なる再生パルス電圧を印加したときの抵抗値の変化を示す図。The figure which shows the change of resistance value when the reproduction | regeneration pulse voltage from which a pulse width differs is applied to the variable resistor shown in FIG. 第1の実施形態による記憶素子の再生方法を示す図。FIG. 3 is a diagram showing a method for reproducing a memory element according to the first embodiment. 可変抵抗体の各抵抗状態を本発明の実施形態による再生方法で再生したときの可変抵抗体の抵抗値の変化を示す図。The figure which shows the change of the resistance value of a variable resistor when each resistance state of a variable resistor is reproduced | regenerated with the reproduction | regenerating method by embodiment of this invention. 第2の実施形態による記憶素子(メモリ回路)の再生方法を示す図。FIG. 6 is a diagram showing a method for reproducing a memory element (memory circuit) according to a second embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・電極
2・・・抵抗変化材料
3・・・電極
4・・・基板
11・・・可変抵抗体
12・・・ローパスフィルタ
13・・・入力端子
14・・・センスアンプ
15・・・記録電圧パルス
16・・・従来の再生電圧パルス
17・・・本発明の再生電圧パルス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrode 2 ... Variable resistance material 3 ... Electrode 4 ... Board | substrate 11 ... Variable resistor 12 ... Low pass filter 13 ... Input terminal 14 ... Sense amplifier 15 ... Recording voltage pulse 16 ... conventional reproduction voltage pulse 17 ... reproduction voltage pulse of the present invention

Claims (13)

パルス幅の異なる同符号の電気的パルスを印加することにより抵抗値を異なる状態に変化させることができる可変抵抗体を用いた記憶素子の再生方法であって、
第1電圧パルスと前記第1電圧パルスと同符号で且つ第1電圧パルスよりパルス幅の長い第2電圧パルスとからなる一組の再生電圧パルスを前記可変抵抗体に印加することで、前記可変抵抗体の抵抗値の異なる状態を読み取る、
ことを特徴とする記憶素子の再生方法。
A method for reproducing a memory element using a variable resistor capable of changing a resistance value to a different state by applying electric pulses of the same sign with different pulse widths,
A variable voltage is applied to the variable resistor by applying a set of regenerative voltage pulses including a first voltage pulse and a second voltage pulse having the same sign as the first voltage pulse and a longer pulse width than the first voltage pulse. Read the different resistance values of the resistor,
A method for reproducing a storage element.
請求項1において、
前記再生電圧パルスのパルス電圧の絶対値は、データの記録および消去時に前記可変抵抗体に印加されるパルスの絶対値より小さい、
ことを特徴とする記憶素子の再生方法。
In claim 1,
The absolute value of the pulse voltage of the reproduction voltage pulse is smaller than the absolute value of the pulse applied to the variable resistor during data recording and erasing,
A method for reproducing a storage element.
請求項1または2において、
前記第2電圧パルスは複数個のパルスからなる、
ことを特徴とする記憶素子の再生方法。
In claim 1 or 2,
The second voltage pulse comprises a plurality of pulses;
A method for reproducing a storage element.
請求項1から3のいずれか1つにおいて、
前記第1電圧パルスと前記第2電圧パルスのパルス電圧の絶対値が異なる、
ことを特徴とする記憶素子の再生方法。
In any one of Claims 1-3,
The absolute values of the pulse voltages of the first voltage pulse and the second voltage pulse are different,
A method for reproducing a storage element.
請求項4において、
前記第2電圧パルスのパルス電圧の絶対値は前記第1電圧パルスの絶対値より小さい、
ことを特徴とする記憶素子の再生方法。
In claim 4,
The absolute value of the pulse voltage of the second voltage pulse is smaller than the absolute value of the first voltage pulse;
A method for reproducing a storage element.
請求項1から5のいずれか1つにおいて、
前記可変抵抗体の抵抗値の異なる状態をセンスアンプに流れる電流値により読み取る、
ことを特徴とする記憶素子の再生方法。
In any one of Claims 1 to 5,
Read the state of different resistance values of the variable resistor according to the current value flowing through the sense amplifier,
A method for reproducing a storage element.
パルス幅の異なる同符号の電気的パルスを印加することにより抵抗値を異なる状態に変化させることができる可変抵抗体と、
前記可変抵抗対と直列に接続されたローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタと並列に接続されたセンスアンプとを備え、
前記可変抵抗体に第1電圧パルスと第1電圧パルスと同符号で且つ第1電圧パルスよりパルス幅の長い第2電圧パルスからなる一組の再生電圧パルスを印加することで、前記可変抵抗体の抵抗値の異なる状態を前記センスアンプに流れる電流値により読み取る、
ことを特徴とするメモリ回路。
A variable resistor capable of changing the resistance value to different states by applying electric pulses of the same sign with different pulse widths;
A low pass filter connected in series with the variable resistance pair;
A sense amplifier connected in parallel with the low-pass filter;
Applying a set of regenerative voltage pulses consisting of a second voltage pulse having the same sign as the first voltage pulse and the first voltage pulse and having a longer pulse width than the first voltage pulse to the variable resistor, Read the state of different resistance values of the current value flowing through the sense amplifier,
A memory circuit characterized by that.
請求項7において、
前記再生電圧パルスのパルス電圧の絶対値は、データの記録および消去時に前記可変抵抗体に印加されるパルスの絶対値より小さい、
ことを特徴とするメモリ回路。
In claim 7,
The absolute value of the pulse voltage of the reproduction voltage pulse is smaller than the absolute value of the pulse applied to the variable resistor during data recording and erasing,
A memory circuit characterized by that.
請求項7または8において、
前記第2電圧パルスは複数個のパルスからなる、
ことを特徴とするメモリ回路。
In claim 7 or 8,
The second voltage pulse comprises a plurality of pulses;
A memory circuit characterized by that.
請求項7から9のいずれか1つにおいて、
前記第1電圧パルスと前記第2電圧パルスのパルス電圧の絶対値が異なる、
ことを特徴とするメモリ回路。
In any one of claims 7 to 9,
The absolute values of the pulse voltages of the first voltage pulse and the second voltage pulse are different,
A memory circuit characterized by that.
請求項10において、
前記第2電圧パルスのパルス電圧の絶対値は前記第1電圧パルスの絶対値より小さい、
ことを特徴とするメモリ回路。
In claim 10,
The absolute value of the pulse voltage of the second voltage pulse is smaller than the absolute value of the first voltage pulse;
A memory circuit characterized by that.
請求項7から11のいずれか1つにおいて、
前記可変抵抗体の抵抗値の異なる状態をセンスアンプに流れる電流値により読み取る、
ことを特徴とするメモリ回路。
In any one of claims 7 to 11,
Read the state of different resistance values of the variable resistor according to the current value flowing through the sense amplifier,
A memory circuit characterized by that.
請求項7から12のいずれか1つにおいて、
前記ローパスフィルタは、パルス幅が1μsec.以下のパルス電流をカットする特性を有する、
ことを特徴とするメモリ回路。
In any one of claims 7 to 12,
The low-pass filter has a pulse width of 1 μsec. It has the characteristic of cutting the following pulse current,
A memory circuit characterized by that.
JP2004369502A 2004-12-21 2004-12-21 Reproducing method of storage element and memory circuit Pending JP2006179582A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004369502A JP2006179582A (en) 2004-12-21 2004-12-21 Reproducing method of storage element and memory circuit

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004369502A JP2006179582A (en) 2004-12-21 2004-12-21 Reproducing method of storage element and memory circuit

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2006179582A true JP2006179582A (en) 2006-07-06

Family

ID=36733418

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004369502A Pending JP2006179582A (en) 2004-12-21 2004-12-21 Reproducing method of storage element and memory circuit

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2006179582A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8279655B2 (en) 2010-02-15 2012-10-02 Kabushiki Kaisha Toshiba Non-volatile semiconductor memory device and method of controlling non-volatile semiconductor memory device

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8279655B2 (en) 2010-02-15 2012-10-02 Kabushiki Kaisha Toshiba Non-volatile semiconductor memory device and method of controlling non-volatile semiconductor memory device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4499722B2 (en) INITIALIZING METHOD FOR RESISTANCE CHANGE MATERIAL, STORAGE ELEMENT USING RESISTANCE CHANGE MATERIAL, NONVOLATILE MEMORY CIRCUIT USING VARIABLE RESISTOR
US7463506B2 (en) Memory device, memory circuit and semiconductor integrated circuit having variable resistance
JP5250726B1 (en) Resistance change nonvolatile memory element writing method and resistance change nonvolatile memory device
JP4475098B2 (en) Storage element and driving method thereof
JP4385778B2 (en) Storage device
US20070008770A1 (en) Storage devices and semiconductor devices
WO2009107370A1 (en) Method for driving resistance change element and resistance change type memory using same
JP4546842B2 (en) Nonvolatile semiconductor memory device and control method thereof
JP2008124471A (en) Nonvolatile storage device, and its operation method
JP2006099866A (en) Storage device and semiconductor device
TW201126523A (en) Recording method of nonvolatile memory and nonvolatile memory
US20110007544A1 (en) Non-Volatile Memory with Active Ionic Interface Region
JP2006032867A (en) Storage element and drive method thereof
JP2006114087A (en) Storage device and semiconductor device
JP2006179560A (en) Reproducing method of storage element and memory circuit
JP2006179582A (en) Reproducing method of storage element and memory circuit
JP2009104715A (en) Method and device for driving variable resistance element
KR101201673B1 (en) A passive matrix-addressable memory apparatus
JP2007158136A (en) Huge electric resistance memory device
JP2009071105A (en) Variable resistor element, and memory device