[发明专利]非易失性可变电阻元件的成型处理的控制电路及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及在使用非易失性的可变电阻元件存储信息的非易失性半导体存储装置中高效地进行为了使该元件作为非易失性可变电阻元件工作所需的成型(forming)处理用的成型处理的控制电路和成型处理的控制方法。

背景技术

近年来，作为替代闪速存储器的可高速工作的下一代非易失性随机存储器(NVRAM：Nonvolatile Random Access Memory)，提出了FeRAM(Ferroelectric RAM：铁电随机存储器)、MRAM(Magnetic RAM：磁性随机存储器)、OUM(Ovonic Unified Memory：奥弗辛斯基电效应统一存储器)等各种器件构造，从高性能化、高可靠性化、低成本化和工艺匹配性的观点出发，正在进行激烈的开发竞争。但是就现状而言，这些存储器件各有优缺点，离实现兼具SRAM、DRAM、闪速存储器的各优点的“通用存储器(universal memory)”的理想尚远。

针对这些现有技术，提出了电阻性非易失性存储器RRAM(ResistiveRandom Access Memory)，其采用通过施加电压脉冲而使电阻可逆地变化的非易失性可变电阻元件。该非易失性可变电阻元件的构造非常简单，如图1所示，非易失性可变电阻元件100是从下方起依次层叠下部电极106、可变电阻104、上部电极102的结构，通过在上部电极102和下部电极106之间施加电压脉冲等电应力(stress)，能够使电阻值可逆地变化。通过读出该可逆的电阻变化工作(以下适宜地称为“转换(switching)工作”)中的电阻值，能够实现新的非易失性存储装置。

作为可变电阻104的材料，美国休斯敦大学的Shangquing Liu和Alex Ignatiev等通过对以超巨磁阻效应而为人所知的钙钛矿(perovskite)材料施加电压脉冲而使电阻可逆地变化的方法，在美国专利第6204139号说明书以及Liu，S.Q.等的“Electric-pulse-induced reversible Resistancechange effect in magnetoresistive films”，Applied Physics Letters，2000年，Vol.76，p.2749-2751中公开。另外，在美国专利第6204139号说明书例示的元件构造中，作为可变电阻104的材料使用了作为钙钛矿型氧化物的结晶性镨钙锰氧化物Pr_1-XCa_XMnO₃(PCMO)膜。

另外，根据H.Pagnia等的“Bistable Switching in ElectroformedMetal-Insulator-Metal Devices”，Phys.Stat.Sol.(a)，1988年，vol.108，p.11-65以及日本专利申请特表2002-537627号说明书等，可知作为过渡金属的氧化物的氧化钛(TiO₂)膜、氧化镍(NiO)膜、氧化锌(ZnO)膜、氧化铌(Nb₂O₅)膜也显示可逆的电阻变化。当将氧化钛或氧化镍等过渡金属氧化物用作可变电阻时，考虑会由于流入非易失性可变电阻元件的电流引起的热上升而在氧化物中局部性地形成电阻率降低的区域(以下适宜地称为“细丝通路(filament path)”)，或者由于该细丝通路分解，导致产生电阻变化。关于该细丝通路的电气特性，在G.Dearnaley等的“Electrical phenomena in amorphous oxide films”，Rep.Prog.Phys.，1970年，Vol.33，p.1129-1191中公开。

即，非易失性可变电阻元件在制造后的初始状态中处于绝缘状态，为了成为通过电应力来切换高电阻状态和低电阻状态的状态，需要如I.G.Baek等的“Highly scalable non-volatile resistive memory using simplebinary oxide driven by asymmetric unipolar voltage pulses”，IEDMTechnical Digest，2004年，p.587-590所示那样，对其施加电压，预先在非易失性可变电阻元件内形成细丝通路。将该在非易失性可变电阻元件内形成细丝通路的处理称为成型(forming)处理。