[发明专利]非易失性存储装置和向非易失性存储装置写入数据的方法

说明书

技术领域

本发明涉及非易失性存储装置和向非易失性存储装置写入数据的方法。更详细地，涉及具有可变电阻元件的非易失性存储装置和向非易失性存储装置写入数据的方法。

背景技术

非易失性存储装置广泛装载在便携式电话机和数码相机等便携式设备中，利用率急速扩大中。近年来，处理音频数据和图像数据的机会大增，开始强烈希望有比以往更大容量且高速动作的非易失性存储装置。另外，在用于便携设备的非易失性存储装置的领域，对低耗电有着进一步的强烈要求。

当前非易失性存储装置的主流是闪存。闪存通过控制积蓄在浮栅中的电荷来进行数据存储。闪存由于具有在高电场下在浮栅中积蓄电荷的结构，所以被指出存在下述问题，即，小型化有限度，更进一步大容量化所需的精密加工较困难。而且对于闪存来说，为了进行擦写，必须要将规定的数据块一次性擦除。由于这个特性，闪存的擦写需要非常长的时间，高速化也存在限度。

作为解决这些问题的下一代非易失性存储装置，可以使用利用电阻的变化来记录信息的可变电阻型元件。作为当前提出的利用可变电阻型元件的非易失性存储器，提出了MRAM(Magnetic RAM：磁阻式随机存储器)、PRAM(Phase-Change RAM：相变随机存储器)、ReRAM(Resistive RAM：电阻型随机存取器)等。

专利文献1公开了使用钙铁矿结构的氧化物的双极型ReRAM元件控制方法的一例。

双极型是指，通过极性不同的电压脉冲，用一种极性的电压脉冲使ReRAM元件向高电阻状态变化，用另一种极性的电压脉冲使之向低电阻状态变化。ReRAM是指，通过电刺激，至少可以在第一电阻状态(高电阻状态，也称为RH状态或仅用RH表示)和电阻值比上述第一电阻状态低的第二电阻状态(低电阻状态，也称为RL状态或仅用RL表示)之间可逆变化的元件。是指根据电阻值存储信息的非易失性存储器。

以下对这种ReRAM元件的控制方法参照附图进行说明。

图36～图38是表示专利文献1所公开的存储单元的控制方法的图。存储单元9具有可变电阻型元件1和选择晶体管(transistor)2。可变电阻型元件1的一个端子与选择晶体管2的一个主端子(漏极或源极)互相电连接。选择晶体管2的另一个主端子(源极或漏极)通过源极线6与源极线端子3电连接。可变电阻型元件1的另一个端子通过位线8与位线端子5电连接。选择晶体管2的栅极通过字线7与字线端子4电连接。数据写入时(写入“1”时，数据“1”分配给ReRAM元件的RH(高电阻状态))、擦除时(写入“0”时，数据“0”分配给ReRAM元件的RL(低电阻状态))和读取时的任意一种情况下，都对被选择的存储单元的字线端子4施加高电平的阈值电压(用于使晶体管处于导通状态的电压)，使选择晶体管2处于导通状态。

图36是表示专利文献1的存储单元中进行写入动作时的电压脉冲的施加状态的图。将源极线6设定为0V(接地)，对位线8施加规定的写入电压振幅的正极性的写入脉冲，对可变电阻型元件1写入希望的数据。在向可变电阻型元件1写入多值信息时，写入脉冲的电压振幅被设定为与写入数据的值相应的等级。例如将四值数据写入一个可变电阻型元件1时，选择与各个写入数据的值对应地决定的规定的四个电压振幅中的一个进行写入动作。另外，写入脉冲宽度根据元件选择相应的适当的宽度。即，为了使之向规定的电阻状态变化，存在对应于该电阻状态的一个电压振幅等级和脉冲宽度。

图37是表示专利文献1的存储单元中进行擦除动作时的电压脉冲的施加状态的图。将位线设定为0V(接地)，对源极线施加规定的擦除电压振幅的正极性的擦除脉冲。通过施加擦除脉冲，使可变电阻型元件1的电阻变成最小值。专利文献1公开了在多个位线被设定为0V的状态下，通过对特定的源极线施加擦除脉冲，将与该多个位线和源极线连接的多个存储单元同时一次性擦除。

图38是表示专利文献1的存储单元中进行读取动作时的电压脉冲的施加状态的图。当读取可变电阻型元件1中存储的数据时，将源极线6设定为0V(接地)，经由读取电路向所选择的位线8施加规定的读取电压。通过施加读取电压，在比较判定电路中将位线8的电平与读取用的参考电平作比较，读取存储数据。