[发明专利]半导体存储器设备

说明书

技术领域

本发明涉及包括由存储器单元配置的存储器单元阵列的半导体存储器设备，该多个存储器单元分别布置在行方向和列方向，每个存储器单元包括基于电操作属性存储信息的可变电阻元件，其中电阻通过施加电应力变化。

背景技术

以闪存为代表的非易失性存储器在诸如计算机、通信、测量工具、自动控制器和在用户周围使用的生活用具等各种领域用作大容量和紧凑信息存储介质，且对于更便宜和具有更大容量的非易失性存储器的需求极大。这是因为，由于能够被电学写入且即使当电源关闭时数据也不被擦除，它可以执行作为可以容易携带的存储卡的功能或者以非易失性方式存储用于诸如蜂窝电话的设备操作的初始设置的数据存储或程序存储等功能。

注意，因为与将数据编程为逻辑值“1”的编程动作相比，对于将数据擦除到逻辑值“0”的擦除动作，闪存需要较长的时间，它不能高速操作。就擦除动作而言，当执行擦除动作时，尽管通过以少数字节单元或块单元执行来尝试速度的改善，存在这种问题：因为擦除动作以少数字节单元/块单元执行，不能执行随机存取编程。

因此，当前正在广泛研究代替闪存的新型非易失性存储器。其中，与闪存相比，在尺度限制方面，使用由于向金属氧化物膜施加电压而出现电阻变化现象的电阻变化存储器是有用的，且因为它能高速数据写入，近年来它被频繁地研究和发展（例如，参考日本未审专利申请公开（PCT申请的译文）NO.2002-537627，或H. Pagnia等人的“Bistable Switching in Electroformed Metal-Insulator-Metal Devices”, Phys. Stat. Sol. (a), vol. 108, pp. 11 - 65, 1988以及Baek I.G.等人的“Highly Scalable Non-volatile Resistive Memory using Simple Binary Oxide Driven by Asymmetric Unipolar Voltage Pulses”, IEDM2004, pp. 587 - 590, 2004）。

作为具有金属氧化物的这种可变电阻元件的编程/擦除属性，在使用被称为双极切换的驱动方法的情况中，因为元件的电阻通过分别向元件施加具有相反极性的电压脉冲增加（高电阻状态）/减小（低电阻状态），通过将逻辑值作为数据分配到每个电阻状态，它可以用作存储器。

作为具有金属氧化物的可变电阻元件的特征，其能够高速随机存取编程/擦除。

例如，将考虑对存储“0”和“1”两个值的可变电阻元件执行随机存取编程/擦除的情况。在执行编程/擦除动作而不管存储器单元的电阻状态如何时，在编程状态中向元件施加擦除电压脉冲的擦除动作或在擦除状态中向元件施加编程电压脉冲的编程动作将是适当的动作，然而，向已经处于编程状态的元件施加编程电压脉冲的编程动作或向已经处于擦除状态的元件施加擦除电压脉冲的擦除动作将重写为原始状态。

元件的属性可变性可能受操作迟滞影响，且取决于电阻状态，存在通过执行重写，数据由于电阻的变化而被写入的可能性。而且，当元件的操作迟滞大的时候，元件之间的属性可变性变得更大，且变成数据错误的原因。

在实际使用可变电阻元件作为存储器时，因为存在由于元件属性的可变性或编程动作中施加电压或施加电流的可变性而出现编程动作故障的可能性，验证执行写入动作的可变电阻元件的电阻属性是否偏移到所需的电阻分布范围的验证动作将是必要的。然后，作为已经执行验证动作的结果，如果实际发生编程动作故障，则编程动作需要通过再次施加写入电压脉冲执行，使得可变电阻元件的电阻属性被带入所需的电阻分布范围内。

然而，当用于编程动作的电压脉冲再次施加于电阻属性不处于正确电阻状态的电阻分布范围内的可变电阻元件时，因为对可变电阻元件重写编程动作，它不能通过降低电阻而编程到所需的电阻分布范围。

另一方面，以金属氧化物可变电阻元件为代表的可变电阻元件的编程属性呈现如图17所示的电阻迟滞曲线。图17示出施加于可变电阻元件的编程电压脉冲的绝对值与在电压脉冲导致的变化之后的电阻值之间的关系。如图17所示，直到某一编程电压电阻值随着施加电压的增加而增加，然而，此后电阻值随着施加电压的增加而减小。

因此，在施加于可变电阻元件的编程电压的编程之后，电阻值极大地变化，且对于一些可变电阻元件，施加电压的微小差异导致电阻的巨大差异。这不仅适用于施加的编程电压而且还适用于施加的编程电流，且取决于施加的编程电流的幅度，编程之后的电阻值极大地变化。