[发明专利]半导体存储设备

说明书

技术领域

本发明涉及包括由存储单元配置的存储单元阵列的半导体存储设备，多个存储单元分别被布置在行方向上和列方向上，每个存储单元包括基于其中通过施加电介质应力来改变电阻的电操作特性来存储信息的可变电阻元件。

背景技术

以闪速存储器为代表的非易失性存储器被作为大容量和紧凑信息存储介质使用在诸如计算机、通信、测量器具、自动控制器和用户周围所使用的生活器具之类的各种领域中，并且对于更便宜且具有更大容量的非易失性存储器的需求是极其大的。这是因为：由于能被电写入并且即使当切断电力的时候数据也不被擦除，所以其可执行如能够容易地被携带的存储卡、或者以非易失性方式存储用于诸如移动电话之类的设备操作的初始设置的数据存储器或程序存储器等的功能。

注意，由于与将数据编程为逻辑值“1”的编程动作相比，闪速存储器要求用于将数据擦除为逻辑值“0”的擦除动作的更长的时间，所以其不能高速操作。关于擦除动作，当执行擦除动作时，尽管尝试通过以几个字节或块单位为单位来执行速度方面的改进，但是由于擦除动作是以几个字节/块单位为单位来执行的，所以存在不能够执行随机存取编程的问题。

由于这样，当前正在广泛研究取代闪速存储器的一种新类型的非易失性存储器。在此类当中，与闪速存储器相比，就缩放限制（scaling limit）而言，电阻变化存储器（其运用这样的现象：其中，由于对金属氧化物薄膜施加电压而导致发生电阻变化）是有用的，并且由于其能高速数据写入，所以在最近几年里其频繁地被研究和发展(例如，涉及日本未审查专利申请公开(PCT申请的译文)号2002-537627，或H. Pagnia et al., “Bistable Switching in Electroformed Metal-Insulator-Metal Devices” , Phys. Stat. Sol. (a), vol. 108, pp. 11 - 65, 1988, 和 Baek I.G. et al., “Highly Scalable Non-volatile Resistive Memory using Simple Binary Oxide Driven by Asymmetric Unipolar Voltage Pulses”, IEDM2004, pp. 587 - 590, 2004)。

因为具有金属氧化物的这样的可变电阻元件的编程/擦除特性，所以在采用称作双极切换的驱动方法的情况下，由于通过将具有相反极性的电压脉冲分别施加给该元件而使得元件的电阻增加(高电阻状态)/减小(低电阻状态)，所以其能够通过将逻辑值作为数据分配给每个电阻状态而被用作存储器。

因为具有金属氧化物的可变电阻元件的特点，所以其能高速随机存取编程/擦除。

发明内容

例如，将考虑这样一种情况，其中对存储两个值“0”和“1”的可变电阻元件执行随机存取编程/擦除。在不管存储单元的电阻状态的情况下执行编程/擦除动作时，将擦除电压脉冲施加到处于被编程状态中的元件的擦除动作或将编程电压脉冲施加到处于被擦除状态中的元件的编程动作将是适当的动作，然而，将编程电压脉冲施加到已经处于被编程状态中的元件的编程动作或将擦除电压脉冲施加到已经处于被擦除状态中的元件的擦除动作将重写到原始状态。

元件的特性易变性可能受到这样的操作滞后的影响并且取决于电阻状态，存在由于电阻的改变而导致通过正在执行的重写来写入数据的可能性。进一步地，当元件的操作滞后大时，元件之间的特性易变性变得更大，并且成为数据误差的原因。

在实际将可变电阻元件用作存储器时，因为存在由于元件特性方面的易变性或编程动作中的施加电压或施加电流方面的易变性而导致发生编程动作失败的可能性，所以验证对其已经执行了写动作的可变电阻元件的电阻特性是否已转移到期望的电阻分布范围的验证动作将是必要的。因而，作为已经执行了验证动作的结果，如果实际上发生了编程动作失败，则编程动作需要通过再次施加写电压脉冲来加以执行，从而使得可变电阻元件的电阻特性恢复到期望的电阻分布范围之内。

然而，当用于编程动作的电压脉冲再次被施加到其电阻特性不在正确的电阻状态的电阻分布范围之内的可变电阻元件时，由于对于可变电阻元件而言编程动作正在重写，所以其不能通过正被降低的电阻而被编程到期望的电阻分布范围。