[发明专利]半导体存储设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括分别在行方向和列方向上包括多个存储单元的存储单元阵列的半导体存储设备，其中存储单元中的每一个包括基于其中电阻由于电应力的施加而改变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已经被作为大容量和紧凑信息记录介质而广泛地用于计算机、通信、测量设备、自动控制设备和用于个人生活中的日常使用的设备。对于便宜且大容量的非易失性存储器的需求已经极大地增加了。其原因为如下。具体地，非易失性存储器是电可重写的，并且进一步地，即使断开电源，数据也不被擦除。根据这个观点，其能够展现出作为容易携带的存储卡或蜂窝式电话、或者以非易失性方式在启动设备时存储作为初始化的数据的数据储存器或程序储存器的功能。

然而，在闪速存储器中，与用于对逻辑值“0”进行编程的编程动作相比，其花费时间来执行将数据擦除至逻辑值“1”的擦除动作。因此，闪速存储器不能够以高速度操作。以块为基础执行擦除动作以便加速该动作。然而，由于以块为基础来执行擦除动作，所以引起不能够执行通过随机存取来写入的问题。

鉴于此，在最近几年里已经广泛研究了取代闪速存储器的新的非易失性存储器。利用其中通过将电压施加到金属氧化膜来改变电阻的现象的电阻随机存取存储器在微细加工限制方面比闪速存储器更有利。电阻随机存取存储器还能够在低电压下操作，并且能够以高速度写入数据。因此，在最近几年里已经积极地进行了研究和开发(例如，参见日本未审查专利公开号2002-537627，或Baek, I.G. 等, “Highly Scalable Non-volatile Resistive Memory using Simple Binary Oxide Driven by Asymmetric Unipolar Voltage Pulses”, IEDM2004, pp. 587-590, 2004)。

至于具有金属氧化膜的可变电阻元件的编程和擦除特性，在称作双极切换的驱动方法中，通过将具有反极性的电压脉冲施加到该元件而使得元件的电阻增加(高电阻状态)或降低(低电阻状态)。因此，可变电阻元件被通过将逻辑值应用到相应的电阻状态作为数据而用作存储器。

由于能够以高速度在低电压下执行编程和擦除动作，所以使用具有金属氧化物的可变电阻元件的存储器能够以高速度写入可选的地址。因此，照惯例已经被开发并且使用在DRAM上的数据能够被使用在该非易失性存储器上。因此，可以期望移动设备的功耗方面的减少和可用性方面的改进。

另一方面，存在由只有电阻随机存取存储器才有的属性所引起的待解决的问题。

为了将半导体存储设备用作存储器，读取已写入的数据的动作是必要的。例如，为了作为信息而使用逻辑值“0”和逻辑值“1”中的一个被写入到其上的数据，除了在重写该数据时之外，必须总是正确地读取逻辑值“0”和逻辑值“1”中的一个。

另一方面，在使用具有金属氧化物的可变电阻元件的存储器上，数据被作为具有两个端子的可变电阻元件的电阻状态来存储。因此，必须仅通过两个端子之间施加的电压的幅度来控制用于改变可变电阻元件的电阻状态的编程和擦除以及电阻状态的读取。期望的是，在用于编程和擦除动作的电压与用于读取动作的电压之间存在足够的差值，以便防止通过读取动作的数据的错误写入。

随着元件的微细加工和集成进步，用于编程动作和擦除动作的电压和电流的减小是必须的。另一方面，难以显著地减小读取电流以便实现高的读取速度。因此，其变得难以在编程电压及擦除电压和读取电压之间生成足够的差值。

由于存储器的大容量而导致待安装的元件的数量增加，从而在读取动作期间数据的错误写入的可能性增加。

当在读取动作期间连续地从特定存储单元读取数据而不重写时，可能存在下述情况，其中电阻值逐渐地或以特定定时改变，并且当执行下一个读取动作时输出错误的数据，从而输出错误的信息。在下文中这种现象被称为“读取扰动”。

作为针对错误写入的对策，称作ECC(错误检验和校正)的方法已经被广泛地用于闪速存储器或存储盘以便在读取动作期间增强可靠性。在这个方法中，检测错误数据，并且对从其中检测到错误的数据进行取反、校正和输出。

然而，当在读取动作期间在数据上发生错误写入时，即使仅校正了该读取的输出，在连续读取动作期间也累积并且增加了对其进行错误写入的位。因此，对其进行错误写入的位的数量可能超过能够在ECC中被检测到并且校正的限度。