[发明专利]可变阻抗元件以及非易失性半导体存储装置

说明书

技术领域

本发明涉及基于通过施加电应力使阻抗变化的电工作特性而存储信息的可变阻抗元件以及使用了该可变阻抗元件的非易失性半导体存储装置。

?背景技术

以闪存为代表的非易失性存储器作为大容量且小型的信息记录介质使用在计算机、通信、 测量设备、自动控制装置以及个人周围所使用的生活设备等的广泛领域中，并且对更廉价且大容量的非易失性存储器的需求很大。这是基于如下的理由：因为可电气改写而且即使切断电源数据也不会消失的这一点，可发挥作为可容易携带的存储卡、便携电话等、装置运转的初始设定，非易失地预先存储的数据存储器、程序存储器等的功能。

?但是，闪存存在如下问题，即，与将数据写入逻辑值“1”的程序工作相比，由于在将数据擦除成逻辑值“0”的擦除工作中要花费时间，所以针对擦除工作，在进行擦除工作时通过以块单位进行而谋求速度的提高，由于以块单位进行，所以不能进行任意的地址的改写。? 

那么，在目前，广泛地研究以闪存为代表的新型非易失性存储器。其中，利用了通过对金属氧化膜施加电压而产生阻抗变化的现象的阻抗变化存储器，在微细化界限的这一点上与闪存相比是有利的，另外，因为可进行低电压工作且可进行高速的数据改写，所以近年来开发研究很繁荣（例如，参照日本特表2002-537627号公报，或H.Pagnia等， “Bistable Switching in Electroformed Metal-Insulator-Metal Devices” Phys. Stat. Sol.(a), Vol.108, pp.11-65, 1988年，以及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）。

?使用了具有上述金属氧化物的可变阻抗元件的阻抗变化存储器，由于写入、擦除的任一个都能以低电压高速地进行，所以可进行任意的地址的高速改写，直到现在，由于一旦加载到 DRAM之后能将使用的数据从非易失性存储器直接使用，所以期待着移动设备的功耗的降低、易用性的大幅提高。

作为具有这些金属氧化物的可变阻抗元件的写入、擦除特性，在称作双极切换的驱动方法中，为了使元件的电阻增加（高阻抗状态）、或减少（低阻抗状态），施加分别变为反极性的脉冲。进而，通过对该各阻抗状态作为数据分配逻辑值，作为可随机存取的非易失性存储器来利用。

如图 15所示，目前构成的可变阻抗元件成为按下部电极103、可变阻抗体102 、上部电极101的顺序被层叠的结构，通过在上部电极101和下部电极103之间施加电压脉冲，具有能使阻抗值可逆变化的性质。其为通过读取基于该可逆的阻抗变化工作而变化的阻抗值，作为阻抗状态取出已存储的信息的结构。

将具备该可变阻抗元件的多个存储器单元的每一个在行方向和列方向排列成矩阵状而形成存储器单元阵列，并且，配置将对该存储器单元阵列的各存储器单元的数据的写入、擦除、以及读取工作进行控制的外围电路而构成非易失性半导体存储装置。而且，作为该存储器单元的结构由于存储器单元的结构要素的不同，存在一个存储器单元由一个选择晶体管 T 和一个可变阻抗元件 R构成（称为“1T1R型”）的存储器单元阵列、仅由一个可变阻抗元件 R构成（称为“1R型”）的存储器单元阵列等。

另外，在上述可变阻抗元件中，作为能用作可变阻抗体 102 的金属氧化物，例如能列举出以镨/钙/氧化锰 Pr_1-xCa_xMnO₃ (PCMO)为代表的钙钛矿结构（Perovskite structure）的金属氧化物、如氧化镍、氧化钛、氧化铪、氧化锆那样的二元系的金属氧化物。

特别是，在使用二元系的金属氧化物的情况下，由于以目前的半导体生产线上使用的材料构成，所以存在容易进行微细化并且能以低成本制造的有利点。