[发明专利]非易失性半导体存储装置及其动作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体存储装置，其具有分别在行方向和列方向排列多个两端子的存储单元的存储单元阵列，该两端子的存储单元具有通过施加电脉冲导致电阻值可逆地变化、并且根据电阻的变化对信息进行存储的可变电阻元件，更具体地，本发明涉及存储单元阵列的读取、写入、擦除动作的各存储动作的位线和字线的电压控制技术。

背景技术

近年来，作为代替闪存的可高速动作的下一代非易失性随机存储器(NVRAM：Nonvolatile Random Access Memory)，提出了FeRAM(Ferroelectric RAM)、MRAM(Magnetic RAM)、OUM(OvonicUnified Memory)等各种器件结构，并且在高性能、高可靠性、低成本、以及处理兼容性方面，进行激励的开发竞争。

并且，对于这些现有技术，由美国休斯敦大学的Shangquing Liu和Alex Ignatiev等在下述专利文献1和非专利文献1中，公开了通过向因具有超大磁阻效应而被熟知钙钛矿材料施加电脉冲而使电阻可逆地变化的方法。虽然这使用了因具有超大磁阻效应而被熟知的钙钛矿材料，但是，未施加磁场或在室温下出现数位的电阻变化也是非常划时代的。采用利用这种现象的可变电阻元件的电阻性非易失性存储器RRAM(Resistance Random Access Memory)具有如下优良的特性：由于与MRAM不同，磁场不是全都需要的，所以功耗极低，容易实现微型化、高集成化，并且由于电阻变化的动态范围远比MRAM更广，所以，可以进行多值存储。实际器件中的基本结构非常简单，在衬底垂直方向依次层叠下部电极材料、钙钛矿型金属氧化物、上部电极材料。此外，在专利文献1示例的元件结构中，下部电极材料由在镧铝氧化物LaAlO₃(LAO)的单晶衬底上堆积的钇钡铜氧化物YBa₂Cu₃O₇(YBCO)膜形成，钙钛矿型金属氧化物由结晶性镨钙锰氧化物Pr_1-xCa_xMnO₃(PCMO)膜形成，上部电极材料由溅射堆积的Ag膜形成。对于该存储元件的动作来说，将施加在上部和下部电极间的电压脉冲定位51伏并对正、负施加，由此，可以使电阻可逆地变化。读取这样可逆的电阻变化动作(下面适当地称为“切换动作”)中的电阻值，由此，意味着可制作新的非易失性半导体存储装置。

分别在行方向和列方向矩阵状配置多个包括由上述PCMO膜等构成的可变电阻元件、并根据可变电阻元件的电阻的变化存储信息的存储单元，形成存储单元阵列，在该存储单元阵列的周边，配置控制对存储单元阵列的各存储单元的数据的写入、擦除以及读取的电路，从而可以构成非易失性半导体存储装置。

作为包括该可变电阻元件的存储单元的结构，仅由可变电阻元件构成的两端子的存储单元被称为1R型存储单元。

图1中示出了将1R型存储单元作为构成要素来形成存储单元阵列1并构成大容量非易失性半导体存储装置时的一个结构例。如图2所示，1R型存储单元10由可变电阻元件单体构成，矩阵状排列该存储单元10，构成存储单元阵列1，例如，与在下述专利文献2中公开的相同。具体地说，存储单元阵列1的结构为：在列方向延伸的m条位线(BL1～BLm)和在行方向延伸的n条字线(WL1～WLn)的交点处配置m×n个存储单元10。各存储单元10将可变电阻元件的上部电极连接到字线，将可变电阻元件的下部电极连接到位线。此外，也可以将可变电阻元件的下部电极连接到字线，将可变电阻元件的上部电极连接到位线，可变电阻元件的上部电极和下部电极的关系可以反转。

如图1所示，在具有1R型存储单元10的存储单元阵列1的非易失性半导体存储装置中，由位线解码器2和字线解码器3选择与从地址线4输入到控制电路6a的地址输入相对应的存储单元阵列1内的指定存储单元，执行数据的写入、擦除、读取的各动作，将数据存储在所选择的存储单元中并进行读取。通过数据线5进行与外部装置(未图示)间的数据的输入输出。