[发明专利]非易失性半导体存储装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种具备随着电压施加而电阻特性发生变化的可变电阻元件而成的非易失性半导体存储装置。 

背景技术

非易失性半导体存储装置应用于以移动电话为代表的个人计算机、家电设备、游戏设备等中，在工业界中广泛利用。目前在工业上利用的主要的非易失性半导体存储装置是闪存。预测到闪存在原理上与精密化的极限发生冲突，广泛研究取代闪存的新型的非易失性半导体存储装置。其中，利用了通过向金属氧化膜施加电压来引起电阻的变化的现象的电阻变化存储器(RRAM：Resistance controlled Random Access Memory、RRAM是夏普株式会社的注册商标)在精密化极限的方面上比闪存更有利，另外，由于可实现高速的数据改写，因此近年来积极地进行研究。 

向镍、铁、铜、钛等的金属氧化物施加电压而电阻发生变化的现象本身是从1960年代起开始研究(参照非专利文献1)，然而，当时并没有在实际的设备中得到实用化。在1990年代末，提出了利用通过向具有钙钛矿构造(Perovskite-type structure)的锰、铜的氧化物赋予短时间的电压脉冲，由此最小限度地抑制材料的劣化并且可增减电阻的情况，来应用于非易失性半导体存储装置的方案，接着，证实了对采用了这些金属氧化物的可变电阻元件与晶体管或者二极管进行组合后作为非易失性的单位存储器元件的存储器阵列能够实际形成于半导体芯片上，在2002年的IEDM(International Electron Device Meeting)中报告(参照非专利文献2)，成为广泛在半导体行业中进行研究的契机。之后，在1960年代进行研究的镍、铜的氧化物中也以同样的思路来报告了晶体管、二极管的组合来实现的存储器元件。 

这些技术均利用随着电压脉冲的施加而产生的金属氧化膜的电阻变 化，将不同的电阻状态作为非易失性存储器元件的存储信息来利用，因此认为根本上同一技术。 

另外，作为利用了因电压脉冲的施加而产生的金属氧化膜的电阻变化的可变电阻元件的转换(switching)特性，可以列举出双极型和单极型这两种类型。这些已经在IEDM中报告了两种转换特性及其应用例(参照非专利文献2)。 

双极转换(bipolar switching)是指，利用正负的不同2个极性的电压脉冲，采用某一个极性的电压脉冲使可变电阻元件的电阻从低电阻状态向高电阻状态转移，并且采用另一个极性的电压脉冲使可变电阻元件的电阻从高电阻状态向低电阻状态转移，由此实现2个电阻状态之间的转换。 

另一方面，单极转换中，利用同极性且2个长短不同的施加时间(脉冲宽度)的电压脉冲，采用一个施加时间的电压脉冲使可变电阻元件的电阻从低电阻状态向高电阻状态转移，并且采用另一个施加时间的电压脉冲使可变电阻元件的电阻从高电阻状态向低电阻状态转移，由此实现2个电阻状态之间的转换。 

上述2个转换特性下的转换动作中分别存在优点和问题点。即，对双极转换而言，与电阻的增大以及减少相伴的转移时间均能实现几十ns台或者其以下，利用了该双极转换的存储装置能够非常高速地执行存放数据的改写。但是，由于利用正负两极性的电压脉冲的施加，因此用于实现半导体存储装置的电路构成变得复杂，芯片尺寸增大，导致制造成本的增加。 

另一方面，对单极转换而言，由于能够采用单一极性的电压脉冲来实现转换动作，因此能够简化电路构成，与双极转换相比能够减小芯片尺寸，在制造成本方面优秀。再有，由于能够对单位存储器元件利用二极管和可变电阻元件的组合，因此能够大幅降低采用交叉点型(cross point type)存储器单元阵列构成时成问题的来自相邻存储器单元的回流(回り込み)电流的影响，能够期待读出动作时电特性的大幅的提高。但是，使用长短2种电压脉冲，尤其，较长时间的电压脉冲需要几μs的脉冲宽度，因此对于双极转换需要100倍以上的改写时间。再有，与双极转换同样，改写时的存储器单元电流是几百μA～几mA，因此每个存储器单元的改写消耗功率也需要双极转换的100倍左右，在改写时的性能方面，远不如双极转换。