[发明专利]非易失性半导体存储器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种非易失性半导体存储器件，特别地涉及一种具备因施 加电压而电阻特性发生变化的可变电阻元件的非易失性半导体存储器件。

背景技术

以快闪存储器为代表的非易失性半导体存储器件作为大容量、小型的 信息记录介质被应用在计算机、通信、计量设备、自动控制装置及用于个 人周边的生活设备等广泛的领域中，对更廉价、大容量的非易失性半导体 存储器件的需求非常大。原因在于，基于电气的改写是可能的而且即使切 断电源也不消除数据的观点，作为可容易移动的存储卡、携带电话等、装 置运转的初始设定，可发挥作为非易失地存储的数据存储、程序存储等的 功能等。

另一方面，鉴于最近的应用程序和数据本身的庞大化倾向的状况，今 后希望实现能够对保存在快闪存储器中的软件进行改写和程序缺陷的修 正、功能的升级等的系统。但是，在作为现有的非易失性半导体存储器件 的代表的快闪存储器中，为了改写需要非常长的时间，或为了限制一次改 写的数据量而需要确保用于缓冲文件的剩余的存储区域，作为其结果，存 在所谓改写时的处理步骤非常复杂的问题。

另外，在原理上预测快闪存储器与微细化的界限冲突时，正广泛地研 究代替过去的快闪存储器的新型非易失性半导体存储器件。其中，利用通 过对金属氧化膜施加电压来引起电阻变化的现象的电阻变化型的非易失 性半导体存储器件，在微细化界限这点，比快闪存储器有利，此外，由于 高速的数据改写是可能的，所以近年来正积极进行研究开发。

关于这些研究的背景，即对镍、铁、铜、钛等金属氧化物施加电压后 电阻发生变化的现象本身，虽然从1960年代起进行了研究(参照非专利 文献1)，但当时在实际的器件中没有实用化。在1990年代末，提案利用 如下现象应用于非易失性半导体存储器件中，即通过对具有钙钛矿结构的 锰和铜的氧化物赋予短时间的电压脉冲，可最小限度地抑制材料的劣化， 不可逆地增减电阻；接着，证实，将这些金属氧化物的可变电阻元件与晶 体管或二极管的组合，实际中能在半导体芯片上形成作为存储器单位元件 (存储器单元)的存储器单元阵列，在2002年的IEDM(International Electron Device Meeting)中被报告(参照非专利文献2)，成为在半导体行 业中广泛进行研究的契机。此后，即便是1960年代进行研究的镍和铜的 氧化物，也按同样的考虑方法，报告与晶体管和二极管的组合(参照非专 利文献3、非专利文献4)。

这些技术全都利用因电压脉冲的施加而引起的金属氧化物的电阻变 化，将不同的电阻状态用作非易失性半导体存储器件(构成的存储元件) 的存储信息，因此基本上认为是同一技术。

由上述这种电压施加而引起电阻变化的可变电阻元件(金属氧化物构 成的电阻元件)，按照使用的金属氧化物(以下，将通过施加电压使电阻 值变化的金属氧化物称为“可变电阻体”)的材料、电极材料、元件的形 状、大小、动作条件的不同，呈现出各种各样的电阻特性和电阻变化特性。 但是，不清楚这种特性的多样性的原因。即，研究者将在偶然制作出的范 围中，构成非易失性半导体存储器件的存储元件(以下标记为“非易失性 半导体存储器件”)表示出最佳特性的动作条件作为此元件的动作条件， 研究者未能充分地把握这些特性的整体情况，一直到现在都处于没有统一 的设计指南的状况下。

这种无统一设计指南的状况表明，没有达到一种可在真正意义上的工 业中利用上述可变电阻元件的技术。换言之，在上述经验上最佳化的技术 中，即使上述可变电阻元件可以作为非易失性半导体存储元件单体、或作 为将该存储元件小规模集成化的部件来利用，也不可能应用于快闪存储器 这种需要100万～1亿个以上的大规模的集成度的高品质保证的现在的半 导体存储器件中。

作为如上所述的、不能把握整体情况的具体事例，可列举上述可变电 阻元件的双极(双极性)转换特性和单极(单极性)转换特性。这些已经 在IEDM中报告双方的转换特性和其应用例(参照非专利文献2)。

双极转换通过利用正负不同的2个极性的电压脉冲，用任意一个极性 的电压脉冲使可变电阻元件的电阻从低电阻状态转移到高电阻状态，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转移到低电阻 状态，来实现2个电阻状态间的转换。