[发明专利]半导体器件

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件，其在存储器单元阵列中具有拥有电阻值根据流动的电流可变的存储器件和用于访问该存储器件的单元晶体管的存储器单元。

背景技术

作为电阻值根据流动的电流可变的典型存储器件，电阻随机存取存储器器件和熔丝器件(fuse device)是已知的。电阻随机存取存储器件是使用了基于向/自绝缘膜的导电离子输入/输出和磁性膜的磁方向的导电性变化、晶体结构的位相变化(phase change)等的存储器件，并且能够可逆地改变电阻值。

同时，作为熔丝器件，除了通过激光烧断的熔丝器件之外，例如已知通过将多晶硅制成的熔丝熔毁来控制电阻值的熔丝器件(例如，参见非专利文献1)。作为熔丝器件的另一示例，已知用于基于是否电气地破坏了MOS晶体管的栅氧膜来进行数据存储的熔丝器件(例如，参见专利文献1)。前面的电气可控的熔丝器件特别地称作电熔丝(eFUSE)。

相比于电气地改变电阻值的前述电阻随机存取存储器，在eFUSE中，占用面积和电阻变化时流动的电流量是更大的。然而，在eFUSE中，配置是简单的，并且在制造工艺中几乎不需要额外的步骤。由此，经常的情况是，eFUSE不用作所谓的通用存储器，而是用作额外信息的存储器。例如，eFUSE用于半导体器件(集成电路)的特性调节(调整)、冗余电路选择、特性值的可重写存储和完成器件后的其它信息等。

通常，使用eFUSE的存储器单元通过将一个eFUSE和一个存取晶体管串联连接而形成。通常，eFUSE和存取晶体管之间的串联连接路径(单元电流路径)的一端通过位线连接至电源供给路径，此单元的另一端接地。在eFUSE中，例如，通过熔毁导电层并且破坏绝缘膜，能够非常大地改变电阻值，从而可以存储1位数据。在此情况下，在用于通过熔毁导电层并且破坏绝缘膜来进行数据存储的写入操作中，向前述的电源供给路径施加写电源电压(下文称为编程电压)。从而，尽管eFUSE电阻值从低电阻变为高电阻，然而相反的操作是不可能的。

在存储数据(关于电阻值是保持为初始的低电阻还是已经跃变为高电阻的信息)的读取操作中，向前述的电源供给路径施加读电源电压(下文称为读取电压)。然后，存取晶体管导通，并且流动的电流的大小例如转换为电压值，并且进行感测。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：U.S.专利第7269081号说明书

非专利文献

非专利文献1：J.Safran等人的“A Compact eFUSE Programmable Array Memory for SOI CMOS”，IEEE.2007 Symposium on VLSI Circuit of Technical Papers，页数72-73。

发明内容

在存储器单元中具有电阻值根据流动的电流可变的存储器件的半导体器件中，在写入数据时的电流值很大的情况下，应当将存取晶体管的大小刚好增大那么多。存取晶体管的必要大小取决于编程电压的大小。然而，在以更低的电压进行编程的情况下，应当更多地增大存取晶体管的大小。例如，以eFUSE为例，在某些情况下，存取晶体管的必要大小是同一代的SRAM存取晶体管的大小的100倍或以上那么大。

存取晶体管的栅极连接至例如在行方向上按线布置的多个存储器单元共用的存取线(其通常称为字线)。由此，在每个存取晶体管的大小很大的情况下，字线的电容(写电容和负载电容的总电容)变得非常大。

由于在写入操作中需要使大电流流动，因此字线电容不可避免变得非常大。然而，这对读取操作具有负面影响。确切地，相比于写入操作时，在读取操作时无需增大字线的电位。由此，在某些情况下，在读取时施加至字线的读取电压低于在写入时施加至字线的编程电压。在实际中，由于需要在维持通过写入操作改变的电阻值的同时读取存储数据，因此读取电压低于编程电压。然而，在以低电压驱动具有大电容的字线的情况下，存取时间增加。进一步，由于字线电容非常大，因此在对字线充放电时消耗了过多的能量，这是不能降低半导体器件的功耗的抑制因素。

在读取时的存取时间很长并且期望的操作时间如上所述那样未满足的情况下，每一条字线可连接的存储器单元的数目(存储位数)受到限制。在某些情况下，与存储器功耗由于对安装有关的存储器的系统的需要而过大的情况下类似地，出现存储器单元数目的这种限制。据此，在减小存取时间和功耗与改善每一条字线的存储位数之间存在折中关系。