[发明专利]半导体存储装置及半导体装置

说明书

技术领域

本发明主要涉及半导体存储装置，该半导体存储装置具有存储器单元阵列，该存储器单元阵列构成为在行方向和列方向分别排列多个具备可变电阻元件而成的存储器单元，该可变电阻元件基于通过电应力的施加而电阻进行变化的电工作特性来存储信息。

背景技术

以闪速存储器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，在计算机、通信、计测设备、自动控制装置以及个人的周围使用的生活设备等的广泛领域中使用，对更廉价且大容量的非易失性存储器的需求非常大。其理由在于，因为能够进行电的改写，并且即使切断电源，数据也不消失，所以能够发挥作为可容易地携带的存储器卡、便携式电话等、非易失地存储装置运转的初始设定的数据存储器、程序存储器等的功能。

但是，在闪速存储器中，由于与将数据写入逻辑值“0”的编程工作相比，将数据擦除为逻辑值“1”的擦除工作耗费时间，所以不能进行高速工作。关于擦除工作，在进行擦除工作时通过以块（block）单位来进行，从而谋求速度的提高，但由于以块单位进行擦除，所以存在不能进行根据随机访问的写入的问题。

因此，现在正在广泛研究代替闪速存储器的新型的非易失性存储器。特别是利用通过对金属氧化膜施加电压而发生电阻变化的现象的电阻变化存储器，由于在微细化极限的方面比闪速存储器有利，此外能够进行低电压工作，并且能够进行高速的数据改写，所以近年来积极地进行研究开发。

作为这些具有金属氧化物的可变电阻元件的写入特性（编程及擦除特性），在被称为双极切换（bipolar switching）的驱动方法的情况下，通过在编程工作和擦除工作中分别对元件施加相反极性的电压脉冲，从而元件的电阻根据该电压脉冲的极性而增加（高电阻化）或减少（低电阻化），因此通过对各电阻状态适用逻辑值来作为数据，从而能够将该可变电阻元件作为存储器元件进行使用。

作为使用上述具有金属氧化物的可变电阻元件的存储装置的特征，可以举出因为编程工作和擦除工作均能够以低电压高速进行，所以能够对任意的地址进行高速改写。因此，由于能够将在现有的DRAM中展开并使用的数据直接在非易失性存储器中使用，所以能够对移动设备的功耗的降低和使用便利性的提高做出贡献。另一方面，存在双极切换所特有的驱动方法导致的要解决的课题。

为了对可变电阻元件写入作为存储信息的正确的电阻值，提高作为存储器元件的可靠性，优选反复进行使选择的存储器单元内的可变电阻元件的电阻变化的写入工作和用于验证写入的电阻值的读出工作（验证工作）。在验证工作中，在对选择的存储器单元内的可变电阻元件施加用于写入工作的电压脉冲之后，通过施加用于验证工作的电压脉冲，利用灵敏放大器（sense amplifier）检测在选择的存储器单元中流过的电流或该电流导致的电压变化等，从而进行可变电阻元件的电阻是否通过写入工作变为所希望的电阻值的验证（例如参照日本特开2009-99199号公报）。在这里，为了方便以下的说明，设想以下存储器单元阵列，其在行方向和列方向分别排列多个存储器单元，同一列的存储器单元的各一端连接于共同的位线（bit line），全部存储器单元的各另一端连接于共同的源极板（sense plate）。再有，在以下说明的问题对于同一行或同一列的存储器单元的各另一端连接于共同的源极线的阵列结构也是同样的。

以往，通常的对已经写入的存储器单元的读出工作和上述验证工作均使用相同的灵敏放大器来进行，因此通过分别施加同极性的电压脉冲来执行。因此，在通过双极切换工作进行写入工作的情况下，即使在使可变电阻元件的电阻状态低电阻化的写入工作（以下称为“设定（Set）工作”）和使可变电阻元件的电阻状态高电阻化的写入工作（以下称为“重置（Reset）工作”）之间对可变电阻元件施加的电压脉冲的极性不同，在它们的各验证工作中对可变电阻元件施加的电压脉冲的极性也是相同的。

在设定工作中，在设定工作后的验证工作中判断为可变电阻元件的电阻没有充分低电阻化的情况下，执行再设定工作。对再设定工作也执行验证工作，到判定为可变电阻元件的电阻被充分低电阻化为止，或者到再设定工作的次数达到规定次数为止，反复进行再设定工作及其验证工作。在设定工作及其验证工作之间，如果使对可变电阻元件施加的电压脉冲的极性为相同的话，在该反复工作的期间，源极板与非选择位线的电位保持基准电位，不需要变更。