專利名稱：存儲(chǔ)裝置及半導(dǎo)體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種存儲(chǔ)裝置和半導(dǎo)體裝置。更具體地說，本發(fā)明涉及一種由存儲(chǔ)器件構(gòu)成的存儲(chǔ)裝置和半導(dǎo)體裝置，所述存儲(chǔ)器件每個(gè)都使用根據(jù)電阻狀態(tài)存儲(chǔ)和保持信息的存儲(chǔ)元件。
背景技術(shù)：
在諸如計(jì)算機(jī)的信息器件中，具有高操作速度的高密度DRAM(動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)被作為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器而廣泛使用。
然而，因?yàn)镈RAM是易失性存儲(chǔ)器，其在斷電時(shí)會(huì)丟失信息，所以希望有一種非易失性存儲(chǔ)器，其在斷電后能保持信息。
作為被認(rèn)為有前途的非易失性存儲(chǔ)器，已提出FeRAM(鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)、MRAM(磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)、相變存儲(chǔ)器、以及諸如PMC(可編程金屬敷鍍(metallization)單元)和RRAM的電阻改變型存儲(chǔ)器。
上述存儲(chǔ)器能在不供電的情況下將寫入的信息保持很長時(shí)間。此外，考慮到在上述存儲(chǔ)器的情況下，它們的非易失性能夠使得刷新操作是不必要的，且能夠減少功率消耗。
此外，諸如PMC和RRAM的電阻改變型非易失性存儲(chǔ)器具有比較簡單的構(gòu)造，其中，具有通過施加電壓或電流而使電阻值改變的性質(zhì)的材料被用于存儲(chǔ)和保持信息的存儲(chǔ)層，并且提供兩個(gè)電極以使得存儲(chǔ)層被夾在其間，且電壓或電流被施加到這兩個(gè)電極上。因此，能容易地達(dá)到存儲(chǔ)元件的小型化。
PMC具有一種結(jié)構(gòu)，其中包含預(yù)定金屬的離子導(dǎo)體被夾在兩個(gè)電極之間，此外，PMC利用了這樣的性質(zhì)，即當(dāng)使得包含在離子導(dǎo)體中的金屬被包含在兩個(gè)電極中的任何一個(gè)中，且向兩個(gè)電極之間施加電壓的時(shí)候，諸如電阻或電容的離子導(dǎo)體的電特性被改變。
更具體地說，離子導(dǎo)體由硫化物和金屬的固溶體構(gòu)成(例如，無定形GeS或無定形GeSe)，并且兩電極中的任意一個(gè)都包含Ag、Cu或Zn(例如，參見專利文件1)。
作為RRAM的構(gòu)造，例如，這里介紹一種構(gòu)造，其中多晶PrCaMnO3薄膜被夾在兩個(gè)電極之間，并且通過施加電壓脈沖或電流脈沖，作為記錄膜的PrCaMnO3的電阻值被很大地改變(例如，參見非專利文件1)。另外，在信息的記錄(寫入)時(shí)間和擦除時(shí)間，施加極性不同的電壓脈沖。
此外，作為RRAM的另一種構(gòu)造，例如，這里介紹一種構(gòu)造，其中摻有微量Cr的SrZrO3(單晶或多晶)被夾在兩個(gè)電極之間，并且通過使得電流從這些電極流動(dòng)而改變記錄膜的電阻(例如，參見非專利文件2)。
在該非專利文件2中，示出了存儲(chǔ)層的I-V特性，且記錄和擦除的閾值電壓是±5V。在該構(gòu)造中，電壓脈沖的應(yīng)用也使得能夠記錄和擦除。必要的脈沖電壓是±1.1V，且電壓脈沖的寬度是2ms。此外，能達(dá)到高速的記錄和擦除，且報(bào)告有在100ns的電壓脈沖寬度上的操作。在這種情況下，必要的脈沖電壓是±5V。
然而，目前，對(duì)于FeRAM來說很難執(zhí)行非破壞性的讀取，并且因?yàn)樗鼒?zhí)行了破壞性的讀取，就使得讀取速度較慢。此外，因?yàn)橐勒兆x取或記錄的極性反轉(zhuǎn)(reversal)受次數(shù)的限制，所以寫入也受次數(shù)的限制。
此外，因?yàn)镸RAM需要用于記錄的磁場，而且流經(jīng)導(dǎo)線的電流產(chǎn)生磁場，所以在記錄中必需大量的電流。
此外，相變存儲(chǔ)器是其中施加相同極性和不同幅度的電壓脈沖以執(zhí)行記錄的存儲(chǔ)器。因?yàn)樵撓嘧兇鎯?chǔ)器通過利用溫度來執(zhí)行切換，所以存在其對(duì)環(huán)境溫度變化敏感的問題。
此外，在專利文件1中所述的PMC，其無定形GeS或無定形GeSe的結(jié)晶溫度大約是200℃，而離子導(dǎo)體的結(jié)晶化惡化了該性質(zhì)。因此，PMC不利的是不能經(jīng)受在制造存儲(chǔ)元件的步驟中的高溫，例如，在形成CVD絕緣膜、保護(hù)膜等的步驟中的高溫。
另外，因?yàn)樵诜菍＠募?和非專利文件2中描述的在RRAM的構(gòu)造中提出的存儲(chǔ)層的材料都是晶體，所以RRAM存在一些問題大約600℃左右的熱處理是必要的；極難制造所提出的材料的單晶體；因?yàn)槎嗑У氖褂脦砹司Ы?grain boundary)的影響，而使最小化困難等。
此外，在上述RRAM中，提出施加脈沖電壓用來進(jìn)行信息的記錄和擦除。但是，在所提出的構(gòu)造中，取決于所施加的脈沖電壓的脈沖寬度，存儲(chǔ)層的電阻值在記錄后被改變。在記錄之后電阻值對(duì)記錄的脈沖寬度的這樣的依賴性間接意味著，即使重復(fù)施加同一脈沖，電阻值也會(huì)被改變。
例如，在上述非專利文件1中，報(bào)告了在施加相同極性的脈沖的情況下，取決于脈沖寬度，記錄后的電阻值被很大改變。電阻值具有如下特性在不寬于50ns的短脈沖寬度的情況下，由記錄導(dǎo)致的電阻變化率較低；在不短于50ns的長脈沖寬度的情況下，由于脈沖寬度變得更長，所以相反地電阻值接近記錄前的電阻值，而不是在某一值上飽和。此外，非專利文件1介紹了存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的特征，其中，用于訪問控制的各個(gè)存儲(chǔ)層和MOS晶體管被串聯(lián)，并以陣列排列。這里，報(bào)告了當(dāng)脈沖寬度在10ns到100ns的范圍內(nèi)變化時(shí)，記錄后存儲(chǔ)層的電阻值根據(jù)脈沖寬度而改變。在脈沖寬度更長的情況下，由于存儲(chǔ)層的性質(zhì)，預(yù)計(jì)電阻會(huì)再次減小。
即，在RRAM中，因?yàn)橛涗浐蟮碾娮柚等Q于脈沖電壓的幅度和脈沖寬度，所以脈沖電壓的幅度和脈沖寬度的波動(dòng)導(dǎo)致記錄后電阻值的波動(dòng)。
因此，具有比大約100ns更短的脈沖寬度的脈沖電壓具有由記錄導(dǎo)致的低的電阻變化率，并且容易受到記錄后電阻值波動(dòng)的影響。所以，執(zhí)行穩(wěn)定的記錄是困難的。
因此，當(dāng)以這樣的短脈沖電壓記錄時(shí)，為了確保記錄，需要執(zhí)行在記錄后檢查信息的內(nèi)容的處理(核查)。
例如，在記錄之前，對(duì)記錄在存儲(chǔ)元件上的信息的內(nèi)容(存儲(chǔ)層的電阻值)執(zhí)行讀取和檢查處理，并與所檢查的內(nèi)容(電阻值)和將被記錄的內(nèi)容(電阻值)之間的關(guān)系對(duì)應(yīng)地來執(zhí)行記錄?；蛘?，例如，在記錄之后，對(duì)記錄在存儲(chǔ)元件上的信息的內(nèi)容執(zhí)行讀取和檢查處理，且當(dāng)所檢查的電阻與所希望的電阻值不同時(shí)，執(zhí)行重新記錄以把電阻值校正為所希望的值。
上述處理使得記錄所需的時(shí)間更長，并因此使得難以高速蓋寫數(shù)據(jù)等。
為了解決上述問題，提出一種包括具有存儲(chǔ)元件的存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)裝置，所述存儲(chǔ)元件具有如下特性在兩個(gè)端子之間施加不低于閾值電壓的電壓，改變了電阻值；電路元件與存儲(chǔ)元件串聯(lián)作為負(fù)載；并且存儲(chǔ)裝置具有如下特性，即當(dāng)施加在存儲(chǔ)元件和電路元件的各自的端子之間的電壓不低于某一高于閾值電壓的電壓時(shí)，在存儲(chǔ)元件被從高電阻值狀態(tài)變到低電阻值狀態(tài)之后的存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)元件和電路元件的組合電阻值變成幾乎穩(wěn)定的值，且不管電壓的幅度(參見專利文件2)。該存儲(chǔ)裝置實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的記錄，并縮短了信息記錄所需的時(shí)間。
日本專利申請(qǐng)翻譯公報(bào)No.2002-536840[非專利文件1]“Novel Colossal Magnetoresistive Thin Film NonvolatileResistance Random Access Memory(RRAM)”by W.W.Zhuang et.al.，TechnicalDigest“International Electron Devices Meeting”，2002，pp.193(“新型巨磁阻薄膜非易失性電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RRAM)”，W.W.Zhuang等著，“國際電子器件會(huì)議”技術(shù)文摘，2002，193頁)[非專利文件2]“Reproducible switching effect in thin oxide films for memoryapplications”，by A.Beck et.al.，Applied Physics Letters，2000，Vol.77，pp.139-141(“用于存儲(chǔ)器應(yīng)用的在薄氧化膜上的可再生轉(zhuǎn)換效應(yīng)”，A.Beck等著，應(yīng)用物理文選，2000，77卷，139-141頁)[專利文件2]日本專利申請(qǐng)說明書No.2004-22121當(dāng)把存儲(chǔ)元件從高電阻值狀態(tài)改變到低電阻值狀態(tài)的操作被定義為寫入，且把存儲(chǔ)元件從低電阻值狀態(tài)改變到高電阻值狀態(tài)的操作被定義為擦除時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)在專利文件2中描述的存儲(chǔ)裝置中的寫入和擦除，需要限定施加到存儲(chǔ)單元的電壓范圍，并且向存儲(chǔ)單元施加在預(yù)定范圍內(nèi)的電壓，使得能夠在存儲(chǔ)裝置中進(jìn)行寫入和擦除。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)上述問題而完成本發(fā)明，并且存在提供這樣的存儲(chǔ)裝置和半導(dǎo)體裝置的需要，所述存儲(chǔ)裝置和半導(dǎo)體裝置使得能夠在實(shí)現(xiàn)寫入和擦除的同時(shí)穩(wěn)定地記錄，且能縮短信息記錄所需的時(shí)間。
為了完成上述需要，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的存儲(chǔ)裝置包括存儲(chǔ)器件，所述存儲(chǔ)器件的每個(gè)具有存儲(chǔ)元件，所述存儲(chǔ)元件具有如下特性不低于第一閾值信號(hào)的電信號(hào)的施加允許存儲(chǔ)元件從高電阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)移到低電阻值狀態(tài)；不低于第二閾值信號(hào)的電信號(hào)的施加允許存儲(chǔ)元件從低電阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)移到高電阻值狀態(tài)，所述第二閾值信號(hào)具有與第一閾值信號(hào)不同的極性；以及電路元件與存儲(chǔ)元件串聯(lián)以作為負(fù)載，其中，存儲(chǔ)器件以矩陣排列，且每個(gè)存儲(chǔ)器件的一個(gè)端子與公共線連接，在電源電勢(shì)和接地電勢(shì)之間的中間電勢(shì)被施加到公共線。
這里，被施加到每個(gè)存儲(chǔ)器件的端子上的公共電勢(shì)被設(shè)置為中間電勢(shì)，所述中間電勢(shì)是在從接地電勢(shì)到電源電勢(shì)的范圍內(nèi)的預(yù)定電勢(shì)(不包括接地電勢(shì)和電源電勢(shì))，其使得能夠進(jìn)行存儲(chǔ)元件的寫入和擦除。
更具體地說，中間電勢(shì)被設(shè)置在這樣的范圍內(nèi)其中，向存儲(chǔ)元件的不低于第一閾值信號(hào)的電信號(hào)的施加允許存儲(chǔ)元件的電阻值從高狀態(tài)改變到低狀態(tài)，因而使得能夠向存儲(chǔ)元件中寫入。此外，中間電勢(shì)被設(shè)置在這樣的范圍內(nèi)其中，通過施加不低于第一閾值信號(hào)的電信號(hào)而達(dá)到低電阻值狀態(tài)的存儲(chǔ)元件能夠從低電阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)移到高電阻值狀態(tài)，因而使得能夠?qū)Υ鎯?chǔ)元件進(jìn)行擦除。即，中間電勢(shì)被設(shè)置到這樣的范圍，其中，向存儲(chǔ)元件的不低于第一閾值信號(hào)的電信號(hào)的施加允許存儲(chǔ)元件的電阻值從高狀態(tài)改變到低狀態(tài)，同時(shí)，通過施加不低于第一閾值信號(hào)的電信號(hào)而達(dá)到低電阻值狀態(tài)的存儲(chǔ)元件能夠從低電阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)移到高電阻值狀態(tài)，因而使得能夠?qū)Υ鎯?chǔ)元件進(jìn)行寫入和擦除。
如果不管向存儲(chǔ)元件的不低于第二閾值信號(hào)的電信號(hào)的施加，則通過施加不低于第一閾值信號(hào)的電信號(hào)而達(dá)到低電阻值狀態(tài)的存儲(chǔ)元件不能夠從低電阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)移到高電阻值狀態(tài)，不能夠?qū)σ呀?jīng)被執(zhí)行寫入的存儲(chǔ)元件進(jìn)行擦除。
此外，存儲(chǔ)元件以這樣的方式被構(gòu)造，即存儲(chǔ)層被第一電極和第二電極夾在中間，并且在第一電極和第二電極之間的不低于第一閾值信號(hào)的電信號(hào)的施加允許存儲(chǔ)元件從高電阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)移到低電阻值狀態(tài)，并且在第一電極和第二電極之間的不低于第二閾值信號(hào)的電信號(hào)的施加允許存儲(chǔ)元件從低電阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)移到高電阻值狀態(tài)。
為了滿足上述需要，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置具有包括存儲(chǔ)器件的存儲(chǔ)裝置，所述存儲(chǔ)器件的每個(gè)具有存儲(chǔ)元件，所述存儲(chǔ)元件具有如下特性不低于第一閾值信號(hào)的電信號(hào)的施加允許存儲(chǔ)元件從高電阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)移到低電阻值狀態(tài)；不低于第二閾值信號(hào)的電信號(hào)的施加允許存儲(chǔ)元件從低電阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)移到高電阻值狀態(tài)，所述第二閾值信號(hào)具有與第一閾值信號(hào)不同的極性；以及電路元件與存儲(chǔ)元件串聯(lián)以作為負(fù)載，其中，存儲(chǔ)器件以矩陣排列，且每個(gè)存儲(chǔ)器件的一個(gè)端子被連接到公共線，在電源電勢(shì)和接地電勢(shì)之間的中間電勢(shì)被施加到公共線。
這里，提供電勢(shì)提供裝置，用于向每個(gè)存儲(chǔ)器件的端子施加作為公共電勢(shì)的中間電勢(shì)，使得能夠進(jìn)行存儲(chǔ)元件的寫入和擦除。
在本發(fā)明的上述存儲(chǔ)裝置和半導(dǎo)體裝置中，當(dāng)實(shí)現(xiàn)寫入和擦除時(shí)，能執(zhí)行穩(wěn)定的信息的記錄，且能縮短記錄信息所需的時(shí)間。
此后，將參照附解的本發(fā)明具體實(shí)施例而詳細(xì)解釋本發(fā)明的其它特征，以及由此而產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是圖表，示出了用在應(yīng)用了本發(fā)明的存儲(chǔ)裝置的一個(gè)例子中的存儲(chǔ)元件的電流-電壓變化；圖2A到2B是電路圖，用來解釋用在應(yīng)用了本發(fā)明的存儲(chǔ)裝置的一個(gè)例子中的存儲(chǔ)單元；圖3是電路圖(1)，用來解釋應(yīng)用了本發(fā)明的存儲(chǔ)裝置的一個(gè)例子；圖4是電路圖(2)，用來解釋應(yīng)用了本發(fā)明的存儲(chǔ)裝置的一個(gè)例子；圖5是電路圖(3)，用來解釋應(yīng)用了本發(fā)明的存儲(chǔ)裝置的一個(gè)例子；圖6是電路圖(4)，用來解釋應(yīng)用了本發(fā)明的存儲(chǔ)裝置的一個(gè)例子；圖7是電路圖，用來解釋如下現(xiàn)象的概念寫入后當(dāng)即的存儲(chǔ)元件的電阻根據(jù)存儲(chǔ)元件內(nèi)的電流流動(dòng)而確定；圖8是圖表，示出了在向存儲(chǔ)元件寫入后當(dāng)即的電阻值和被施加到公共線的電勢(shì)之間的關(guān)系；圖9是圖表，示出了在存儲(chǔ)元件的擦除使能最小電阻值和被施加到公共線的電勢(shì)之間的關(guān)系；以及圖10是通過將圖8中所示的圖表和圖9中所示的圖表疊加而得到的圖表。
具體實(shí)施例方式
此后，將參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，以幫助理解本發(fā)明。在本實(shí)施例中，在存儲(chǔ)單元中使用電阻改變型存儲(chǔ)元件(此后，稱為存儲(chǔ)元件)以構(gòu)成存儲(chǔ)裝置。
圖1是圖表，示出了用在應(yīng)用了本發(fā)明的存儲(chǔ)裝置的一個(gè)例子中的存儲(chǔ)元件的電流-電壓(I-V)變化。
作為具有如圖1中所示的I-V特征的存儲(chǔ)元件，這里示例地舉出一種存儲(chǔ)元件，被構(gòu)造例如使得存儲(chǔ)層被夾在第一電極和第二電極(例如，下電極和上電極)之間，并使得存儲(chǔ)層由諸如稀土氧化物膜的無定形薄膜構(gòu)成。
在該存儲(chǔ)元件中，初始條件下的電阻值高(例如，MΩ或更高)，這是其中電流難以流動(dòng)的狀態(tài)。但是，當(dāng)施加如圖1所示的+1.1X[V]或更高的電壓(例如，+0.5V)時(shí)，電流迅速增大，且電阻值降低(例如，幾kΩ)。存儲(chǔ)元件過渡到具有歐姆特征的狀態(tài)，其中電流與電壓成正比，即，電阻值呈現(xiàn)恒定值，且即使電壓被歸零，也保持該電阻值(低電阻值)。
此后，該操作被稱為寫入，且該狀態(tài)被稱為導(dǎo)電。在此時(shí)所施加的電壓被稱為寫入電壓閾值。
接下來，向存儲(chǔ)元件施加具有與寫入相反極性的電壓，且所施加的電壓被增大。然后，如圖1所示，在-1.1X[V](例如，-0.5V)處，流過存儲(chǔ)元件的電流迅速降低，即，電阻值迅速增大，且改變到如初始條件下的高電阻值(例如，1MΩ或更高)。這以后，即使電壓被歸零，也保持該電阻值(高電阻值)。
此后，該操作被稱為擦除，且該狀態(tài)被稱為絕緣。此外，在此時(shí)所施加的電壓被稱為擦除電壓閾值。
在該方式中，向存儲(chǔ)元件的正負(fù)電壓的施加允許存儲(chǔ)元件的電阻值從幾kΩ可逆變化到大約1MΩ。此外，當(dāng)不向存儲(chǔ)元件施加電壓時(shí)，即，當(dāng)電壓是0V時(shí)，能得到導(dǎo)電和絕緣兩種狀態(tài)，且使得這兩種狀態(tài)分別與數(shù)據(jù)1和數(shù)據(jù)0對(duì)應(yīng)，并且每個(gè)都作為一個(gè)位的數(shù)據(jù)而存儲(chǔ)。
在圖1中，所施加的電壓的范圍從-2X到+2X。即使所施加的電壓增大而超出該范圍，在用于應(yīng)用了本發(fā)明的存儲(chǔ)裝置的一個(gè)例子中的存儲(chǔ)元件內(nèi)，電阻值也幾乎不改變。
圖2是電路圖，用來解釋用在應(yīng)用了本發(fā)明的存儲(chǔ)裝置的一個(gè)例子中的存儲(chǔ)單元。這里所示的存儲(chǔ)單元C是通過將MOS晶體管T和存儲(chǔ)元件A串聯(lián)而構(gòu)造出來的。因而，MOS晶體管不僅作為用于選擇將被存取的存儲(chǔ)元件的切換元件，而且如后面所述作為在寫入時(shí)的對(duì)存儲(chǔ)元件的負(fù)載。
此外，其構(gòu)造使得，向連接至MOS晶體管的端子的相反側(cè)上的存儲(chǔ)元件的端子施加端電壓V1，向連接至存儲(chǔ)元件的端子的相反側(cè)上的MOS晶體管的端子(例如，源極側(cè)上的端子)施加端電壓V2，向MOS晶體管的柵極施加?xùn)艠O電壓Vgs。
通過向構(gòu)成存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)元件和MOS晶體管的端子上分別施加端電壓V1和V2，在兩個(gè)端子之間產(chǎn)生電勢(shì)差V(＝|V2-V1|)。
希望在存儲(chǔ)元件的寫入時(shí)的電阻值與MOS晶體管的導(dǎo)通電阻處于相同電平或更高。這是因?yàn)槿绻趯懭腴_始時(shí)的存儲(chǔ)元件的電阻值低，則在端子之間施加的大部分電勢(shì)差被施加到MOS晶體管，使得功率損失，且所施加的電壓不能被有效地用來改變存儲(chǔ)元件的電阻。然而，根據(jù)本實(shí)施例，因?yàn)樵趯懭腴_始時(shí)的存儲(chǔ)元件的電阻值充分高，所以大部分電壓被施加到存儲(chǔ)元件，使得不出現(xiàn)上述問題。
這里，在圖2A和圖2B中示出了基于存儲(chǔ)元件和MOS晶體管的極性的存儲(chǔ)器件的兩種結(jié)構(gòu)類型。
圖2中存儲(chǔ)器件中的每個(gè)箭頭指示其極性，并示出了當(dāng)在箭頭方向施加電壓時(shí)，存儲(chǔ)元件從絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)移到導(dǎo)電狀態(tài)，也就是，執(zhí)行寫入操作。
圖3至圖6是電路圖，用來解釋應(yīng)用了本發(fā)明的存儲(chǔ)裝置的一個(gè)例子。通過將如圖2所示的存儲(chǔ)器件以矩陣排列而形成此處示出的每個(gè)存儲(chǔ)器陣列。基于存儲(chǔ)元件和MOS晶體管的極性與存儲(chǔ)元件和MOS晶體管的排列之間的關(guān)系，可以考慮如圖3、4、5和6所示的四種類型的存儲(chǔ)器陣列結(jié)構(gòu)。
這里，因?yàn)橛糜诓僮鞔鎯?chǔ)器陣列的方法在圖3至圖6中相同，所以用圖3中的電路作為一個(gè)例子而給出該方法的描述。
如圖3中所示的存儲(chǔ)裝置被構(gòu)造使得在矩陣中排列(m+1)行和(n+1)列的存儲(chǔ)器件，且如圖2A和2B中所示的那樣，通過將存儲(chǔ)元件的一個(gè)端子與MOS晶體管(此處為源極)的一個(gè)端子連接而構(gòu)造每個(gè)存儲(chǔ)器件。
此外，MOS晶體管T(T00到Tmn)的柵極與字線W(W0到Wm)相連，MOS晶體管的另一個(gè)端子(漏極)與位線B(B0到Bn)相連，存儲(chǔ)元件的另外一個(gè)端子與公共線S相連。
在如上所述而構(gòu)造的存儲(chǔ)裝置中，可以例如以如下方式執(zhí)行(1)寫入；(2)擦除；以及(3)讀取。
(1)寫入以這樣的方式執(zhí)行存儲(chǔ)單元的寫入向與存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)的字線施加電源電壓Vdd(2.5V)以在其上記錄信息，向與存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)的位線施加電源電壓Vdd(2.5V)以在其上記錄信息，向公共線施加電壓Vdd/2(1.25V)，以把電壓Vdd/2(1.25V)施加到存儲(chǔ)元件，所述電壓Vdd/2(1.25V)超過了寫入電壓閾值(0.5V)，以使得將存儲(chǔ)元件從具有高電阻值(1MΩ或更高)的絕緣狀態(tài)改變到具有低電阻值(幾kΩ)的導(dǎo)電狀態(tài)。
為了防止向不在其上記錄信息的存儲(chǔ)單元寫入，向除了與將寫入信息的存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)的字線以外的字線施加0V，向除了與將記錄信息的存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)的位線以外的位線施加與公共線上相同的電勢(shì)。
這里，只要向存儲(chǔ)元件施加不低于寫入電壓閾值的電壓，則施加到位線上的電勢(shì)就不需要一直是Vdd。同樣，只要向存儲(chǔ)元件施加不低于寫入電壓閾值的電壓，則施加到公共線的電勢(shì)就不需要一直是Vdd/2。
(2)擦除以這樣的方式執(zhí)行存儲(chǔ)單元的擦除向與存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)的字線施加Vdd以從其擦除信息，向與存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)的位線施加接地電勢(shì)(0V)以從其擦除信息，向公共線施加Vdd/2，以在與寫入相反的方向上向存儲(chǔ)元件施加Vdd/2。在擦除的情況下，與寫入不同，由存儲(chǔ)元件的電阻和MOS晶體管的導(dǎo)通電阻的分壓確定的電壓被施加到存儲(chǔ)元件，并超過了擦除電壓閾值(-0.5V)，以使得從具有低電阻值(幾kΩ)的導(dǎo)電狀態(tài)改變到具有高電阻值(1MΩ或更高)的絕緣狀態(tài)。
為了防止在不從其擦除信息的存儲(chǔ)單元內(nèi)進(jìn)行擦除，向除了與將從其擦除信息的存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)的字線以外的字線施加0V，向除了與將從其擦除信息的存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)的位線以外的位線施加與公共線上相同的電勢(shì)。
這里，只要向存儲(chǔ)元件施加不低于擦除電壓閾值的電壓，則施加到位線的電勢(shì)就不需要一直是接地電壓。同樣，只要向存儲(chǔ)元件施加不低于擦除電壓閾值的電壓，則施加到公共線的電勢(shì)不需要一直是Vdd/2。
至此，描述了對(duì)于一個(gè)存儲(chǔ)單元執(zhí)行寫入或擦除以在其上記錄信息或從其擦除信息的情況。在對(duì)與一個(gè)字線連接的多個(gè)存儲(chǔ)器件執(zhí)行寫入或擦除的情況下，當(dāng)寫入時(shí)對(duì)每個(gè)位線施加Vdd，當(dāng)擦除時(shí)施加0V。當(dāng)既不執(zhí)行寫入也不執(zhí)行擦除時(shí)，向每一個(gè)位線施加與公共線上相同的電勢(shì)，此外，向每個(gè)存儲(chǔ)器件施加0V。以此方式，執(zhí)行所需的多個(gè)存儲(chǔ)器的寫入或擦除。因此，為了執(zhí)行對(duì)于多個(gè)存儲(chǔ)器件的寫入或擦除，在寫入和擦除操作時(shí)，公共線的電勢(shì)需要相同。
在僅對(duì)存儲(chǔ)器陣列中的一個(gè)存儲(chǔ)單元執(zhí)行寫入或擦除的情況下，在寫入和擦除操作時(shí)，公共電勢(shì)不需要相同。為了高速連續(xù)地隨機(jī)執(zhí)行寫入和擦除，優(yōu)選地使寫入和擦除操作時(shí)公共線的電勢(shì)相同。
(3)讀取以這樣的方式執(zhí)行從存儲(chǔ)單元上讀取向與存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)的字線施加Vdd以從其讀取信息，向與存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)的位線施加Vdd/2+0.2V或Vdd/2-0.2V，以從其讀取信息，向公共線施加Vdd/2。此時(shí)，因?yàn)樵谖痪€和源極線之間施加0.2V或-0.2V的電壓，所以既不執(zhí)行寫入，也不執(zhí)行擦除。只要在既不執(zhí)行寫入也不執(zhí)行擦除的范圍內(nèi)，就可以向位線和源極線之間施加任何電壓。
下面，當(dāng)位線進(jìn)入到懸空(floating)狀態(tài)(高阻抗?fàn)顟B(tài))時(shí)，(A)當(dāng)存儲(chǔ)元件在導(dǎo)電狀態(tài)時(shí)，施加到位線的電勢(shì)從Vdd/2±0.2V改變到施加到源極線的Vdd/2，以及(B)當(dāng)存儲(chǔ)元件在絕緣狀態(tài)時(shí)，施加到位線的電勢(shì)保持Vdd/2±0.2V。因此，由傳感放大器來確定情況(A)和(B)之間的電壓差，以確定存儲(chǔ)元件的導(dǎo)電狀態(tài)或絕緣狀態(tài)。
向除了與將被讀取的存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)的字線以外的字線施加0V，向除了與將被讀取的存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)的位線以外的位線施加與公共線上相同的電勢(shì)。然而，向除了與將被讀取的存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)的位線以外的位線施加Vdd/2±0.2V也沒有問題。
在上述方式中，執(zhí)行存儲(chǔ)單元的寫入、擦除和讀取。接下來，將描述向公共線施加的最佳電勢(shì)。
首先，從實(shí)驗(yàn)中得知，在寫入本發(fā)明中使用的存儲(chǔ)元件后當(dāng)即的電阻對(duì)元件來說不是唯一值，而是根據(jù)寫入后當(dāng)即在存儲(chǔ)元件中流動(dòng)的電流而確定。圖7是電路圖，用來解釋如下現(xiàn)象的概念，根據(jù)存儲(chǔ)元件內(nèi)流動(dòng)的電流而確定寫入后當(dāng)即的存儲(chǔ)元件的電阻，其中存儲(chǔ)元件和負(fù)載電阻被串聯(lián)。存儲(chǔ)元件在絕緣狀態(tài)，即在電阻值是1MΩ或更高的狀態(tài)。
當(dāng)以圖7中的寫入方向在兩個(gè)端子X、Y之間施加的寫入電壓閾值是0.5V時(shí)，存儲(chǔ)元件的電阻值比與其串聯(lián)的負(fù)載電阻值足夠高，并且因此，向存儲(chǔ)元件施加0.5V的電壓，以使得存儲(chǔ)元件從絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)移到導(dǎo)電狀態(tài)。
也是從實(shí)驗(yàn)中得知，寫入后當(dāng)即存儲(chǔ)元件兩個(gè)端子之間的電壓是恒定值(例如，大約0.2V)，而不管與其串聯(lián)的負(fù)載電阻的值。因此，[1]當(dāng)負(fù)載電阻值是1kΩ時(shí)，流過的電流是(0.5V-0.2V)/1kΩ＝0.3mA，存儲(chǔ)元件的電阻值是0.2V/0.3mA＝0.67kΩ，且[2]當(dāng)負(fù)載電阻值是10kΩ時(shí)，流過的電流是(0.5V-0.2V)/10kΩ＝0.03mA，存儲(chǔ)元件的電阻值是0.2V/0.03mA＝6.7kΩ。
因此，根據(jù)在存儲(chǔ)元件中流動(dòng)的電流來確定寫入后當(dāng)即存儲(chǔ)元件的電阻值，所確定的寫入后的電阻值不變并成為恒定值，除非它超過了擦除電壓閾值(在與寫入相反的電壓方向上)。
在擦除的情況下，不產(chǎn)生上述現(xiàn)象，但是絕緣電阻值從幾十kΩ變化到1MΩ或更高，而不管寫入電阻值。
根據(jù)前面的描述，利用具體例子描述施加到公共線的最佳電勢(shì)。
(例子)圖8示出，在圖3中所示的上述電路圖的存儲(chǔ)單元中，在施加的柵極電勢(shì)(施加到字線的電勢(shì))為2.5V并且施加的位線和源極線之間的電勢(shì)為0.5V的情況下，向存儲(chǔ)元件寫入后當(dāng)即的電阻值與被施加到公共線的電勢(shì)之間的關(guān)系。
圖8指示出，如果施加到公共線的電勢(shì)是1.4V或更高，則寫入被失效。這是因?yàn)殡S著增大施加到公共線的電勢(shì)，MOS晶體管的柵極電勢(shì)相對(duì)地變得更低，即，MOS晶體管的導(dǎo)通電阻變得更高，且寫入后當(dāng)即存儲(chǔ)元件的電阻值變得更高，因此當(dāng)施加到公共線的電勢(shì)是1.4V或更高時(shí)，位線和公共線之間的電勢(shì)變得比(MOS晶體管的電壓閾值)+(存儲(chǔ)元件的寫入電壓閾值)更低。
圖9示出，在圖3中所示的上述電路圖的存儲(chǔ)單元中，在施加2.5V的柵極電勢(shì)與0V的位電勢(shì)(施加到位線的電勢(shì))的情況下，存儲(chǔ)元件的擦除使能最小電阻值和被施加到公共線的電勢(shì)之間的關(guān)系。
這里，以MOS晶體管的導(dǎo)通電阻對(duì)存儲(chǔ)元件的電阻的比率來劃分在位線和公共線之間施加的電壓，因此，如果存儲(chǔ)元件的導(dǎo)電(寫入)電阻低，則被施加到存儲(chǔ)元件的電壓變得低于擦除電壓閾值，因而使擦除失效。另一方面，當(dāng)增大施加到公共線的電勢(shì)時(shí)，在存儲(chǔ)元件中流動(dòng)的電流被增大，且(擦除使能電阻值)＝(擦除電壓閾值)/(在存儲(chǔ)單元中流動(dòng)的電流值)，所以擦除使能電阻值的下限變得更低。
如果被施加到公共線的電勢(shì)是0.5V或更高，則存儲(chǔ)元件內(nèi)的電壓變?yōu)椴脸撝?.5V或更低，以至于使得在任何電阻值下擦除均失效。
圖10是通過將上述圖8和圖9疊加而得到的圖表。圖10示出了<1>在被施加到公共線的電勢(shì)被設(shè)置在0.9V到1.4V的范圍內(nèi)的情況下，寫入被使能且擦除被使能；<2>在被施加到公共線的電勢(shì)被設(shè)置為0.9V或更低的情況下，寫入被使能，但是因?yàn)閷懭牒螽?dāng)即的電阻值太低，所以擦除被失效；以及<3>在被施加到公共線的電勢(shì)被設(shè)置為1.4V或更高的情況下，擦除是使能的，但是寫入被失效。
因此，為了既進(jìn)行寫入操作又進(jìn)行擦除操作，需要將被施加到公共線的電勢(shì)設(shè)置在0.9V到1.4V的范圍內(nèi)。
由于存儲(chǔ)元件的電阻值更低，所以能得到更大的讀取電流，并因此希望被施加到公共線的電勢(shì)在0.9V到1.4V的范圍內(nèi)盡可能低。
這里，在應(yīng)用了本發(fā)明的存儲(chǔ)裝置中，以下面的情況作為例子給出描述由一個(gè)MOS晶體管和一個(gè)存儲(chǔ)元件構(gòu)成一個(gè)位，將存儲(chǔ)元件的絕緣狀態(tài)分配為數(shù)據(jù)0，將存儲(chǔ)元件的導(dǎo)電狀態(tài)分配為數(shù)據(jù)1，由此使得能夠存儲(chǔ)一個(gè)位的數(shù)據(jù)。然而，不需要由一個(gè)MOS晶體管和一個(gè)存儲(chǔ)元件構(gòu)成一個(gè)位的結(jié)構(gòu)。例如，排列在右邊和左邊的兩個(gè)MOS晶體管和兩個(gè)存儲(chǔ)元件可以構(gòu)成一個(gè)位，并且左邊的存儲(chǔ)元件在絕緣狀態(tài)而右邊的存儲(chǔ)元件在導(dǎo)電狀態(tài)的情況可以被分配為數(shù)據(jù)0，左邊的存儲(chǔ)元件在導(dǎo)電狀態(tài)而右邊的存儲(chǔ)元件在絕緣狀態(tài)的情況可以被分配為數(shù)據(jù)1。此外，可以禁止其中左邊和右邊的存儲(chǔ)元件都在導(dǎo)電狀態(tài)或都在絕緣狀態(tài)的情況。這也允許存儲(chǔ)一個(gè)位的數(shù)據(jù)。
在應(yīng)用了本發(fā)明的存儲(chǔ)裝置中，通過設(shè)置以使得向公共線施加最佳范圍內(nèi)的電勢(shì)，也就是，既滿足使得能夠向存儲(chǔ)元件中寫入(在例子中是低于1.4V的電勢(shì))的電勢(shì)條件、又滿足使得能夠在寫入后當(dāng)即從存儲(chǔ)元件擦除(在例子中是高于0.9V的電勢(shì))的電勢(shì)條件的電勢(shì)(在例子中，是從0.9V到1.4V)，使得在存儲(chǔ)元件中既能寫入又能擦除。
此外，通過向存儲(chǔ)單元的一個(gè)端子提供公共電勢(shì)(在例子中，在0.9V到1.4V的范圍內(nèi)的固定電勢(shì))，能在從接地電壓到電源電壓的范圍內(nèi)執(zhí)行寫入、擦除和讀取操作。因此，不必需升壓(boosting)電路，以至于能夠?qū)崿F(xiàn)寫入電路和擦除電路的簡化，并能實(shí)現(xiàn)功率消耗的降低。
此外，每個(gè)存儲(chǔ)元件的電極之一與每個(gè)MOS晶體管的源極-漏極端子連接，而在所有的存儲(chǔ)器件中，每個(gè)存儲(chǔ)元件的另一個(gè)電極彼此相連，這樣能帶來存儲(chǔ)單元面積上的減小。
此外，向存儲(chǔ)單元的一個(gè)端子提供公共電勢(shì)防止了公共線的懸空(高阻抗)，并因此能夠期望穩(wěn)定的存儲(chǔ)器操作。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)懂得，可以在所附的權(quán)利要求或其等效的范圍之內(nèi)，根據(jù)設(shè)計(jì)需求和其它因素而進(jìn)行各種修正、合并、子合并和更改。
本發(fā)明包含與2004年9月29日向日本專利局提交的日本專利申請(qǐng)No.JP2004-284500有關(guān)的主題，其全部內(nèi)容通過參照而被包含于此。
權(quán)利要求
1.一種存儲(chǔ)裝置，包括存儲(chǔ)器件，每個(gè)均具有存儲(chǔ)元件，所述存儲(chǔ)元件具有如下特性不低于第一閾值信號(hào)的電信號(hào)的施加允許存儲(chǔ)元件從高電阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)移到低電阻值狀態(tài)；不低于第二閾值信號(hào)的電信號(hào)的施加允許存儲(chǔ)元件從低電阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)移到高電阻值狀態(tài)，所述第二閾值信號(hào)具有與第一閾值信號(hào)不同的極性；所述存儲(chǔ)器件的每個(gè)還具有電路元件，與存儲(chǔ)元件串聯(lián)以作為負(fù)載；其中，所述存儲(chǔ)器件以矩陣排列，且每個(gè)存儲(chǔ)器件的一個(gè)端子與公共線連接；以及其中，在電源電勢(shì)和接地電勢(shì)之間的中間電勢(shì)被施加到公共線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的存儲(chǔ)裝置，其中，所述中間電勢(shì)被設(shè)置在這樣的范圍內(nèi)其中，向存儲(chǔ)元件的不低于第一閾值信號(hào)的電信號(hào)的施加允許存儲(chǔ)元件的電阻值從高狀態(tài)改變到低狀態(tài)；并且，所述中間電勢(shì)被設(shè)置在這樣的范圍內(nèi)其中，通過施加不低于第一閾值信號(hào)的電信號(hào)而達(dá)到低電阻值狀態(tài)的存儲(chǔ)元件能夠從低電阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)移到高電阻值狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的存儲(chǔ)裝置，其中所述中間電勢(shì)優(yōu)選地落入從0.9V到1.4V的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的存儲(chǔ)裝置，其中所述中間電勢(shì)被選擇作為所述范圍內(nèi)的最低電勢(shì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的存儲(chǔ)裝置，其中所述存儲(chǔ)元件具有這樣的構(gòu)造其中存儲(chǔ)層被夾在第一電極和第二電極之間，并且在第一電極和第二電極之間的不低于第一閾值信號(hào)的電信號(hào)的施加允許存儲(chǔ)元件從高電阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)移到低電阻值狀態(tài)，并且在第一電極和第二電極之間的不低于第二閾值信號(hào)的電信號(hào)的施加允許存儲(chǔ)元件從低電阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)移到高電阻值狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的存儲(chǔ)裝置，其中所述電信號(hào)是電壓信號(hào)。
7.一種半導(dǎo)體裝置，具有存儲(chǔ)裝置，所述存儲(chǔ)裝置包括存儲(chǔ)器件，每個(gè)均具有存儲(chǔ)元件，所述存儲(chǔ)元件具有如下特性不低于第一閾值信號(hào)的電信號(hào)的施加允許存儲(chǔ)元件從高電阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)移到低電阻值狀態(tài)；不低于第二閾值信號(hào)的電信號(hào)的施加允許存儲(chǔ)元件從低電阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)移到高電阻值狀態(tài)，所述第二閾值信號(hào)具有與第一閾值信號(hào)不同的極性；所述存儲(chǔ)器件的每個(gè)還具有電路元件，與存儲(chǔ)元件串聯(lián)以作為負(fù)載；其中，所述存儲(chǔ)器件以矩陣排列，且每個(gè)存儲(chǔ)器件的一個(gè)端子被連接到公共線；以及在電源電勢(shì)和接地電勢(shì)之間的中間電勢(shì)被施加到公共線。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的半導(dǎo)體裝置，其中，所述中間電勢(shì)被設(shè)置在這樣的范圍內(nèi)其中，向存儲(chǔ)元件的不低于第一閾值信號(hào)的電信號(hào)的施加允許存儲(chǔ)元件的電阻值從高狀態(tài)改變到低狀態(tài)；以及，所述中間電勢(shì)被設(shè)置在這樣的范圍內(nèi)其中，通過施加不低于第一閾值信號(hào)的電信號(hào)而達(dá)到低電阻值狀態(tài)的存儲(chǔ)元件能夠從低電阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)移到高電阻值狀態(tài)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的半導(dǎo)體裝置，其中所述中間電勢(shì)優(yōu)選地落入從0.9V到1.4V的范圍內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的半導(dǎo)體裝置，其中所述中間電勢(shì)被選擇作為所述范圍內(nèi)的最低電勢(shì)。
11.根據(jù)權(quán)利要求7的半導(dǎo)體裝置，其中所述存儲(chǔ)元件具有這樣的構(gòu)造其中存儲(chǔ)層被夾在第一電極和第二電極之間，并且在第一電極和第二電極之間的不低于第一閾值信號(hào)的電信號(hào)的施加允許存儲(chǔ)元件從高電阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)移到低電阻值狀態(tài)，并且在第一電極和第二電極之間的不低于第二閾值信號(hào)的電信號(hào)的施加允許存儲(chǔ)元件從低電阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)移到高電阻值狀態(tài)。
12.根據(jù)權(quán)利要求7的半導(dǎo)體裝置，其中所述電信號(hào)是電壓信號(hào)。
全文摘要
一種存儲(chǔ)裝置，包括存儲(chǔ)器件，所述存儲(chǔ)器件每個(gè)都具有存儲(chǔ)元件，所述存儲(chǔ)元件具有如下特性不低于第一閾值信號(hào)的電信號(hào)的施加，允許存儲(chǔ)元件從高電阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)換到低電阻值狀態(tài)，以及不低于第二閾值信號(hào)的電信號(hào)的施加，允許存儲(chǔ)元件從低電阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)換到高電阻值狀態(tài)，所述第二閾值信號(hào)具有與第一閾值信號(hào)不同的極性；所述存儲(chǔ)器件每個(gè)都具有電路元件，與存儲(chǔ)元件串聯(lián)以作為負(fù)載，其中，存儲(chǔ)器件以矩陣排列，且每個(gè)存儲(chǔ)器件的端子之一與公共線連接；并且其中向公共線施加在電源電勢(shì)和接地電勢(shì)之間的中間電勢(shì)。
文檔編號(hào)G11C13/00GK1770319SQ20051010764
公開日2006年5月10日 申請(qǐng)日期2005年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月29日
發(fā)明者八野英生, 岡崎信道, 大塚涉, 對(duì)馬朋人, 相良敦, 中島智惠子, 森寬伸, 長尾一 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社