專利名稱：半導(dǎo)體存儲裝置及存儲單元陣列的擦除方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有一個或多個沿行方向及列方向分別排列配置多個非易失性存儲單元，為了從其中選擇規(guī)定的存儲單元或存儲單元組，沿行方向與列方向分別排列配置多根字線與多根位線而成的存儲單元陣列的半導(dǎo)體存儲裝置，特別涉及一種在存儲器載體中使用了可變電阻元件的存儲單元陣列的擦除方法。
背景技術(shù)：
近年來的半導(dǎo)體存儲裝置的進(jìn)步顯著，特別是從閃爍存儲器可以電改寫，且即使切斷電源數(shù)據(jù)也不消失方面來看，被使用于可容易地移動的存儲卡或移動電話機(jī)等中，作為裝置工作的初始設(shè)定，發(fā)揮作為非易失地存儲的數(shù)據(jù)保存(data storage)、程序保存等的功能。
作為上述閃爍存儲器，公知ETOX(美國INTEL公司注冊商標(biāo))型存儲單元。該ETOX型存儲單元，如圖9所示，在半導(dǎo)體基板1內(nèi)形成源極3及漏極2，該源極·漏極具有與半導(dǎo)體基板1相反的極性。另外，在該源極·漏極上形成柵絕緣膜4，接著在其上面形成浮柵(floating gate)5、層間絕緣膜6、控制柵極7。
該ETOX型單元10的工作原理，是在數(shù)據(jù)寫入(編程)時，作為源極電壓Vs，向源極3提供通常的低電壓(例如0V)，在漏極2上施加Vd(例如6V)，在控制柵極7上施加高電壓Vpp(例如12V)。此時，在漏極·源極間上產(chǎn)生熱電子(hot-electron)與熱空穴(hot hole)。熱空穴作為基板電流，流入基板內(nèi)。另一方面，熱電子被注入浮柵內(nèi)，從晶體管的控制柵極7看到的閾值電壓上升。
另外，在讀出時，源極電壓為低電壓(例如0V)，漏極電壓為比源極電壓稍高的電壓(例如1V)，在控制柵極7上施加5V電壓。此時，在寫入單元與非寫入單元中，由于閾值不同，故流入源極·漏極間的電流不同。讀出這一狀態(tài)，在電流比某規(guī)定電流大的情況下為“1”(已擦除的單元)，小的情況下為“0”(已寫入的單元)。
在擦除時，向源極3提供高電壓Vpp(例如12V)，向控制柵極7提供低電壓(例如0V)，再有將漏極保持為浮動狀。由此，在浮柵·源極間通過隧道氧化膜4流過富勒-諾爾德哈姆(Fowler-Nordheim)電流，將電子從浮柵5取出。
根據(jù)這樣的工作原理，為了判別寫入及擦除單元在規(guī)定的閾值以上還是以下，進(jìn)行校驗。寫入校驗是與閾值(Vthp)高(例如5.3V)的單元(參考單元)比較，成為該值以上的閾值時，判斷為寫入單元。另一方面，擦除校驗是與閾值(Vthe)低(例如3.1V)的單元(參考單元)比較，成為該值以下的閾值時判斷為擦除單元。
圖10表示這種閃爍存儲器中現(xiàn)有例中使用的共源極型的存儲單元陣列部的構(gòu)成圖。向字解碼器11輸入地址信號，向列解碼器12輸入數(shù)據(jù)、地址信號，再向擦除電路13輸入擦除信號。該芯片具有m根(例如m＝2048)字線WL1…WLm，每根字線連接n個(例如n＝512)存儲單元MC的控制柵極。即，具有n根位線BL1…BLn。因此，該存儲器的存儲容量為m×n個(例如1Mb)。另外，該存儲單元陣列的源極是共用的，共用的源線SL與擦除電路13連接。擦除時，擦除信號被輸入到擦除電路13，如圖10所示在呈陣列狀配置的存儲單元晶體管的源極上施加Vpp，可以同時擦除整個單元。
在實際的裝置中，擦除是以塊單位，例如64Kb比較大的單位進(jìn)行，再有，由于該被擦除的塊內(nèi)的存儲單元的閾值若在編程狀態(tài)下存在，則在擦除狀態(tài)下也存在，故必須使用例如圖11所示的復(fù)雜的算法進(jìn)行擦除。
對圖11所示的擦除方法進(jìn)行說明。若開始擦除，則首先利用通常的寫入操作{利用CHE(Channel Hot Electron)的寫入方式}使1個塊內(nèi)的全部存儲單元為寫入狀態(tài)(步驟S1)。接著，例如在8位單位中進(jìn)行驗證根據(jù)步驟S1寫入的存儲單元的閾值是否在5.5V以上的編程校驗(步驟S2)。若存儲單元的閾值不是5.5V以上，則返回步驟S1繼續(xù)進(jìn)行寫入。另一方面，若存儲單元的閾值為5.5V以上，則進(jìn)入步驟S3。在步驟S3中施加塊批擦除脈沖。通過從源極側(cè)抽出電子，降低存儲單元的閾值，來進(jìn)行擦除。接下來，在步驟S4中，進(jìn)行驗證塊內(nèi)的全部存儲單元的閾值是否為3.5V以下的擦除校驗。若存儲單元的閾值不是3.5V以下，則返回步驟S3繼續(xù)擦除。另一方面，若存儲單元的閾值為3.5V以下，則結(jié)束擦除。
從圖11的擦除方法知道，由于盡量使擦除后的閾值分布緊密，即分布的范圍狹窄，且消除多余擦除單元(閾值為0V以下的單元)，首先使全部的單元成為寫入狀態(tài)。該寫入利用通常的編程操作，可以對8個存儲單元同時進(jìn)行。若1個單元的寫入時間為2μs，則該寫入操作所花費(fèi)時間如以下的算式(1)所示為131ms。
2μs×64Kb÷8＝131ms … (1)該時間，若使擦除總計時間為600ms，則約占其20％。另外，對于步驟S2的校驗，若以8位單位每個單元100ns進(jìn)行，則校驗時間如以下的算式(2)所示為6.6ms左右。再有，對于步驟S3的擦除脈沖施加，為300ms左右。
100ns×64Kb÷8＝6.6ms … (2)關(guān)于圖11的擦除方式，作為縮短脈沖施加的總計時間的方法，雖然考慮提高擦除脈沖施加時的源極施加電壓，但若提高源極電壓，則能帶間的隧道電流增多，在隧道氧化膜上空穴被俘獲，可靠性劣化。因此，不能進(jìn)一步提高源極電壓，故擦除速度也不能進(jìn)一步提高。
作為這種閃爍存儲器的代表性的應(yīng)用設(shè)備，列舉移動電話機(jī)。根據(jù)移動電話機(jī)對小型化極為強(qiáng)烈的要求，在容量上限制大的電源增強(qiáng)的條件下，即使在長時間的待機(jī)期間，也適用具備所謂的不需要為保持信息的備用電源的非易失性特性的閃爍存儲器。另外，根據(jù)閃爍存儲器自身的存儲容量的擴(kuò)大，對存儲許多應(yīng)用程序或數(shù)據(jù)，切換這些即可施行功能的移動電話機(jī)的多功能化有幫助。
在上述的非易失性半導(dǎo)體存儲裝置中，該應(yīng)用程序或數(shù)據(jù)本身存在龐大化的傾向，今后，可改寫存儲于閃爍存儲器內(nèi)的軟件的系統(tǒng)被實用，期待可以進(jìn)行隱錯修正或功能升級的系統(tǒng)。在這種狀況下，在象閃爍存儲器那樣，為改寫程序數(shù)據(jù)等文件而首先必須批擦除的半導(dǎo)體存儲裝置中，改寫需要非常長的時間，且也必須確保用于暫存文件用的多余存儲區(qū)域等，存在其過程非常繁雜的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述問題點(diǎn)，其目的在于提供一種可迅速且正確地進(jìn)行數(shù)據(jù)的擦除、再寫入的自由度高的半導(dǎo)體存儲裝置及存儲單元陣列的擦除方法。
為了達(dá)成該目的，本發(fā)明的非易失性半導(dǎo)體存儲裝置的特征構(gòu)成為，是一種具有一個或多個沿行方向及列方向排列配置多個非易失性存儲單元，為了從其中選擇規(guī)定的存儲單元或存儲單元組，沿行方向與列方向分別排列配置多根字線與多根位線而成的存儲單元陣列的半導(dǎo)體存儲裝置，其中，上述存儲單元連接利用電阻的變化存儲信息的可變電阻元件的一端與選擇晶體管的漏極，且在上述存儲單元陣列內(nèi)，將上述可變電阻元件的另一端與上述選擇晶體管的源極中的任何一方沿上述列方向共同連接在上述位線上，而其另一方共同連接在源線上，上述選擇晶體管的柵極沿上述行方向共同連接在上述字線上，具備分別以規(guī)定的施加條件，在與上述存儲單元陣列連接的上述字線、上述位線及上述源線上施加電壓，通過使該存儲單元陣列內(nèi)的擦除對象的上述存儲單元內(nèi)的上述可變電阻元件的電阻成為規(guī)定的擦除狀態(tài)，從而擦除該存儲單元內(nèi)的上述信息的擦除機(jī)構(gòu)，上述擦除機(jī)構(gòu)在上述存儲單元陣列的至少一個中，根據(jù)上述電壓的施加條件切換批擦除該存儲單元陣列內(nèi)的全部上述存儲單元的批擦除模式和上述擦除機(jī)構(gòu)個別地擦除該存儲單元陣列內(nèi)的一部分上述存儲單元的個別擦除模式。
即，由于以對于構(gòu)成于存儲單元陣列內(nèi)的存儲單元，存儲程序數(shù)據(jù)等，在一并改寫的情況下，采用批擦除模式，對于構(gòu)成于存儲單元陣列內(nèi)的存儲單元，存儲代碼數(shù)據(jù)等，在個別地改寫代碼數(shù)據(jù)的情況下，采用個別擦除模式的方式，構(gòu)成為根據(jù)電壓的施加條件可切換擦除模式，故可以根據(jù)存儲單元中存儲的數(shù)據(jù)的特性有效使用。
若上述擦除機(jī)構(gòu)構(gòu)成為，對上述存儲單元陣列的至少一個，將上述電壓的施加條件設(shè)定為批擦除模式的施加條件，可以將該存儲單元陣列內(nèi)的全部上述存儲單元一并地擦除，并且，對上述存儲單元陣列的其他的至少一個，將上述電壓的施加條件設(shè)定為個別擦除模式的施加條件，可以將該存儲單元陣列內(nèi)的一部分上述存儲單元個別地擦除，則由于對每個存儲單元陣列可以切換設(shè)定批擦除模式與個別擦除模式，故可根據(jù)存儲單元中存儲的數(shù)據(jù)的特性有效地使用存儲單元陣列。
在這里，上述批擦除模式與上述個別擦除模式的施加條件是對分別施加在上述字線、上述位線及上述源線上的電壓值進(jìn)行設(shè)定。
通過將上述擦除機(jī)構(gòu)構(gòu)成為，在上述批擦除模式中，在上述批擦除模式的施加條件下，對上述存儲單元陣列的全部上述存儲單元進(jìn)行電壓的施加后，判斷上述各存儲單元是否已被擦除，在上述字線單位中沿行方向全部存儲單元被擦除的情況下，對該字線停止上述批擦除模式的施加條件下的電壓施加，對上述字線單位中沿行方向全部存儲單元未被擦除的存儲單元，對該字線反復(fù)進(jìn)行上述批擦除模式的施加條件下的電壓施加與上述判斷，直到在上述字線單位中沿行方向全部的存儲單元被擦除，在上述字線單位中沿行方向擦除全部存儲單元的數(shù)據(jù)的情況下，通過對該存儲單元的可變電阻元件根據(jù)需要降低電阻值，從而可以避免數(shù)據(jù)的寫入處理時直到成為規(guī)定的電阻值的寫入時間長的不良情況。即，優(yōu)選既可以均勻地保持各存儲單元的可變電阻元件的電阻值，又可以降低數(shù)據(jù)的寫入處理時直到成為規(guī)定的電阻值的寫入時間的分散。
若構(gòu)成為具備分別以規(guī)定的施加條件，在與上述存儲單元陣列內(nèi)的寫入對象的上述存儲單元連接的上述字線、上述位線及上述源線上施加電壓，通過使該存儲單元內(nèi)的上述可變電阻元件的電阻成為規(guī)定的寫入狀態(tài)，而將上述信息寫入該存儲單元內(nèi)的寫入機(jī)構(gòu)，在上述批擦除模式中，在上述擦除機(jī)構(gòu)以上述批擦除模式的施加條件對上述存儲單元陣列內(nèi)的全部上述存儲單元進(jìn)行電壓的施加前，上述寫入機(jī)構(gòu)，以使上述可變電阻元件的電阻統(tǒng)一為規(guī)定的寫入狀態(tài)的方式，對該存儲單元的全部進(jìn)行寫入操作，則先將存儲單元全部變?yōu)楦唠娮锠顟B(tài)后，通過進(jìn)行上述批擦除模式中的擦除操作，避免在數(shù)據(jù)不被寫入且電阻值小的存儲單元中異常地流過電流的狀況，既可以降低擦除時的消耗電流也可以降低電阻值的分散。
若構(gòu)成為上述擦除機(jī)構(gòu)，在上述個別擦除模式中，在上述個別擦除模式的施加條件下，對上述存儲單元陣列內(nèi)的擦除對象的上述存儲單元進(jìn)行電壓的施加后，個別地判斷該存儲單元是否已被擦除，對于被擦除的存儲單元，停止對與該存儲單元連接的上述字線或上述位線的至少任何一方以上述個別擦除模式的施加條件的電壓施加，對于未被擦除的存儲單元，在存儲單元單位中反復(fù)進(jìn)行上述個別擦除模式的施加條件下的電壓施加與上述判斷，直到該存儲單元被擦除，則在達(dá)到降低個別擦除模式中的擦除時電阻值的分散的目的上是優(yōu)選的。
從上述觀點(diǎn)看出，本發(fā)明的存儲單元陣列的擦除方法的特征構(gòu)成為，具備在上述存儲單元陣列單位中，批擦除上述存儲單元陣列內(nèi)的全部上述存儲單元的批擦除模式，和個別地擦除上述存儲單元陣列內(nèi)的一部分上述存儲單元的個別擦除模式，在上述各擦除模式中，分別以各擦除模式的施加條件，在與上述存儲單元陣列的擦除對象的存儲單元連接的上述字線、上述位線及上述源線上施加電壓，通過使該擦除對象的存儲單元內(nèi)的上述可變電阻元件的電阻成為規(guī)定的擦除狀態(tài)，來擦除該存儲單元內(nèi)的上述信息，上述批擦除模式與上述個別擦除模式的施加條件是對上述字線、上述位線及上述源線的至少一個的施加條件不同。
在上述批擦除模式中，在上述批擦除模式的施加條件下，對上述存儲單元陣列的全部上述存儲單元進(jìn)行電壓的施加后，判斷上述各存儲單元是否已被擦除，在上述字線單位中沿行方向全部存儲單元被擦除的情況下，對該字線停止上述批擦除模式的施加條件下的電壓施加，對上述字線單位中沿行方向全部存儲單元未被擦除的存儲單元，對該字線反復(fù)進(jìn)行上述批擦除模式的施加條件下的電壓施加與上述判斷，直到在上述字線單位中沿行方向全部的存儲單元被擦除，在使構(gòu)成存儲單元的可變電阻元件的電阻值的分散降低方面是優(yōu)選的，在同樣的觀點(diǎn)上，更優(yōu)選在上述批擦除模式的施加條件下對上述存儲單元陣列內(nèi)的全部上述存儲單元進(jìn)行電壓的施加前，分別以規(guī)定的施加條件，在與上述存儲單元陣列連接的上述字線、上述位線及上述源線上施加電壓，通過使該存儲單元內(nèi)的上述可變電阻元件的電阻統(tǒng)一為規(guī)定的寫入狀態(tài)，來進(jìn)行寫入操作。
在上述個別擦除模式中，在上述個別擦除模式的施加條件下，對上述存儲單元陣列內(nèi)的擦除對象的上述存儲單元進(jìn)行電壓的施加后，個別地判斷該存儲單元是否己被擦除，對于被擦除的存儲單元，停止對與該存儲單元連接的上述字線或上述位線的至少任何一方的上述個別擦除模式的施加條件下的電壓施加，對于未被擦除的存儲單元，在存儲單元單位中反復(fù)進(jìn)行上述個別擦除模式的施加條件下的電壓施加與上述判斷，直到該存儲單元被擦除，在使構(gòu)成存儲單元的可變電阻元件的電阻值的偏差降低方面是優(yōu)選的。


圖1是用于本發(fā)明的使用可變電阻元件構(gòu)成的存儲單元陣列部的構(gòu)成圖。
圖2是用于本發(fā)明的使用了可變電阻元件的存儲單元的剖面的示意圖。
圖3是表示用于本發(fā)明的可變電阻元件的特性的圖。
圖4是表示用于本發(fā)明的使用了可變電阻元件的寫入、擦除的電壓條件的示意圖。
圖5是用于本發(fā)明的使用可變電阻元件構(gòu)成的存儲單元陣列的擦除方法的流程圖。
圖6是用于本發(fā)明的使用可變電阻元件構(gòu)成的存儲單元陣列的擦除方法的流程圖。
圖7是表示另一實施方式的用于本發(fā)明的使用可變電阻元件構(gòu)成的存儲單元陣列部的構(gòu)成圖。
圖8是表示另一實施方式的用于本發(fā)明的使用可變電阻元件構(gòu)成的存儲單元陣列部的方框構(gòu)成圖。
圖9是ETOX型存儲單元的剖視圖。
圖10是用于現(xiàn)有例的共源極型存儲單元陣列部的構(gòu)成圖。
圖11是表示現(xiàn)有例的擦除算法的流程。
具體實施例方式
以下，參照附圖，說明本發(fā)明的半導(dǎo)體存儲裝置及存儲單元陣列的擦除方法的實施方式。
本發(fā)明的非易失性半導(dǎo)體存儲裝置，如圖1所示，構(gòu)成為具備一個或多個沿行方向及列方向排列配置多個非易失性存儲單元20，為了從其中選擇規(guī)定的存儲單元或存儲單元組，沿行方向與列方向分別排列配置多根字線WL1…WLm與多根位線BL1…BLn而成的存儲單元陣列。
上述存儲單元20，通過將利用電阻的變化存儲上述信息的可變電阻元件24的一端與選擇晶體管21的漏極連接而構(gòu)成，并且在上述存儲單元陣列內(nèi)，將上述可變電阻元件24的另一端與上述選擇晶體管21的源極中的任何一方沿上述列方向共同連接在上述位線BL上，而另一方共同連接在源線SL上，上述選擇晶體管21的柵極沿上述行方向共同連接在上述字線WL上。
再有，具備分別以規(guī)定的施加條件，在與上述存儲單元陣列連接的上述字線WL、上述位線BL及上述源線SL上施加電壓，通過使該存儲單元陣列內(nèi)的擦除對象的上述存儲單元內(nèi)的上述可變電阻元件的電阻成為規(guī)定的擦除狀態(tài)，從而擦除該存儲單元內(nèi)的上述信息的擦除電路13。
上述擦除電路13構(gòu)成為，在上述存儲單元陣列的至少一個中，根據(jù)上述電壓的施加條件切換批擦除該存儲單元陣列內(nèi)的全部上述存儲單元的批擦除模式和上述擦除電路13個別地擦除該存儲單元陣列內(nèi)的一部分上述存儲單元的個別擦除模式。
若詳細(xì)闡述，則如圖2所示，用于本發(fā)明的共源極型存儲單元20，由在被半導(dǎo)體基板30上的元件分離區(qū)域所分離的區(qū)域內(nèi)形成的選擇晶體管21、和與上述選擇晶體管21的漏極區(qū)域22電連接的可變電阻元件24構(gòu)成，上述選擇晶體管21的源極區(qū)域23與相鄰的存儲單元共用。上述可變電阻元件24，例如，如圖3所示，是根據(jù)電壓脈沖的施加次數(shù)電阻值連續(xù)變化的元件，根據(jù)電應(yīng)力的施加改變電阻，即使解除電應(yīng)力后也保持變化后的電阻，含有錳的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的氧化物，例如是利用MOCVD法、旋轉(zhuǎn)鍍膜法、激光侵蝕、濺射法等形成用Pr(1-x)CaxMnO3、La(1-x)CaxMnO3或La(1-x-y)CaxPbyMnO3(其中x＜1，y＜1，x+y＜1)表示的任何物質(zhì)，例如Pr0.7Ca0.3MnO3、La0.65Ca0.35MnO3、La0.65Ca0.175Pb0.175MnO3等的錳氧化膜，來做成的。由于向上述可變電阻元件24寫入數(shù)據(jù)的時間從幾十ns到200ns，故寫入速度比閃爍存儲器還快，通過從幾十ns到200ns施加相反極性的電壓，也可以實現(xiàn)擦除，寫入、擦除速度顯然比閃爍存儲器還快。
以下，在本說明書中，RRAM元件的“增加電阻值”時表現(xiàn)為“寫入”，“降低電阻值”時表現(xiàn)為“擦除”，雖然通常是按照在進(jìn)行寫入時接通選擇晶體管，在位線BL上施加5V的電壓，在源線SL上施加0V電壓，相反在進(jìn)行擦除時接通選擇晶體管，施加相反極性的電壓，而在進(jìn)行讀出時接通選擇晶體管，在位線BL上施加比寫入電壓低的電壓(例如2V)，在源線上施加0V電壓，對其進(jìn)行說明，但各電壓值構(gòu)成為由電壓產(chǎn)生電路交替供給，其值并未限定于上述的值，只要與非易失性可變電阻元件的特性配合進(jìn)行適當(dāng)設(shè)定即可。即，向選擇存儲單元20寫入數(shù)據(jù)，如圖4(a)所示，在使源線SL為低電位(例如接地電位)的狀態(tài)下，通過在選擇單元的字線WL上施加例如3V電壓，在位線BL上施加例如5V電壓，使非選擇的字線WL、位線BL為0V，來進(jìn)行該操作。由此，只對選擇單元導(dǎo)通選擇晶體管，由于在電阻元件的兩端施加電壓，選擇單元的電阻元件的電阻值上升。為了對進(jìn)行過寫入的存儲單元驗證電阻值是否成為規(guī)定的值，例如，進(jìn)行利用圖外的差動放大電路比較流過選擇存儲單元的電流或施加在選擇存儲單元上的電壓與規(guī)定的值的程序校驗，反復(fù)施加寫入電壓并校驗，直到成為規(guī)定的電阻值。加在字線WL上的電壓可以為選擇晶體管的通態(tài)電壓以上。
讀出是在選擇存儲單元的字線WL上施加例如3V電壓，在位線BL上施加比寫入電壓低的電壓(例如2V)，在源線SL上施加0V電壓。此時，在寫入單元與非寫入單元中，由于電阻值不同，所以流入選擇晶體管的源極·漏極間的電流不同。該電流例如使用差動放大電路讀出，在電流比某規(guī)定電流大的情況下為“0”，在小的情況下為“1”。
上述擦除電路13構(gòu)成為，在上述存儲單元陣列的至少一個中，根據(jù)上述電壓的施加條件切換批擦除該存儲單元陣列內(nèi)的全部上述存儲單元的批擦除模式和上述擦除電路13個別地擦除該存儲單元陣列內(nèi)的一部分上述存儲單元的個別擦除模式。
在上述批擦除模式中，如圖4(b)所示，在一個或多個存儲單元陣列的源線SL上施加例如5V，在字線WL上施加例如3V，在位線BL上施加例如0V的擦除脈沖。該電壓施加狀態(tài)，是施加與圖4(a)所示的寫入操作相反的電壓狀態(tài)，由此，可變電阻元件的電阻值降低。在上述批擦除模式中，在上述批擦除模式的施加條件下，對上述存儲單元陣列的全部上述存儲單元20進(jìn)行電壓的施加后，判斷上述各存儲單元是否已被擦除，在上述字線單位中沿行方向全部存儲單元被擦除的情況下，對該字線停止上述批擦除模式的施加條件下的電壓施加，對上述字線單位中沿行方向全部存儲單元未被擦除的存儲單元，對該字線反復(fù)進(jìn)行上述批擦除模式的施加條件下的電壓施加與上述判斷，直到在上述字線單位中沿行方向全部的存儲單元被擦除。
如圖5所示，在上述批擦除模式中，首先在圖4(a)的條件下施加擦除脈沖(S11)，進(jìn)行驗證選擇存儲單元的電阻值是否在規(guī)定的電阻值電平以下的擦除校驗(S12)，在字線單位中沿行方向全部的存儲單元被擦除時，對該字線WL或字線組WL組停止電壓施加，在其他字線WL或字線組WL組上施加電壓，部分擦除(S13)，進(jìn)行校驗，全部的存儲單元的可變電阻元件24成為規(guī)定的電阻值以下(S14)，擦除結(jié)束。若對64Kb的存儲容量進(jìn)行上述擦除，則擦除時間為50ns，校驗若與閃爍存儲器同樣，為6.6ms，幾乎成為校驗時間的6.6ms。再有，在這里，雖然可以反復(fù)進(jìn)行從步驟S11到步驟S12的操作，直到全部的存儲單元的可變電阻元件24為規(guī)定的電阻值以下，但在這種情況下，由于對已經(jīng)成為規(guī)定的電阻值以下的存儲單元繼續(xù)施行擦除操作，故消耗多余的電力，在下一次寫入數(shù)據(jù)時由于電阻值分散有可能花費(fèi)不必要的時間，從這一觀點(diǎn)看，希望加入上述的步驟S13、S14的擦除流程。
在上述個別擦除模式中，如圖4(c)所示，在選擇存儲單元的源線SL上施加例如0V，在字線WL上施加例如3V，在規(guī)定的位線BL上施加例如一5V的擦除脈沖。該電壓施加狀態(tài)，是施加與圖4(a)所示的寫入操作相反的電壓狀態(tài)，由此，可變電阻元件的電阻值降低。根據(jù)本個別擦除模式，不擦除存儲單元陣列整體，可以對每一位進(jìn)行擦除寫入。在這里，構(gòu)成為在上述個別擦除模式中，在上述個別擦除模式的施加條件下，對上述存儲單元陣列內(nèi)的擦除對象的上述存儲單元20進(jìn)行電壓的施加后，個別地判斷該存儲單元20是否已被擦除，對于被擦除的存儲單元，停止對與該存儲單元連接的上述字線或上述位線的至少任何一方的上述個別擦除模式的施加條件下的電壓施加，對于未被擦除的存儲單元，在存儲單元單位中反復(fù)進(jìn)行上述個別擦除模式的施加條件下的電壓施加與上述判斷，直到該存儲單元被擦除，但優(yōu)選要減小構(gòu)成存儲單元的可變電阻元件的分散。1位擦除的時間，擦除時間50ns，校驗100ns，合計150ns。每位地擦除64Kb的塊的時間，根據(jù)以下的算式(3)，是78.6ms，比批擦除時間(6.6ms、9.9ms)長。
150ns×64Kb＝78.6ms …(3)在上述的實施方式中，作為擦除機(jī)構(gòu)，雖然說明的是構(gòu)成為在上述存儲單元陣列的至少一個中，根據(jù)上述電壓的施加條件切換批擦除該存儲單元陣列內(nèi)的全部上述存儲單元的批擦除模式和上述擦除機(jī)構(gòu)個別地擦除該存儲單元陣列內(nèi)的一部分上述存儲單元的個別擦除模式，但作為擦除機(jī)構(gòu)，也可以構(gòu)成為對上述存儲單元的至少一個，將上述電壓的施加條件設(shè)定為批擦除模式的施加條件，從而可以將該存儲單元陣列內(nèi)的全部上述存儲單元批擦除，并且對上述存儲單元陣列的其他的至少一個，將上述電壓的施加條件設(shè)定為個別擦除模式的施加條件，從而可以將該存儲單元陣列內(nèi)的一部分上述存儲單元個別地擦除。
即，對于需要有效地批擦除存儲單元陣列并在其中更新存儲新的程序數(shù)據(jù)的用途，對于需要以位單位頻繁且隨意高速地變更數(shù)據(jù)的用途，以及對于需要其組合的用途等，可以與上述半導(dǎo)體存儲裝置的用途配合，構(gòu)成適宜的擦除機(jī)構(gòu)。
如圖8所示，利用本發(fā)明的非易失性半導(dǎo)體存儲裝置，構(gòu)成作為在個別擦除模式中擦除8M的代碼用存儲區(qū)域的1位擦除存儲區(qū)域1、2，同時，構(gòu)成作為在批擦除模式中擦除24M的數(shù)據(jù)用存儲區(qū)域的批擦除存儲區(qū)域1、2等，可以根據(jù)用途，適當(dāng)?shù)亟M合半導(dǎo)體存儲裝置的構(gòu)成與擦除方式進(jìn)行采用。再有，圖中，外圍電路1由批擦除存儲區(qū)域的字線選擇電路、寫入電壓產(chǎn)生電路、批擦除模式中進(jìn)行擦除的批擦除電路等構(gòu)成，外圍電路2由與1位擦除存儲區(qū)域?qū)?yīng)的字線選擇電路、個別擦除模式中進(jìn)行擦除的位擦除電路、讀出電路構(gòu)成，存在于每個存儲區(qū)域中的操作不良的存儲單元內(nèi)，構(gòu)成冗余的塊。
另外，也可以構(gòu)成為具備分別以規(guī)定的施加條件，在與上述存儲單元陣列內(nèi)的寫入對象的上述存儲單元20連接的上述字線WL、上述位線BL及上述源線SL上施加電壓，通過使該存儲單元20內(nèi)的上述可變電阻元件24的電阻成為規(guī)定的寫入狀態(tài)，而將上述信息寫入該存儲單元20內(nèi)的寫入機(jī)構(gòu)，在上述批擦除模式中，上述擦除機(jī)構(gòu)在上述批擦除模式的施加條件下對上述存儲單元陣列內(nèi)的全部上述存儲單元進(jìn)行電壓的施加前，上述寫入機(jī)構(gòu)，以使上述可變電阻元件的電阻統(tǒng)一為規(guī)定的寫入狀態(tài)的方式，對該存儲單元的全部進(jìn)行寫入操作。
即，在存儲單元陣列內(nèi)，由于也存在未被寫入的單元，故若施加擦除電壓，則流過未被寫入的單元的電流相對寫入單元的多，通過使其先變成寫入狀態(tài)即高電阻狀態(tài)，可以降低擦除電壓施加時的消耗電流，另外也可以降低擦除時的電阻值的分散。具體地講，如圖6所示，向陣列內(nèi)或電位阱內(nèi)的單元施加寫入電壓(S21)。接著，進(jìn)行驗證全部的單元是否處于寫入狀態(tài)的程序校驗，反復(fù)進(jìn)行編程、校驗，直到成為寫入狀態(tài)(S22)。然后，與上述擦除方法同樣，進(jìn)行擦除電壓施加(S23)與擦除校驗(S24)。此時的擦除時間，寫入電位阱內(nèi)的全部位的時間(1位50ns)為3.3ms，校驗時間為6.6ms，合計9.9ms，雖然時間增加約了25％，但降低了消耗電流。
在上述的擦除電路13中，雖然說明了在圖4(b)、(c)所示的電壓施加條件下，施行批擦除與1位擦除的構(gòu)成，但也可以如圖7所示，由在上述圖4(b)所示的電壓施加條件下施行批擦除的第1擦除電路；和以1位擦除時由該第1擦除電路將源線SL保持在5V上，由第2擦除電路使與擦除對象的存儲單元連接的位線BL為0V，使與擦除對象以外的存儲單元連接的位線為5V的方式進(jìn)行控制，并根據(jù)擦除方式選擇信號，切換上述第1擦除電路與第2擦除電路工作的擦除方式選擇電路；所構(gòu)成。
除在上述實施方式中說明的可變電阻元件以外，也可以使用沿磁化方向改變電阻值的MRAM(Magnetic RAM)元件或電阻值由熱導(dǎo)致的結(jié)晶狀態(tài)的變化而改變的OUM(Ovonic Unified Memory)元件等構(gòu)成非易失性半導(dǎo)體存儲裝置。
如上所詳細(xì)說明的，根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種根據(jù)用途可以選擇所謂的批擦除與個別擦除的存儲單元的擦除方法，可迅速且正確地進(jìn)行數(shù)據(jù)的擦除、再寫入，而且可以降低電力消耗的半導(dǎo)體存儲裝置及存儲單元陣列的擦除方法。
雖然根據(jù)優(yōu)選實施方式說明了本發(fā)明，但在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以由熟練的技術(shù)人員進(jìn)行各種改進(jìn)和變更。因此本發(fā)明僅被限定在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體存儲裝置，其特征在于，具備一個或多個存儲單元陣列與擦除機(jī)構(gòu)，所述存儲單元陣列，沿行方向及列方向排列配置多個具備利用電阻的變化來存儲信息的可變電阻元件的非易失性存儲單元，為了從其中選擇規(guī)定的存儲單元或存儲單元組，沿行方向與列方向分別排列配置多根字線與多根位線，所述存儲單元構(gòu)成為，連接所述可變電阻元件的一端與選擇晶體管的漏極，將所述可變電阻元件的另一端和所述選擇晶體管的源極中的任何一方沿所述列方向共同連接在所述位線上，而將其另一方共同連接在源線上，將所述選擇晶體管的柵極沿所述行方向共同連接在所述字線上，所述擦除機(jī)構(gòu)，構(gòu)成為分別以規(guī)定的施加條件，在與所述存儲單元陣列連接的所述字線、所述位線及所述源線上施加電壓，通過使該存儲單元陣列內(nèi)的擦除對象的所述存儲單元內(nèi)的所述可變電阻元件的電阻成為規(guī)定的擦除狀態(tài)，從而可以擦除該存儲單元內(nèi)的所述信息，并且，在所述存儲單元陣列的至少一個中，根據(jù)所述電壓的施加條件切換批擦除該存儲單元陣列內(nèi)的全部所述存儲單元的批擦除模式和所述擦除機(jī)構(gòu)個別地擦除該存儲單元陣列內(nèi)的一部分所述存儲單元的個別擦除模式，施行所述擦除操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體存儲裝置，其特征在于，所述批擦除模式與所述個別擦除模式的施加條件是分別施加在所述字線、所述位線及所述源線上的電壓值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體存儲裝置，其特征在于，所述擦除機(jī)構(gòu)，在所述批擦除模式中，在所述批擦除模式的施加條件下，對所述存儲單元陣列的全部所述存儲單元進(jìn)行電壓的施加后，判斷所述各存儲單元是否已被擦除，當(dāng)所述字線單位中的沿行方向全部存儲單元被擦除時，對該字線停止所述批擦除模式的施加條件下的電壓施加，對于所述字線單位中的沿行方向全部存儲單元未被擦除的存儲單元，對該字線反復(fù)進(jìn)行所述批擦除模式的施加條件下的電壓施加與所述判斷，直到在所述字線單位中沿行方向全部的存儲單元被擦除。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體存儲裝置，其特征在于，具備分別以規(guī)定的施加條件，在與所述存儲單元陣列內(nèi)的寫入對象的所述存儲單元連接的所述字線、所述位線及所述源線上施加電壓，通過使該存儲單元內(nèi)的所述可變電阻元件的電阻成為規(guī)定的寫入狀態(tài)，而將所述信息寫入該存儲單元內(nèi)的寫入機(jī)構(gòu)，在所述批擦除模式中，在所述擦除機(jī)構(gòu)以所述批擦除模式的施加條件對所述存儲單元陣列內(nèi)的全部所述存儲單元進(jìn)行電壓施加之前，所述寫入機(jī)構(gòu)，以使所述可變電阻元件的電阻統(tǒng)一為規(guī)定的寫入狀態(tài)的方式，對該存儲單元的全部進(jìn)行寫入操作。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體存儲裝置，其特征在于，所述擦除機(jī)構(gòu)，在所述個別擦除模式中，在所述個別擦除模式的施加條件下，對所述存儲單元陣列內(nèi)的擦除對象的所述存儲單元進(jìn)行電壓的施加后，個別地判斷該存儲單元是否已被擦除，對于被擦除的存儲單元，停止對與該存儲單元連接的所述字線或所述位線的至少任何一方以所述個別擦除模式的施加條件的電壓施加，對于未被擦除的存儲單元，在存儲單元單位中反復(fù)進(jìn)行所述個別擦除模式的施加條件下的電壓施加與所述判斷，直到該存儲單元被擦除。
6.一種半導(dǎo)體存儲裝置，其特征在于，具備一個或多個存儲單元陣列與擦除機(jī)構(gòu)，所述存儲單元陣列構(gòu)成為，沿行方向及列方向排列配置多個具備利用電阻的變化來存儲信息的可變電阻元件的非易失性存儲單元，為了從其中選擇規(guī)定的存儲單元或存儲單元組，沿行方向與列方向分別排列配置多根字線與多根位線，所述存儲單元構(gòu)成為，連接所述可變電阻元件的一端與選擇晶體管的漏極，將所述可變電阻元件的另一端與所述選擇晶體管的源極中的任何一方沿所述列方向共同連接在所述位線上，而將其另一方共同連接在源線上，將所述選擇晶體管的柵極沿所述行方向共同連接在所述字線上，所述擦除機(jī)構(gòu)，構(gòu)成為分別以規(guī)定的施加條件，在與所述存儲單元陣列連接的所述字線、所述位線及所述源線上施加電壓，通過使該存儲單元陣列內(nèi)的擦除對象的所述存儲單元內(nèi)的所述可變電阻元件的電阻成為規(guī)定的擦除狀態(tài)，從而可以擦除該存儲單元內(nèi)的所述信息，并且，構(gòu)成為對所述存儲單元的至少一個，將所述電壓的施加條件設(shè)定為批擦除模式的施加條件，從而可以將該存儲單元陣列內(nèi)的全部所述存儲單元批擦除，以及對所述存儲單元陣列的其他的至少一個，將所述電壓的施加條件設(shè)定為個別擦除模式的施加條件，從而可以將該存儲單元陣列內(nèi)的一部分所述存儲單元個別地擦除。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體存儲裝置，其特征在于，所述批擦除模式與所述個別擦除模式的施加條件是分別施加在所述字線、所述位線及所述源線上的電壓值。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體存儲裝置，其特征在于，所述擦除機(jī)構(gòu)，在所述批擦除模式中，在所述批擦除模式的施加條件下，對所述存儲單元陣列的全部所述存儲單元進(jìn)行電壓的施加后，判斷所述各存儲單元是否已被擦除，在所述字線單位中沿行方向全部存儲單元被擦除的情況下，對該字線停止所述批擦除模式的施加條件下的電壓施加，對所述字線單位中沿行方向全部存儲單元未被擦除的存儲單元，對該字線反復(fù)進(jìn)行所述批擦除模式的施加條件下的電壓施加與所述判斷，直到在所述字線單位中沿行方向全部的存儲單元被擦除。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體存儲裝置，其特征在于，具備分別以規(guī)定的施加條件，在與所述存儲單元陣列內(nèi)的寫入對象的所述存儲單元連接的所述字線、所述位線及所述源線上施加電壓，通過使該存儲單元內(nèi)的所述可變電阻元件的電阻成為規(guī)定的寫入狀態(tài)，而將所述信息寫入該存儲單元內(nèi)的寫入機(jī)構(gòu)，在所述批擦除模式中，在所述擦除機(jī)構(gòu)以所述批擦除模式的施加條件對所述存儲單元陣列內(nèi)的全部所述存儲單元進(jìn)行電壓施加之前，所述寫入機(jī)構(gòu)，以使所述可變電阻元件的電阻統(tǒng)一為規(guī)定的寫入狀態(tài)的方式，對該存儲單元的全部進(jìn)行寫入操作。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體存儲裝置，其特征在于，所述擦除機(jī)構(gòu)，在所述個別擦除模式中，在所述個別擦除模式的施加條件下，對所述存儲單元陣列內(nèi)的擦除對象的所述存儲單元進(jìn)行電壓的施加后，個別地判斷該存儲單元是否已被擦除，對于被擦除的存儲單元，停止對與該存儲單元連接的所述字線或所述位線的至少任何一方以所述個別擦除模式的施加條件下的電壓施加，對于未被擦除的存儲單元，在存儲單元單位中反復(fù)進(jìn)行所述個別擦除模式的施加條件下的電壓施加與所述判斷，直到該存儲單位被擦除。
11.一種半導(dǎo)體存儲裝置中的存儲單元陣列的擦除方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體存儲裝置具有1個或多個沿行方向及列方向排列配置多個具備利用電阻的變化來存儲信息的可變電阻元件的非易失性存儲單元，為了從其中選擇規(guī)定的存儲單元或存儲單元組，沿行方向與列方向分別排列配置多根字線與多根位線而成的存儲單元陣列，所述存儲單元構(gòu)成為，連接所述可變電阻元件的一端與選擇晶體管的漏極，將所述可變電阻元件的另一端與所述選擇晶體管的源中的任何一方沿所述列方向共同連接在所述位線上，而將其另一方共同連接在源線上，將所述選擇晶體管的柵極沿所述行方向共同連接在所述字線上，具備在所述存儲單元陣列單位中，批擦除所述存儲單元陣列內(nèi)的全部所述存儲單元的批擦除模式、和個別地擦除所述存儲單元陣列內(nèi)的一部分所述存儲單元的個別擦除模式，在所述各擦除模式中，分別以各擦除模式的施加條件，在與所述存儲單元陣列的擦除對象的存儲單元連接的所述字線、所述位線及所述源線上施加電壓，通過使該擦除對象的存儲單元內(nèi)的所述可變電阻元件的電阻成為規(guī)定的擦除狀態(tài)，來擦除該存儲單元內(nèi)的所述信息，所述批擦除模式與所述個別擦除模式的施加條件是對所述字線、所述位線及所述源線的至少一個的施加條件不同。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的擦除方法，其特征在于，在所述批擦除模式中，在所述批擦除模式的施加條件下，對所述存儲單元陣列的全部所述存儲單元進(jìn)行電壓的施加后，判斷所述各存儲單元是否已被擦除，在所述字線單位中沿行方向全部存儲單元被擦除的情況下，對該字線停止所述批擦除模式的施加條件下的電壓施加，對所述字線單位中沿行方向全部存儲單元未被擦除的存儲單元，對該字線反復(fù)進(jìn)行所述批擦除模式的施加條件下的電壓施加與所述判斷，直到在所述字線單位中沿行方向全部的存儲單元被擦除。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的擦除方法，其特征在于，在所述批擦除模式的施加條件下對所述存儲單元陣列內(nèi)的全部所述存儲單元進(jìn)行電壓的施加前，分別以規(guī)定的施加條件，在與所述存儲單元陣列連接的所述字線、所述位線及所述源線上施加電壓，通過使該存儲單元內(nèi)的所述可變電阻元件的電阻統(tǒng)一為規(guī)定的寫入狀態(tài)，來進(jìn)行寫入操作。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的擦除方法，其特征在于，在所述個別擦除模式中，在所述個別擦除模式的施加條件下，對所述存儲單元陣列內(nèi)的擦除對象的所述存儲單元進(jìn)行電壓的施加后，個別地判斷該存儲單元是否已被擦除，對于被擦除的存儲單元，停止對與該存儲單元連接的所述字線或所述位線的至少任何一方以所述個別擦除模式的施加條件的電壓施加，對于未被擦除的存儲單元，在存儲單元單位中反復(fù)進(jìn)行所述個別擦除模式的施加條件下的電壓施加與所述判斷，直到該存儲單元被擦除。
全文摘要
提供一種可迅速且正確進(jìn)行數(shù)據(jù)的擦除、再寫入的自由度高的半導(dǎo)體存儲裝置及存儲單元陣列的擦除方法。具備對于將由利用電阻變化存儲信息的可變電阻元件(24)和選擇晶體管(21)構(gòu)成的非易失性存儲單元(20)矩陣配置，并且為選擇規(guī)定的存儲單元配置字線(WL1…WLm)與位線(BL1…BLn)而形成的存儲單元陣列，分別以規(guī)定的施加條件在與存儲單元陣列連接的字線(WL)、位線(BL)及源線(SL)上施加電壓，而使可變電阻元件的電阻成為規(guī)定的擦除狀態(tài)的擦除機(jī)構(gòu)(13)，該擦除機(jī)構(gòu)根據(jù)電壓施加條件切換批擦除存儲單元陣列內(nèi)的全部存儲單元的批擦除模式和個別地擦除該存儲單元陣列內(nèi)的一部分存儲單元的個別擦除模式。
文檔編號H01L27/10GK1505054SQ200310120109
公開日2004年6月16日 申請日期2003年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月5日
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