提供一种非易失性半导体存储器件，该非易失性半导体存储器件通过使施加时间无差异地施加正负极性任意的电压，能够对可变电阻元件进行稳定的高速转换动作。该非易失性半导体存储器件包括：２端子结构的可变电阻元件，其通过在两端施加满足规定条件的电压，由该两端的电流电压特性限定的电阻特性可在稳定地取得的低电阻状态和高电阻状态这２个电阻特性之间转移，该可变电阻元件具有当施加绝对值为第一阈值电压以上的第一极性电压时、从低电阻状态转移到高电阻状态，当施加绝对值为第二阈值电压以上的第二极性的电压时、从高电阻状态转移到低电阻状态的特性；串联连接到可变电阻元件的可调整负载电阻的负载电路；和可在串联电路的两端施加电压的电压产生电路；其中，在该非易失性半导体存储器件中，通过调整负载电路的电阻就能在可变电阻元件的状态之间转移。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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。
技术介绍
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I960年代起进行了研究(参照非专利 文献l)，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)。5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。另一方面，单极转换通过利用同极性、长短不同的2个施加时间(脉冲宽度)的电压脉冲，用一个施加时间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，用另一个施加时间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。到目前为止，虽然进行了关于上述双方的转换特性的各种报告，但它 们停留在叙述制作出的非易失性半导体存储元件的动作条件的特性上。基于上述2个转换特性的转换动作分别存在优点和问题。 双极转换的情形，由于作为伴随电阻的增大及减少的转移时间，在任 意的大约几IO ns或其以下的时间中就能实现，所以如果根据利用此的存 储器件就能非常高速地执行贮存数据的改写。但是，因为利用正负双方的 电压脉冲的施加，所以为了规避潜通路电流(sneakpath current)且仅使选 择存储器单元进行动作，每一存储器单元中需要一个选择晶体管(参照图 61)。图61是由可变电阻元件和选择晶体管构成存储器单元的1T1R型存储 器单元阵列CA90的一部分的结构例。图61上的一存储器单元MCll由 可变电阻元件Rll和选择晶体管Trll构成，存储器单元MC11是一种通 过对选择晶体管Trll进行导通截止控制，从而在可变电阻元件Rll的两 端施加规定电压的结构。在以源线SL为地线的时候，施加在可变电阻元 件Rll的两端上的电压的大小由施加在位线BL1上的电压决定。如图61 所示，在由1T1R型存储器单元构成的时候，与由1T型的存储器单元构 成的快闪存储器比较，每单位存储器单元的占有面积增大，可以说难以实 现超越快闪存储器的低位成本的存储器件。另外，虽然也尝试通过与2端子的非线性元件组合来减小由基于双极 转换的可变电阻元件构成的存储器单元的每一存储器单元的占有面积，但 此时的非线性元件不能使用单纯的整流元件，而极度要求特殊的特性。艮P，如图62 (a)所示，在使向两端施加的电压变化的情况下，虽然如果具有 无论极性正负如何、在绝对值为固定电压以上的范围中，电阻值都急剧下 降这种变阻器的特性的话，则原理上是能实现存储器单元的，但是由于现 实的非线性元件，如图62 (b)所示，呈现出随着施加电压的绝对值的增 加、电阻值连续地减少这种特性，所以不能呈现出图62 (a)这种理想的 特性。目卩，利用具有图62 (a)所示的这种特性的非线性元件实现存储器 单元在目前是不可能的。另一方面，单极转换的情形，由于能用单一极性的电压脉冲实现转换 动作，所以能使电路结构简单化。并且，由于在存储器单元中能利用二极 管与可变电阻元件的组合(1D1T型)(参照图63)，所以能大幅度地降低 作为交叉点型的存储器单元阵列结构时成为问题的来自邻接存储器单元 的潜通路电流的影响，能期待读出工作时的电气特性的大幅提高。图63 是由可变电阻元件和作为2端子整流元件的二极管构成1D1R型存储器单 元的存储器单元阵列CA91的结构例。与图61的1T1R型的存储器单元的 情形比较的时候，能够减少潜通本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种非易失性半导体存储器件，包括： 存储器单元，具有２端子结构的可变电阻元件，其通过在两端施加满足规定条件的电压，由该两端的电流电压特性限定的电阻特性可在稳定地取得的低电阻状态和高电阻状态２个电阻特性间转移， 负载电路，其串联连 接在上述可变电阻元件的一个端子上，可在第一负载电阻特性和比该第一负载电阻特性更高电阻的第二负载电阻特性之间切换由电流电压特性限定的负载电阻特性；以及 电压产生电路，用于在上述可变电阻元件和上述负载电路的串联电路的两端施加电压， 上述可变电阻元件的存储状态由上述电阻特性是低电阻状态还是高电阻状态来决定，通过向上述可变电阻元件的两端施加电压，上述电阻特性在低电阻状态和高电阻状态之间转移，由此成为可改写的结构， 上述可变电阻元件呈现为非对称的电阻特性，即，在以一端 子为基准时对另一端子的施加电压的正负的极性是第一极性的情况下，从低电阻状态转移到高电阻状态所需的施加电压的绝对值的下限值、即第一阈值电压，比上述电阻特性从高电阻状态转移到低电阻状态所需的施加电压的绝对值的下限值、即第二阈值电压小；在上述施加电压的正负的极性是与上述第一极性不同的第二极性的情况下，上述第一阈值电压比上述第二阈值电压大， 上述负载电路进行切换，以便在使上述可变电阻元件的上述电阻特性从低电阻状态转移到高电阻状态的第一改写动作时，上述负载电阻特性呈现为上述第一负 载电阻特性；在使上述可变电阻元件的上述电阻特性从高电阻状态转移到低电阻状态的第二改写动作时，上述负载电阻特性呈现为上述第二负载电阻特性， 在上述第一改写动作时，上述电压产生电路在上述可变电阻元件及上述负载电路的串联电路的两端施加第一改 写电压，以便在成为改写对象的上述存储器单元所具有的上述可变电阻元件的两端，施加绝对值为上述第一阈值电压以上的上述第一极性的电压， 在上述第二改写动作时，上述电压产生电路在上述可变电阻元件及上述负载电路的串联电路的两端施加第二改写电压， 以便在成为改写对象的上述存储器单元所具有的上述可变电阻元件的两端，施加绝对值为上述第二阈值电压以上的上述第一极性的电压。...
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：山崎信夫，细井康成，粟屋信义，里真一，田中研一，
申请(专利权)人：夏普株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]
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