專利名稱：存儲裝置及半導(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)明涉及一種由存儲器件構(gòu)成的存儲裝置和半導(dǎo)體裝置，所述存儲器件每個都使用根據(jù)電阻狀態(tài)存儲和保持信息的存儲元件。
背景技術(shù)：
在諸如計算機的信息器件中，具有高操作速度的高密度DRAM(動態(tài)隨機存取存儲器)被作為隨機存取存儲器而廣泛使用。
然而，因為DRAM是易失性存儲器，其在斷電時會丟失信息，所以希望有一種非易失性存儲器，其在斷電后能保持信息。
作為被認為有前途的非易失性存儲器，已提出FeRAM(鐵電隨機存取存儲器)、MRAM(磁阻隨機存取存儲器)、相變存儲器、以及諸如PMC(可編程金屬敷鍍(metallization)單元)和RRAM的電阻改變型存儲器。
上述存儲器能在不供電的情況下將寫入的信息保持很長時間。此外，考慮到在上述存儲器的情況下，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)的材料被用于存儲和保持信息的存儲層，并且提供兩個電極以使得存儲層被夾在其間，且電壓或電流被施加到這兩個電極上。因此，能容易地達到存儲元件的小型化。
PMC具有一種結(jié)構(gòu)，其中包含預(yù)定金屬的離子導(dǎo)體被夾在兩個電極之間，此外，PMC利用了這樣的性質(zhì)，即當使得包含在離子導(dǎo)體中的金屬被包含在兩個電極中的任何一個中，且向兩個電極之間施加電壓的時候，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)時間和擦除時間，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)被夾在兩個電極之間，并且通過使得電流從這些電極流動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，能達到高速的記錄和擦除，且報告有在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，對于FeRAM來說很難執(zhí)行非破壞性的讀取，并且因為它執(zhí)行了破壞性的讀取，就使得讀取速度較慢。此外，因為依照讀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，因為MRAM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)行記錄的存儲器。因為該相變存儲器通過利用溫度來執(zhí)行切換，所以存在其對環(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)受在制造存儲元件的步驟中的高溫，例如，在形成CVD絕緣膜、保護膜等的步驟中的高溫。
另外，因為在非專利文件1和非專利文件2中描述的在RRAM的構(gòu)造中提出的存儲層的材料都是晶體，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；因為多晶的使用帶來了晶界(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，存儲層的電阻值在記錄后被改變。在記錄之后電阻值對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，電阻值也會被改變。
例如，在上述非專利文件1中，報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介紹了存儲器結(jié)構(gòu)的特征，其中，用于訪問控制的各個存儲層和MOS晶體管被串聯(lián)，并以陣列排列。這里，報告了當脈沖寬度在10ns到100ns的范圍內(nèi)變化時，記錄后存儲層的電阻值根據(jù)脈沖寬度而改變。在脈沖寬度更長的情況下，由于存儲層的性質(zhì)，預(yù)計電阻會再次減小。
即，在RRAM中，因為記錄后的電阻值取決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導(dǎo)致記錄后電阻值的波動。
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的影響。所以，執(zhí)行穩(wěn)定的記錄是困難的。
因此，當以這樣的短脈沖電壓記錄時，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，對記錄在存儲元件上的信息的內(nèi)容(存儲層的電阻值)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)系對應(yīng)地來執(zhí)行記錄。或者，例如，在記錄之后，對記錄在存儲元件上的信息的內(nèi)容執(zhí)行讀取和檢查處理，且當所檢查的電阻與所希望的電阻值不同時，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元件的存儲單元的存儲裝置，所述存儲元件具有如下特性在兩個端子之間施加不低于閾值電壓的電壓，改變了電阻值；電路元件與存儲元件串聯(lián)作為負載；并且存儲裝置具有如下特性，即當施加在存儲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，在存儲元件被從高電阻值狀態(tài)變到低電阻值狀態(tài)之后的存儲單元的存儲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)。該存儲裝置實現(xiàn)了穩(wěn)定的記錄，并縮短了信息記錄所需的時間。
日本專利申請翻譯公報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存取存儲器(RRAM)”，W.W.Zhuang等著，“國際電子器件會議”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]日本專利申請說明書No.2004-22121當把存儲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，為了實現(xiàn)在專利文件2中描述的存儲裝置中的寫入和擦除，需要限定施加到存儲單元的電壓范圍，并且向存儲單元施加在預(yù)定范圍內(nèi)的電壓，使得能夠在存儲裝置中進行寫入和擦除。

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裝置和半導(dǎo)體裝置的需要，所述存儲裝置和半導(dǎo)體裝置使得能夠在實現(xiàn)寫入和擦除的同時穩(wěn)定地記錄，且能縮短信息記錄所需的時間。
為了完成上述需要，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的存儲裝置包括存儲器件，所述存儲器件的每個具有存儲元件，所述存儲元件具有如下特性不低于第一閾值信號的電信號的施加允許存儲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的電信號的施加允許存儲元件從低電阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)移到高電阻值狀態(tài)，所述第二閾值信號具有與第一閾值信號不同的極性；以及電路元件與存儲元件串聯(lián)以作為負載，其中，存儲器件以矩陣排列，且每個存儲器件的一個端子與公共線連接，在電源電勢和接地電勢之間的中間電勢被施加到公共線。
這里，被施加到每個存儲器件的端子上的公共電勢被設(shè)置為中間電勢，所述中間電勢是在從接地電勢到電源電勢的范圍內(nèi)的預(yù)定電勢(不包括接地電勢和電源電勢)，其使得能夠進行存儲元件的寫入和擦除。
更具體地說，中間電勢被設(shè)置在這樣的范圍內(nèi)其中，向存儲元件的不低于第一閾值信號的電信號的施加允許存儲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元件中寫入。此外，中間電勢被設(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的電信號而達到低電阻值狀態(tài)的存儲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υM行擦除。即，中間電勢被設(shè)置到這樣的范圍，其中，向存儲元件的不低于第一閾值信號的電信號的施加允許存儲元件的電阻值從高狀態(tài)改變到低狀態(tài)，同時，通過施加不低于第一閾值信號的電信號而達到低電阻值狀態(tài)的存儲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υM行寫入和擦除。
如果不管向存儲元件的不低于第二閾值信號的電信號的施加，則通過施加不低于第一閾值信號的電信號而達到低電阻值狀態(tài)的存儲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)行寫入的存儲元件進行擦除。
此外，存儲元件以這樣的方式被構(gòu)造，即存儲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的電信號的施加允許存儲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的電信號的施加允許存儲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)明的另一個實施例的半導(dǎo)體裝置具有包括存儲器件的存儲裝置，所述存儲器件的每個具有存儲元件，所述存儲元件具有如下特性不低于第一閾值信號的電信號的施加允許存儲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的電信號的施加允許存儲元件從低電阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)移到高電阻值狀態(tài)，所述第二閾值信號具有與第一閾值信號不同的極性；以及電路元件與存儲元件串聯(lián)以作為負載，其中，存儲器件以矩陣排列，且每個存儲器件的一個端子被連接到公共線，在電源電勢和接地電勢之間的中間電勢被施加到公共線。
這里，提供電勢提供裝置，用于向每個存儲器件的端子施加作為公共電勢的中間電勢，使得能夠進行存儲元件的寫入和擦除。
在本發(fā)明的上述存儲裝置和半導(dǎo)體裝置中，當實現(xiàn)寫入和擦除時，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間。
此后，將參照附解的本發(fā)明具體實施例而詳細解釋本發(fā)明的其它特征，以及由此而產(chǎn)生的優(yōu)點。


圖1是圖表，示出了用在應(yīng)用了本發(fā)明的存儲裝置的一個例子中的存儲元件的電流-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)明的存儲裝置的一個例子中的存儲單元；圖3是電路圖(1)，用來解釋應(yīng)用了本發(fā)明的存儲裝置的一個例子；圖4是電路圖(2)，用來解釋應(yīng)用了本發(fā)明的存儲裝置的一個例子；圖5是電路圖(3)，用來解釋應(yīng)用了本發(fā)明的存儲裝置的一個例子；圖6是電路圖(4)，用來解釋應(yīng)用了本發(fā)明的存儲裝置的一個例子；圖7是電路圖，用來解釋如下現(xiàn)象的概念寫入后當即的存儲元件的電阻根據(jù)存儲元件內(nèi)的電流流動而確定；圖8是圖表，示出了在向存儲元件寫入后當即的電阻值和被施加到公共線的電勢之間的關(guān)系；圖9是圖表，示出了在存儲元件的擦除使能最小電阻值和被施加到公共線的電勢之間的關(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。
具體實施例方式
此后，將參照附圖描述本發(fā)明的實施例，以幫助理解本發(fā)明。在本實施例中，在存儲單元中使用電阻改變型存儲元件(此后，稱為存儲元件)以構(gòu)成存儲裝置。
圖1是圖表，示出了用在應(yīng)用了本發(fā)明的存儲裝置的一個例子中的存儲元件的電流-電壓(I-V)變化。
作為具有如圖1中所示的I-V特征的存儲元件，這里示例地舉出一種存儲元件，被構(gòu)造例如使得存儲層被夾在第一電極和第二電極(例如，下電極和上電極)之間，并使得存儲層由諸如稀土氧化物膜的無定形薄膜構(gòu)成。
在該存儲元件中，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的狀態(tài)。但是，當施加如圖1所示的+1.1X[V]或更高的電壓(例如，+0.5V)時，電流迅速增大，且電阻值降低(例如，幾kΩ)。存儲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。在此時所施加的電壓被稱為寫入電壓閾值。
接下來，向存儲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，在此時所施加的電壓被稱為擦除電壓閾值。
在該方式中，向存儲元件的正負電壓的施加允許存儲元件的電阻值從幾kΩ可逆變化到大約1MΩ。此外，當不向存儲元件施加電壓時，即，當電壓是0V時，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對應(yīng)，并且每個都作為一個位的數(shù)據(jù)而存儲。
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)明的存儲裝置的一個例子中的存儲元件內(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)明的存儲裝置的一個例子中的存儲單元。這里所示的存儲單元C是通過將MOS晶體管T和存儲元件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元件的切換元件，而且如后面所述作為在寫入時的對存儲元件的負載。
此外，其構(gòu)造使得，向連接至MOS晶體管的端子的相反側(cè)上的存儲元件的端子施加端電壓V1，向連接至存儲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)成存儲單元的存儲元件和MOS晶體管的端子上分別施加端電壓V1和V2，在兩個端子之間產(chǎn)生電勢差V(＝|V2-V1|)。
希望在存儲元件的寫入時的電阻值與MOS晶體管的導(dǎo)通電阻處于相同電平或更高。這是因為如果在寫入開始時的存儲元件的電阻值低，則在端子之間施加的大部分電勢差被施加到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元件的電阻。然而，根據(jù)本實施例，因為在寫入開始時的存儲元件的電阻值充分高，所以大部分電壓被施加到存儲元件，使得不出現(xiàn)上述問題。
這里，在圖2A和圖2B中示出了基于存儲元件和MOS晶體管的極性的存儲器件的兩種結(jié)構(gòu)類型。
圖2中存儲器件中的每個箭頭指示其極性，并示出了當在箭頭方向施加電壓時，存儲元件從絕緣狀態(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)明的存儲裝置的一個例子。通過將如圖2所示的存儲器件以矩陣排列而形成此處示出的每個存儲器陣列?；诖鎯υ蚆OS晶體管的極性與存儲元件和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器陣列結(jié)構(gòu)。
這里，因為用于操作存儲器陣列的方法在圖3至圖6中相同，所以用圖3中的電路作為一個例子而給出該方法的描述。
如圖3中所示的存儲裝置被構(gòu)造使得在矩陣中排列(m+1)行和(n+1)列的存儲器件，且如圖2A和2B中所示的那樣，通過將存儲元件的一個端子與MOS晶體管(此處為源極)的一個端子連接而構(gòu)造每個存儲器件。
此外，MOS晶體管T(T00到Tmn)的柵極與字線W(W0到Wm)相連，MOS晶體管的另一個端子(漏極)與位線B(B0到Bn)相連，存儲元件的另外一個端子與公共線S相連。
在如上所述而構(gòu)造的存儲裝置中，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)行存儲單元的寫入向與存儲單元對應(yīng)的字線施加電源電壓Vdd(2.5V)以在其上記錄信息，向與存儲單元對應(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單元寫入，向除了與將寫入信息的存儲單元對應(yīng)的字線以外的字線施加0V，向除了與將記錄信息的存儲單元對應(yīng)的位線以外的位線施加與公共線上相同的電勢。
這里，只要向存儲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就不需要一直是Vdd。同樣，只要向存儲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就不需要一直是Vdd/2。
(2)擦除以這樣的方式執(zhí)行存儲單元的擦除向與存儲單元對應(yīng)的字線施加Vdd以從其擦除信息，向與存儲單元對應(yīng)的位線施加接地電勢(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元件施加Vdd/2。在擦除的情況下，與寫入不同，由存儲元件的電阻和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單元內(nèi)進行擦除，向除了與將從其擦除信息的存儲單元對應(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單元對應(yīng)的位線以外的位線施加與公共線上相同的電勢。
這里，只要向存儲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就不需要一直是接地電壓。同樣，只要向存儲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不需要一直是Vdd/2。
至此，描述了對于一個存儲單元執(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。在對與一個字線連接的多個存儲器件執(zhí)行寫入或擦除的情況下，當寫入時對每個位線施加Vdd，當擦除時施加0V。當既不執(zhí)行寫入也不執(zhí)行擦除時，向每一個位線施加與公共線上相同的電勢，此外，向每個存儲器件施加0V。以此方式，執(zhí)行所需的多個存儲器的寫入或擦除。因此，為了執(zhí)行對于多個存儲器件的寫入或擦除，在寫入和擦除操作時，公共線的電勢需要相同。
在僅對存儲器陣列中的一個存儲單元執(zhí)行寫入或擦除的情況下，在寫入和擦除操作時，公共電勢不需要相同。為了高速連續(xù)地隨機執(zhí)行寫入和擦除，優(yōu)選地使寫入和擦除操作時公共線的電勢相同。
(3)讀取以這樣的方式執(zhí)行從存儲單元上讀取向與存儲單元對應(yīng)的字線施加Vdd以從其讀取信息，向與存儲單元對應(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，因為在位線和源極線之間施加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，當位線進入到懸空(floating)狀態(tài)(高阻抗狀態(tài))時，(A)當存儲元件在導(dǎo)電狀態(tài)時，施加到位線的電勢從Vdd/2±0.2V改變到施加到源極線的Vdd/2，以及(B)當存儲元件在絕緣狀態(tài)時，施加到位線的電勢保持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單元對應(yīng)的字線以外的字線施加0V，向除了與將被讀取的存儲單元對應(yīng)的位線以外的位線施加與公共線上相同的電勢。然而，向除了與將被讀取的存儲單元對應(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。
首先，從實驗中得知，在寫入本發(fā)明中使用的存儲元件后當即的電阻對元件來說不是唯一值，而是根據(jù)寫入后當即在存儲元件中流動的電流而確定。圖7是電路圖，用來解釋如下現(xiàn)象的概念，根據(jù)存儲元件內(nèi)流動的電流而確定寫入后當即的存儲元件的電阻，其中存儲元件和負載電阻被串聯(lián)。存儲元件在絕緣狀態(tài)，即在電阻值是1MΩ或更高的狀態(tài)。
當以圖7中的寫入方向在兩個端子X、Y之間施加的寫入電壓閾值是0.5V時，存儲元件的電阻值比與其串聯(lián)的負載電阻值足夠高，并且因此，向存儲元件施加0.5V的電壓，以使得存儲元件從絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)移到導(dǎo)電狀態(tài)。
也是從實驗中得知，寫入后當即存儲元件兩個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)的負載電阻的值。因此，[1]當負載電阻值是1kΩ時，流過的電流是(0.5V-0.2V)/1kΩ＝0.3mA，存儲元件的電阻值是0.2V/0.3mA＝0.67kΩ，且[2]當負載電阻值是10kΩ時，流過的電流是(0.5V-0.2V)/10kΩ＝0.03mA，存儲元件的電阻值是0.2V/0.03mA＝6.7kΩ。
因此，根據(jù)在存儲元件中流動的電流來確定寫入后當即存儲元件的電阻值，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。
(例子)圖8示出，在圖3中所示的上述電路圖的存儲單元中，在施加的柵極電勢(施加到字線的電勢)為2.5V并且施加的位線和源極線之間的電勢為0.5V的情況下，向存儲元件寫入后當即的電阻值與被施加到公共線的電勢之間的關(guān)系。
圖8指示出，如果施加到公共線的電勢是1.4V或更高，則寫入被失效。這是因為隨著增大施加到公共線的電勢，MOS晶體管的柵極電勢相對地變得更低，即，MOS晶體管的導(dǎo)通電阻變得更高，且寫入后當即存儲元件的電阻值變得更高，因此當施加到公共線的電勢是1.4V或更高時，位線和公共線之間的電勢變得比(MOS晶體管的電壓閾值)+(存儲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單元中，在施加2.5V的柵極電勢與0V的位電勢(施加到位線的電勢)的情況下，存儲元件的擦除使能最小電阻值和被施加到公共線的電勢之間的關(guān)系。
這里，以MOS晶體管的導(dǎo)通電阻對存儲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，如果存儲元件的導(dǎo)電(寫入)電阻低，則被施加到存儲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，當增大施加到公共線的電勢時，在存儲元件中流動的電流被增大，且(擦除使能電阻值)＝(擦除電壓閾值)/(在存儲單元中流動的電流值)，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是0.5V或更高，則存儲元件內(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被設(shè)置為0.9V或更低的情況下，寫入被使能，但是因為寫入后當即的電阻值太低，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，為了既進行寫入操作又進行擦除操作，需要將被施加到公共線的電勢設(shè)置在0.9V到1.4V的范圍內(nèi)。
由于存儲元件的電阻值更低，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)明的存儲裝置中，以下面的情況作為例子給出描述由一個MOS晶體管和一個存儲元件構(gòu)成一個位，將存儲元件的絕緣狀態(tài)分配為數(shù)據(jù)0，將存儲元件的導(dǎo)電狀態(tài)分配為數(shù)據(jù)1，由此使得能夠存儲一個位的數(shù)據(jù)。然而，不需要由一個MOS晶體管和一個存儲元件構(gòu)成一個位的結(jié)構(gòu)。例如，排列在右邊和左邊的兩個MOS晶體管和兩個存儲元件可以構(gòu)成一個位，并且左邊的存儲元件在絕緣狀態(tài)而右邊的存儲元件在導(dǎo)電狀態(tài)的情況可以被分配為數(shù)據(jù)0，左邊的存儲元件在導(dǎo)電狀態(tài)而右邊的存儲元件在絕緣狀態(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。這也允許存儲一個位的數(shù)據(jù)。
在應(yīng)用了本發(fā)明的存儲裝置中，通過設(shè)置以使得向公共線施加最佳范圍內(nèi)的電勢，也就是，既滿足使得能夠向存儲元件中寫入(在例子中是低于1.4V的電勢)的電勢條件、又滿足使得能夠在寫入后當即從存儲元件擦除(在例子中是高于0.9V的電勢)的電勢條件的電勢(在例子中，是從0.9V到1.4V)，使得在存儲元件中既能寫入又能擦除。
此外，通過向存儲單元的一個端子提供公共電勢(在例子中，在0.9V到1.4V的范圍內(nèi)的固定電勢)，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，并能實現(xiàn)功率消耗的降低。
此外，每個存儲元件的電極之一與每個MOS晶體管的源極-漏極端子連接，而在所有的存儲器件中，每個存儲元件的另一個電極彼此相連，這樣能帶來存儲單元面積上的減小。
此外，向存儲單元的一個端子提供公共電勢防止了公共線的懸空(高阻抗)，并因此能夠期望穩(wěn)定的存儲器操作。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當懂得，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)計需求和其它因素而進行各種修正、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
1.一種存儲裝置，包括存儲器件，每個均具有存儲元件，所述存儲元件具有如下特性不低于第一閾值信號的電信號的施加允許存儲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的電信號的施加允許存儲元件從低電阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)移到高電阻值狀態(tài)，所述第二閾值信號具有與第一閾值信號不同的極性；所述存儲器件的每個還具有電路元件，與存儲元件串聯(lián)以作為負載；其中，所述存儲器件以矩陣排列，且每個存儲器件的一個端子與公共線連接；以及其中，在電源電勢和接地電勢之間的中間電勢被施加到公共線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的存儲裝置，其中，所述中間電勢被設(shè)置在這樣的范圍內(nèi)其中，向存儲元件的不低于第一閾值信號的電信號的施加允許存儲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的電信號而達到低電阻值狀態(tài)的存儲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的存儲裝置，其中所述中間電勢優(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的存儲裝置，其中所述中間電勢被選擇作為所述范圍內(nèi)的最低電勢。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的存儲裝置，其中所述存儲元件具有這樣的構(gòu)造其中存儲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的電信號的施加允許存儲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的電信號的施加允許存儲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的存儲裝置，其中所述電信號是電壓信號。
7.一種半導(dǎo)體裝置，具有存儲裝置，所述存儲裝置包括存儲器件，每個均具有存儲元件，所述存儲元件具有如下特性不低于第一閾值信號的電信號的施加允許存儲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的電信號的施加允許存儲元件從低電阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)移到高電阻值狀態(tài)，所述第二閾值信號具有與第一閾值信號不同的極性；所述存儲器件的每個還具有電路元件，與存儲元件串聯(lián)以作為負載；其中，所述存儲器件以矩陣排列，且每個存儲器件的一個端子被連接到公共線；以及在電源電勢和接地電勢之間的中間電勢被施加到公共線。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的半導(dǎo)體裝置，其中，所述中間電勢被設(shè)置在這樣的范圍內(nèi)其中，向存儲元件的不低于第一閾值信號的電信號的施加允許存儲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的電信號而達到低電阻值狀態(tài)的存儲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，其中所述中間電勢被選擇作為所述范圍內(nèi)的最低電勢。
11.根據(jù)權(quán)利要求7的半導(dǎo)體裝置，其中所述存儲元件具有這樣的構(gòu)造其中存儲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的電信號的施加允許存儲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的電信號的施加允許存儲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，其中所述電信號是電壓信號。
全文摘要
一種存儲裝置，包括存儲器件，所述存儲器件每個都具有存儲元件，所述存儲元件具有如下特性不低于第一閾值信號的電信號的施加，允許存儲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的電信號的施加，允許存儲元件從低電阻值狀態(tài)轉(zhuǎn)換到高電阻值狀態(tài)，所述第二閾值信號具有與第一閾值信號不同的極性；所述存儲器件每個都具有電路元件，與存儲元件串聯(lián)以作為負載，其中，存儲器件以矩陣排列，且每個存儲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和接地電勢之間的中間電勢。
文檔編號G11C13/00GK1770319SQ20051010764
公開日2006年5月10日 申請日期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, 對馬朋人, 相良敦, 中島智惠子, 森寬伸, 長尾一 申請人:索尼株式會社