[发明专利]半导体存储装置及其编程方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体存储装置及其编程方法，更具体地涉及使用如相变材料那样其电阻可以可逆变化的可变电阻材料的半导体存储装置及其编程方法。

背景技术

在个人计算机或服务器中，使用分等级构造的各种存储装置。要求低等级存储装置低价并且具有大容量，而要求高等级存储装置能够高速存取。作为最低等级的存储装置，通常使用诸如硬盘驱动器和磁带之类的磁存储装置。磁存储装置是非易失性的，并且与半导体存储装置等相比能够低价地保存相当大量的数据。然而，磁存储装置存取速度较低，并且在许多情况下不具有随机存取性。因此，将要求长期保存的程序或数据存储在磁存储装置中，并且可选地变化为高等级存储装置。

主存储器是等级比磁存储装置高的存储装置。通常，将DRAM(动态随机存取存储器)用于主存储器。与磁存储装置相比，DRAM可以更高的速度存储，另外DRAM具有随机存取性。另外，在价格方面，DRAM具有每比特成本低于诸如SRAM(静态随机存取存储器)之类的高速半导体存储器的特性。

最高等级的存储装置是MPU(微处理单元)中所含的内部高速缓冲存储器。内部高速缓冲存储器经由内部总线与MPU的内核相连，因此可以非常高的速度存取。然而，可确保的记录容量相当低。作为构成内部高速缓冲存储器和主存储器之间的等级的存储装置，有时会使用二级高速缓冲或三级高速缓冲等。

选择DRAM作为主存储器的原因是DRAM在存取速度和每比特成本之间具有非常好的平衡。另外，DRAM在半导体存储器中具有较大的容量，并且近年来已经开发了具有1G或更大容量的芯片。然而，DRAM是易失性存储器，当断开电源时所存储的数据丢失。这样，DRAM不适合于要长时间保存的程序或数据。在DRAM中，即使在接通电源时也需要周期性地执行刷新操作以保存数据。这样，在减小功耗方面存在限制，并且存在需要控制器进行复杂控制的问题。

作为大容量非易失性半导体存储器，闪速存储器是公知的。然而，闪速存储器的缺点在于需要大量的电力来写入和删除数据，并且写入时间和删除时间非常长。因此，其并不适用于代替DRAM作为主存储器。已经建议的其他非易失性存储器包括MRAM(磁阻随机存取存储器)、FRAM(铁电随机存取存储器)等。然而，难以获得与DRAM相等的存储容量。

另一方面，作为代替DRAM的半导体存储器，建议了一种将相变材料用于记录的PRAM(相变随机存取存储器，参见日本专利申请公开NO.2006-24355和2005-158199)。在PRAM中，通过记录层中所包括的相变材料的相状态来存储数据。即，相变材料在结晶相和非晶相之间的电阻差别很大。可以通过使用该特性来存储数据。

可以通过向相变材料施加对相变材料进行加热的写入电流来改变相状态。通过向相变材料施加读取电流并且读出电阻值来执行数据读取。将读取电流设定为与写入电流相比足够小的值，使得不会发生相变。这样，除非向其施加高热，相变材料的相状态不会改变，因此即使当断开电源时数据也不会丢失。

不但PRAM而且大体上所有半导体存储装置包括由于制造故障导致的有缺陷存储单元。通常用冗余存储单元来代替这些有缺陷的存储单元，从而调剂有缺陷的地址。

通常，将有缺陷的地址存储在包括多个熔丝元件的编程电路中。当请求存取有缺陷的地址时，上述编程电路检测到该存取，对冗余存储单元执行替换存取，以代替有缺陷的存储单元。

主要存在两种断开熔丝元件的方法：通过大电流熔化熔丝元件的方法；以及通过照射激光束破坏熔丝元件的方法。前一种方法不要求诸如激光修整机之类的昂贵装置，并且具有可以易于执行关于是否正确地断开熔丝元件的自我诊断的优点。然而，为了使用大电流熔化例如包括多晶硅的熔丝元件，需要充分大的电流。因此，需要在半导体存储装置内部设置大规模熔丝断开电路和诊断电路。这引起芯片面积增加的问题。

另一方面，后一种方法由于不需要在半导体存储装置内部设置熔丝断开电路，可以减小芯片面积。然而，根据该方法，由于激光束的照射而破坏了钝化膜，湿气进入该破坏的部分。结果，产品的可靠性下降。

近年来，已经提出了一种使用称为反熔丝的元件来存储有缺陷地址的方法(参见日本专利申请公开No.2000-132992和2000-208637)。与普通熔丝元件不同，反熔丝是在初始状态变为非导电状态并且当执行写入操作时变为导电状态的元件。然而，即使在对反熔丝执行写入操作时，导电状态发生较大变化。因此，需要感应电路等来确定反熔丝是处于非导电状态还是导电状态。因此，电路规模变大。