[发明专利]半导体存储装置

说明书

技术领域

本发明涉及具有在行方向和列方向上分别排列多个存储单元（memory cell）而成的存储单元阵列的半导体存储装置，该存储单元包括基于利用电应力的施加使电阻变化的电动作特性来存储信息的可变电阻元件。

背景技术

以闪存为代表的非易失性存储器作为大容量、小型的信息记录介质在计算机、通信、测量设备、自动控制装置以及在个人周边使用的生活设备等广泛的领域中使用，对更廉价、大容量的非易失性存储器的需要非常大。这是根据以下理由：从能进行电重写并且即使切断电源数据也不会消失的方面出发，能发挥作为以下器件的功能：能容易搬运的存储卡、便携式电话等、作为装置运转的初始设定而预先非易失性地进行存储的数据储存器、程序储存器等。

但是，在闪存中，与将数据写入成逻辑值“1”的程序动作相比，将数据擦除成逻辑值“0”的擦除动作更耗费时间，因此不能进行高速动作。关于擦除动作，虽然通过在进行擦除动作时以块单位进行从而谋求速度的提高，但是由于以块单位来进行擦除，所以存在不能实现随机访问的写入的问题。

因此当前代替闪存的新型的非易失性存储器正被广泛地研究。其中利用了对金属氧化膜施加电压由此发生电阻变化的现象的电阻变化存储器在微细化极限的方面比闪存有利，此外能实现低电压的动作，能实现高速的数据重写，因此近年来研究开发正在积极地进行（例如，参照日本特表2002-537627号公报、或者Baek，I.G. 等，“Highly Scalable Non-volatile Resistive Memory using Simple Binary Oxide Driven by Asymmetric Unipolar Voltage Pulses”， IEDM2004，pp. 587-590，2004年）。

作为具有这些金属氧化物的可变电阻元件的写入/擦除特性，在被称为双极开关的驱动方法的情况下，通过分别对元件施加相反极性的电压脉冲，从而使元件的电阻增加（高电阻状态）/减少（低电阻状态），因此在各电阻状态应用逻辑值来作为数据，由此作为存储器使用。

作为使用了具有上述金属氧化物的可变电阻元件的存储器的特征，可举出以下方面：由于写入、擦除均能以低电压高速地进行，所以能实现任意地址的高速的重写。因此，可期待非易失性存储器能直接使用以往在DRAM中展开使用的数据，能在移动设备功耗的减少、使用便利性的提高上较大地贡献。

另一方面，也存在起因于电阻变化存储器特有的性质的应当解决的课题。

为了将半导体存储装置作为存储器来使用，对写入的数据的读出动作是必须的。例如为了将写入了逻辑值“0”或逻辑值“1”的任一个的数据作为信息来使用，只要不重写该数据就必须总是正确地读出逻辑值“0”或逻辑值“1”的任一个。

另一方面，在使用了具有金属氧化物的可变电阻元件的存储器中，将数据存储为二端子的可变电阻元件的电阻状态，即使切断电源也能保持数据，能起到作为非易失性存储器的功能。可是，当存储器的集成化大容量化发展时，存储器元件性能的统计上的偏差也增大。因此在长期间、高温状态下切断了电源的状态的情况下，难以完全避免在数据保持力弱的位发生错误的可能性上升，必须对这样的数据错乱采取某些对策。

因此，在进行数据的读出时，使用ECC（Error Checking and Correcting，错误检查和纠正）的方法来检测数据错误，对检测出错误的数据进行反转以纠正并输出，这样的方法被广泛地使用在闪存、储存磁盘中。

例如，在日本特开2010-3348号公报中提出了在检测出数据错误时不仅纠正输出还纠正存储单元的数据的方法。

可是，虽然为了纠正读出输出，仅将读出的数据反转即可，但在进行存储单元的数据纠正的情况下，需要进行可变电阻元件的写入动作，其工序变得复杂。即，在检测出错误的情况下，当欲纠正写入到存储单元的数据时，需要判断错误数据是什么样的错误。例如在能写入逻辑值“1”（例如相当于高电阻状态）和逻辑值“0”（例如相当于低电阻状态）的存储单元的情况下，针对数据错误，需要判断是原来写入了逻辑值“1”的数据变化成了逻辑值“0”的错误、还是原来写入了逻辑值“0”的数据变化成逻辑值“1”的错误，因此需要为了纠正数据而判断该错误是哪一个所用的时间。

进而，由于在将逻辑值“0”重写成“1”时的写入条件和在将逻辑值“1”重写成“0”时的电路上的电压的施加条件较大地不同，所以在判断出状态之后，到设定为对重写对象的存储单元的期望的写入用的电压施加状态还需要时间。