[发明专利]非易失性半导体存储器设备

说明书

技术领域

本发明涉及包括可变电阻元件的非易失性半导体存储器设备，该可变电阻元件具有第一电极、第二电极以及由金属氧化物制成且夹置在第一电极和第二电极之间的可变电阻器，其中金属氧化物在初始状态是绝缘体，其电阻通过成形工艺减小，其电阻状态通过在成形工艺之后在第一和第二电极之间施加的电压而在两个或更多不同电阻状态之间变化，且在变化之后的电阻状态以非易失性方式维持。

背景技术

与诸如便携式电子设备的移动设备的突破相结合，闪存被广泛地用作高容量和不昂贵的非易失性存储器，其即使在断电状态也能够保持存储的数据。然而，最近，因为看到了闪存微型化的限制，诸如MRAM（磁电阻随机存取存储器）、PCRAM（相变随机存取存储器）、CBRAM（导电桥接随机存取存储器）或RRAM（电阻随机存取存储器）的非易失性存储器得到积极发展。在这些非易失性存储器中，因为可以通过施加的电压执行高速写入、简单的二元过渡金属氧化物可以用于其材料，使得制作简单，且与现有CMOS工艺的相似性高，RRAM吸引了注意。

常规地已经报告，电阻变化由用作可以在RRAM中使用的电阻变化材料的很多金属氧化物中的施加脉冲电压导致。例如，电阻切换元件（可变电阻元件）可以通过夹置由诸如Pr_xCa_1-xMnO₃ (PCMO)的三元钙钛材料形成的金属氧化物薄膜的两端形成，或者由金属电极之间的Ni、Co、Ti、Fe、Cu、Ta、Hf、Zr、Nb或Al形成（参考W. W. Zhuang, et al., “Novell Colossal Magnetoresistive Thin Film Nonvolatile Resistance Random Access Memory (RRAM)”, IEDM Technical Digest, pp. 193-196, December, 2002和 Baek, I. G. et al., “Highly Scalable Non-volatile Resistive Memory using Simple Binary Oxide Driven by Asymmetric Unipolar Voltage Pulses”, IEDM Technical Digest, pp. 587-590, 2004）。此后，为了方便描述，用在RRAM中的电阻切换元件被称为“可变电阻元件”以与不同于RRAM的存储器中使用的电阻变化元件区分开来。在上述材料中，对于金属氧化物材料和金属电极材料的何种组合导致最佳特性，积累了一些实践知识。例如，已知可以通过针对诸如Ti和Ta的氧化物的n型金属氧化物使用诸如Pt的具有大功函数的材料作为电极且针对诸如Co或Ni的氧化物的p型金属氧化物使用诸如Ti或Ta的具有小功函数的材料作为电极，可以实现优选切换。因此，认为，RRAM的电阻切换动作优选地在金属氧化物和电极之间具有肖特基势垒的结界面中执行（参考日本专利No.4088324）。同时，已知相对于元件的每个动作模式适当地控制串联连接到可变电阻元件的负载电阻的值是重要的，且适当地在可变电阻元件和负载电阻之间分布施加的电压是重要的。

另外，对于通过施加的电压改变电阻的金属氧化物的电阻变化的机制，认为，在钙钛材料、Ti氧化物或Ni氧化物的情况中，电阻变化通过氧化物中氧缺陷的产生和消失或通过电场导致的其运动而引起。

同时，在出货之前对于诸如RRAN的非易失性半导体存储器设备执行各种测试（诸如功能测试或质量测试），且仅经过测试的芯片或区块（存储器单元阵列的一部分）作为产品出货。此时，专用于单独产品的信息（诸如在存储器单元阵列的一部分中的存储器单元用于冗余补救的情况中的补救信息、诸如在缺陷区块的一部分不被使用的情况中的缺陷区块地址的信息，或者产品信息（诸如产品号）等）被编程在提供为用于存储特定信息的非易失性存储器元件中，以执行用于缺陷存储器单元的冗余补救、使缺陷区块失效且保持产品信息。同时，对于用于存储用户数据的存储器单元阵列，所有存储器单元被统一设置在相同的存储状态且在正常出货时不存储特定信息。