[發明專利]半導體存儲裝置及其編程方法

無效

• 申請號: 200710160123.1
• 申請日: 2007-12-24
• 公開（公告）號: CN101211656A
• 公開（公告）日: 2008-07-02
• 發明（設計）人: 中井潔
• 申請（專利權）人: 爾必達存儲器股份有限公司
• 主分類號: G11C11/56
• 分類號: G11C11/56;G11C29/44;G11C17/18
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 孫紀泉

技術領域

本發明涉及半導體存儲裝置及其編程方法，更具體地涉及使用如相變材料那樣其電阻可以可逆變化的可變電阻材料的半導體存儲裝置及其編程方法。

背景技術

在個人計算機或服務器中，使用分等級構造的各種存儲裝置。要求低等級存儲裝置低價并且具有大容量，而要求高等級存儲裝置能夠高速存取。作為最低等級的存儲裝置，通常使用諸如硬盤驅動器和磁帶之類的磁存儲裝置。磁存儲裝置是非易失性的，并且與半導體存儲裝置等相比能夠低價地保存相當大量的數據。然而，磁存儲裝置存取速度較低，并且在許多情況下不具有隨機存取性。因此，將要求長期保存的程序或數據存儲在磁存儲裝置中，并且可選地變化為高等級存儲裝置。

主存儲器是等級比磁存儲裝置高的存儲裝置。通常，將DRAM(動態隨機存取存儲器)用于主存儲器。與磁存儲裝置相比，DRAM可以更高的速度存儲，另外DRAM具有隨機存取性。另外，在價格方面，DRAM具有每比特成本低于諸如SRAM(靜態隨機存取存儲器)之類的高速半導體存儲器的特性。

最高等級的存儲裝置是MPU(微處理單元)中所含的內部高速緩沖存儲器。內部高速緩沖存儲器經由內部總線與MPU的內核相連，因此可以非常高的速度存取。然而，可確保的記錄容量相當低。作為構成內部高速緩沖存儲器和主存儲器之間的等級的存儲裝置，有時會使用二級高速緩沖或三級高速緩沖等。

選擇DRAM作為主存儲器的原因是DRAM在存取速度和每比特成本之間具有非常好的平衡。另外，DRAM在半導體存儲器中具有較大的容量，并且近年來已經開發了具有1G或更大容量的芯片。然而，DRAM是易失性存儲器，當斷開電源時所存儲的數據丟失。這樣，DRAM不適合于要長時間保存的程序或數據。在DRAM中，即使在接通電源時也需要周期性地執行刷新操作以保存數據。這樣，在減小功耗方面存在限制，并且存在需要控制器進行復雜控制的問題。

作為大容量非易失性半導體存儲器，閃速存儲器是公知的。然而，閃速存儲器的缺點在于需要大量的電力來寫入和刪除數據，并且寫入時間和刪除時間非常長。因此，其并不適用于代替DRAM作為主存儲器。已經建議的其他非易失性存儲器包括MRAM(磁阻隨機存取存儲器)、FRAM(鐵電隨機存取存儲器)等。然而，難以獲得與DRAM相等的存儲容量。

另一方面，作為代替DRAM的半導體存儲器，建議了一種將相變材料用于記錄的PRAM(相變隨機存取存儲器，參見日本專利申請公開NO.2006-24355和2005-158199)。在PRAM中，通過記錄層中所包括的相變材料的相狀態來存儲數據。即，相變材料在結晶相和非晶相之間的電阻差別很大。可以通過使用該特性來存儲數據。

可以通過向相變材料施加對相變材料進行加熱的寫入電流來改變相狀態。通過向相變材料施加讀取電流并且讀出電阻值來執行數據讀取。將讀取電流設定為與寫入電流相比足夠小的值，使得不會發生相變。這樣，除非向其施加高熱，相變材料的相狀態不會改變，因此即使當斷開電源時數據也不會丟失。

不但PRAM而且大體上所有半導體存儲裝置包括由于制造故障導致的有缺陷存儲單元。通常用冗余存儲單元來代替這些有缺陷的存儲單元，從而調劑有缺陷的地址。

通常，將有缺陷的地址存儲在包括多個熔絲元件的編程電路中。當請求存取有缺陷的地址時，上述編程電路檢測到該存取，對冗余存儲單元執行替換存取，以代替有缺陷的存儲單元。

主要存在兩種斷開熔絲元件的方法：通過大電流熔化熔絲元件的方法；以及通過照射激光束破壞熔絲元件的方法。前一種方法不要求諸如激光修整機之類的昂貴裝置，并且具有可以易于執行關于是否正確地斷開熔絲元件的自我診斷的優點。然而，為了使用大電流熔化例如包括多晶硅的熔絲元件，需要充分大的電流。因此，需要在半導體存儲裝置內部設置大規模熔絲斷開電路和診斷電路。這引起芯片面積增加的問題。

另一方面，后一種方法由于不需要在半導體存儲裝置內部設置熔絲斷開電路，可以減小芯片面積。然而，根據該方法，由于激光束的照射而破壞了鈍化膜，濕氣進入該破壞的部分。結果，產品的可靠性下降。

近年來，已經提出了一種使用稱為反熔絲的元件來存儲有缺陷地址的方法(參見日本專利申請公開No.2000-132992和2000-208637)。與普通熔絲元件不同，反熔絲是在初始狀態變為非導電狀態并且當執行寫入操作時變為導電狀態的元件。然而，即使在對反熔絲執行寫入操作時，導電狀態發生較大變化。因此，需要感應電路等來確定反熔絲是處于非導電狀態還是導電狀態。因此，電路規模變大。