專利名稱：存儲器設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種存儲器設備，其中利用根據(jù)電阻狀態(tài)存儲信息的存儲器元件所形成的存儲器單元。
背景技術：
由于諸如閃存的半導體非易失性存儲器尺寸小和斷電后依然能維持記錄的數(shù)據(jù)，它作為移動圖片和音頻的記錄媒介而被廣泛使用。
關于非易失性存儲器，需要更大的存儲容量和存儲密度。
一種具有能多值記錄的結構的非易失性存儲器，特別是可以在一個存儲器單元上存儲兩位或更多數(shù)據(jù)的非易失性存儲器，作為一種可獲得上述目的的結構而被提出。
此時，在可記錄兩位數(shù)據(jù)的情況下，例如，組成存儲器單元的存儲器元件可維持四種狀態(tài)。
閃存或者通過存儲器元件中的電阻值的改變來記錄信息的電阻變化型存儲器，已知作為獲得多值記錄技術的存儲器。
在電阻改變型存儲器中，例如，通過施加電壓脈沖對存儲器元件來執(zhí)行信息記錄(參見非專利參考1)。
因而，使得存儲器元件的電阻值通過改變該電壓脈沖的應用次數(shù)來變化，以獲得多值記錄。
“Novel Colossal磁阻薄膜非易失性電阻隨機存取存儲器(RRAM)”由W.W.Zhuang等著于技術文摘“國際電子器件會議”，2002年，193頁。
然而，由于閃存中的寫操作是通過分級地將電荷注入被稱為浮柵(floatinggate)的端子而執(zhí)行的，因此當使用閃存執(zhí)行多值記錄時與執(zhí)行一字節(jié)記錄(單值記錄)的情況相比需要相當多的時間。
而且，當也使用上述的電阻改變型存儲器來執(zhí)行多值記錄時，通過端子上的電壓脈沖應用次數(shù)來控制分級地改變電阻來得到多值記錄，然而它同樣花費時間并且難于加速操作速度。
當執(zhí)行關于一個能執(zhí)行上述的多值記錄的存儲器單元的信息記錄操作時，需要輸入多個位和執(zhí)行電荷注入或執(zhí)行相應于多個輸入位的脈沖應用次數(shù)，因此希望使用一個不復雜和良好面積效率的電路，根據(jù)多個輸入位和要記錄的多值信息之間的關系來執(zhí)行記錄操作(電荷注入或脈沖應用次數(shù))。
因此，期望獲得存儲器設備，其中可高速執(zhí)行多值記錄且其驅(qū)動電路具有簡單電路結構和良好面積效率。
為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種存儲器設備，其中可高速執(zhí)行多值數(shù)據(jù)的記錄且可以使用相對簡單配置的驅(qū)動電路進行多值數(shù)據(jù)的記錄。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的存儲器設備包括由根據(jù)電阻狀態(tài)存儲信息的存儲元件和作為負載串聯(lián)到存儲元件的電路元件所形成的存儲器單元，其中當將存儲元件由高阻值狀態(tài)改變到低阻值狀態(tài)的操作定義為寫入，且將存儲元件由低阻值狀態(tài)改變到高阻值狀態(tài)的操作定義為擦除時，通過控制在寫入時施加到電路元件或存儲器元件上的電壓或電流，設定寫入之后存儲元件的電阻值為多個不同的級別；不同的信息被分別分配到存儲器元件中低電阻值狀態(tài)的各個多個級別中和在擦除之后被分配到高電阻值狀態(tài)；并且可將三個值或更多值信息分別存儲到每個存儲器單元的存儲元件中。
根據(jù)本發(fā)明的上述存儲器設備的結構，由于將存儲器單元形成為將作為負載的電路元件串聯(lián)連接到存儲器元件，當在存儲器單元兩端之間施加等于或大于存儲器元件的寫入閾值電壓的電壓時，存儲器元件的電阻值改變以執(zhí)行存儲器元件中的寫入；但是在寫入之后將存儲器元件的電阻值設定為由存儲器元件的電流-電壓特性(I-V特性)和電路元件的電流-電壓特性(I-V特性)二者所決定的狀態(tài)(操作點)，并且電阻值不再改變。以致通過改變施加到電路元件或存儲器元件上電壓或電流的大小能改變寫入后設置到存儲器元件的電阻值。
此外，根據(jù)本發(fā)明的存儲器設備，通過控制在寫入時施加到電路元件或存儲器元件上的電壓或電流，設置寫入后的存儲器元件的電阻值為多個不同的級別；不同的信息被分別分配到存儲器元件的低電阻值狀態(tài)的各個多個級別(N種；N≥2)中和擦除之后的高電阻值狀態(tài)；并且可將三個值或更多值信息分別存儲到每個存儲器單元的存儲元件中。因此在信息記錄之后對于存儲器元件的電阻值能被控制到低阻值狀態(tài)的多個級別(N種)和高阻值狀態(tài)的總的狀態(tài)類型(N+1)。因此，在存儲器元件中可存儲(N+1)或更多值，即三個值或更多值的信息。
因而，有可能執(zhí)行被稱為三個值或更多的多值記錄，其中通常兩個以上值(數(shù)據(jù)“0”和“1”)可被存儲于存儲器元件中。
因此，無需改變施加到存儲器單元兩端上的電壓脈沖數(shù)，利用單一的電壓脈沖應用可將三個值或更多值信息被記錄到存儲器元件中，例如，通過控制施加到電路元件或存儲器元件上的電壓或電流，并且在脈沖寬度或多次脈沖應用上的控制變得不必要。
因此，可在短時間內(nèi)執(zhí)行多值記錄。
在本發(fā)明的上述存儲器設備中，還得到這樣結構，其中串聯(lián)連接到存儲器元件的電路元件是由MIS晶體管T構成的；通過該MIS晶體管T控制對每個存儲器單元的存儲器元件的存?。辉趯懭霑r控制施加到MIS晶體管T的柵極上的柵極電壓；因此寫入之后的存儲器元件的電阻值能被設置為多個不同級別。
當存儲器設備是如此構成時，通過改變柵極電壓可改變MIS晶體管的導通電阻(on-resistance)，且可改變在寫入之后存儲器元件的電阻值狀態(tài)，因此，可以執(zhí)行上述的多值記錄。
此外，由于MIS晶體管還充當來存取執(zhí)行存儲器單元的選擇的有源元件，無需特別增加另一個電路元件到存儲器單元即可記錄多值信息。
此外，在本發(fā)明的上述存儲器設備中，得到這樣結構，其中將存儲器單元布置為矩陣形狀，將導線(例如，字線)共同連接到在行的方向上排列的存儲器單元的柵極上，從與存儲器單元的每一行連接的導線提供選擇裝置(例如，行解碼器)，以選擇特定導線，并且將導線的電位控制電路連接到選擇裝置，或者選擇裝置包括導線的電位控制電路。
當存儲器設備被如此構成時，可以通過利用簡單配置控制存儲器單元中的MIS晶體管的柵極電壓來執(zhí)行多值記錄，因為導線的電位控制電路被連接到選擇裝置，或者選擇裝置包括(合成)導線的電位控制電路。
在本發(fā)明的上述存儲器設備中，也獲得這樣的結構，其中由MIS晶體管構成串聯(lián)連接到存儲器元件的電路元件；通過該MIS晶體管控制對每個存儲器單元的存儲器元件的存取；并且控制在寫入時施加到MIS晶體管源極-漏極或存儲器元件上的電壓或電流；因此寫入之后的存儲器元件的電阻值被設置為多個不同的級別。
當存儲器設備被如此構成時，通過改變施加到源極-漏極或存儲器元件的電壓或電流來改變施加到存儲器單元兩端上的電壓(電勢差)且可改變在寫入之后存儲器元件電阻值狀態(tài)，因此可以執(zhí)行上述的多值記錄。
此外，由于MIS晶體管T還充當存取以執(zhí)行存儲器單元的選擇的有源器件，在無需特別增加另一個電路到存儲器單元的情況下能記錄多值信息。
此外，在本發(fā)明的上述存儲器設備中，可以獲得這樣的結構，其中將存儲器單元布置為矩陣形狀，從與排列在行方向的存儲器單元或排列在列方向的存儲器單元(例如，位線和源極線)共同連接的導線提供選擇部件(例如，位解碼器或源解碼器)以選擇特定導線，并且在選擇裝置中通過改變開關元件或可變電阻元件的電阻值，來控制施加到MIS晶體管的源極-漏極或存儲器元件上的電壓或電流。
當存儲器設備被如此構成時，可以利用相對簡單的配置在選擇裝置中通過改變開關元件或可變電阻元件的電阻值來控制施加到存儲器單元兩端上的電壓或流過存儲器單元的電流，一般在選擇裝置中提供該電壓或電流來執(zhí)行多值記錄。
此外，在本發(fā)明的上述存儲器設備中，也獲得這樣的結構，從共同連接到在行的方向上的上述的存儲器單元的柵極的第二導線(例如，字線)提供第二選擇裝置(例如，行解碼器)以選擇特定第二導線，并且將第二導線的電勢控制電路連接到第二選擇裝置或者第二選擇裝置包括(合成)第二導線的電勢控制電路。
當存儲器設備被如此構成時，能利用簡單配置來控制存儲器單元中的MIS晶體管的柵極電壓，因為第二導線的電勢控制電路被連接到第二選擇裝置或者第二選擇裝置包括(合成)第二導線的電勢控制電路。因而，通過控制施加到存儲器單元兩端上的電壓或在存儲器單元中流過的電流，并且也通過控制存儲器單元中MIS晶體管的柵極電壓來執(zhí)行多值記錄。
根據(jù)上述的本發(fā)明，可能在短時間內(nèi)執(zhí)行多值記錄，并因此能高速執(zhí)行多值記錄。
此外，通過使用電路元件以簡單配置來執(zhí)行多值記錄，諸如用于選擇存儲器單元的有源元件，用于導線的電勢控制電路，可變電阻元件或開關元件等。
因而，根據(jù)本發(fā)明，可能以高速執(zhí)行多值記錄，并且可以獲得能夠以相對簡單配置的驅(qū)動電路進行多值記錄的存儲器設備。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的存儲器設備的一個實施例中的用于存儲器設備的電阻改變型存儲器元件的電壓-電流變化的圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的存儲器設備的一個實施例中由電阻改變型存儲器元件組成的存儲器單元的電路圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的存儲器設備的一個實施例的電路圖；圖4是解釋當改變圖2中MIS晶體管柵極電壓時操作點變化的圖；圖5是解釋當改變在圖2中施加到存儲器單元兩端的電壓時操作點變化的圖；圖6A是當控制位解碼器的電阻值時存儲器設備的電路圖，而圖6B是當控制位解碼器的電阻值和字線的電位時存儲器設備的電路圖；和圖7A是示出在操作點的MIS晶體管的柵極電壓和存儲器元件的電阻值之間的關系圖，而圖7B是示出在操作點的MIS晶體管的導通電阻值和存儲器元件電阻值之間的關系圖。
具體實施例方式
接下來，說明根據(jù)本發(fā)明的存儲器設備的實施例。在本發(fā)明中，電阻改變型存儲器元件作為組成存儲器設備的存儲器單元。
首先，圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的存儲器設備的一個實施例中存儲器設備中所使用的電阻改變型存儲器元件的電壓-電流變化。
具體地，由于初始狀態(tài)的電阻值大，因此該電阻改變型存儲器元件處于一個電流不能輕易流動的狀態(tài)(ST1)；但是，當施加等于或大于寫入閾值電壓(例如，圖1的+1.1X[v]，數(shù)百毫伏)的電壓時，電流流動并且電阻值下降(ST2)。
然后，存儲器元件改變以具有歐姆特性(ST3)并且進入電流流動和電壓成比例的狀態(tài)。
之后，即使電壓返回到零伏，其維持電阻值(低阻值)。
然后，當向存儲器設備施加負電壓和施加的電壓逐漸增高時，電流降低到擦除閾值電壓(例如，圖1的-1.1X[v]，數(shù)百毫伏)(ST4)以改變到與初始狀態(tài)相同的高電阻。
之后，即使電壓返回到零伏，仍維持其電阻值(高阻值)(ST5)。
注意盡管在圖1中施加的電壓范圍設置在-2X到+2X之間，存儲器設備中即使應用電壓設定為比該值大，電阻值也幾乎沒有變化。
由于該電阻變化型存儲器元件具有上述的電壓-電流特性，與傳統(tǒng)的電阻改變型存儲器元件近似，能夠獲得記錄一位信息的非易失性存儲器。該電阻改變型存儲器元件能單獨組成存儲器設備的存儲器單元C。
如具有圖1所示的I-V特性的電阻改變型存儲器元件，例如，可以列出將存儲層插入在第一電極和第二電極之間的存儲器元件(例如，在下電極和上電極之間)，并且存儲層由例如稀土氧化膜等非晶形薄膜形成。
在這種結構的存儲器元件的情況下，期望在稀土氧化膜中包含容易離子化的諸如銅、銀或鋅等金屬。
在此實施例，MIS晶體管特別地作為用于控制對關于該電阻變化型存儲器元件的該存儲元件存取的有源元件。此外，在圖2所示的電路圖中，MIS晶體管T串聯(lián)連接到電阻變化型存儲器元件A來形成存儲器設備的存儲器單元C。結果，MIS晶體管T也充當電阻變化型存儲器元件A的負載。
特別地，如圖2所示，將端子電壓V1施加到與連接至MIS晶體管T的端子對面上的電阻變化型存儲器元件A的端子；將端子電壓V2施加到連接至電阻變化型存儲器元件A的端子對面一側的MIS晶體管T的端子(例如，在源極一側)上；并且柵極電壓VGS被施加到MIS晶體管T的柵極上。
然后，通過分別施加端子電壓V1和V2到組成存儲器單元C的電阻變化型存儲器元件A和MIS晶體管T的兩端，在兩個端子之間產(chǎn)生電勢差V(＝|V2-V1|)。
此外，期望MIS晶體管T的導通電阻值低于電阻變化型存儲器元件A的高電阻值。更加期望MIS晶體管T的導通電阻值低于電阻變化型存儲器元件A的高電阻值的小部分，例如，足夠的低。
這是由于當MIS晶體管T的導通電阻值高時，施加到端子之間的電勢差大部分施加給MIS晶體管T并且引起電能損失，因此施加的電壓不能有效地用于存儲器元件A中的電阻變化。
接下來，根據(jù)該實施例的存儲器設備的電路圖示于圖3中。該電路圖包括電壓控制電路以施加圖2中所示的每個電壓(V1、V2和VGS)。
存儲器設備100由布置為矩陣形狀的(m+1)列和(n+1)行的存儲器單元C構成。存儲器單元C具有如圖2所示的結構其中電阻變化型存儲器元件A的一端被連接到MIS晶體管T的一端(在此，漏極)。
晶體管T(T00到Tmn)的柵極被連接到字線W(W0到Wm)。電阻變化型存儲器元件A的另一端被連接到位線B(B0到Bn)。此外，晶體管T的另一端(源極)被連接到源極線S(S0到Sm)。
此外，位線B(B0到Bn)被連接到其為電壓控制電路的位解碼器BD(BD0到BDn)。字線W(W0到Wm)被連接到其為電壓控制電路的行解碼器RD(RD0到RDm)。源極線S(S0到Sm)被連接到其為電壓控制電路的源解碼器SD(SD0到SDm)。
在被如此構成的該實施例的存儲器設備100中，信息記錄能按以下方式來執(zhí)行，例如。
通過行解碼器RD將柵極電壓VGS施加到相應于存儲器單元C的字線W上，在其上應該執(zhí)行信息記錄以導通MIS晶體管T的柵極。此外，通過位解碼器BD和源解碼器SD將圖2中所示的端子電壓V1和V2分別施加到和存儲器單元C對應的位線B和源極線S上。因此，電壓V能被施加到存儲器單元C的電阻變化型存儲器元件A和MIS晶體管T上。
當這樣施加電壓V時，如果施加到電阻變化型存儲器元件A的兩端之間的電壓大于電阻變化型存儲器元件A的上述的寫入閾值電壓，電阻變化型存儲器元件A的電阻值從高阻態(tài)下降并且向低阻態(tài)轉變。
因此，可在電阻變化型存儲器元件A上執(zhí)行信息記錄(以下稱為寫入)。
此外，當電阻變化型存儲器元件A的電阻值在低阻態(tài)時，并且當MIS晶體管T的柵極導通并將電壓V施加到存儲器單元C中的電阻變化型存儲器元件A和MIS晶體管T上，該電壓V具有和寫入時相反的極性時，如果施加到電阻變化型存儲器元件A的兩端之間的電壓大于上述電阻變化型存儲器元件A的擦除閾值電壓，則電阻變化型存儲器元件A的電阻值從低阻態(tài)增加以向高阻態(tài)轉變。
因此，在電阻變化型存儲器元件A上可以執(zhí)行信息記錄(以下稱為擦除)。
此外，由于字線W與每一行的存儲器單元C共享，在這時相同行的所有的存儲器單元C中的MIS晶體管T的柵極導通。
因此，例如，在僅僅部分存儲器單元C上，如果執(zhí)行信息記錄，相對于在同一行的存儲器單元C中沒有執(zhí)行信息記錄的其他存儲器單元C，將位線B的電勢設置為與源極線S的電勢相同或設置為使得從源極線S的電勢差變得比電阻變化型存儲器元件A的閾值電壓(寫入閾值電壓或擦除閾值電壓)足夠小，并且其上沒有執(zhí)行記錄。
接下來，當電壓施加到存儲器單元C的兩端時，作出關于變化的圖表解釋。
將施加到存儲器單元C的兩端的電壓V分開并且施加到存儲器元件A和MIS晶體管T。
在那時，如果MIS晶體管T的導通電阻值比上述的存儲器元件A的高阻值足夠低，在存儲器元件A的電阻值高的狀態(tài)中幾乎所有的施加電壓都施加到存儲器元件A的兩端。更具體地，對應于施加到存儲器元件A的兩端上的電壓VA，大致得到VA＝V。
因此，當施加電壓V大于存儲器元件A的閾值電壓Vth(V＞Vth)時，記錄操作開始且存儲器元件A的電阻值R1開始下降。存儲器元件A兩端之間的電壓VA也隨著存儲器元件A的電阻值R1的下降而降低。
然后，當存儲器元件A兩端之間的電壓VA降低到某一個電壓Vmin(≥Vth)時，存儲器元件A的電阻值R1停止降低并且電阻值R1不再降低。因此，存儲器元件A兩端之間的電壓VA也在Vmin處停止。
這是由于如下原因當存儲器元件A兩端之間的電壓VA由于存儲器元件A的電阻值R1的下降而降低時，在存儲器元件A中流動的電流I和存儲器元件A兩端之間的電壓VA之間的關系接近于存儲器元件A的I-V特性；并且當達到存儲器元件A的I-V特性時，不可能再變化。換句話說，為了在達到存儲器元件A的I-V特性以后進一步降低存儲器元件A的電阻值R1，此時需要增加存儲器元件A兩端之間的電壓VA；但是電壓VA增加，存儲器元件A中流動的電流I也增加，并且由于相同的電流I也在與存儲器元件A串聯(lián)的MIS晶體管T中流動，施加于MIS晶體管T兩端的電壓(V-VA)也對應電流I的增加而增加。但是，由于施加到存儲器單元C上的電壓V是常數(shù)并且分別施加到元件A和T的每個的兩端之間的電壓(VA，V-VA)通過劃分施加電壓V而得到，二者不可能同時增加。
因此，達到存儲器元件A的I-V特性狀態(tài)的存儲器元件A的電阻值R1停止降低，并且分別施加到元件A和T的每個的兩端之間電壓(VA，V-VA)變?yōu)槌?shù)值。
接下來，這一狀態(tài)被稱為存儲器單元C的操作點。在根據(jù)該實施例的存儲器設備100的存儲器單元C中，信息的記錄操作(寫入操作)停止在這一操作點。
從存儲器元件A的I-V特性和MIS晶體管T的I-V特性可以得到每個元件A和T上的兩端之間的電壓和在此操作點下存儲器單元C中流動的電流。具體地，當例如以0的一端設置為開始點繪制電阻變化型存儲器元件A的I-V特性(電壓-電流變化)，而例如以V端設置為開始點繪制MIS晶體管T的I-V特性(電壓-電流變化)，那些I-V特性(電壓-電流變化)曲線的交叉點成為操作點。此外，相反地，當MIS晶體管T的I-V特性(電壓-電流變化)以從0的一端作為起始點繪制而電阻變化型存儲器元件A的I-V特性(電壓電流變化)以從V的一端設置為起始點繪制，一樣可以得到操作點。
下一步，當通過使施加電壓V的極性反向來執(zhí)行信息的記錄(擦除)時，由于存儲器元件A的電阻值低，施加電壓V被如下設置施加到存儲器元件A兩端上的電壓VA可變得比存儲器元件A的擦除閾值電壓大。
當施加到存儲器元件A的兩端上的電壓VA大于存儲器元件A的擦除閾值電壓時，信息的記錄(擦除)開始，并且存儲器元件A的電阻值增加。由于存儲器元件A上劃分的電壓，也就是施加到存儲器元件A兩端上的電壓VA隨著存儲器元件A的電阻值的增加而增加，存儲器元件A的電阻值進一步增加。當存儲器元件A上的電阻值變得大(高電阻)到某種程度時，電阻值不再進一步增加，因此信息的記錄操作(擦除操作)在這一點停止。
與上述的操作點相近似能從存儲器元件A的I-V特性和MIS晶體管T的I-V特性這兩者獲得每個存儲器元件A和T的兩端上的電壓和在這一狀態(tài)下存儲器單元C中流動的電流。
因而通過向存儲器單元C的兩端上施加電壓V，可以在該存儲器單元C的存儲器元件A上執(zhí)行信息的記錄，即寫入或擦除。
在關于上述信息記錄的解釋中，由于使用兩種狀態(tài)來執(zhí)行信息的記錄存儲器元件A的電阻值是高的狀態(tài)和存儲器元件A的電阻值是低的狀態(tài)，可執(zhí)行諸如數(shù)據(jù)“0”和數(shù)據(jù)“1”的兩個值(1位)的信息的記錄。
在該實施例的存儲器設備中，執(zhí)行該應用，由此可執(zhí)行三個值、四個值(2-位)或更多值的記錄。
下面，根據(jù)本實施例對多值記錄進行說明。
關于MIS晶體管T，導通電阻的改變依賴于施加到柵極上的柵極電壓VGS的大小，并且I-V特性也發(fā)生變化。
因此，改變存儲器單元C中的MIS晶體管T的柵極電壓VGS來改變MIS晶體管T的I-V特性，以便可改變操作點的位置。
特別地，如圖4所示，當改變MIS晶體管T的柵極電壓VGS到VG1、VG2和VG3(VG1＞VG2＞VG3)時，MIS晶體管T的I-V特性改變，MIS晶體管T的柵極電壓VGS越大，電流流動越多，且導通電阻變得越低，因此在圖4中I-V特性曲線移動到較上面的位置。
此外，當改變MIS晶體管T的柵極電壓VGS到VG1、VG2和VG3時，操作點也分別變?yōu)椴煌狞cP1、P2和P3，并且在操作點的存儲器元件A的電阻值也變得不同。
此外，例如，將每個操作點P1、P2和P3分別分配到2位的信息“11”、“10”和“01”，并且將高阻態(tài)(寫入之前和擦除之后)分配到“00”，以便2位信息能被存儲到存儲器元件A中。
因而，通過把多個位信息項分配到執(zhí)行寫入的元件的電阻值，可獲得多值記錄。
注意由于在實際的存儲器設備中，每一個存儲器單元C的MIS晶體管T中或許都存在一些特性的差異，考慮到這些差異，不但圖4中示出的操作點P1、P2和P3，而且在每個操作點P1、P2和P3附近的具有某種程度的寬度的范圍(存儲器元件A的電阻值范圍)被分配給各個信息(例如，每個數(shù)據(jù)“01”、“10”和“11”)。
例如，當存儲器元件A的電阻值是3千歐或更小，則分配到2位信息“11”，當存儲器元件A的電阻值是3千歐到6千歐時，則分配到2位信息“10”，當存儲器元件A的電阻值是6千歐到9千歐時，則分配到2位信息“01”，當存儲器元件A的電阻值是9千歐或更大，則分配到2位信息“00”。
近似地，通過進一步劃分電阻值范圍，可以記錄3位信息(8個值)和4位信息(16個值)。
當讀取在存儲器元件A上記錄的信息對其如上述執(zhí)行的多值記錄時，在存儲器單元C中流過用于讀出的電流，并且由于該電流和存儲器元件A的電阻值成比例，檢測存儲器元件A的電阻值來獲得信息的內(nèi)容。
但是，當執(zhí)行讀出時，存儲器元件A的電阻值必須防止下降。
因此，當執(zhí)行讀出時，其為電源電壓VDD，相對高的電壓，例如，被施加到MIS晶體管的柵極。因此，由于MIS晶體管T的導通阻態(tài)變小，當讀出電流流動時，施加到存儲器元件A兩端上的電壓VA變小，從而避免存儲器元件A的電阻值降低。
此外，還可以考慮，例如，當執(zhí)行讀出時施加到存儲器單元C兩端上的電壓小于當在相應于該信息的記錄的操作點寫入時施加到存儲器單元C兩端上的電壓；但是上述的應用電源電壓到柵極電壓的方法的優(yōu)點在于使用該方法電壓能更容易控制電壓的點。
此外，當存儲器元件A從低阻態(tài)向高阻態(tài)轉變時，換句話說，當進行擦除時，也期望MIS晶體管T的柵極電壓VGS，例如，能達到電源電壓VDD的相對高壓。結果，由于MIS晶體管T的導通阻態(tài)變小，不用把施加到存儲器單元C兩端上的電壓V變大，施加到存儲器元件A兩端上的電壓VA可大于擦除閾值電壓。
因此，由于能夠通過施加比較小的電壓V來執(zhí)行擦除，施加到擦除所需的存儲器單元C的電壓V能被降低以減小導線或元件上的負載。
此外，如圖5所示，如果施加到存儲器單元C兩端上的電壓變化，可以類似地改變操作點以執(zhí)行多值記錄。
在圖5中，通過分別改變施加到存儲器單元C兩端上的電壓V到2.0V、1.0V和0.65V，使得操作點變化到P1、P2和P3。
此外，同樣可以改變MIS晶體管T上的柵極電壓VGS和施加到存儲器單元C兩端上的電壓V。
即使以這種方式，也能執(zhí)行多值記錄。例如，這種結構適合于當施加到存儲器單元C兩端上的電壓V難以很大地(在寬范圍內(nèi))變化的情況。
此外，根據(jù)本實施例，由于存儲器元件A具有圖1中所示的I-V特性，通過在使存儲器元件A電阻值變小的方向來改變柵極電壓VGS或施加電壓V到存儲器單元C，使存儲器元件A電阻值變小，從而可以如圖4中P2到P1的轉變那樣在操作點之間能進行直接轉變。
另一方面，即使柵極電壓VGS或施加到存儲器單元C上的電壓V變化，在使存儲器元件A的電阻值變高(例如，圖4中從P1到P2的轉變)的方向存儲器元件A的電阻值也不變高，并且因此在操作點之間不能作出直接轉變。
然后，通過施加一次相反極性的電壓，進行從低阻態(tài)(歐姆特性)向高阻態(tài)轉變，此后進一步轉變?yōu)槠谕碾娮柚?。在這種情況下，盡管需要兩級轉變，與具有由脈沖次數(shù)決定電阻值的結構的存儲器設備相比，信息的記錄能在足夠短的時間期間被執(zhí)行。
根據(jù)本實施例的上述的存儲器設備100，存儲器單元由電阻變化型存儲器元件A和MIS晶體管T串聯(lián)構成，在多個級別(點或范圍設置)的信息的記錄(寫入或擦除)之后，通過改變MIS晶體管T的柵極電壓VGS或施加到存儲器單元C的兩端上的電壓V來控制存儲元件A的電阻值來改變操作點，以便三個值或更多的信息被記錄，即多值記錄能在存儲器元件A上執(zhí)行。
此外，根據(jù)本實施例的存儲器設備，信息記錄之后只有通過改變MIS晶體管T的柵極電壓VGS或施加到存儲器單元C兩端上的電壓V能夠改變存儲器元件A的電阻值，因此如果即使執(zhí)行多值記錄，僅僅要求一個時鐘的電壓脈沖和電流脈沖，而不需要控制脈沖寬度和脈沖數(shù)。
因此，多值記錄可以在短的時間期間內(nèi)被執(zhí)行。
此外，根據(jù)本實施例的存儲器設備，由于用于存取以便選擇一個存儲器單元C在存儲器單元C中提供的MIS晶體管T，是用作為控制存儲器單元C的操作點的電路元件，無需在存儲器單元C中進一步增加電路元件就能執(zhí)行多值信息的記錄。
換句話說，根據(jù)本實施例的存儲器設備通過簡單配置，就能執(zhí)行多值記錄。
此外，根據(jù)本實施例的存儲器設備，如圖3中所示的字線W共同連接至每一行的存儲器單元C中的MIS晶體管T的柵極，并且該字線被連接到行解碼器RD上。
基于上述，通過連接執(zhí)行字線W的電位控制的電路到該行解碼器RD或通過合成在行解碼器RD中執(zhí)行字線W的電勢控制的電路，通過簡單配置就能控制存儲器單元C中MIS晶體管T的柵極電壓VGS。
此外，如上所述，通過改變存儲器單元C中MIS晶體管T的柵極電壓VGS來改變MIS晶體管T的I-V特性和導通電阻，從而改變操作點以執(zhí)行多值記錄。
換句話說，根據(jù)本實施例的存儲器設備，通過控制存儲器單元C中MIS晶體管T的柵極電壓VGS，通過簡單配置就可執(zhí)行多值記錄。
此外，由于提供行解碼器RD以執(zhí)行字線W的電位控制的電路，字線W的電位可為常量，可共同地讀出相同行的存儲器單元。
此外，為了改變?nèi)鐖D5中所示的施加到存儲器單元C兩端上的電壓V，僅要求圖6A所示的電路圖的結構，例如，提供解碼器電阻控制信號SDR0到位解碼器BD0來控制可變電阻元件R0的電阻值，或通過該解碼器電阻控制信號SDR0來控制在位解碼器BD0中的開關元件的電阻值?？勺冸娮柙0或位解碼器中的開關元件也可成為負載電阻和對應于存儲器元件A00的MIS晶體管T00。
此外，由于位解碼器BD0內(nèi)通常被提供有可變電阻元件R0或開關元件，無需增加新結構，通過簡單配置就可改變施加到存儲器單元C兩端上的電壓V。
注意相似地有可能通過提供與源解碼器SD有關的，執(zhí)行源極線S的電位控制電路，該源解碼器SD選擇在行方向來自共同連接到存儲器單元C的源極線S的特定源極線S，或通過控制可變電阻元件的電阻值或源解碼器SD中的開關元件的電阻值來控制施加到存儲器單元C兩端的電壓V。
此外，當改變施加到存儲器單元C兩端上的電壓V和MIS晶體管T的柵極電壓VGS這二者時，僅要求圖6B的電路圖所示的結構，近似于圖6A的情況那樣解碼器電阻控制信號SDR0被提供到位解碼器BD0，并且，例如，從執(zhí)行連接到行解碼器RD0的字線W0的電勢控制的電路(未示出)，控制字線W0的電勢的信號SW0被提供到行解碼器RD0，來控制MIS晶體管T的柵極電壓VGS?；蛘?，執(zhí)行字線W0的電勢控制的電路可合成在行解碼器RD0中。
注意為方便起見的簡化圖，在圖6A和6B的每個電路圖中只有一個存儲器單元結構被示出，但是其他行或其他列的存儲器元件以相同方法構成。
因此，根據(jù)本實施例，可得到具有簡單配置且可執(zhí)行多值記錄的存儲器設備。
下面，實際制造存儲器設備中的存儲器單元并且執(zhí)行多值記錄。
如圖2的電路圖所示，制造包括存儲器元件A和串聯(lián)連接的MIS晶體管T的存儲器單元C。
然后，近似于那些在圖4所示的，施加常壓(1.0伏)到存儲器單元C的兩端，將MIS晶體管T的柵極電壓VGS改變到四個值(0.74V，0.76V，0.80V和1.20V)，在該存儲器單元C中執(zhí)行寫的各個條件下，存儲器元件A從高阻態(tài)到低阻態(tài)變化。
結果，獲得相應于每個柵極電壓VGS值的四個操作點。
此外，分別在各個操作點測量存儲器元件A的電阻值(寫后的電阻值)和MIS晶體管T的導通電阻。
MIS晶體管T的柵極電壓VGS和存儲器元件A的電阻值之間的關系示于圖7A中。
由圖7A可知，存儲器元件A的電阻值隨著MIS晶體管T的柵極電壓VGS的增加而下降。
此外，MIS晶體管T的導通電阻值和存儲器元件A的電阻值(寫之后的電阻值)之間的關系示于圖7B中。
由圖7B可知，MIS晶體管T的導通電阻越大，記錄后的存儲器元件A的電阻值越大。
注意盡管上述實施例中存儲器單元C由和存儲器元件A串聯(lián)連接的MIS晶體管T構成，在本發(fā)明中與存儲器元件串聯(lián)連接的電路元件不限于MIS晶體管。
也可能使用雙極晶體管，例如，作為電路元件串聯(lián)連接到存儲器單元。那樣的話，通過改變雙極晶體管的基極電流或施加到存儲器單元兩端上的電壓，也能執(zhí)行多值記錄。
此外，也可以使用諸如二極管或電阻元件等有源元件，例如，作為與存儲器元件串聯(lián)連接的電路元件。
當使用二極管或電阻元件時，通過改變施加到存儲器單元兩端上的電壓多值記錄也能被執(zhí)行。
此外，當諸如晶體管或二極管等有源元件被用做電路元件與存儲器元件串聯(lián)連接時，使用有源元件可以執(zhí)行對存儲元件的選擇。
在上面聲明的實施例中，盡管存儲器元件A被如圖1所示的I-V特性所構成，組成存儲器單元的存儲器元件的結構不限于特性近似趨向于根據(jù)本發(fā)明圖1所示I-V特性的存儲器元件；但是通常也可使用電阻變化型存儲器。
參考附圖描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，應當理解本發(fā)明不限于那些精確的實施例，在不脫離如權利要求限定的本發(fā)明的精神或范圍，本領域的技術人員可以實現(xiàn)各種變化和修改。
權利要求
1.一種存儲器設備，包括存儲器單元包括根據(jù)電阻狀態(tài)存儲信息的存儲器元件，以及一個作為負載串聯(lián)連接到所述存儲器元件的電路元件，其中當把所述存儲器元件從高阻值狀態(tài)改變到低阻值狀態(tài)的操作定義為寫入時，并且當把所述存儲器元件從低阻值狀態(tài)改變到高阻值狀態(tài)的操作定義為擦除時，通過在所述的寫入的時候控制施加到所述的電路元件或存儲器元件上的電壓或電流，將所述寫入后的所述存儲器元件的電阻值設定為多個不同的級別，在所述的存儲器元件中，將不同的信息分配到低電阻值的狀態(tài)中所述的多個級別中的每個和在所述的擦除之后分配到高電阻值的狀態(tài)，并且在每個所述的存儲器單元中的所述的存儲元件中分別保存三個值或更多值的信息。
2.根據(jù)權利要求1所述的存儲器設備，其中所述電路元件由一個MIS晶體管構成，通過所述MIS晶體管控制對每個所述存儲器單元中所述的存儲器元件的存取，并且在所述寫入時控制施加到所述MIS晶體管柵極上的柵極電壓，以致所述寫入之后所述存儲器元件的電阻值被設置為多個不同的級別。
3.根據(jù)權利要求2所述的存儲器設備，其中當讀取所述存儲器元件中記錄的信息時，把電源電壓施加到所述柵極上來判斷所述存儲器元件的電阻值的狀態(tài)。
4.根據(jù)權利要求2所述的存儲器設備，其中在所述擦除時施加電源電壓到所述柵極上。
5.根據(jù)權利要求2所述的存儲器設備，其中所述存儲器單元布置為矩陣形狀，導線共同連接到在行的方向上排列的所述存儲器單元的所述柵極上，提供用于從與所述存儲器單元每一行的連接的所述導線來選擇特定導線的選擇裝置，并且所述導線的電勢控制電路被連接到所述選擇裝置或者所述選擇裝置包括所述導線的電勢控制電路。
6.根據(jù)權利要求1所述的存儲器設備，其中所述電路元件由MIS晶體管構成，通過所述MIS晶體管控制對每一個所述存儲器單元中所述的存儲器元件的存取，并且在所述寫入的時候控制施加到所述MIS晶體管的源極-漏極或所述存儲器元件的一個電壓或電流，以致在所述寫入之后所述存儲器元件的電阻值被設置為所述多個不同級別。
7.根據(jù)權利要求6所述的存儲器設備，其中所述存儲器單元布置為矩陣形狀，提供用于從共同連接在行方向排列的所述存儲器單元或在列方向排列的所述存儲器單元的導線來選擇特定導線的選擇裝置，并且在所述的選擇裝置中，通過改變開關元件或可變電阻元件的電阻值來控制施加到所述MIS晶體管的源極-漏極或所述存儲器元件上的電壓或電流。
8.根據(jù)權利要求7所述的存儲器設備，還包括用于從共同連接在行的方向上排列的所述存儲器單元的所述柵極的第二導線來選擇特定第二導線的第二選擇裝置，其中所述第二導線的電勢控制電路被連接到所述第二選擇裝置或所述第二選擇裝置包括所述第二導線的電勢控制電路。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在高速條件下能記錄多值數(shù)據(jù)和利用具有相對簡單配置的驅(qū)動電路進行多值數(shù)據(jù)記錄的存儲器設備。存儲器設備由包括根據(jù)電阻值狀態(tài)保存信息的存儲器元件和作為負載串聯(lián)連接到存儲器元件上的MIS晶體管的存儲器單元構成；當分別把存儲器單元由高阻值狀態(tài)到低阻值狀態(tài)的操作定義為寫入和把存儲器單元由低阻值狀態(tài)改變到高阻值狀態(tài)的操作定義為擦除時，通過控制在寫入時施加到MIS晶體管上的柵極電壓VG1、VG2和VG3等等，把寫入之后的存儲器元件的電阻值設置為多個不同的級別，以致分別把不同信息分配到多個級別的每一個中，并且在擦除之后分配到高阻值狀態(tài)來分別存儲三個值或更多值信息到每個存儲器單元的存儲器元件中。
文檔編號G11C11/21GK1722302SQ200510069790
公開日2006年1月18日 申請日期2005年1月20日 優(yōu)先權日2004年1月20日
發(fā)明者對馬朋人, 荒谷勝久, 河內(nèi)山彰 申請人:索尼株式會社