专利名称：：半导体存储设备的制作方法
技术领域：
：本发明涉及包括由存储单元配置的存储单元阵列的半导体存储设备，多个存储单元分别被布置在行方向上和列方向上，每个存储单元包括基于其中通过施加电介质应力来改变电阻的电操作特性来存储信息的可变电阻元件。
背景技术：
：以闪速存储器为代表的非易失性存储器被作为大容量和紧凑信息存储介质使用在诸如计算机、通信、测量器具、自动控制器和用户周围所使用的生活器具之类的各种领域中，并且对于更便宜且具有更大容量的非易失性存储器的需求是极其大的。这是因为由于能被电写入并且即使当切断电力的时候数据也不被擦除，所以其可执行如能够容易地被携带的存储卡、或者以非易失性方式存储用于诸如移动电话之类的设备操作的初始设置的数据存储器或程序存储器等的功能。注意，由于与将数据编程为逻辑值“1”的编程动作相比，闪速存储器要求用于将数据擦除为逻辑值“0”的擦除动作的更长的时间，所以其不能高速操作。关于擦除动作，当执行擦除动作时，尽管尝试通过以几个字节或块单位为单位来执行速度方面的改进，但是由于擦除动作是以几个字节/块单位为单位来执行的，所以存在不能够执行随机存取编程的问题。由于这样，当前正在广泛研究取代闪速存储器的一种新类型的非易失性存储器。在此类当中，与闪速存储器相比，就缩放限制(scalinglimit)而言，电阻变化存储器(其运用这样的现象其中，由于对金属氧化物薄膜施加电压而导致发生电阻变化)是有用的，并且由于其能高速数据写入，所以在最近几年里其频繁地被研究和发展(例如，涉及日本未审查专利申请公开(PCT申请的译文)号2002-537627，或H.Pagniaetal.，"BistableSwitchinginElectroformedMetal-Insulator-MetalDevices，，,Phys.Stat.Sol.(a),vol.108，pp.11-65，1988，和BaekI.G.etal.,"HighlyScalableNon-volatileResistiveMemoryusingSimpleBinaryOxideDrivenbyAsymmetricUnipolarVoltagePulses",IEDM2004,pp.587—590，2004)。因为具有金属氧化物的这样的可变电阻元件的编程/擦除特性，所以在采用称作双极切换的驱动方法的情况下，由于通过将具有相反极性的电压脉冲分别施加给该元件而使得元件的电阻增加(高电阻状态)/减小(低电阻状态)，所以其能够通过将逻辑值作为数据分配给每个电阻状态而被用作存储器。因为具有金属氧化物的可变电阻元件的特点，所以其能高速随机存取编程/擦除。
发明内容例如，将考虑这样一种情况，其中对存储两个值“0”和“1，，的可变电阻元件执行随机存取编程/擦除。在不管存储单元的电阻状态的情况下执行编程/擦除动作时，将擦除电压脉冲施加到处于被编程状态中的元件的擦除动作或将编程电压脉冲施加到处于被擦除状态中的元件的编程动作将是适当的动作，然而，将编程电压脉冲施加到已经处于被编程状态中的元件的编程动作或将擦除电压脉冲施加到已经处于被擦除状态中的元件的擦除动作将重写到原始状态。元件的特性易变性可能受到这样的操作滞后的影响并且取决于电阻状态，存在由于电阻的改变而导致通过正在执行的重写来写入数据的可能性。进一步地，当元件的操作滞后大时，元件之间的特性易变性变得更大，并且成为数据误差的原因。在实际将可变电阻元件用作存储器时，因为存在由于元件特性方面的易变性或编程动作中的施加电压或施加电流方面的易变性而导致发生编程动作失败的可能性，所以验证对其已经执行了写动作的可变电阻元件的电阻特性是否已转移到期望的电阻分布范围的验证动作将是必要的。因而，作为已经执行了验证动作的结果，如果实际上发生了编程动作失败，则编程动作需要通过再次施加写电压脉冲来加以执行，从而使得可变电阻元件的电阻特性恢复到期望的电阻分布范围之内。然而，当用于编程动作的电压脉冲再次被施加到其电阻特性不在正确的电阻状态的电阻分布范围之内的可变电阻元件时，由于对于可变电阻元件而言编程动作正在重写，所以其不能通过正被降低的电阻而被编程到期望的电阻分布范围。另一方面，以金属氧化物可变电阻元件为代表的可变电阻元件的编程特性展示了如图12中的电阻滞后曲线。图12是示出了在施加到可变电阻元件的编程电压脉冲的绝对值与在由该电压脉冲所引起的改变之后的电阻值之间的关系的图。如图12中所示出的那样，电阻值伴随着施加电压增加达到特定的编程电压而增加，然而，此后电阻值伴随着施加电压的增加而减小。因此，在通过施加到可变电阻元件的编程电压进行的编程之后，电阻值大大地改变，并且对于一些可变电阻元件而言，在施加电压方面的微小差别引起在电阻方面的巨大的差别。这不仅适用于施加的编程电压而且适用于施加的编程电流，并且编程之后的电阻值根据施加的编程电流的幅度大大地改变。如图12中所示出的那样，尽管当施加电压为低时在写动作之后电阻没有上升到峰值，但是当施加电压太高时电阻减小。电阻的峰值和施加电压(通过其使电阻值恢复到其峰值)在各可变电阻元件之中具有元件易变性，并且即使施加电压脉冲是相同的，因为对于每个元件而言，例如由于可变电阻元件在存储单元阵列之内的位置而导致实际施加的电压方面的易变性出现，所以编程变得困难，从而使得在施加电压脉冲之后的电阻特性被恢复到期望的电阻分布范围之内。考虑到上述的常规问题，本发明的目的是提供一种半导体存储设备，其在随机存取编程动作中不管存储单元的电阻状态如何均能稳定地编程到期望的电阻状态。为了实现上述目的，根据本发明的半导体存储设备具有包括由多个存储单元配置的存储单元阵列的第一特点。多个存储单元分别被布置在行方向和列方向上。每个存储单元都包括可变电阻元件，其中电极被支承在可变电阻器的两个端子中的每一个处，电阻状态由两个端子之间的电阻特性和通过在两个端子之间施加电介质应力而在两个或更多个不同的电阻状态之间的转变来加以限定，并且在转变之后的一个电阻状态被用于存储信息。在存储单元阵列中的一个或多个选择的存储单元的随机写过程中，对选择的存储单元5中的每一个执行擦除动作或编程动作。在擦除动作中，用于将选择的存储单元的可变电阻元件的电阻状态转变到具有最低电阻值的被擦除状态的擦除电压脉冲被施加到选择的存储单元，而不管选择的存储单元的可变电阻元件的电阻状态如何。在编程动作中，擦除电压脉冲被施加到选择的存储单元，并且用于将选择的存储单元的可变电阻元件的电阻状态从被擦除状态转变到预定的电阻状态的第一编程电压脉冲被施加到选择的存储单元，而不管选择的存储单元的可变电阻元件的电阻状态如何。进一步地，根据本发明的半导体存储设备除了第一特点之外还具有第二特点在执行擦除动作或编程动作之前不执行读取选择的存储单元的可变电阻元件的电阻状态的初始验证动作。根据上述第一或第二特点的半导体存储设备，在选择的存储单元的编程(增加电阻)过程中，施加擦除电压脉冲以使转变到具有最低电阻的电阻状态而不管存储单元的可变电阻元件的电阻状态如何，并且此后，施加编程电压脉冲以使转变到高电阻状态。进一步地，还在选择的存储单元的擦除(减小电阻)过程中，施加擦除电压脉冲以使转变到低电阻状态而不管存储单元的可变电阻元件的电阻状态如何。尽管稍后将描述细节，但是使用金属氧化物作为可变电阻器的可变电阻元件具有不理想的特性当用于将存储单元带到甚至更高的电阻状态的编程电压脉冲被施加到处于最高电阻状态的存储单元时，在施加脉冲之后的电阻值减小。另一方面，即使当用于将存储单元带到甚至更低的电阻状态的擦除电压脉冲被施加到处于最低电阻状态的存储单元时，在施加所述脉冲之后的电阻值几乎不改变。这意味着可变电阻元件明显地受到关于施加编程电压脉冲(在下文中偶尔被称为“程序重写”)的重写的影响，然而它们具有防备(against)关于施加擦除电压脉冲(在下文中偶尔被称为“擦除重写”)的重写的耐用性(durability)。通过利用这个特点，本发明能够实现能够容易地被控制以将电阻状态的电阻特性恢复到预期的分布范围的编程动作和擦除动作。在本发明中，擦除电压脉冲被施加到写目标存储单元而不管在施加所述脉冲之前的电阻状态如何。由于这样，在施加所述脉冲之前的电阻状态处于具有最低电阻的电阻状态(被擦除状态)的情况下，擦除电压脉冲将被施加到处于被擦除状态的可变电阻元件，然而，如上文中所描述的那样，由于可变电阻元件具有防备擦除重写的耐用性，处于低电阻状态的电阻特性将不被恢复到高电阻，并且电阻特性被维持在期望的低电阻状态的分布范围之内。进一步地，在将同样的事物恢复到高电阻状态(被编程状态)的情况下，由于通过在已经施加了擦除脉冲之后一直施加编程电压脉冲来执行编程动作，所以避免了程序重写的发生，并且能够实现稳定的编程动作和擦除动作。进一步地，由于在不管施加脉冲之前的可变电阻元件的电阻状态如何的情况下通过施加擦除电压脉冲来执行写入，所以读取在施加所述脉冲之前的可变电阻元件的电阻状态的初始验证动作变得不必要。进一步地，根据本发明的半导体存储设备具有除了上述特点中的任何一个之外的、进一步包括验证部的第三特点，所述验证部在已经执行了编程动作之后执行验证选择的存储单元的可变电阻元件的电阻特性是否在预定的电阻状态的电阻分布范围之内的验证动作。在验证动作中，在其可变电阻元件的电阻特性在预定的电阻状态的电阻分布范围之外的存储单元在选择的存储单元之中被检测到的情况下，重复地执行第二编程动作，直到在电阻分布范围之外的存储单元的可变电阻元件的电阻特性被恢复到预定的电阻状态的电阻分布范围之内为止，并且在第二编程动作中，擦除电压脉冲被施加到存储单元，并且用于将在电阻分布范围之外的存储单元的可变电阻元件的电阻状态从被擦除状态转变到预定的电阻状态的第二编程电压脉冲被施加到存储单元，而不管在电阻分布范围之外的存储单元的可变电阻元件的电阻状态如何。根据上述第三特点的半导体存储设备，即使在再次对由于编程动作之后的编程动作失败而导致的其电阻特性不在期望的电阻范围之内的存储单元执行编程的情况下，由于通过在已经施加了擦除电压脉冲之后施加写电压脉冲来执行重编程，所以避免了程序重写的发生，并且能够抑制编程动作失败。进一步地，根据本发明的半导体存储设备具有除了第三特点之外的第四特点在第二编程动作被重复多次的情况下，在首次的第二编程动作中，第二编程电压脉冲被设置成具有比第一编程电压脉冲的电压幅度的绝对值更小的电压幅度的绝对值，或被设置成在施加第二编程电压脉冲时具有比在施加第一编程电压脉冲时更小的在可变电阻元件中流动的电流的量。在第二次和随后次的第二编程动作中，第二编程电压脉冲的电压幅度的绝对值或当施加第二编程电压脉冲时在可变电阻元件中流动的电流的量随着执行第二编程动作的次数的增加而逐步地增加。根据上述第四特点的半导体存储设备，通过考虑可变电阻元件的元件易变性或在阵列之内的可变电阻元件的位置而将电阻特性编程为具有期望的可控性的期望的电阻范围变得可能。进一步地，根据本发明的半导体存储设备具有除上述特点中的任何一个之外的第五特点存储单元中的每一个都包括连接到在可变电阻元件的可变电阻器的一个端子上的电极的电流控制元件，并且电流控制元件是具有连接到在可变电阻器的一个端子上的电极的源极或漏极的晶体管。进一步地，根据本发明的半导体存储设备具有除第一至第四特点中的任何一个之外的第六特点存储单元中的每一个都包括连接到在可变电阻元件的可变电阻器的一个端子上的电极的电流控制元件，并且电流控制元件是具有连接到在可变电阻器的一个端子上的电极的阳极或阴极的二极管元件。进一步地，根据本发明的半导体存储设备具有除上述特点中的任何一个之外的第七特点可变电阻器通过包括Al、Hf、Ni、Co、Ta、Zr、W、Ti、Cu、V、Zn以及Nb中的至少一个的金属氧化物或氮氧化物而被配置。因此，根据本发明，在选择的存储单元的写入中，通过在已经施加了擦除电压脉冲并且已经使得转变到低电阻状态之后一直施加编程电压脉冲而不管存储单元的可变电阻元件的电阻状态如何，实现了能够执行编程到具有期望可控性的期望的电阻特性的分布范围的半导体存储设备。图1是示出了包括可变电阻元件的存储单元阵列的结构示例的图2是示出了在本发明的意义的验证中所使用的可变电阻元件的切换特性的图；图3是示出了在本发明的意义的验证中所使用的可变电阻元件的程序重写耐用性的图4是示出了在本发明的意义的验证中所使用的可变电阻元件的擦除重写耐用性的图5是示出了在编程电压脉冲被顺序地施加多次、擦除电压脉冲和编程电压脉冲被交替地施加多次之后的情况下，在本发明的意义的验证中所使用的可变电阻元件的切换特性的图6是示出了在擦除电压脉冲被顺序地施加多次、编程电压脉冲和擦除电压脉冲被交替地施加多次之后的情况下，在本发明的意义的验证中所使用的可变电阻元件的切换特性的图7是示出了根据本发明的第一实施例的写动作的方法的流程图；图8是示出了根据本发明的第二实施例的写动作的方法的流程图；图9是示出了当擦除电压脉冲和第二编程电压脉冲被进一步交替地施加多次时、不会通过编程电压脉冲的一次施加来对其执行编程的可变电阻元件中的电阻值的变化的图10是示出了当在提高第二编程电压脉冲的施加电压的时候进一步多次交替地施加擦除电压脉冲和第二编程电压脉冲时，不会通过编程电压脉冲的一次施加来对其执行编程的可变电阻元件中的电阻值的变化的图11是示出了当在伴随着脉冲施加提高编程电流的时候进一步多次交替地施加擦除电压脉冲和第二编程电压脉冲时，不会通过编程电压脉冲的一次施加来对其执行编程的可变电阻元件中的电阻值的变化的图；以及图12是示出了在施加到可变电阻元件的写电压脉冲的绝对值与在施加写电压脉冲之后的电阻值之间的关系的电阻滞后曲线。具体实施例方式第一实施例在图1中的存储单元阵列100中示出了根据本发明的实施例的半导体存储设备(在下文中偶尔地被称为“本发明的设备”)的存储单元阵列的结构示例。如图1中所示出的那样，存储单元阵列100通过布置ITlR型存储单元来形成，每个ITlR型存储单元由分别在矩阵中的行方向(图1的垂直方向)上和列方向(图1的横向方向)上的可变电阻元件R(R11至Rln，R21至R2n，…)和作为电流控制元件的晶体管GKQll至Qln，Q21至Q2n，…)来形成。对于每个存储单元而言，可变电阻元件的一个端子和晶体管的源极或漏极的一个端子连接，并且进一步地，布置在相同列中的存储单元的可变电阻元件的其它端被相应地连接至在列方向上延伸的位线BL1、BL2、…；布置在相同列中的存储单元的晶体管的源极或漏极的其它端连接到为所有存储单元公用的公用线CML，并且布置在相同行中的存储单元的晶体管的栅极被相应地连接到在行方向上延伸的字线WLl至WLn。至于公用线CML，通常可以使用存储单元阵列中的所有公用线CML，或可以配置在列或行方向上延伸的单独的公用线；其配置不是特别受限的。进一步地，本发明的设备的存储单元阵列100不限于图1中所示出的等效电路，并且就其电路配置而言，本发明是不受限制的，只要包括可变电阻元件和电流控制元件的存储单元被使用位线和字线分别连接以形成存储单元阵列即可。进一步地，本实施例将没有与晶体管连接的可变电阻元件的那个端子连接到位线，然而，其可以具有这样的配置其中，没有与晶体管连接的可变电阻元件的那个端子被连接到公用线。作为用于用作金属氧化物可变电阻元件的可变电阻器的材料，除Hf氧化物之外，例如Hf氮氧化合物、或Al、Ni、Co、Ta、Zr、W、Ti、Cu、V、Zn以及Nb的相应的金属氧化物或氮氧化物可以作为例子。进一步地，作为用于用以支承金属氧化物的电极的材料，能够通过使用具有大逸出功(workfunction)的那些(例如，TiN、Pt、Ir等)将电极之一具体化为第一电极，并且能够通过使用具有约与金属氧化物(例如，Ta、Al等)的费米能级相同的能级的逸出功的那些将电极中的另一个具体化为第二电极。在这个时候，电极和金属氧化物的分界面逐渐在第二电极侧上处于欧姆接触，并且在第一电极侧上处于非欧姆接触(肖特基势垒结)。当编程动作将被执行时，正偏压被从第一电极侧施加，并且当擦除动作将被执行时，正偏压被从第二电极侧施加。在这里，关于可变电阻元件的电阻状态，将高电阻状态写到低电阻状态(被擦除状态)的动作被称为擦除动作，并且将低电阻状态写到高电阻状态(被编程状态)的动作被称为编程动作。进一步地，擦除动作和编程动作共同地被称为写动作。至于金属氧化物可变电阻元件，当执行编程或擦除动作时，通过控制施加到可变电阻元件的电压或电流来使得在编程或擦除动作之后的可变电阻元件的电阻状态在两个或更多个电阻状态之间转变；然而不同的信息能够被通过具有有着最低电阻的低电阻状态(被擦除状态)和有着比低电阻状态更大的电阻值的一个或多个电阻状态(被编程状态)的可变电阻元件分配给相应的电阻状态；并且具有两个或更多个值的信息能够分别被存储用于每个存储单元中的可变电阻元件。特别地，通过使用具有多个被编程状态并且能存储三个或更多个值的可变电阻元件，存储多值的信息成为可能。在这个时候，能够通过控制施加电压或电流来执行可变电阻元件的电阻状态的写，并且由于不需要在每次存储不同的信息时都调整施加到可变电阻元件的电压脉冲的施加的持续时间和次数，所以不再需要复杂的算法。存储单元阵列100被连接到用于字线WLl至WLn的字线解码器(未示出)以选择作为诸如读、编程或擦除等的存储动作的目标的存储单元列，并且被连接到用于位线BL1、BL2…的位线解码器(未示出)以选择作为存储动作的目标的存储单元行。进一步地，通过包括用于在存储动作时生成待施加到相应的字线和相应的位线的电压并且经由位线解码器或字线解码器将同样的电压提供给作为存储动作的目标的存储单元的电压施加电路、用于检测存储单元的可变电阻元件中的电阻的读电路、以及控制电路来配置本发明的设备。注意，各种类型的公知配置能够被用于字线解码器、位线解码器、电压施加电路、读电路、以及控制电路；并且由于它们偏离了本发明的本质，所以将省略为此的详细描述。进一步地，读电路和控制电路充当作为用于验证作为编程目标的存储单元中的可变电阻元件的电阻特性在编程动作中是否在期望的电阻分布范围之内的验证部的角色。接下来，将对本实施例中的存储单元上的写动作进行描述。注意，在本实施例中，将详细地给出具有低电阻状态和高电阻状态的两种电阻状态的可变电阻元件和通过施加具有不同极性的电压脉冲在各电阻状态之间转变的双态双极性操作特性的描述。图2示出了当擦除动作和编程动作交替地重复时可变电阻元件R的电阻值的转变，在所述可变电阻元件R中，3nm的铪氧化物(HfOx)被沉积在氮化钛(TiN)上作为配置可变电阻元件的一个端子的下部电极，并且钽(Ta)作为将成为可变电阻元件的另一个端子的上部电极被堆积在其上。如图2中所示出的那样，当例如使用上部电极侧作为参考将1.6V,50nsec的电压脉冲作为编程电压脉冲施加在下部电极上时，可变电阻元件R转变到具有高电阻(电阻值5ΜΩ)的被编程状态，而当例如使用下部电极侧作为参考将1.8V、50nSec的电压脉冲作为擦除电压脉冲施加在上部电极上时，可变电阻元件R转变到具有低电阻(电阻值20kQ)的被擦除状态。注意，通过在电极之间施加0.5V的电压来执行电阻值的读。因此，在交替地施加擦除电压脉冲和编程电压脉冲的情况下，通过施加相应的电压脉冲，可变电阻元件在被擦除状态(低电阻状态)与被编程状态(高电阻状态)之间从一个转变到另一个，并且展示了有利的切换特性。同时，图3示出了在由于程序重写而进一步在高电阻编程状态下顺序地施加编程电压脉冲的情况下可变电阻元件R的电阻值的转变。如图3中所示出的那样，由于通过重复所述程序重写使得在编程动作之后的可变电阻元件R的电阻值逐渐地减小，所以当编程动作被顺序地执行超过四十次时，有区别地读被编程状态和低电阻擦除状态变得困难。另一方面，图4示出了在由于擦除重写而进一步在低电阻擦除状态下顺序地施加擦除电压脉冲的情况下可变电阻元件R的电阻值的转变。如图4中所示出的那样，能够看出即使当重复所述擦除重写时，在擦除动作之后的可变电阻元件R的电阻值基本上保持恒定值而没有其波动。也就是说，可以说可变电阻元件R具有防备擦除重写的耐用性。进一步地，图5示出了在已经将编程电压脉冲顺序地施加到处于被编程状态中的可变电阻元件R从而继续执行程序重写之后交替地施加擦除电压脉冲和编程电压脉冲的情况下可变电阻元件R的电阻值的转变。如图5中所示出的那样，当对处于被编程状态中的可变电阻元件进一步顺序地执行编程动作时，电阻值逐步地减小，即使当在此后交替地执行擦除动作和编程动作时假定是正常情况下的高电阻的电阻值也没有有效地增加，并且因此不能够执行正常的写动作。另一方面，图6示出了在已经将擦除电压脉冲顺序地施加到处于被擦除状态中的可变电阻元件R从而继续执行擦除重写之后交替地施加编程电压脉冲和擦除电压脉冲的情况下可变电阻元件R的电阻值的转变。如图6中所示出的那样，即使当对处于被擦除状态中的可变电阻元件进一步顺序地执行擦除动作从而继续执行擦除重写时，此后也能够在写动作中执行正常的写动作。因此，在执行可变电阻元件R的写动作(编程动作和擦除动作)时，由于程序重写或写动作失败导致的电阻值减小的问题能够通过发生如下操作来避免。图7示出了根据本发明的写动作的流程图。(1)当写动作将要被执行时，不管可变电阻元件的电阻状态如何，紧接在执行写动作之前的写目标可变电阻元件的电阻状态是处于被编程状态还是处于被擦除状态，施加一次擦除电压脉冲以使其转变到被擦除状态(步骤#201)。(2)此后，在采用编程动作的情况下(步骤#202的分支中的“是”)，施加编程电压脉冲(第一编程电压脉冲)以使编程目标可变电阻元件的电阻状态从被擦除状态转变到被编程状态(步骤#203)。在这个时候，在步骤#201中，在施加擦除电压脉冲时，擦除电压脉冲可以被集体地施加到所有的写目标可变电阻元件，或可以通过顺序地选择写目标可变电阻元件来独立地施加擦除电压脉冲。可替换地，可以通过选择用于每条字线或位线的写目标可变电阻元件来集体地施加擦除电压脉冲。由于这样，在通过按照随机顺序选择阵列中的存储单元来执行擦除动作时，如果擦除目标可变电阻元件是处于被编程状态，则所述被编程状态被通过施加擦除电压脉冲恢复到被擦除状态，从而使得正常地执行擦除动作。另一方面，如果擦除目标可变电阻元件是处于被擦除状态，则所述被擦除状态被通过施加擦除电压脉冲恢复到被擦除状态并且发生擦除重写，然而，如图4中所描述的那样，由于即使在重复所述擦除重写时电阻值也几乎不改变，所以可以维持被擦除状态。进一步地，如图6中所描述的那样，此后在写动作中能够正常地执行写动作。另一方面，在通过按照随机顺序选择阵列中的存储单元来执行编程动作时，如果编程目标可变电阻元件处于被编程状态，则被编程状态被恢复到被擦除状态，并且进一步通过在已经施加了擦除电压脉冲之后施加编程电压脉冲来恢复到被编程状态，并且不发生程序重写，因此编程目标可变电阻元件的电阻状态被维持在被编程状态。进一步地，如果编程目标可变电阻元件是处于被擦除状态中，则尽管被擦除状态被恢复到被擦除状态并且进一步通过在曾经已经施加了擦除电压脉冲之后施加编程电压脉冲来恢复到被编程状态，但是即使在重复所述擦除重写时电阻值也几乎不改变，并且此后能够通过施加编程电压脉冲来正常地执行编程，从而使得正常地执行编程。也就是说，当将要在不管可变电阻元件的电阻状态如何的情况下通过在曾经已经施加了擦除电压脉冲之后施加编程电压脉冲来执行编程动作时，即使顺序地施加写电压脉冲，重写也仅发生在擦除重写中，并且保持数据而没有电阻值的异常恶化的任何发生。在上述写动作中，由于不管写目标可变电阻元件的电阻状态如何，擦除电压脉冲总是被施加一次，所以在编程动作的情况下要求用于施加擦除电压脉冲的时间。然而，由于由金属氧化物可变电阻元件表示的可变电阻元件的擦除动作所需要的时间为几个IOnsec或更小(其是较短的)，所以与要求几Psec或更多以用于编程动作和几msec或更多以用于擦除动作的闪速存储器相比较，其能够在十分短的时间段内被执行。由于这样，本发明的设备即使在执行擦除动作中不使用字节单位或块单位的情况下也能以位单位来执行擦除动作，并且与闪速存储器相比较，其不仅在其高速操作方面而且在随机可存取性方面均具有高性能。第二实施例在本发明的上述设备中，避免了程序重写的问题，并且通过在已经施加了擦除电压脉冲之后施加编程电压脉冲使得实现在没有电阻值异常减小的情况下转变到被编程状态。然而，在编程动作中，即使在编程电压脉冲被施加到处于被擦除状态中的可变电阻元件的情况下，因为由于在元件特性方面的易变性或在施加电压或施加电流方面的易变性而导致在被编程状态的电阻特性方面发生易变性，所以可能存在这样的情况其中，电阻值不能被编程到期望的电阻范围。为了处理这个，在本发明中，在已经施加了编程电压脉冲之后，执行验证在编程之后可变电阻元件的电阻特性是否在期望的电阻分布范围之内的验证动作，并且在这个编程验证动作中，在编程之后的电阻特性被确定为不在期望的电阻分布范围之内的情况下，当再次施加擦除电压脉冲和第二编程电压脉冲以避免程序重写时，控制编程从而使得电阻特性被恢复到在期望的电阻分布范围之内。在下文中，将参考图8的流程图来对根据本实施例的写动作进行描述。首先，与第一实施例的擦除动作和编程动作类似，将擦除电压脉冲施加到写目标可变电阻元件而不管可变电阻元件的电阻状态如何(步骤#201)，并且其后，将编程电压脉冲施加到编程目标可变电阻元件(步骤#203)。在这个时候，在存在多个写目标可变电阻元件的情况下，可以通过选择所有多个写目标可变电阻元件来集体地施加擦除电压脉冲，并且可以通过顺序地选择写目标可变电阻元件来独立地施加擦除电压脉冲。可替换地，可以通过选择用于每个字线或位线的写目标可变电阻元件来集体施加擦除电压脉冲。此后，读所有的编程目标可变电阻元件的电阻值(步骤#204)，并且对于处于被编程状态中的电阻特性是否在期望的电阻分布范围之内进行确定(步骤#205)。在这个时候，在具有作为被编程状态的多个电阻状态的情况下，采用确定参考来进行对电阻特性是否在期望的电阻分布范围之内的确定，所述确定参考是被编程状态是否为特定的电阻值或更高、或是否在从一个电阻值到另一电阻值的特定范围之内。在该确定中，在具有不在期望的电阻分布范围之内的其电阻特性的编程目标可变电阻元件存在的情况下(在步骤#205中转向否)，再次执行编程，并且电阻特性被控制以恢复到期望的电阻分布范围之内。在这个时候，当再次将编程电压脉冲施加到处于被编程状态中的可变电阻元件时，由于可变电阻元件是程序被重写，所以被编程状态不是正常的，并且存在可能发生编程失败的可能性。由于这样，擦除电压脉冲被施加到不具有在期望的电阻分布范围之内的电阻特性的编程目标可变电阻元件(步骤#206)，并且在已经将可变电阻元件转变到被擦除状态之后，再度施加第二编程电压脉冲(步骤#207)。然后，重复施加擦除电压脉冲和施加第二编程电压脉冲，直到所有的编程目标可变电阻元件的电阻特性被恢复到在期望的电阻分布范围之内为止。图9示出了可变电阻元件的电阻值的转变，其中在重复施加擦除电压脉冲和第二编程电压脉冲直到通过上述方法使电阻特性恢复到在被编程状态的期望的电阻分布范围之内(在本文中其为IOOkQ或更大)的情况下，在编程电压脉冲的一次施加中已经发生编程失败并且其已经不能够转变到被编程状态。如图9中所示出的那样，即使不能通过一次的编程动作来达到被编程状态，通过重复施加擦除电压脉冲和第二编程电压脉冲，电阻值也能够被提高到期望的电阻分布范围。进一步地，在重复地将第二编程电压脉冲施加到其电阻特性在首次施加编程电压脉冲之后不在期望的电阻分布范围之内的编程目标可变电阻元件的情况下，优选地将第二编程电压脉冲的施加电压的绝对值设置为小于第一次施加中的编程电压脉冲的施加电压的绝对值，并且此后在每次重复施加第二编程电压脉冲时逐步地增加施加电压的绝对值。由于具有作为可变电阻元件的特性的如图12中所示出的电阻滞后曲线，所以编程之后的电阻值根据施加到可变电阻元件的编程电压而大大地改变，并且对于一些可变电阻元件而言，施加电压方面的细微差别引起在电阻方面的大的差异。图12的电阻滞后曲线具有针对每个元件的易变性，并且即使施加相同的编程电压脉冲，因为由于可变电阻元件在阵列中的位置而导致的对于每个元件发生了实际施加的电压或电流方面的差异，所以存在这样的可能性存在具有下述电阻特性的可变电阻元件，所述电阻特性即使通过施加相同的编程电压脉冲也没有被恢复到期望的电阻分布范围之内。在这种情况下，即使重复施加擦除电压脉冲和编程电压脉冲，只要所施加的编程电压脉冲的所有绝对值是相同的，就难以将处于可变电阻元件的被编程状态中的电阻特性控制在期望的电阻分布范围之内。然而，重复地施加的第二编程电压脉冲的绝对值可以被设置成比在第二编程电压脉冲的第一次施加中的第一次的编程电压脉冲更小，并且此后，通过在第二次和随后次施加第二编程电压脉冲中逐步地对其进行增加，可以通过考虑每个元件的特性易变性来稳定地控制编程。图10示出了可变电阻元件的电阻值的转变，其中在当以0.IV的步长从1.OV增加第二编程电压脉冲的施加电压的绝对值时重复施加擦除电压脉冲和第二编程电压脉冲的情况下，已经在1.6V的编程电压脉冲的首次施加中发生了编程失败，并且其已经不能转变到被编程状态。如图10中所示出的那样，即使不能通过一次的编程动作来达到被编程状态，通过在改变第二编程电压脉冲的施加电压的时候重复施加擦除电压脉冲和第二编程电压脉冲，电阻值也必定能够被提高到期望的电阻分布范围(在本文中其为IOOkQ或更大)。注意，尽管图10中通过逐步地提高第二编程电压脉冲的施加电压来执行编程，但是通过逐步地提高施加电流，编程也是可能的。图11示出了在当从50μA逐步提高在施加第二编程电压脉冲时的编程电流时重复施加擦除电压脉冲和第二编程电压脉冲的情况下可变电阻元件的电阻值的转变，在其中编程电流被限制到200μA但是其不会转变到被编程状态的状态下对所述可变电阻元件施加了编程电压脉冲。注意，图10和图11中的施加电压和施加电流的值以及第二编程电压脉冲的电阻值仅仅是用于描述本实施例的示例，而不限制可变电阻元件的特性。此后，将对其它实施例进行描述。(1)在上述实施例中，通过将执行对图1的存储单元阵列100中的一个存储单元的写入的情况作为示例而给予了详细的描述，然而，本发明不受存储单元阵列的配置的限制，而且本发明可以适用于包括由存储单元中的金属氧化物形成的可变电阻元件的任意的存储阵列，和期望数量的存储单元。(2)尽管给出特定值作为图2中的处于低电阻状态和高电阻状态中的电阻，但是这些是本实施例中的可变电阻元件的电阻值的示例，并且不限制可变电阻元件的特性。本发明能够适用于具有两个状态或更多个状态的多个不同的电阻状态的任何元件。进一步地，用于编程动作和擦除动作的读电压的电压值和写电压脉冲是用于描述本发明的特定示例，而不限制可变电阻元件的特性。进一步地，在执行本实施例的写动作过程中，尽管在执行编程动作的过程中从下部电极施加电压脉冲并且使上部电极处于参考电压，并且在执行擦除动作中从上部电极施加电压脉冲并且使下部电极处于参考电压，但是这些并不限制可变电阻元件的特性；取决于用于可变电阻元件的材料，对其施加电压脉冲的电极和对其施加参考电压的电极在编程动作和读动作中可以是相对的。(3)在上述实施例中，尽管已经举例说明了通常被称为双极操作的驱动方法，其中可变电阻元件的电阻值被通过将具有相反极性的编程电压脉冲和擦除电压脉冲施加到可变电阻元件来提高(高电阻状态)或减小(低电阻状态)，但是本发明不限于双极操作。即使采用被称为单极操作的驱动方法(其中可变电阻元件的电阻值被通过将具有相同极性的编程电压脉冲和擦除电压脉冲施加到可变电阻元件来提高(高电阻状态)或减小(低电阻状态))，只要元件包括防备施加编程电压脉冲或擦除电压脉冲的写电压脉冲的重写耐用性，本发明就能够适用。在这样的情况下，二极管可以被用作电流控制元件。在这个时候，二极管的阳极和阴极中的一个被连接到可变电阻元件的一个端子，另一个被连接到字线，并且没有连接到二极管的可变电阻元件的另一个端子被连接到位线。字线与位线之间的关系可能是相对的。(4)进一步地，在上述实施例中，尽管已经详细地描述了具有作为电阻状态的低电阻状态和高电阻状态的两个状态的双态可变电阻元件，但是本发明不限于双态可变电阻元件。其可以适用于可保持三个或更多个电阻状态的可变电阻元件。在这样的情况下，在三个或更多个电阻状态当中，最低电阻状态是被擦除状态，而其它状态是被编程状态。在编程动作中，在已经施加了擦除电压脉冲之后，施加第一编程电压脉冲，其被控制从而使得电阻特性将在电阻状态的期望的电阻分布范围之内。此后，如上述第二实施例中所示出的那样，重复施加擦除电压脉冲和施加第二编程电压脉冲，直到编程目标可变电阻元件的电阻特性被恢复到在电阻状态的期望的电阻分布范围之内为止。如图10或图11中所示出的那样，由于当第二编程电压脉冲的施加电压或施加电流被逐步地提高时，可变电阻元件的电阻值逐渐地提高，所以在达到期望的电阻分布范围时能够通过完成编程动作来将编程执行到任意的被编程状态。(5)在上述实施例中，尽管已经作为示例描述了将氧化铪用作可变电阻器的可变电阻元件的情况，但是本发明并不限于此。至于金属氧化物可变电阻元件的特性，其中在金属氧化物中绝缘性能高的状态是高电阻状态，并且由于连续地将电压施加到绝缘薄膜，所以发生了电介质击穿。尽管在元件之间施加时间和电压特征不同，但是只要电压被连续地施加到绝缘薄膜，则这就是通过施加电介质应力迟早发生的不可避免的现象。由于这一点，在编程动作等中，当将使高电阻状态元件进一步处于高电阻中的电压被保持施加(重写)时，电介质击穿迟早会发生，并且电阻被降低。本发明的编程方案在具有这样的特性的材料中是有用的。因此，在本发明中能够被用作可变电阻器的金属氧化物不限于Hf的氧化物，并且本发明能够适合采用例如Hf的氮氧化物、或Al、Ni、C0、Ta、&、W、Ti、Cu、V、Zn以及Nb中的至少一个的金属氧化物或氮氧化物。此外，如果在可变电阻元件的各电阻状态当中具有最高电阻值的高电阻状态和具有最低电阻值的低电阻状态之一具有上述重写耐用性，则本发明能够适用于具有作为被擦除状态的有着重写耐用性的所述侧的电阻状态的元件。本发明能够被用在半导体存储设备中，并且特别地能够被用在通过包括可变电阻元件来配置的非易失性半导体存储设备中，在所述可变电阻元件中电阻状态通过施加电介质应力来转变并且使用转变之后的电阻状态用于存储信息。权利要求1.一种半导体存储设备，包括由存储单元配置的存储单元阵列，多个所述存储单元分别被布置在行方向上和列方向上，每个存储单元包括可变电阻元件，其中电极被支承在可变电阻器的两个端子中的每一个处，电阻状态由所述两个端子之间的电阻特性和通过在所述两个端子之间施加电介质应力在两个或更多个不同的电阻状态之间的转变来界定，并且所述转变之后的一个电阻状态被用于存储信息，其中在所述存储单元阵列中的一个或多个选择的存储单元的随机写中，对所述选择的存储单元中的每一个执行擦除动作或编程动作，在所述擦除动作中，用于将所述选择的存储单元的所述可变电阻元件的所述电阻状态转变到具有最低电阻值的被擦除状态的擦除电压脉冲被施加到所述选择的存储单元，而不管所述选择的存储单元的所述可变电阻元件的所述电阻状态如何，并且在所述编程动作中，所述擦除电压脉冲被施加到所述选择的存储单元，并且用于将所述选择的存储单元的所述可变电阻元件的所述电阻状态从所述被擦除状态转变到预定的电阻状态的第一编程电压脉冲被施加到所述选择的存储单元，而不管所述选择的存储单元的所述可变电阻元件的所述电阻状态。2.根据权利要求1所述的半导体存储设备，其中在执行所述擦除动作或所述编程动作之前不执行读所述选择的存储单元的所述可变电阻元件的所述电阻状态的初始验证动作。3.根据权利要求1所述的半导体存储设备，进一步包括验证部，其在已经执行了所述编程动作之后执行验证所述选择的存储单元的所述可变电阻元件的所述电阻特性是否在所述预定的电阻状态的电阻分布范围之内的验证动作，其中在所述验证动作中，在所述选择的存储单元当中检测到其可变电阻元件的电阻特性在所述预定的电阻状态的所述电阻分布范围之外的存储单元的情况下，重复地执行第二编程动作，直到在所述电阻分布范围之外的所述存储单元的所述可变电阻元件的所述电阻特性被恢复到所述预定的电阻状态的所述电阻分布范围之内为止，并且在所述第二编程动作中，所述擦除电压脉冲被施加到所述存储单元，并且用于将在所述电阻分布范围之外的所述存储单元的所述可变电阻元件的所述电阻状态从所述被擦除状态转变到所述预定的电阻状态的第二编程电压脉冲被施加到所述存储单元，而不管在所述电阻分布范围之外的所述存储单元的所述可变电阻元件的所述电阻状态如何。4.根据权利要求3所述的半导体存储设备，其中在所述第二编程动作被重复多次的情况下，在首次的所述第二编程动作中，所述第二编程电压脉冲被设置为具有比所述第一编程电压脉冲的电压幅度的绝对值更小的电压幅度的绝对值，或被设置为当施加所述第二编程电压脉冲时具有比当施加所述第一编程电压脉冲时更小的在所述可变电阻元件中流过的电流的量，并且在第二次和随后次的所述第二编程动作中，所述第二编程电压脉冲的所述电压幅度的所述绝对值或当施加所述第二编程电压脉冲时在所述可变电阻元件中流过的电流的量随着执行所述第二编程动作的次数的增加而逐步地增加。5.根据权利要求1至4中的任一项所述的半导体存储设备，其中所述存储单元中的每一个都包括连接到在所述可变电阻元件的所述可变电阻器的一个端子上的所述电极的电流控制元件，并且所述电流控制元件是具有连接到在所述可变电阻器的所述一个端子上的所述电极的源极或漏极的晶体管。6.根据权利要求1至4中的任一项所述的半导体存储设备，其中所述存储单元中的每一个都包括连接到在所述可变电阻元件的所述可变电阻器的一个端子上的所述电极的电流控制元件，并且所述电流控制元件是具有连接到在所述可变电阻器的所述一个端子上的所述电极的阳极或阴极的二极管元件。7.根据权利要求1至4中的任一项所述的半导体存储设备，其中所述可变电阻器通过包括Al、Hf、Ni、Co、Ta、Zr、W、Ti、Cu、V、Zn以及Nb中的至少一个的金属氧化物或氮氧化物来配置的。全文摘要所提供的是一种半导体存储设备，其能在随机存取编程动作中以期望的可控性稳定地编程到期望的电阻状态，并且配备有可变电阻元件。不管作为写动作(擦除动作和编程动作)的目标的存储单元的可变电阻元件的电阻状态如何，施加用于将所述可变电阻元件的所述电阻状态恢复到具有最小电阻值的被擦除状态的擦除电压脉冲。此后，用于将所述可变电阻元件的所述电阻状态恢复到期望的被编程状态的编程电压脉冲被施加到所述编程动作目标存储单元的所述可变电阻元件。通过在已经施加了所述擦除电压脉冲之后一直施加所述编程电压脉冲，能够避免被顺序地施加的多个编程电压脉冲。文档编号G11C16/14GK102420014SQ20111028550公开日2012年4月18日申请日期2011年9月23日优先权日2010年9月24日发明者名仓滿,山崎信夫,川端优,石原数也申请人:夏普株式会社