非易失性半导体存储装置及其读出方法

专利名称：非易失性半导体存储装置及其读出方法
技术领域：
本发明涉及使用电阻变化型存储元件的交叉点型的非易失性半导体存储装置，特别涉及提高了读出信号的判别性的单元阵列结构及其读出方法。
背景技术：
近年来，伴随数字技术的进展，便携型信息设备和信息家电等的电子设备进一步实现高功能化。因此，非易失性存储装置的大容量化、写入电力的降低、写入/读出时间的闻速化以及长寿命化的要求提闻。针对这样的要求，现有的使用浮栅的闪存的微细化有所发展。另一方面，作为代替闪存的元件，正在研究开发具有使用所谓的电阻变化型存储·元件构成的存储元件的非易失性存储装置。电阻变化型存储元件是指如下的元件电阻值根据电信号而变化，具有即使切断电信号也保持该电阻值(保持为非易失)的性质，能够通过该电阻值的变化来存储信息。作为电阻变化型存储元件的代表性的元件，具有MRAM (Magnetic Random AccessMemory :磁性存储器)、PRAM (PhaseChange Random Access Memory :相变存储器)、ReRAM(ResistanceRandom Access Memory :电阻变化存储器；电阻变化兀件)、SPRAM (SpinTransfer Torque Random Access Memory :自旋注入存储器)、CBRAM (Conductive BridgeRandom Access Memory)等。作为使用这些电阻变化型存储元件的非易失性存储装置的结构方法的一例，公知有交叉点结构。在交叉点结构中，在垂直配置的位线与字线的交点位置，以被位线和字线夹持的方式设置具有2个端子的各存储单元。关于电阻变化型存储元件单体或构成为电阻变化型存储元件与二极管等2个端子的开关元件的串联连接的存储元件，通过使存储元件的一个电极与字线连接，使另一个电极与位线连接，从而构成存储单元。与电阻变化型存储元件经由具有3个端子的存取晶体管而与位线连接的所谓的ITlR结构相比，交叉点结构具有适于大规模集成化的特征。在交叉点结构中，存储单元配置成阵列状(以下称为交叉点单元阵列)。在交叉点结构中，当为了检测(读出)作为对象的存储单元中包含的存储元件的电阻值而对对应的位线和字线施加电压时，除了流过作为检测对象的存储单元的电流以外，还流过经由通过上下的位线和字线而并联连接的其他存储单元的电流。在本说明书中，将该流经其他存储单元的电流称为潜行电流。潜行电流由于存储在交叉点单元阵列中的数据的状态(作为检测对象的存储单元所属的交叉点单元阵列内的全部存储单元中包含的存储元件的电阻值及其分布)而变化，所以，在读出时检测的电流中，始终包含不是固定值的偏移电流(=潜行电流)。该潜行电流妨碍准确检测作为读出对象的存储单元中包含的存储元件的电阻值。通过使存储元件采用串联连接开关元件和电阻变化型存储元件的结构，能够在某种程度上减少该潜行电流。但是，由于潜行电流根据交叉点单元阵列的规模而增加，所以，妨碍交叉点单元阵列的大规模化。
在专利文献I中公开了如下的存储装置该存储装置具有抑制由于潜行电流而引起的存储单元中包含的存储元件的电阻值的检测灵敏度低下的结构。现有技术文献
专利文献专利文献I :日本专利第3821066号公报

发明内容
发明要解决的课题如图18所示，专利文献I所记载的存储装置的交叉点单元阵列601由存储单元602和虚拟单元608构成。存储单元602和虚拟单元608在构造上没有差别，将与定义为虚拟位线609的位线连接的存储单元用作虚拟单元。存储元件使用MRAM。减法电路617生成电流差信号，该电流差信号对应于通过对选择字线和选择位线之间施加电压而在选择位线中流过的检测电流Is与通过对选择字线和虚拟位线之间施加电压而在虚拟位线中流过的偏移成分电流Ic之差(Is-Ic)。读出电路16根据该电流差信号判别存储在选择单元602a中的存储数据。偏移成分电流Ic是大小接近检测电流Is中包含的偏移成分的电流。检测电流Is与偏移成分电流Ic之差(Is-Ic)的SN比较高，通过根据与差(Is-Ic)对应的电流差信号判别存储在选择单元602a中的存储数据，能够以较高的可靠性判别存储数据。在上述存储装置中，存储元件使用MRAM。与其他电阻变化型存储元件相比，MRAM的电阻值的变化量较小，高电阻状态下的电阻值(HR)相对于低电阻状态下的电阻值(LR)大致为I. 2 I. 4倍左右，流过选择单元的电流中的由于不依赖于所存储的数据的电阻成分而引起的电流成分比与所存储的数据对应的电流大。进而，上述存储装置中使用的存储单元仅由MRAM构成,不包括开关元件。因此,记载为与存储在选择单元602a中的数据对应的电流大约为I μ Α,与此相对，偏移成分电流Ic大约为30 μ A。但是，在上述存储装置中，视为检测电流Is中包含的偏移成分电流与在虚拟位线中流过的偏移成分电流Ic大致相等的情况仅为满足上述存储装置所记载的条件(即，如下条件流过选择单元的电流中的由于不依赖于所存储的数据的电阻成分而引起的电流成分比与所存储的数据对应的电流大，并且偏移成分电流远远大于与存储在选择单元中的数据对应的电流)的情况。一般地，从提高读出精度、低消耗电力化、抑制由于电迁移而引起的布线劣化(提高可靠性)、抑制伴随基于布线电阻的电压下降的存储单元电流的阵列内的位置依赖性、交叉点单元阵列的大规模化等的观点来看，优选偏移成分电流较小。进而，在PRAM、ReRAM和SPRAM等电阻变化型存储元件中，LR状态和HR状态的电阻变化比较大(大约为I位以上)，流过选择单元的电流中的由于不依赖于所存储的数据的电阻成分而引起的电流成分(潜行电流成分)比与所存储的数据对应的电流小。根据以上说明可以明确，在专利文献I所记载的存储装置的结构中，除了存储元件不包括开关元件而仅由MRAM构成的情况以外，没有效果，无法应用。鉴于以上课题，本发明的目的在于，提供如下的非易失性半导体存储装置及其读出方法在使用电阻变化型存储元件的交叉点型的非易失性半导体存储装置中，能够抑制由于潜行电流而引起的存储单元中包含的存储元件的电阻值的检测灵敏度低下。用于解决课题的手段为了实现上述目的，本发明的非易失性半导体存储装置的一个方式具有多个字线，在第I平面内以相互平行 的方式形成；多个位线，在与所述第I平面平行的第2平面内以相互平行且与所述多个字线立体交差的方式形成；以及交叉点单元阵列，由针对所述多个字线与所述多个位线的各个立体交差点设置的单元的集合体构成，所述单元的集合体具有存储单元，包括存储元件，该存储元件进行根据在对应的字线和对应的位线之间施加的电信号以可逆的方式在2个以上的状态下使电阻值变化的存储动作；以及偏移检测单元，与在对应的字线和对应的位线之间施加的电信号无关，具有比所述存储元件进行所述存储动作时的高电阻状态下的所述存储元件的电阻值高的电阻值。另外，本发明也可以通过针对非易失性半导体存储装置中的存储单元进行读出的读出方法来实现。发明效果在本发明的使用电阻变化型存储元件的交叉点型的非易失性半导体存储装置中，得到如下效果能够抑制在交叉点型电路中成为问题的、由于潜行电流而使存储元件的电阻值的读出时的检测灵敏度低下的问题，由此，读出精度提高。


图I是示出本发明的第I实施方式的非易失性半导体存储装置的结构的示意图。图2 (a)是示出本发明的第I实施方式的非易失性半导体存储装置的交叉点单元阵列、字线和位线的详细结构的平面图，图2 (b)是示出图2 (a)的X-X’的剖面结构的剖视图。图3是用于说明本发明的偏移检测单元的其他结构方法的剖视图。图4是利用ReRAM和MSM 二极管构成本发明的存储单元的情况下的存储单元的剖视图。图5是用于说明本发明的第I实施方式的非易失性半导体存储装置的读出方法的图。图6是用于说明本发明的第I实施方式的非易失性半导体存储装置的读出方法(续)的图。图7是本发明的第I实施方式的非易失性半导体存储装置的读出流程图。图8是示出本发明的第2实施方式的非易失性半导体存储装置的结构的示意图。图9是示出本发明的第2实施方式的变形例的非易失性半导体存储装置的结构的示意图。图10是用于说明本发明的第2实施方式的变形例的非易失性半导体存储装置的读出方法的图。图11是用于说明本发明的第2实施方式的变形例的非易失性半导体存储装置的读出方法(续)的图。图12是用于说明本发明的第2实施方式的变形例的非易失性半导体存储装置的读出方法(续)的图。
图13是本发明的第2实施方式的变形例的非易失性半导体存储装置的读出流程图。图14是示出本发明的第3实施方式的非易失性半导体存储装置的结构的示意图。图15是用于说明本发明的第3实施方式的非易失性半导体存储装置的读出方法的图。图16是用于说明本发明的第3实施方式的非易失性半导体存储装置的读出方法(续)的图。图17是本发明的第3实施方式的非易失性半导体存储装置的读出流程图。图18是现有的非易失性半导体存储装置的结构图。
具体实施例方式(本发明的概要)本发明的非易失性半导体存储装置的一个方式具有多个字线，在第I平面内以相互平行的方式形成；多个位线，在与所述第I平面平行的第2平面内以相互平行且与所述多个字线立体交差的方式形成；以及交叉点单元阵列，由针对所述多个字线与所述多个位线的各个立体交差点设置的单元的集合体构成，所述单元的集合体具有存储单元，包括存储元件，该存储元件进行根据在对应的字线和对应的位线之间施加的电信号以可逆的方式在2个以上的状态下使电阻值变化的存储动作；以及偏移检测单元，与在对应的字线和对应的位线之间施加的电信号无关，具有比所述存储元件进行所述存储动作时的高电阻状态下的所述存储元件的电阻值高的电阻值。由此，在交叉点单元阵列中设有偏移检测单元，该偏移检测单元与在对应的字线和对应的位线之间施加的电信号无关，具有比存储元件进行存储动作时的高电阻状态下的存储元件的电阻值高的电阻值，所以，通过从在选择存储元件的情况下检测到的电流中减去在选择偏移检测单元的情况下检测到的电流，能够进行去除了潜行电流的准确的电流检测，非易失性半导体存储装置的读出精度提高。更具体而言，本发明的非易失性半导体存储装置的一个方式具有多个字线，在第I平面内以相互平行的方式形成；多个位线，在与第I平面平行的第2平面内以相互平行且与多个字线立体交差的方式形成；交叉点单元阵列，由针对多个字线与多个位线的各个立体交差点设置的单元的集合体构成；字线选择器，从多个字线中选择一个字线作为选择字线；位线选择器，从多个位线中选择一个位线作为选择位线；以及读出电路。单元的集合体包括存储单元,该存储单元包括存储元件,作为存储动作，该存储元件根据在对应的字线和对应的位线之间施加的电信号以可逆的方式在2个以上的状态下使电阻值变化；以及偏移检测单元，与在对应的字线和对应的位线之间施加的电信号无关，具有比存储元件进行所述存储动作时能够变化的高电阻状态下的电阻值高的电阻值。读出电路根据与从存储单元电信号S。·的值中减去偏移电信号Scwset的值而得到的值对应的判别信号SNET，判别存储在读出对象的存储单元中的存储数据，该存储单元电信号是基于通过对由字线选择器和位线选择器从交叉点单元阵列中选择出的与读出对象的存储单元对应的第I选择字线和第I选择位线之间施加读出电压而在第I选择位线中流过的电流的大小的电信号，该偏移电信号是由通过对与偏移检测单元对应的第2选择字线和第2选择位线之间施加所述读出电压而在第2选择位线中流过的电流的大小确定的电信号。由此，判别信号Snet成为从存储单元电信号中去除了与动态变动的偏移成分相当的偏移电信号Sotfset成分的信号，所以，与直接使用存储单元电信号作为判别信号的情况相比，能够大幅提高SN比，非易失性半导体存储装置的读出精度提高。这里，作为针对存储单元进行读出的读出顺序，上述非易失性半导体存储装置包括以下顺序第I顺序，从检测到基于通过对第2选择字线和第2选择位线之间施加读出电压而在第2选择位线中流过的电流的大小的偏移电信号的值时起，判断交叉点单元阵列中包含的存储单元所存储的数据是否产生变更；第2顺序，在判断为数据产生变更的情况下，选择第2选择字线和第2选择位线，检测基于在第2选择位线中流过的电流的大小的偏移电信号的值，将该偏移电信号保持在偏移保持电路中；第3顺序，在判断为数据未产生变更的情况下在所述第I顺序完成后，或者在判断为数据产生变更的情况下在所述第2顺序完成后，选择第I选择字线和第I选择位线，检测基于在第I选择位线中流过的电流的大小的·存储单元电信号的值；第4顺序，使用偏移去除电路，根据存储单元电信号和保持在偏移保持电路中的偏移电信号计算判别信号；以及第5顺序，使用数据判别电路，根据判别信号的大小判别存储在读出对象的存储单元中的数据。通过采用上述顺序，在未伴有数据变更(针对存储单元的写入)的连续读出动作中，除了最初的第I次以外，能够省略选择偏移检测单元并存储偏移电信号的动作，所以，有效提高读出速度(第I实施方式)。并且，作为其他方式，本发明的非易失性半导体存储装置也可以构成为，以针对多个字线中的每一个字线分别各设置一个偏移检测单元、并且针对多个位线中的每一个位线分别各设置一个偏移检测单元的方式，配置偏移检测单元。通过采用这种结构，在读出对象单元和偏移检测单元中，字线或位线中的任意一方相同，所以，由偏移检测单元检测到的电流Iotfset成为更加接近在检测读出对象单元时检测到的电流I·中包含的潜行电流成分Isneak的值，所以，能够进一步提高SN比(第2实施方式)。进而，在上述非易失性半导体存储装置中，也可以构成为，使读出电路具有如下功能根据与从存储单元电信号的值中减去由第I偏移电信号Scwseti的值和第2偏移电信号Swfset2的值确定的偏移电信号的值而得到的值对应的判别信号，判别存储在读出对象的存储单元中的存储数据，该第I偏移电信号是基于通过对第I选择字线和与针对第I选择字线设置的第I偏移检测单元对应的第2选择位线之间施加读出电压而在第2选择位线中流过的电流的大小的电信号，该第2偏移电信号是基于通过对与针对第I选择位线设置的第2偏移检测单元对应的第2选择字线和第I选择位线之间施加所述读出电压而在第I选择位线中流过的电流的大小的电信号。由此，通过使用字线与读出对象的存储单元共通的偏移检测单元和位线与读出对象的存储单元共通的偏移检测单元的2个偏移检测单元，得到以下效果能够以更高精度检测读出对象的存储单元的偏移电流成分，能够进一步提高SN比(第2实施方式的变形例)。并且，作为其他方式，本发明的非易失性半导体存储装置也可以构成为，在多个位线中包括多个偏移检测位线，以针对多个字线中的每一个字线分别各设置一个偏移检测单元、并且针对多个偏移检测位线中的任意一方设置全部偏移检测单元的方式，在交叉点单元阵列中配置偏移检测单元。进而，与上述以仅与特定的偏移检测位线连接的方式配置偏移检测单元的结构同样，也可以构成为，在多个字线中包括多个偏 移检测字线，以针对多个位线中的每一个位线分别各设置一个偏移检测单元、并且针对多个偏移检测字线中的任意一方设置全部偏移检测单元的方式，在交叉点单元阵列中配置偏移检测单元。通过采用这种结构，在确保提高SN比的效果的同时，得到以下效果由于在选择偏移检测单元时，能够在位线选择器中将作为选择对象的位线仅限定为偏移检测位线，所以，能够容易地实现进行位线选择器的开关选择的电路的电路设计(第3实施方式)。另外，本发明的非易失性半导体存储装置不是必须具有字线选择器、位线选择器和读出电路，只要至少具有上述特征性的交叉点单元阵列即可。该交叉点单元阵列包括存储单元，该存储单元包括存储元件(ReRAM、MRAM、PRAM、SPRAM、CBRAM等)，该存储元件进行根据在对应的字线和对应的位线之间施加的电信号以可逆的方式在2个以上的状态下使电阻值变化的存储动作；以及偏移检测单元，与在对应的字线和对应的位线之间施加的电信号无关，具有比所述存储元件进行所述存储动作时的高电阻状态下的所述存储元件的电阻值高的电阻值，所以，与利用构造上没有差别的存储单元和虚拟单元构成的现有的交叉点单元阵列不同，具有能够以高精度检测潜行电流的构造。并且，本发明的针对非易失性半导体存储装置中的存储单元进行读出的读出方法的一个方式是针对上述非易失性半导体存储装置中的存储单元进行读出的读出方法，所述读出方法包括以下顺序偏移检测顺序，选择设有偏移检测单元的字线和位线，检测与流过选择出的所述位线的电流的大小对应的偏移电信号的值，将该所述偏移电信号的值保持在偏移保持电路中；存储单元检测顺序，选择设有读出对象的存储单元的字线和位线，检测与流过选择出的所述位线的电流的大小对应的所述存储单元电信号的值；偏移去除顺序，使用偏移去除电路，根据所述存储单元电信号的值和保持在所述偏移保持电路中的所述偏移电信号的值，计算所述判别信号；以及数据判别顺序，使用数据判别电路，根据所述判别信号的大小判别存储在所述读出对象的存储单元中的数据。由此，通过使用设置在交叉点单元阵列中的偏移检测单元，根据存储单元电信号的值和偏移电信号的值判别存储在读出对象的存储单元中的数据，所以，非易失性半导体存储装置的读出精度提高。(实施方式)下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。另外，以下说明的实施方式均示出本发明的一个具体例。以下实施方式所示的数值、形状、材料、结构要素、结构要素的配置位置和连接方式、步骤、步骤的顺序等是一例，并不是限定本发明的主旨。并且，关于以下实施方式中的结构要素中的、没有记载于示出最上位概念的独立权利要求项中的结构要素，作为任意结构要素进行说明。并且，有时对相同要素标注相同标号并省略说明。并且，在本说明书中，存储元件和布线的形状为示意性的。进而，它们的个数等也设为容易图示的个数。
另外，在本说明书中，仅使用附图对单层的交叉点单元阵列进行说明，但是，本发明不限于单层的交叉点单元阵列，关于2层以上的交叉点单元阵列，如果针对每一层的交叉点单元阵列应用本发明的结构，则得到同样的效果。(第I实施方式)[装置的结构]如图I所示，本发明的第I实施方式的非易失性半导体存储装置1000具有多个字线2，在第I平面内以相互平行的方式形成；多个位线3，在与第I平面平行的第2平面内以相互平行且与多个字线2立体交差的方式形成；交叉点单元 阵列1，由针对多个字线2与多个位线3的各个立体交差点设置的单元(存储单元4和偏移检测单元5)的集合体构成；字线选择器10，从多个字线2中选择一个字线作为选择字线；位线选择器11，从多个位线3中选择一个位线作为选择位线；以及读出电路20。这里，单元的集合体具有存储单元4,包括存储元件,该存储元件根据在对应的字线2和对应的位线3之间施加的电信号以可逆的方式在2个以上的状态下使电阻值变化(存储动作)；以及偏移检测单元5，与在对应的字线2和对应的位线3之间施加的电信号无关，具有比所述存储元件进行存储动作时的高电阻状态下的所述存储元件的电阻值高的电阻值。另外，存储单元4是构成交叉点单元阵列I的存储单元、即2个端子的存储单元，由电阻变化型存储元件单体或电阻变化型存储元件与二极管等2个端子的开关元件的串联连接构成。该二极管可以是在一个方向上流过电流的单方向二极管。并且，也可以是如下的双方向二极管在正负的双方向上分别具有阈值电压，通过施加这些阈值电压以上的电压，能够在双方向上流过电流。并且，读出电路20具有如下功能根据与从存储单元电信号的值中减去偏移电信号Sotfset的值而得到的值对应的判别信号Snet，判别存储在读出对象的存储单元中的存储数据，该存储单元电信号S。·是基于通过对由字线选择器10和位线选择器11从交叉点单元阵列I中选择出的与读出对象的存储单元对应的第I选择字线和第I选择位线之间施加读出电压而在第I选择位线中流过的电流的大小的电信号，该偏移电信号Swfset是由通过对与至少I个偏移检测单元5对应的第2选择字线和第2选择位线之间施加所述读出电压而在第2选择位线中流过的电流的大小确定的电信号。下面，对各结构要素进行详细说明。如上所述，该非易失性半导体存储装置1000具有以相互平行的方式形成的多个字线2、在与字线2交叉的方向上以相互平行的方式形成的多个位线3、以及在字线2和位线3的平面视图中的交点、且在字线2和位线3之间形成的交叉点单元阵列I。进而，交叉点单元阵列I包括多个存储单元4和I个以上的偏移检测单元5。另外，在图I所示的交叉点单元阵列I中，偏移检测单元5配置在中心，但是，不是必须配置在中心，偏移检测单元5也可以配置在交叉点单元阵列I的任意部位。进而，交叉点单元阵列I内的偏移检测单元5的数量不限于I个，也可以在同一交叉点单元阵列I内设置2个以上的偏移检测单元5。图2更加详细地示出图I的交叉点单元阵列I、字线2和位线3的结构。图2 (a)是平面图，图2 (b)是示出图2 (a)的X-X’的剖面结构的图。如图2 (a)和(b)所示，本实施方式的存储单元4由存储元件111、用于使存储元件111和字线2电连接的第I通路110、以及用于使存储元件111与位线3电连接的第2通路112构成。存储元件111由电阻变化型存储元件或电阻变化型存储元件与开关元件的串联连接构成。这里使用的电阻变化型存储元件是如下的元件2个端子间的电阻值根据电信号而变化，具有即使切断电信号也保持该电阻值(保持为非易失)的性质，能够通过该电阻值的变化来存储信息。作为存储元件111，具体而言，可以使用MRAM (MagneticRandomAccess Memory :磁性存储器)、PRAM (Phase Change RandomAccess Memory:相变存储器)、ReRAM (Resistec Random AccessMemory :电阻变化存储器)、SPRAM (Spin TransferTorque RandomAccess Memory :自旋注入存储器)、CBRAM(Conductive BridgeRandomAccessMemory)等。存储元件111使该存储元件111中包含的电阻变化型存储元件为高电阻(HR)状态和低电阻(LR)状态中的任意一方对应于“1”，另一方对应于“0”，存储I比特的数据。并且，这里使用的开关元件可以使用由半导体层、夹着该半导体层的金属电极体层(即第I金属电极和第2金属电极)的3层的层叠结构构成的MSM (Metal-Semiconductor-Metal) 二极管；由绝缘体层和夹着该绝缘体层的金属电极体层的3层的层叠结构构成的MIM (Metal-Insulator-Metal) 二极管；由p型半导体和η型半导体的2层的层叠结构构成的ρη结二极管；或由半导体层和金属电极体层的2层的层叠结构构成的肖特基二极管等、具有非线形的开关特性的元件。作为一例，偏移检测单元5采用从存储单元4中去除第2通路112的构造。在后面详细叙述，但是，偏移检测单元5的作用为测定交叉点单元阵列I中的潜行电流的大概值。另外，作为偏移检测单元5的结构，采用如下结构即可对偏移检测单元5的上下的字线2和位线3之间施加读出时的电位差时流过偏移检测单元5的电流，比存储元件111中包含的电阻变化型存储元件为高电阻状态时对存储单元4的上下的字线2和位线3之间施加读出时的电位差时流过存储单元4的电流小。即，偏移检测单元5具有如下结构与对对应的字线2和对应的位线3之间施加的电信号无关，具有比存储单元4所具有的存储元件进行存储动作时的高电阻状态下的所述存储元件的电阻值高的电阻值。在图2 (b)所示的偏移检测单元5中，与存储单元4的构造相比，未形成第2通路112，由此，对偏移检测单元5的上下的字线2和位线3之间施加读出时的电位差时流过偏移检测单元5的电流几乎为零。该情况下，在制造上，在形成存储元件111和形成该存储元件11上方的层间绝缘膜100之前，在存储单元4和偏移检测单元5中没有产生差别，所以，在旁边全部配置存储单元4的存储单元4和旁边配置偏移检测单元5的存储单元4中，能够消除由于设计差异而针对存储元件的完成尺寸和特性偏差的影响。图3 (a) (d)示出偏移检测单元5的其他构造例。与存储单元4的构造相比，图3 Ca)的偏移检测单元51具有未形成用于使存储元件111与字线2电连接的通路的构造。图3 (b)的偏移检测单元52具有未形成存储元件111的构造。图3 (c)的偏移检测单元53具有未形成用于使存储元件111与上下的字线2和位线3电连接的通路双方的构造。并且，图3 (d)的偏移检测单元54具有未形成存储元件和上下通路双方的构造。在任意构造中，即使对偏移检测单元5的上下的字线2和位线3之间施加读出时的电位差，在偏移检测单元5中也几乎不流过电流，所以，得到与图2 (b)所示的偏移检测单元5相同的效果O在图3 (a)、(b)和(C)的偏移检测单元51 53的构造中，在利用铜(Cu)的镶嵌布线形成位线3的情况下，即使在作为位线3的布线槽的形成时产生过度蚀刻，与图2 (b)所示的偏移检测单元5的构造相比，也具有偏移检测单元51 53和下层的字线2难以产生短路的效果。进而，在图3 (b)的构造中，即使在利用钨(W)通路和Cu通路形成第I通路110的情况下，由于偏移检测单元52的凹进量与存储单元4相同，所以，也具有能够减少存储元件111的光刻工序中的局部焦点余量的偏差的效果。进而，在图3 (c)的构造中，由于未形成存储元件111的上下的通路，所以，即使在通路蚀刻时产生过度蚀刻，偏移检测单元53也不会短路。进而，在图3 (d)中，能够以最高概率防止由于制造工序中的偏差而使偏移检测单元54产生短路。图I的非易失性半导体存储装置1000还包括字线选择器10和位线选择器11。字线选择器10与字线2连接，从字线2中选择一个字线，仅使该选择出的字线(即选择字线)与电源线6连接，其他字线例如成为开放状态。从电源30对电源线6提供VDD的电位。位线选择器11与位线3连接，从位线3中选择一个位线，仅使该选择出的位线(即选择位线)与电流读出电路21连接，其他位线例如成为开放状态。·图I的非易失性半导体存储装置1000还包括读出电路20。该读出电路20是读出存储在通过字线选择器10和位线选择器11从交叉点单元阵列I中选择出的读出对象的存储单元中的数据的电路，包括电流读出电路21、读出信号选择器22、偏移保持电路23、偏移去除电路24和数据判别电路25。从电源31对电流读出电路21提供VSS的电位。由此，由于(VDD-VSS)的电位差，在字线2和位线3中流过电流。流过由位线选择器11选择出的位线的靠位线选择器11侧的端部的电流通过位线选择器11输入到电流读出电路21。电流读出电路21输出与该输入的电流的大小对应的电信号、即与流过选择位线的电流的大小对应的电信号。读出信号选择器22具有如下功能根据需要(S卩，根据来自读出电路20所具有的未图示的控制电路的指示)，选择将从电流读出电路21输出的电信号送至偏移保持电路23和偏移去除电路24中的哪一方(即电信号的输出目的地)。偏移保持电路23具有如下功能保持从电流读出电路21经由读出信号选择器22输入的电信号(偏移电信号Smtset)的值,在没有所输入的电信号后,根据需要,输出所保持的值的电信号。偏移去除电路24具有如下功能生成与所输入的2个电信号(即，选择存储单元4时从电流读出电路21经由读出信号选择器22输入的存储单元电信号S。·和保持在偏移保持电路23中的偏移电信号Sotfset)的差分对应的电信号(判别信号)SNET。数据判别电路25具有如下功能根据从偏移去除电路24输出的电信号(判别信号)Snet，输出与“I”或“O”相当的电信号Stot作为存储在读出对象的存储单元中的存储数据。[使用ReRAM的情况的例子]图4示出使用电阻变化元件(ReRAM)作为存储元件111的电阻变化型存储元件、使用MSM 二极管作为开关元件的情况的存储单元4的结构的一例。如图4所示，电阻变化元件570具有由第2电极512、高氧不足度层521、低氧不足度层522和第3电极513构成的层叠构造。并且，二极管571具有由第I电极511、半导体层530和第2电极512构成的层叠构造。在图4所示的存储元件572中，第2电极512共 用为电阻变化元件570和二极管571双方的电极，但是，在电阻变化元件570和二极管571 需要不同的电极材料时，第2电极512也可以采用由不同材料的2层以上构成的层叠构造。第1电极511和第2电极512的材料可以使用TaN (氮化钽)、TiN (氮化钛)或W (钨)等，但是，这里设TaN为50nm。第3电极513的材料可以使用Pt (白金)、Ir (铱)和Pd (钮)中的任意一方或它 们的合金等，但是，这里使用Ir，设其膜厚为50nm。第3电极513的材料优选为标准电极电 位比构成电阻变化层的金属的标准电极电位高的材料。高氧不足度层521和低氧不足度层522构成电阻变化元件570的电阻变化层。电 阻变化元件570中的电阻变化是由于该电阻变化层的电阻变化而引起的。在本实施方式中，低氧不足度层522的氧不足度比高氧不足度层521的氧不足度 小。这里，氧不足度是指，在各个过渡金属中，相对于构成其化学计量学组成的氧化物的氧 量而不足的氧的比例。例如，在过渡金属为钽(Ta)的情况下，化学计量学的氧化物的组成 为Ta205，可以表现为Ta02.5。Ta02.5的氧不足度为0%。并且，例如TaO^的组成的氧不足型 的钽氧化物的氧不足度为氧不足度=(2. 5-1. 5) /2. 5=40%。在高氧不足度层521中使用原子比即氧的含有量比具有化学计量学组成的氧化 物少的氧化物即氧不足型的膜，但是，这里对使用钽氧化物的情况进行说明。其可以如下形 成。作为高氧不足度层521的优选范围，优选为TaOx (0<x<2. 5)，膜厚为30nm以上lOOnm 以下。作为低氧不足度层522,优选为TaOy (x〈y),膜厚为lnm以上10nm以下。另外，通 过调整溅射时的针对氩气流量的氧气流量比，能够对TaOx的化学式的x的值进行调整。按照具体的溅射时的工序进行说明时，首先，在溅射装置内设置基板，将溅射装置 内抽真空到7X 10_4Pa左右。然后，将钽作为目标，使功率为250W，混合氩气和氧气后的全气 体压力为3. 3Pa，基板的设定温度为30°C，进行溅射。在使氧分压比从1%变化为7%的情况 下，钽氧化物层中的氧含有率(即，氧原子相对于总原子的组成比(0/ (Ta+0)))从大约40% (TaOa66)变化为大约70% (Ta02.3)。关于钽氧化物层的组成，能够使用卢瑟福后方散射法进 行测定。并且，在钽氧化物的情况下，这里，具有化学计量学组成的氧化物是指作为绝缘体 的Ta205。通过采用氧不足型，金属氧化物具有导电性。在本实施方式中，作为低氧不足度 层522,堆积6nm的Ta205膜,作为高氧不足度层521,堆积50nm的TaOa66。并且，作为低氧不足度层522和高氧不足度层521，除了氧不足型的钽氧化膜 以外，使用同样包含氧不足型的铁的氧化膜、其他过渡金属氧化物即铪(Hf)、锆(Zr)、钛 (Ti)、铌(Nb)、钨(W)等的氧化物，也能够构成同样的层叠构造的电阻变化层。这些膜的成 膜方法使用溅射法或CVD法等。作为低氧不足度层522和高氧不足度层521，可以分别利用 从上述多个氧化物中选择出的一个氧化物构成，也可以构成为具有至少一个氧化物。即，低 氧不足度层522可以由氧不足型的钽氧化膜、氧不足型的铁氧化膜、氧不足型的铪氧化膜 和氧不足型的锆氧化物中的至少一个构成，并且，高氧不足度层521可以由氧不足型的钽 氧化膜、氧不足型的铁氧化膜、氧不足型的铪氧化膜和氧不足型的锆氧化物中的至少一个 构成。过渡金属能够取多个氧化状态，所以，能够通过氧化还原反应实现不同的电阻状态。例如，在使用铪氧化物的情况下，能够确认到，在设高氧不足度层521的组成为HfOx的 情况下，x为0. 9以上1. 6以下，并且，在设低氧不足度层522的组成为HfOy的情况下，在y 大于x的值的情况下，使电阻变化层的电阻值稳定地高速变化。该情况下，优选低氧不足度 层522的膜厚为3nm以上4nm以下。并且，在使用锆氧化物的情况下，能够确认到，在设高 氧不足度层521的组成为ZrOx的情况下，x为0. 9以上1. 4以下，并且，在设低氧不足度层 522的组成为ZrOy的情况下，在y大于x的值的情况下，使电阻变化层的电阻值稳定地高速 变化。该情况下，优选低氧不足度层522的膜厚为lnm以上5nm以下。如上所述，通过利用 电阻高且膜厚薄的低氧不足度层522和电阻低的高氧不足度层521的层叠构造构成电阻变 化层，关于对电阻变化元件施加的电压，对电阻高的低氧不足度层522分配更多的电压，更 容易引起在低氧不足度层522中产生的氧化还原反应。进而，构成高氧不足度层521的第1过渡金属和构成低氧不足度层522的第2过 渡金属也可以使用不同材料。该情况下，与高氧不足度层521相比，优选低氧不足度层522 的氧不足度较小、即电阻较高。通过采用这种结构，关于在电阻变化时对电阻变化层施加的 电压，对低氧不足度层522分配更多的电压，更容易引起在低氧不足度层522中产生的氧化 还原反应。并且，在第1过渡金属和第2过渡金属使用相互不同的材料的情况下，优选第2 过渡金属的标准电极电位小于第1过渡金属的标准电极电位。认为在电阻高的低氧不足度 层522中形成的微小的单纤维(导电通路)中引起氧化还原反应，其电阻值变化，产生电阻变 化现象。例如，高氧不足度层521使用氧不足型的钽氧化物，低氧不足度层522使用钛氧化 物(Ti02),由此,得到稳定的电阻变化动作。钛(标准电极电位=-1. 63eV)是标准电极电位低 于钽(标准电极电位=-0. 6eV)的材料。标准电极电位表示如下特性其值越大，越难氧化。 通过对低氧不足度层522配置标准电极电位小于高氧不足度层521的金属的氧化物，更容 易在低氧不足度层522中产生氧化还原反应。设电阻变化层为上述层叠构造时，制造后的 电阻变化元件的初始电阻值非常高。半导体层530的材料使用氮不足型硅氮化物(SiNx)。另外，例如能够通过使用Si 目标的氮气氛围气中的反应溅射来形成具有这种半导体特性的SiNx膜。例如，在室温条件 下，设腔室的压力为0. IPa IPa、设Ar/N2流量为18sccm/2sccm来制作即可。在上述条件下、以16nm的厚度制作了具有半导体特性的SiNx的情况下，通过施加 1. 6V的电压而得到2. 5 X 103A/cm2的电流密度，通过施加0. 8V的电压而得到5 X 102A/cm2的 电流密度。因此，能够确认到，在使用这些电压作为基准的情况下，电流的接通/断开比为 5，能够充分用作非易失性半导体存储装置1000的二极管元件。第1通路110和第2通路112的材料使用W。层间绝缘膜501可以使用TEOS-SiO膜、氮化硅(SiN)膜、作为低介电常数材料的 碳氮化硅(SiCN)膜或碳氧化硅(SiOC)膜、氟氧化硅(SiOF)膜等。进而，也可以使用这些材 料的层叠构造。这里，使用TE0S-Si0膜。字线2和位线3可以使用在一般的半导体中使用的Cu (铜)布线或Al-Cu (铝-铜 合金)布线等。这里，使用Al-Cu布线。在以上述结构制作的电阻变化元件570中，制造后的电阻值(初始电阻值)是比通 常的电阻变化动作时的高电阻(HR)状态下的电阻值高的电阻值。为了使制造后的未动作 状态(一次也没有进行存储动作的状态)的元件成为能够进行电阻变化动作(存储动作)的状态，需要进行初始断线动作(通过施加比通常的电阻变化动作时的施加电压高的电压而 成为能够进行存储动作的状态(一般为低电阻化)的动作)。作为用于存储数据的存储单元而使用的电阻变化元件的制造后的初始电阻值非 常高，所以，为了引起电阻变化动作，需要实施电阻变化元件的初始断线动作，但是，这里， 如果有意图地不对某个电阻变化元件实施初始断线动作，则包含该电阻变化元件的存储单 元能够用作偏移检测单元。这样，在使用图4的电阻变化元件570的情况下，能够通过有无 初始断线动作来区分制作存储单元4和偏移检测单元5。即，存储单元4可以是在制造后施 加用于使存储元件进行存储动作的初始断线动作的单元，另一方面，偏移检测单元5可以 具有与存储单元4相同的构造，是在制造后未施加初始断线动作的单元。由此，能够在制造 后选择将哪个单元用作偏移检测单元5，所以，具有电路设计的自由度扩大的优点。进而，存 储单元4和偏移检测单元5在制造上没有差别，所以，能够消除由于存储单元4和偏移检测 单元5的设计差异而针对完成尺寸的影响。另外，使用上述图4的电阻变化元件570的情况下的效果不限于本实施方式，在后 述第2实施方式和第3实施方式中也是有效的。[读出方法]接着，使用图5和图6对本实施方式的非易失性半导体存储装置1000的读出方法 进行说明。下面，以读出读出对象单元(读出对象的存储单元)4a的数据的动作为例，示出其 顺序。首先，如图5所示，通过字线选择器10，仅使与偏移检测单元5连接的字线与电源 线6连接，其他字线成为开放状态。接着，通过位线选择器11，仅使与偏移检测单元5连接 的位线与电流读出电路21连接，其他位线成为开放状态。由此，对电流读出电路21输入流 过由位线选择器11选择出的位线(选择位线)的靠位线选择器11侧的端部的电流IWFSET， 从电流读出电路21输出与电流IOTFSET的大小对应的电信号(偏移电信号)S0FFSETO从该电流 读出电路21输出的电信号是根据输入到电流读出电路21的电流的大小而变化的电信号即 可，能够根据偏移保持电路23和偏移去除电路24使用哪种方式的电路而自由选择。例如， 可以使用电流或电压的振幅、脉冲状的电流或电压的脉冲宽度/脉冲密度等。接着，通过读出信号选择器22将电信号(偏移电信号)S0FFSET输出到偏移保持电路 23，由偏移保持电路23进行保持。此时，如图5所示，通过读出信号选择器22切断电流读 出电路21与偏移去除电路24的连接。接着，如图6所示，通过字线选择器10，仅使包含读出对象单元4a的字线与电源线 6连接，其他字线成为开放状态。接着，通过位线选择器11，仅使包含读出对象单元4a的位 线与电流读出电路21连接，其他位线成为开放状态。由此，对电流读出电路21输入流过由 位线选择器11选择出的位线的靠位线选择器11侧的端部的电流1^，从电流读出电路21 输出与电流的大小对应的电信号(存储单元电信号)SeE&。接着，通过读出信号选择器22将电信号(存储单元电信号)SeEa输入到偏移去除电 路24。此时，如图6所示，通过读出信号选择器22切断电流读出电路21与偏移保持电路 23的连接。大致与此同时，从偏移保持电路23输出所保持的电信号(偏移电信号M-m，将 其输入到偏移去除电路24。
偏移去除电路24输出与所输入的2个电信号的差相当的电信号(判别信号)SNET (=Scell-Soffset)°该电信号(判别信号)SNET被输入到数据判别电路25。数据判别电路25根据所输入的电信号(判别信号)SNET的大小，判别读出对象单元 4a中包含的存储元件是处于高电阻(HR)状态还是处于低电阻(LR)状态(即，存储在读出对 象单元4a中的数据)，将与“1”或“0”相当的电信号SQUT作为读出电路20的输出信号而输 出到外部。这种读出方法的意义如下所述。通过字线选择器10和位线选择器11选择了包含读出对象单元4a的字线和位线 时输入到电流读出电路21的电流1^，成为流过读出对象单元4a的电流成分L与流经除 了读出对象单元4a以外的交叉点单元阵列1中包含的存储单元4和偏移检测单元5的潜 行电流成分 IsNEAK 的合计(IcELL_I(l+IsmAK)。流过读出对象单元4a的电流成分1(!根据存储在读出对象单元4a中包含的存储元 件中的数据、即高电阻(HR)状态或低电阻(LR)状态而变化，在存储元件为LR状态时较大。潜行电流成分ISNEAK几乎不受存储在读出对象单元4a中包含的存储元件中的数据 的影响，根据存储在交叉点单元阵列1内包含的除了读出对象单元4a以外的全部其他存储 单元4中的数据而变化，在除了读出对象单元4a以外的全部其他存储单元4中包含的存储 元件为LR状态时，潜行电流成分Is_最大，相反，在除了读出对象单元4a以外的全部其他 存储单元4中包含的存储元件为HR状态时，潜行电流成分ISNEAK最小。并且，如果交叉点单 元阵列1的规模变大，则与此相伴，潜行电流成分ISNEAK也增加。因此，电流的SN比小，并且，大幅受到潜行电流成分ISNEAK的影响。这里，电流 IcELL的SN比如下定义。SN 比-(Ilr_Ihr)/ (Ihr+Isneak)ILE :读出对象单元4a中包含的存储元件为LR状态时的IHE :读出对象单元4a中包含的存储元件为HR状态时的如上所述，潜行电流ISNEAK不仅由于交叉点单元阵列1的规模而变化，还根据存储 在交叉点单元阵列1中的数据而动态变化。因此，SN比由潜行电流成分ISNEAK最大的情况 决定。通过使存储元件采用串联连接电阻变化型存储元件和开关元件的构造，与存储元件 仅由电阻变化型存储元件构成的情况相比，能够进一步减小潜行电流成分ISNEAK，但是，无法 抑制伴随交叉点单元阵列的规模扩大而导致的潜行电流成分ISNEAK的增加。一般地，如果考 虑实际的非易失性半导体存储装置中包含的元件(晶体管、电阻变化型存储元件、开关元件 等)的特性偏差、信号噪声的影响等，则在使用电流作为判别信号的情况下，以使潜行 电流成分ISNEAK的最大值与^相等或为L以下的方式决定交叉点单元阵列的规模。另一方面，在通过字线选择器10和位线选择器11选择了包含偏移检测单元5的 字线和位线时输入到电流读出电路21的电流(偏移电流)IOTFSET成为(Ii + I-M)。这里，I!是 流过偏移检测单元5的电流成分，1,1-特别地，在偏移检测单元采用图2和图3所示的 构造的情况下，由于L 0，所以
I OFFSET ^ IsNEAK， 偏移电流 I OFFSET 仅为潜行电流成分 IsNEAK。由 该偏移电流IWFSET检测到的潜行电流成分ISNEAK与电流IcELL中包含的潜行电流成分ISNEAK不 完全一致，但是，交叉点单元阵列1的规模越大，该差越小。即，偏移电流IOTFSET与动态变化 的交叉点单元阵列1中的读出对象单元4a中包含的偏移电流成分大致相等。进而，关于偏移电流IQFFSET中包含的Ii，如果1^1^，则得到本发明的效果，但是，Ii越小，效果越大，所以， 作为偏移检测单元的构造，更加优选使用图2和图3所示的构造。本实施方式的数据判别用的判别信号SNET从存储单元电信号中去除了与动态 变动的偏移成分相当的偏移电信号S-m的成分，所以，与直接使用存储单元电信号SeE&作 为判别信号的情况相比，能够大幅提高SN比，非易失性半导体存储装置1000的读出精度提闻。[流程图]图7是示出本发明的第1实施方式的非易失性半导体存储装置1000的读出流程 的流程图。如上所述，为了读出读出对象单元4a的数据，需要预先选择偏移检测单元5并检 测偏移电信号SoFFSET。该偏移电信号SoFFSET由于存储在交叉点单兀阵列1中的数据而动态变 化，但是，相反，如果存储在交叉点单元阵列1中的数据没有变化，则在读出下一个数据的 情况下，可以继续使用保持在偏移保持电路23中的偏移电信号S—p该情况下，能够省略 选择偏移检测单元5并检测偏移电信号S-m的动作。首先，当针对存储单元(读出对象单元)4a请求读出动作时，从在偏移保持电路23 中保持了信号时起，判断交叉点单元阵列1中包含的存储单元所存储的数据是否产生变更 (F1 ;判断顺序)。在判断为数据产生变更的情况下(F1 :是)，选择偏移检测单元5并检测偏 移电信号S-m (F2 ;偏移检测顺序的前半部分)，将该信号保持在偏移保持电路23中(F3 ； 偏移检测顺序的后半部分)。在步骤F1中判断为数据未产生变更的情况下(F1 :否)，在步骤F1完成后，或者在 判断为数据产生变更的情况下(F1 :是)，在步骤F3完成后，选择读出对象单元4a并读出存 储单元电信号SrajF4 ;存储单元检测顺序)，使用偏移去除电路24，计算所读出的存储单元 电信号SeEIX与偏移电信号SoFFSET的差分信号(判别信号)SNET (F5 ;偏移去除顺序)。接着，使用数据判别电路25，使用差分信号(判别信号)SNET判别存储在读出对象单 元4a中的数据(F6 ;数据判别顺序)。以上，数据的读出动作完成。通过使用上述流程，在未伴有数据变更(针对存储单元的写入)的连续读出动作 中，除了最初的第1次以外，能够省略选择偏移检测单元5并检测偏移电信号S-m的动作， 所以，有效提高读出速度。以上，针对交叉点单元阵列1中包含的偏移检测单元5为1个的情况说明了读出 方法，但是，本发明不限于偏移检测单元5为1个的情况。在交叉点单元阵列1的规模非常 大、并且无法忽视由于字线2或位线3的布线电阻中的电压下降而产生的字线2和位线3中 的电位分布对潜行电流造成的影响的情况下，进一步将交叉点单元阵列1分割成若干个子 区域，在该子区域中分别各配置1个偏移检测单元5，检测每个子区域的偏移电信号S-m， 用于判别信号的生成。(第2实施方式)[装置的结构]图8是示出本发明的第2实施方式的非易失性半导体存储装置1001的结构的一 例的图。本实施方式的非易失性半导体存储装置1001与第1实施方式的非易失性半导体存储装置1000的不同之处在于，以分别针对多个字线2和多个位线3各连接1个偏移检测 单元5的方式，在交叉点单元阵列201内配置多个偏移检测单元5。即，在本实施方式中，以 针对多个字线2中的每一个字线分别各设置1个偏移检测单元5、并且针对多个位线3中的 每一个位线分别各设置1个偏移检测单元5的方式，在交叉点单元阵列201中配置偏移检 测单元5。存储单元4和偏移检测单元5的构造均可以使用与第1实施方式相同的构造。通过这样配置偏移检测单元5，能够将读出对象单元的检测电流中包含的偏移电 流成分视为由与和对象的存储单元4相同的位线3或字线2连接的偏移检测单元5检测到 的电流而进行检测。由此，与第1实施方式所示的情况相比，得到能够高精度地检测读出对 象的存储单元的偏移电流成分的效果。如图8所示，本发明的第2实施方式的非易失性半导体存储装置1001具有以相互 平行的方式形成的多个字线2、在与字线2交叉的方向上以相互平行的方式形成的多个位 线3、以及在字线2和位线3的平面视图中的交点、且在字线2和位线3之间形成的交叉点 单元阵列201。进而，交叉点单元阵列201包括多个存储单元4和多个偏移检测单元5。进 而，偏移检测单元5以分别针对多个字线2和多个位线3各连接1个偏移检测单元5的方式 配置在交叉点单元阵列201内。在图8的交叉点单元阵列201中，偏移检测单元5作为多 个字线2与多个位线3的交点，这里，规则整齐地配置在交叉点单元阵列201的对角线上， 但是，配置方法不限于此，如果以分别针对字线2和位线3各连接1个偏移检测单元的方式 进行配置，则不一定配置在交叉点单元阵列201的对角线上。本发明的第2实施方式的非易失性半导体存储装置1001中包含的字线选择器10、 位线选择器11、电源线6和读出电路20均可以使用与第1实施方式相同的部件。[读出方法]本发明的第2实施方式的非易失性半导体存储装置1001的读出方法与本发明的 第1实施方式的非易失性半导体存储装置1000的读出方法大致相同，所以，下面，仅对本发 明的第2实施方式与第1实施方式的不同之处进行说明。本发明的第2实施方式与第1实施方式的非易失性半导体存储装置的读出方法的 不同之处在于，在检测偏移电信号S-m时，使用字线选择器10和位线选择器11选择的字 线和位线不同。在本发明的第1实施方式的非易失性半导体存储装置1000中，与读出对象单元在 交叉点单元阵列内的位置无关，在检测偏移电信号S-m时，始终选择相同的字线和位线。 与此相对，在本发明的第2实施方式的非易失性半导体存储装置1001中，关于检测偏移电 信号S-m时选择的字线，选择与读出对象单元相同的字线。进而，关于位线，选择与和所选 择的字线连接的偏移检测单元连接的位线。另外，选择与读出对象单元相同的位线、进而选 择与和所选择的位线连接的偏移检测单元连接字线，也得到同样的效果。S卩，在本实施方式中，读出电路20通过以下任意的方法从存储单元进行读出。g卩，第1读出方法是字线在存储单元4和偏移检测单元5中共通的读出方法。在 该方法中，读出电路20根据与从存储单元电信号的值中减去偏移电信号S-m的值而 得到的值对应的判别信号SNET，判别存储在读出对象的存储单元中的存储数据，该偏移电信 号S-m基于通过对与读出对象的存储单元对应的第1选择字线和与针对第1选择字线设置的偏移检测单元对应的第2选择位线之间施加读出电压而在第2选择位线中流过的电流 的大小。并且，第2读出方法是位线在存储单元和偏移检测单元中共通的读出方法。在该 方法中，读出电路20根据与从存储单元电信号的值中减去偏移电信号S-m的值而得 到的值对应的判别信号SNET，判别存储在读出对象的存储单元中的存储数据，该偏移电信号 3<^^基于通过对与针对对应于读出对象的存储单元的第1选择位线设置的偏移检测单元 对应的第2选择字线和与读出对象的存储单元对应的第1选择位线之间施加读出电压而在 第1选择位线中流过的电流的大小。选择了读出对象单元时检测到的电流中包含的潜行电流成分ISNEAK根据存储 在交叉点单元阵列201中包含的存储单元4中的数据而变化，但是，在存储在与连接有读出 对象单元的位线3和字线2连接的存储单元4中的数据、以及存储在不与连接有读出对象 单元的位线3或字线2中的任意一方连接的存储单元4中的数据中，受前者的影响更大。在本发明的第2实施方式的非易失性半导体存储装置1001中，在读出对象单元和 偏移检测单元5中，字线2或位线3中的任意一方相同，所以，由偏移检测单元5检测到的 偏移电流I<wSET成为更接近选择了读出对象单元时检测到的电流1^中包含的潜行电流成 分ISNEAK的值，所以，与第1实施方式相比，能够提高SN比，非易失性半导体存储装置1001 的读出精度提高。(第2实施方式的变形例)[装置的结构]图9是示出本发明的第2实施方式的变形例的非易失性半导体存储装置1001a的 结构的一例的图。本变形例的非易失性半导体存储装置1001a与第2实施方式的非易失性半导体存 储装置1001的不同之处在于，参照2个电流、S卩，由与和对象的存储单元相同的字线连接的 偏移检测单元检测到的电流、以及由与和对象的存储单元相同的位线连接的偏移检测单元 检测到的电流，检测读出对象单元的检测电流中包含的偏移电流成分。由此，与第2实施 方式所示的情况相比，得到能够以更高精度检测读出对象的存储单元的偏移电流成分的效 果。交叉点单元阵列201、字线选择器10、位线选择器11和电源线6均可以使用与第 2实施方式的非易失性半导体存储装置1001相同的部件。图9的非易失性半导体存储装置1001a还包括读出电路220。读出电路220是读 出存储在通过字线选择器10和位线选择器11从交叉点单元阵列201中选择出的读出对象 的存储单元中的数据的电路，包括电流读出电路21、读出信号选择器222、第1偏移保持电 路223a、第2偏移保持电路223b、偏移去除电路224和数据判别电路25。从电源31对电流读出电路21提供VSS的电位。由此，由于(VDD-VSS)的电位差， 在字线2和位线3中流过电流。流过由位线选择器11选择出的位线的靠位线选择器11侧 的端部的电流通过位线选择器11输入到电流读出电路21。电流读出电路21输出与该输入 的电流的大小对应的电信号、即与流过选择位线的电流的大小对应的电信号。读出信号选择器222具有如下功能根据需要(即，根据来自读出电路20所具有 的未图示的控制电路的指示)，选择将从电流读出电路21输出的电信号送至第1偏移保持电路223a、第2偏移保持电路223b和偏移去除电路224中的哪一方(即电信号的输出目的 地)。第1偏移保持电路223a和第2偏移保持电路223b分别具有如下功能保持从电 流读出电路21经由读出信号选择器222输入的电信号(第1偏移电信号SoFFSET1和第2偏移 电信号SoFFSET2)的值，在没有所输入的电信号后，根据需要，输出所保持的值的电信号。偏移去除电路224具有如下功能参照所输入的3个电信号(保持在第1偏移保持 电路223a中的第1偏移电信号、保持在第2偏移保持电路223b中的第2偏移电信 号、选择存储单元4时从电流读出电路21经由读出信号选择器222输入的存储单元 电信号S^)，根据以下的式子生成电信号(判别信号)SNET。关于判别信号SNET,在设第1偏移电信号为SoFFSET1、第2偏移电信号为SoFFSET2、存储 单元电信号为SCEIX时，通过SNET-SCELL_ (S0FFSET1+S0FFSET2)/2求出的SNET提高平均SN比，所以是优选的，但是，如果考虑写入交叉点单元阵列 201的数据(“ 1 ”或“0”)的分布极端的情况下(例如，在大部分为“ 1 ”的数据中，仅在一部分 区域中集中存在“0”的情况等)的SN比的确保，则也可以使用如下求出的SNET。
权利要求
1.一种非易失性半导体存储装置，具有 多个字线，在第I平面内以相互平行的方式形成； 多个位线，在与所述第I平面平行的第2平面内以相互平行且与所述多个字线立体交差的方式形成；以及 交叉点单元阵列，由针对所述多个字线与所述多个位线的各个立体交差点设置的单元的集合体构成， 所述单元的集合体具有 存储单元，包括存储元件，该存储元件进行根据在对应的字线和对应的位线之间施加的电信号以可逆的方式在2个以上的状态下使电阻值变化的存储动作；以及 偏移检测单元，与在对应的字线和对应的位线之间施加的电信号无关，具有比所述存储元件进行所述存储动作时的高电阻状态下的所述存储元件的电阻值高的电阻值。
2.如权利要求I所述的非易失性半导体存储装置，其中， 所述非易失性半导体存储装置还具有 字线选择器，从所述多个字线中选择一个字线作为选择字线； 位线选择器，从所述多个位线中选择一个位线作为选择位线；以及读出电路，根据与从存储单元电信号的值中减去偏移电信号的值而得到的值对应的判别信号，判别存储在读出对象的存储单元中的存储数据，该存储单元电信号是基于通过对由所述字线选择器和所述位线选择器从所述交叉点单元阵列中选择出的与所述读出对象的存储单元对应的第I选择字线和第I选择位线之间施加读出电压而在所述第I选择位线中流过的电流的大小的电信号，该偏移电信号是由通过对与至少一个所述偏移检测单元对应的第2选择字线和第2选择位线之间施加所述读出电压而在所述第2选择位线中流过的电流的大小确定的电信号。
3.如权利要求I所述的非易失性半导体存储装置，其中， 以针对所述多个字线中的每一个字线分别各设置一个所述偏移检测单元、并且针对所述多个位线中的每一个位线分别各设置一个所述偏移检测单元的方式，在所述交叉点单元阵列中配置所述偏移检测单元。
4.如权利要求3所述的非易失性半导体存储装置，其中， 所述非易失性半导体存储装置还具有 字线选择器，从所述多个字线中选择一个字线作为选择字线； 位线选择器，从所述多个位线中选择一个位线作为选择位线；以及读出电路，根据与从存储单元电信号的值中减去偏移电信号的值而得到的值对应的判别信号，判别存储在读出对象的存储单元中的存储数据，该存储单元电信号基于通过对从所述交叉点单元阵列中选择出的与所述读出对象的存储单元对应的第I选择字线和从所述交叉点单元阵列中选择出的与所述读出对象的存储单元对应的第I选择位线之间施加读出电压而在所述第I选择位线中流过的电流的大小，该偏移电信号基于通过对所述第I选择字线和与针对所述第I选择字线设置的所述偏移检测单元对应的第2选择位线之间施加所述读出电压而在所述第2选择位线中流过的电流的大小。
5.如权利要求3所述的非易失性半导体存储装置，其中， 所述非易失性半导体存储装置还具有字线选择器，从所述多个字线中选择一个字线作为选择字线； 位线选择器，从所述多个位线中选择一个位线作为选择位线；以及读出电路，根据与从存储单元电信号的值中减去偏移电信号的值而得到的值对应的判别信号，判别存储在读出对象的存储单元中的存储数据，该存储单元电信号基于通过对从所述交叉点单元阵列中选择出的与所述读出对象的存储单元对应的第I选择字线和从所述交叉点单元阵列中选择出的与所述读出对象的存储单元对应的第I选择位线之间施加读出电压而在所述第I选择位线中流过的电流的大小，该偏移电信号基于通过对与针对所述第I选择位线设置的所述偏移检测单元对应的第2选择字线和所述第I选择位线之间施加所述读出电压而在所述第I选择位线中流过的电流的大小。
6.如权利要求3所述的非易失性半导体存储装置，其中， 所述非易失性半导体存储装置还具有 字线选择器，从所述多个字线中选择一个字线作为选择字线； 位线选择器，从所述多个位线中选择一个位线作为选择位线；以及读出电路，根据与从存储单元电信号的值中减去由第I偏移电信号的值和第2偏移电信号的值确定的偏移电信号的值而得到的值对应的判别信号，判别存储在读出对象的存储单元中的存储数据，该存储单元电信号基于通过对从所述交叉点单元阵列中选择出的与所述读出对象的存储单元对应的第I选择字线和从所述交叉点单元阵列中选择出的与所述读出对象的存储单元对应的第I选择位线之间施加读出电压而在所述第I选择位线中流过的电流的大小，该第I偏移电信号是基于通过对所述第I选择字线和与针对所述第I选择字线设置的第I偏移检测单元对应的第2选择位线之间施加所述读出电压而在所述第2选择位线中流过的电流的大小的电信号，该第2偏移电信号是基于通过对与针对所述第I选择位线设置的第2偏移检测单元对应的第2选择字线和所述第I选择位线之间施加所述读出电压而在所述第I选择位线中流过的电流的大小的电信号。
7.如权利要求I所述的非易失性半导体存储装置，其中， 在所述多个位线中包括多个偏移检测位线， 以针对所述多个字线中的每一个字线分别各设置一个所述偏移检测单元、并且针对所述多个偏移检测位线中的任意一方设置全部所述偏移检测单元的方式，在所述交叉点单元阵列中配置所述偏移检测单元。
8.如权利要求I所述的非易失性半导体存储装置，其中， 在所述多个字线中包括多个偏移检测字线， 以针对所述多个位线中的每一个位线分别各设置一个所述偏移检测单元、并且针对所述多个偏移检测字线中的任意一方设置全部所述偏移检测单元的方式，在所述交叉点单元阵列中配置所述偏移检测单元。
9.如权利要求6所述的非易失性半导体存储装置，其中， 在设所述存储单兀电信号的值为Srail、所述第I偏移电信号的值为Sktseti、所述第2偏移电信号的值为Swfset2时，所述读出电路计算满足以下任意一种关系的Snet作为所述判别信号， Snet-Scell- ( S0FFSET1+S0FFSET2) /2、 Snet_Scell_MAX ( Soffseti > Soffset2 ) >Snet-Scell_MIN ( Soffseti、Soffset2 )、以及Snet=SCell_ ( α X Soffseti+β X Soffset2) / ( α + β )，其中，α、β 为任意常数。
10.如权利要求7所述的非易失性半导体存储装置，其中， 在设与所述多个偏移检测位线中的第i个偏移检测位线连接的所述偏移检测单元数为队、与所述多个偏移检测位线中的每一个偏移检测位线连接的所述存储单元和所述偏移检测单元的总数为M时，所述读出电路通过从所述存储单元电信号的值中减去使在所述第2选择位线中流过的电流的大小乘以M/ (M-Ni)的常数而得到的值即所述偏移电信号的值，计算所述判别信号。
11.如权利要求8所述的非易失性半导体存储装置，其中， 在设与所述多个偏移检测字线中的第i个偏移检测字线连接的所述偏移检测单元数 为队、与所述多个偏移检测字线中的每一个偏移检测字线连接的所述存储单元和所述偏移检测单元的总数为M时，所述读出电路通过从所述存储单元电信号的值中减去使在所述第2选择位线中流过的电流的大小乘以M/ (M-Ni)的常数而得到的值即所述偏移电信号的值，计算所述判别信号。
12.如权利要求2所述的非易失性半导体存储装置，其中， 所述读出电路由以下电路构成 电流读出电路，输出与流过所述第I选择位线和所述第2选择位线的电流的大小对应的所述存储单元电信号和所述偏移电信号； 读出信号选择器，选择从所述电流读出电路输出的所述存储单元电信号和所述偏移电信号的输出目的地； 偏移保持电路，保持从所述电流读出电路经由所述读出信号选择器输入的所述偏移电信号的值； 偏移去除电路，根据从所述电流读出电路经由所述读出信号选择器输入的所述存储单元电信号的值和与保持在所述偏移保持电路中的所述偏移电信号的值相等的电信号的值，计算所述判别信号并输出；以及 数据判别电路，根据所述判别信号的大小，判别存储在所述读出对象的存储单元中的存储数据。
13.如权利要求6所述的非易失性半导体存储装置，其中， 所述读出电路由以下电路构成 电流读出电路，输出与流过所述第I选择位线和所述第2选择位线的电流的大小对应的所述存储单元电信号、所述第I偏移电信号和所述第2偏移电信号； 读出信号选择器，选择从所述电流读出电路输出的所述存储单元电信号、所述第I偏移电信号和所述第2偏移电信号的输出目的地； 第I偏移保持电路，保持从所述电流读出电路经由所述读出信号选择器输入的所述第I偏移电信号的值； 第2偏移保持电路，保持从所述电流读出电路经由所述读出信号选择器输入的所述第2偏移电信号的值； 偏移去除电路，根据从所述电流读出电路经由所述读出信号选择器输入的所述存储单元电信号的值、保持在所述第I偏移保持电路中的所述第I偏移电信号的值和保持在所述第2偏移保持电路中的所述第2偏移电信号的值，计算所述判别信号并输出；以及 数据判别电路，根据所述判别信号的大小，判别存储在所述读出对象的存储单元中的存储数据。
14.如权利要求I 13中的任意一项所述的非易失性半导体存储装置，其中， 所述偏移检测单元具有从所述存储单元中去除使所述存储元件与所述字线和所述位线电连接的一个通路或两个通路的构造。
15.如权利要求I 13中的任意一项所述的非易失性半导体存储 装置，其中，所述偏移检测单元具有从所述存储单元中去除所述存储元件的构造，或者， 所述偏移检测单元具有从所述存储单元中去除使所述存储元件与所述字线和所述位线电连接的一个通路或两个通路、以及所述存储元件的构造。
16.如权利要求I 15中的任意一项所述的非易失性半导体存储装置，其中， 所述存储元件具有电阻变化型存储元件，该电阻变化型存储元件具有由第I电极、电阻变化层和第2电极构成的层叠构造。
17.如权利要求16所述的非易失性半导体存储装置，其中，所述第I电极由TaN (氮化钽)、TiN (氮化钛)和W (钨)中的任意一方构成， 所述第2电极由Pt (白金)、Ir (铱)和Pd (钯)中的任意一方或它们的合金构成， 所述电阻变化层包括低氧不足度层和高氧不足度层， 所述低氧不足度层由氧不足型的钽氧化膜、氧不足型的铁氧化膜、氧不足型的铪氧化膜和氧不足型的锆氧化物中的至少一个构成， 所述高氧不足度层由氧不足型的钽氧化膜、氧不足型的铁氧化膜、氧不足型的铪氧化膜和氧不足型的锆氧化物中的至少一个构成， 所述低氧不足度层的氧不足度比所述高氧不足度层的氧不足度小。
18.如权利要求17所述的非易失性半导体存储装置，其中， 所述存储单元是在制造后施加用于使所述存储元件进行所述存储动作的初始断线动作的单元， 所述偏移检测单元具有与所述存储单元相同的构造，是在制造后未施加所述初始断线动作的单元。
19.如权利要求I 18中的任意一项所述的非易失性半导体存储装置，其中， 所述存储元件由电阻变化型存储元件和与所述电阻变化型存储元件串联连接的开关元件构成。
20.如权利要求19所述的非易失性半导体存储装置，其中， 所述开关元件是具有由第I金属电极、半导体层和第2金属电极构成的层叠构造的二极管。
21.如权利要求20所述的非易失性半导体存储装置，其中， 所述第I金属电极和所述第2金属电极由TaN (氮化钽)、TiN (氮化钛)和W (鹤)中的任意一方构成， 所述半导体层由氮不足型硅氮化物构成。
22.—种读出方法，针对权利要求I所述的非易失性半导体存储装置中的存储单元进行读出，其中，所述读出方法包括以下顺序偏移检测顺序，选择设有偏移检测单元的字线和位线，检测与流过选择出的所述位线的电流的大小对应的偏移电信号的值，将该所述偏移电信号的值保持在偏移保持电路中；存储单元检测顺序，选择设有读出对象的存储单元的字线和位线，检测与流过选择出的所述位线的电流的大小对应的所述存储单元电信号的值； 偏移去除顺序，使用偏移去除电路，根据所述存储单元电信号的值和保持在所述偏移保持电路中的所述偏移电信号的值，计算所述判别信号；以及 数据判别顺序，使用数据判别电路，根据所述判别信号的大小判别存储在所述读出对象的存储单元中的数据。
23.如权利要求22所述的读出方法，其中， 所述读出方法还包括判断顺序，在该判断顺序中，在所述偏移检测顺序之前，从检测到 基于通过对所述第2选择字线和所述第2选择位线之间施加读出电压而在所述第2选择位线中流过的电流的大小的偏移电信号的值时起，判断所述交叉点单元阵列中包含的所述存储单元所存储的数据是否产生变更， 在所述偏移检测顺序中，在所述判断顺序中判断为所述数据产生变更的情况下，将所述偏移电信号保持在偏移保持电路中， 在所述存储单元检测顺序中，在所述判断顺序中判断为所述数据未产生变更的情况下，在所述判断顺序完成后检测所述存储单元电信号的值，或者，在所述判断顺序中判断为所述数据产生变更的情况下，在所述偏移检测顺序完成后检测所述存储单元电信号的值。
24.一种读出方法，针对权利要求6或9所述的非易失性半导体存储装置中的存储单元进行读出，其中，所述读出方法包括以下顺序 第I偏移检测顺序，选择设有第I偏移检测单元的字线和位线，检测与流过选择出的所述位线的电流的大小对应的第I偏移电信号的值，将该所述第I偏移电信号的值保持在第I偏移保持电路中； 第2偏移检测顺序，选择设有第2偏移检测单元的字线和位线，检测与流过选择出的所述位线的电流的大小对应的第2偏移电信号的值，将该所述第2偏移电信号的值保持在第2偏移保持电路中； 存储单元检测顺序，选择设有读出对象的存储单元的字线和位线，检测与流过选择出的所述位线的电流的大小对应的所述存储单元电信号的值； 偏移去除顺序，使用偏移去除电路，根据所述存储单元电信号的值、保持在所述第I偏移保持电路中的所述第I偏移电信号的值和保持在所述第2偏移保持电路中的所述第2偏移电信号的值，计算所述判别信号；以及 数据判别顺序，使用数据判别电路，根据所述判别信号的大小判别存储在所述读出对象的存储单元中的数据。
全文摘要
本发明提供一种交叉点型的非易失性半导体存储装置，能够抑制由于潜行电流而引起的存储单元中包含的存储元件的电阻值的检测灵敏度低下。该非易失性半导体存储装置具有多个字线(2)、以与多个字线(2)立体交差的方式形成的多个位线(3)、以及由针对多个字线(2)与多个位线(3)的各个立体交差点设置的单元的集合体构成的交叉点单元阵列(1)，单元的集合体包括存储单元(4)，该存储单元(4)包括存储元件，该存储元件进行根据电信号以可逆的方式在2个以上的状态下使电阻值变化的存储动作；以及偏移检测单元(5)，具有比存储元件进行存储动作时的高电阻状态下的存储元件的电阻值高的固定的电阻值。
文档编号G11C11/15GK102959636SQ201280001450
公开日2013年3月6日 申请日期2012年6月18日 优先权日2011年6月27日
发明者辻清孝, 岛川一彦 申请人:松下电器产业株式会社