半导体存储装置和信息处理设备的制作方法

本公开涉及半导体存储装置和信息处理设备。

背景技术：

可变电阻半导体存储装置包括由至少一个基于电阻值存储至少二进制信息的可变电阻存储元件构成的存储元件。此外，可变电阻半导体存储装置将电流流入选定的存储元件，并通过使用感测放大器，检测施加到存储元件的电阻器的电压值，以读取存储在存储元件中的逻辑值。此外，可变电阻半导体存储装置的存储元件具有这样的特征，即当施加阈值或更高的电压时，根据施加的电压的方向发生向高电阻或低电阻的变化。因此，可变电阻半导体存储装置需要在不高于阈值电压的电压下读取。需要准备用于判别存储元件的电阻值的两个电阻值的中间值，并且例如已经公开了一种半导体存储装置，其中，分别具有高电阻值和低电阻值的两个存储元件并联布置，并且获得电阻值的平均值(专利文献1至3)。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本专利申请公开号2008-84517

专利文献2：日本专利申请公开号2009-238327

专利文献3：日本专利申请公开号2013-4151

技术实现要素：

本发明要解决的问题

然而，两个电阻值的单纯平均值不是考虑到每个电阻值的变化的中间值，并且在某些情况下，不能正常地从存储元件读取值，这阻碍了大容量的实现。

在这方面，本公开提出了一种新颖且改进的半导体存储装置和信息处理设备，该半导体存储装置能够通过允许从存储元件正常读取值来实现大容量。

问题的解决方案

根据本公开，提供了一种半导体存储装置，包括：存储元件；处于第一电阻状态的参考元件，用于生成用来判定存储元件中保持的值的参考电位；以及处于第二电阻状态的参考元件，用于生成参考电位，其中，所述参考元件的电阻值高于第一电阻状态的电阻值；其中，当生成参考电位时，处于第一电阻状态的参考元件的数量大于处于第二电阻状态的参考元件的数量。

此外，根据本公开，提供了一种包括至少一个上述半导体存储装置的信息处理设备。

本发明的效果

如上所述，根据本公开，可以提供新颖且改进的半导体存储装置和信息处理设备，该半导体存储装置能够通过允许从存储元件正常读取值来实现大容量。

注意，本公开的效果不一定限于上述效果，并且与上述效果一起或者代替上述效果，可以实现本说明书中示出的任何效果或者可以从本说明书中掌握的其他效果。

附图说明

图1是示出两个存储元件的电阻值变化的示例的说明图，电阻值包括高电阻值和低电阻值。

图2是示出恒流源的一般电路配置的示例的说明图。

图3是示出漏源极电压和漏极电流之间的关系的说明图。

图4是示出根据本公开的实施例的半导体存储装置的功能配置的示例的说明图。

图5是示出根据实施例的半导体存储装置的具体电路配置的示例的说明图。

图6是示出用于参考的存储元件的组合的另一示例的说明图。

图7是示出图5中所示的半导体存储装置1的电路配置的示例的说明图。

图8a是示出用于数据存储的存储元件的配置示例的说明图。

图8b是示出用于数据存储的存储元件的配置示例的说明图。

图9a是示出用于参考的存储元件的配置示例的说明图。

图9b是示出用于参考的存储元件的配置示例的说明图。

图9c是示出用于参考的存储元件的配置示例的说明图。

图9d是示出用于参考的存储元件的配置示例的说明图。

图9e是示出用于参考的存储元件的配置示例的说明图。

图9f是示出用于参考的存储元件的配置示例的说明图。

图10是示出根据实施例的半导体存储装置1的电路配置的示例的说明图。

图11是示出根据实施例的半导体存储装置1的电路配置的示例的说明图。

图12是示出根据实施例的半导体存储装置1的电路配置的示例的说明图。

图13是示出根据实施例的包括半导体存储装置1的系统的配置示例的说明图。

图14是示出根据实施例的包括半导体存储装置1的系统的配置示例的说明图。

图15是示出可以搭载根据本公开实施例的半导体存储装置1的电子装置1000的功能配置的示例的说明图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本公开的优选实施例。注意，在本说明书和附图中，具有基本相同的功能配置的组件将由相同的附图标记表示，并且省略多余的描述。

注意，将按以下顺序给出描述。

1.本公开的实施例

1.1.概述

1.2.配置示例

2.应用示例

3.总结

<1.本公开的实施例>

[1.1.概述]

在描述本公开的实施例之前，将提供本公开的实施例的概述。

如上所述，可变电阻半导体存储装置包括由至少一个基于电阻值存储至少二进制信息的可变电阻存储元件构成的存储元件。此外，可变电阻半导体存储装置将电流流入选定的存储元件，并通过使用感测放大器检测施加到存储元件的电阻器的电压值，以读取存储在存储元件中的逻辑值。此外，可变电阻半导体存储装置的存储元件具有这样的特征，即当施加阈值或更高的电压时，根据施加的电压的方向发生向高电阻或低电阻的变化。因此，可变电阻半导体存储装置需要在不高于阈值电压的电压下进行读取。

需要准备两个电阻值的中间值，以便判别存储元件的电阻值。然而，在提供具有该中间值的用于参考的电阻元件的情况下，需要分别制造用于存储的电阻元件和用于参考的电阻元件，这导致制造成本增加。在这方面，已经公开了以下一种半导体存储装置，其中，例如，分别具有高电阻值和低电阻值的两个存储元件并联布置，并且获得电阻值的平均值作为这两个电阻值的中间值，以便判别存储元件的电阻值。

然而，在某些情况下，从具有高电阻值和低电阻值的两个存储元件获得的单纯平均值不是考虑到每个电阻值的变化的精确中值。由于从具有高电阻值和低电阻值的两个存储元件获得的单纯平均值不是中值这一事实，不能精确地读取存储元件的电阻值的可能性增加，这阻碍了大容量的实现。

因此，根据上述观点，本披露者已经努力研究了能够通过允许从半导体存储装置的存储元件正常读取值来实现大容量的技术。结果，本披露者已经设计出一种能够通过允许从半导体存储装置的存储元件正常读取值来实现大容量的技术，这将在后面描述。

图1是示出两个存储元件的电阻值变化的示例的说明图，电阻值包括高电阻值和低电阻值。假设在可变电阻存储元件的两个电阻值中，高电阻是rh，低电阻是rl。图1示出了rh和rl的分布的示例。rl和rh具有基于电阻比α的关系，由rh＝rl×(1+α)表示。一种获得用于分离rl和rh的参考值ra的方法包括取rl和rh的算术平均值的方法或取rl和rh的调和平均值的方法。在rl根据正态分布变化的情况下，正态分布中大约1σ的变量对于rh而言变为乘以(1+α)倍的变量，结果，rh的变量变得比rl的变量宽。换言之，就存储元件电阻值的可判别性而言，认为采用调和平均值的方法比采用算术平均值的方法更好。

然而，电阻比α实际上也是变化的。因此，rh的分布曲线的下部变宽，需要低电阻值，而不是单纯调和平均值。此外，通常，电流注入型放大器连接到存储元件，以便判别可变电阻存储元件的电阻状态。图2是示出恒流源的一般电路配置的示例的说明图，图3是示出漏源极电压vds和漏极电流id之间的关系的说明图。设定作为构成元件的恒流源，使得漏极电流id的变化小于漏源极电压vds的变化。因此，当具有大α值的rh的存储元件连接到电流注入型放大器时，vds变得相对较小，并且具有rh的存储元件的漏极电流id的值变得小于具有rl的存储元件的漏极电流id的值。结果，在施加恒定电流时，电流注入型放大器的输出电压变得低于期望值。因此，为了获得介于在连接到具有rl的存储元件时的输出电平和连接到具有rh的存储元件时的输出电平之间的中间输出电平，作为电流注入型放大器的实际输出，需要比调和平均值更低的电阻。

在这方面，根据本公开实施例的半导体存储装置包括具有rl的存储元件和具有rh的存储元件的组合，使得当多个用于参考的存储元件被设置为生成参考电位时，具有rl的存储元件的数量大于具有rh的存储元件的数量。通过具有rl的存储元件和具有rh的存储元件的组合(其中具有rl的存储元件的数量大于具有rh的存储元件的数量)生成参考电位，使得根据本公开实施例的半导体存储装置可以优化参考电位，并且可以精确地读取存储元件的电阻值。

[1.2.配置示例]

图4是示出根据本公开实施例的半导体存储装置的功能配置的示例的说明图。在下文中，将参考图4描述根据本公开实施例的半导体存储装置的功能配置的示例。

如图4所示，根据本公开实施例的半导体存储装置1包括：电流注入型放大器10a和10b、可变电阻存储元件21a、作为参考电阻器的可变电阻存储元件21b以及感测放大器100。

当从可变电阻存储元件21a读取数据时，电流注入型放大器10a将电流注入可变电阻存储元件21a，以放大来自可变电阻存储元件21a的输出，并输出放大后的输出到感测放大器100。电流注入型放大器10a在可变电阻存储元件21a的电阻状态为rh的情况下向感测放大器100输出高电平输出，并且在可变电阻存储元件21a的电阻状态为rl的情况下输出低电平输出。

当从可变电阻存储元件21a读取数据时，电流注入型放大器10b将电流注入可变电阻存储元件21b，以放大来自可变电阻存储元件21b的输出，并输出放大后的输出到感测放大器100。换言之，来自可变电阻存储元件21b的输出用于从存储元件20a读取数据。稍后将描述电流注入型放大器10a和10b的配置，并且电流注入型放大器10a和10b均由恒流源和用于电压箝位的晶体管构成。

可变电阻存储元件21a包括至少一个可变电阻存储元件，其基于电阻值存储至少二进制信息。可变电阻存储元件21a是用于数据存储的存储元件，可变电阻存储元件21b生成参考用的电位。在本实施例中，可变电阻存储元件21b形成为具有高电阻的存储元件和具有低电阻的存储元件的组合。具有低电阻的存储元件是其中写入逻辑值“0”的存储元件，并且具有高电阻的存储元件是其中写入逻辑值“1”的存储元件。

感测放大器100将来自可变电阻存储元件21a的输出和来自可变电阻存储元件21b的输出相互比较，并放大和输出比较结果。感测放大器100由来自存储器控制器(未示出)的激活控制信号激活。

在上文中，已经参考图4描述了根据本公开实施例的半导体存储装置的功能配置的示例。接下来，将描述根据本公开实施例的半导体存储装置的电路配置的具体示例。图5是示出根据本公开实施例的半导体存储装置的电路配置的具体示例的说明图。在下文中，将参考图5描述根据本公开实施例的半导体存储装置的电路配置的具体示例。

图5所示的半导体存储装置1包括读取电路2、参考生成电路3、存储单元阵列4和参考单元阵列5。

读取电路2包括电流注入型放大器10a和感测放大器100。电流注入型放大器10a包括恒流源11a和用于电压箝位的晶体管12a。用于电压箝位的晶体管12a由预定参考电压vref控制，以限制施加到可变电阻存储元件21a的电压。注意，可设置多个读取电路2。

参考生成电路3包括多个电流注入型放大器10b。电流注入型放大器10b包括恒流源11b和用于电压箝位的晶体管12b。用于电压箝位的晶体管12b由预定的参考电压vref控制，以限制施加到用于参考的可变电阻存储元件21b和21c的电压。

存储单元阵列4包括以矩阵形式布置的可变电阻存储元件21a。为了便于解释，图5示出了在存储单元阵列4中仅设置一个可变电阻存储元件21a的状态。

参考单元阵列5包括以矩阵形式布置的用于参考的可变电阻存储元件21b和21c。在本实施例中，假设处于低电阻状态的可变电阻存储元件是可变电阻存储元件21b，处于高电阻状态的可变电阻存储元件是可变电阻存储元件21c。注意，电阻状态可以根据写入每个存储元件的结果而改变，并且设置在参考单元阵列5中的每个存储元件并非始终不变地处于特定电阻状态。稍后将描述在参考单元阵列5中设置的用于每个存储元件中写入数据的配置。

此外，根据本实施例的半导体存储装置1包括具有rl的存储元件和具有rh的存储元件的组合，使得当多个用于参考的存储元件被设置为如上所述地生成参考电位时，具有rl的存储元件的数量大于具有rh的存储元件的数量。在图5中，两个可变电阻存储元件21b和一个可变电阻存储元件21c生成参考电位。通过具有rl的存储元件和具有rh的存储元件的组合，其中，具有rl的存储元件的数量大于具有rh的存储元件的数量，生成参考电位，使得根据本公开实施例的半导体存储装置1可以优化参考电位，并且可以精确地读取存储元件的电阻值。

用于参考的可变电阻存储元件21b和21c的组合不限于图5所示的组合。图6是示出根据本实施例的半导体存储装置1中用于参考的可变电阻存储元件21b和21c的组合的另一示例的说明图。半导体存储装置1可以具有例如以下配置，其中，通过如图6所示并联布置多个组，每个组包括1列的处于rl状态的两个可变电阻存储元件21b和处于rh状态的一个可变电阻存储元件21c，具有rl的存储元件的数量大于具有rh的存储元件的数量。

图7是示出图5中示出的半导体存储装置1的电路配置的示例的说明图，并且示出半导体存储装置1在每个存储元件中设置选择晶体管的情况下的电路配置的示例。如图7所示，存储元件20a可以由可变电阻存储元件21a和串联连接到可变电阻存储元件21a的选择晶体管22a构成，存储元件20b可以由可变电阻存储元件21b和串联连接到可变电阻存储元件21b的选择晶体管22b构成，存储元件20c可以由可变电阻存储元件21c和串联连接到可变电阻存储元件21c的选择晶体管22c构成。选择晶体管22a、22b和22c均具有连接到行选择线wl的栅极、连接到源极线sl的源极和连接到可变电阻存储元件的漏极。

在图7所示的示例中，对于每行，参考单元阵列5包括处于rl状态的两个可变电阻存储元件21b和处于rh状态的一个可变电阻存储元件21c。换言之，当高电平电位被施加到任何行的行选择线wl并且选定该行时，半导体存储装置1通过使用两个可变电阻存储元件21b和一个可变电阻存储元件21c来生成参考电位。

注意，参考单元阵列5可以包括每行的可变电阻存储元件21b和可变电阻存储元件21c的不同组合，只要可变电阻存储元件21b的数量大于可变电阻存储元件21c的数量即可。例如，参考单元阵列5可以在任一行中包括四个可变电阻存储元件21b和一个可变电阻存储元件21c，并且可以在另一行中包括三个可变电阻存储元件21b和两个可变电阻存储元件21c。

用于数据存储的存储元件20a可以采用各种配置。图8a和图8b是示出用于数据存储的存储元件20a的配置示例的说明图。如图8a所示，可变电阻存储元件21a可以设置在源极线sl和选择晶体管22a之间，或者如图8b所示，设置在源极线sl和行选择线wl之间。

用于参考的存储元件20b和20c可以采用各种配置。图9a至图9f是示出各种用于参考的存储元件20b和20c的配置示例的说明图。用于参考的存储元件20b和20c可以具有图9a至图9f中任一图的配置或者其他各种配置，只要可变电阻存储元件21b的数量大于可变电阻存储元件21c的数量即可。

图9a至图9c示出了在三组彼此串联连接的三个可变电阻存储元件彼此并联布置以生成参考电位的情况下的配置示例。彼此串联连接的可变电阻存储元件中的一个具有高电阻，而另外两个具有低电阻。因此，作为整体，处于高电阻状态的三个可变电阻存储元件和处于低电阻状态的六个可变电阻存储元件生成参考电位。图9a至图9c所示的配置之间的差异是选择晶体管的位置或者选择晶体管的存在与否。

图9d至图9f示出了在三组彼此并联连接的三个可变电阻存储元件彼此串联连接以生成参考电位的情况下的配置示例。彼此串联连接的可变电阻存储元件中的一个具有高电阻，而另外两个具有低电阻。因此，作为整体，处于高电阻状态的三个可变电阻存储元件和处于低电阻状态的六个可变电阻存储元件生成参考电位。图9d至图9f所示的配置之间的差异是选择晶体管的位置或者选择晶体管的存在与否。

根据本实施例的半导体存储装置1的用于参考的存储元件20b和20c可以与用于数据的存储元件20a形成在相同的阵列中。图10是示出根据本实施例的半导体存储装置1的电路配置的示例的说明图，并且示出在用于参考的存储元件20b和20c与用于数据的存储元件20a形成在相同阵列中的情况下的电路配置的示例。如上所述，用于参考的存储元件20b和20c与用于数据的存储元件20a形成在相同的阵列中，使得可以简化半导体存储装置1的制造过程。

可变电阻存储元件的电阻状态可以根据施加超过由装置的构成确定的阈值的电压的方向而在rh和rl之间切换。因此，根据本实施例的半导体存储装置1也可以具有以下配置，其中，通过写入一值，即通过施加电压，来改变用于参考的可变电阻存储元件的电阻状态。

图11是示出根据本实施例的半导体存储装置1的电路配置的示例的说明图。图10示出了半导体存储装置1在将用于将值写入用于参考的可变电阻存储元件的配置添加到图7所示的半导体存储装置1的情况下的电路配置的示例。在图11中，示出了用于在用于参考的可变电阻存储元件中写入数据的写入电路60。写入电路60是用于将从源极线sl和位线b1施加的预定电位施加到用于参考的可变电阻存储元件的电路。此外，在图11中，还示出了当通过使用写入电路60将数据写入用于参考的可变电阻存储元件时，用于将存储元件与电流注入型放大器10b隔离的开关70。

控制写电路60处于至少三种状态。这三种状态包括位线bl在读取时固定到地的状态(控制源极线侧具有高阻抗)、预定写入电压施加到源极线侧并且位线处于接地状态的状态、以及预定写入电压施加到位线侧并且源极线在写入时处于接地状态的状态。在写入时，由可变电阻存储元件的构成确定哪种状态变为值1。

根据本实施例的半导体存储装置1还可以包括电阻器，用于保持要写入用于参考的可变电阻存储元件中的值。图12是示出根据本实施例的半导体存储装置1的电路配置的示例的说明图。图12示出了在还包括用于在用于参考的可变电阻存储元件中写入值的电阻器80的情况下半导体存储装置1的配置的示例。

每个电阻器80被设定成保持逻辑值为0或1的状态。当在用于参考的可变电阻存储元件中写入值时，保持在电阻器80中的值由写入电路60写入用于参考的可变电阻存储元件中。注意，保持在电阻器80中的值能够从半导体存储装置1的外部设定。

<2.应用示例>

根据本公开实施例的一个或多个半导体存储装置1可以与控制半导体存储装置1的控制电路搭载到相同的半导体装置中，或者可以与控制半导体存储装置1的控制电路搭载到到不同的半导体装置中。图13和图14是示出包括根据本公开实施例的半导体存储装置1的系统的配置示例的说明图。

图13中示出的示例是半导体存储装置1连接到包括信号处理电路211的半导体装置210的示例。信号处理电路211是生成用于从半导体存储装置1读取数据和在半导体存储装置1中写入数据的信号的电路。

此外，图14中示出的示例是半导体存储装置1设置在包括信号处理电路211的半导体装置210中的示例。

然后，根据本公开实施例的半导体存储装置1可以安装在各种电子装置上。根据本公开实施例的半导体存储装置1可以安装在其上的电子装置包括智能手机、桌面终端、数字静态相机、数字摄像机、音乐播放器、机顶盒、计算机、电视、时钟、有源扬声器、耳机、游戏机、收音机、测量仪器、电子标签、信标等。

图15是示出可以安装根据本公开实施例的半导体存储装置1的电子装置1000的功能配置的示例的说明图。图15所示的电子装置1000包括系统级封装1100、天线1110、扬声器1120、麦克风1130、显示装置1140、输入装置1150、传感器1160和电源1170。此外，系统级封装1100包括处理器1200、无线通信接口1210和音频电路1220。

天线1110是用于执行移动通信、无线lan或短程通信的天线，并且连接到无线通信接口1210。扬声器1120输出声音并连接到音频电路1220。麦克风1130收集电子装置1000周围的环境声音，并连接到音频电路1220。

显示装置1140由例如液晶显示器、有机el显示器、发光二极管(led)指示器等配置，并且连接到处理器1200。输入装置1150由例如键盘、按钮、触摸板等配置，并且连接到处理器1200。

传感器1160具有光学传感器、位置传感器、加速度传感器、生物传感器、磁传感器、机械传感器、热传感器、电传感器、化学传感器等的功能。根据本公开实施例的可变电阻半导体存储装置1可以连接到传感器1160。电源1170向电子装置1000供电，并且例如是从电池、ac适配器等供电的电源。

处理器1200是用于控制电子装置1000的操作的电子电路，并且根据本公开实施例的可变电阻半导体存储装置1可以连接在系统级封装1100内部或者系统级封装1100外部。

无线通信接口1210具有诸如移动通信、无线lan或短程通信等功能。根据本公开实施例的可变电阻半导体存储装置1可以连接到无线通信接口1210。音频电路1220具有控制扬声器1120和麦克风1130的功能，并且根据本公开实施例的可变电阻半导体存储装置1可以连接到音频电路1220。

根据本公开实施例的可变电阻半导体存储装置1安装在这种电子装置1000上，使得可以提高读取数据时的可靠性。

<3.总结>

如上所述，根据本公开的实施例，提供了一种半导体存储装置，该半导体存储装置通过利用具有rl的存储元件和具有rh的存储元件的组合，其中，具有rl的存储元件的数量大于具有rh的存储元件的数量，来生成参考电位，可以优化参考电位并且精确读取存储元件的电阻值。

根据本公开实施例的半导体存储装置1可以是可变电阻半导体存储装置，例如，自旋随机存取存储器(自旋ram)。

上文已经参考附图详细描述了本公开的优选实施例，但是本公开的技术范围不限于这些示例。显然，在本公开的技术领域中具有普通知识的人可以在权利要求中描述的技术思想的范围内构思出各种修改或变更，并且应当理解，这些修改或变更自然落入本公开的技术范围内。

此外，本说明书中描述的效果仅仅是说明性的或示例性的，而不是限制性的。即，除了或代替上述效果，根据本公开的技术可以实现从本说明书的描述中对本领域技术人员显而易见的其他效果。

注意，以下配置也落在本公开的技术范围内。

(1)一种半导体存储装置，包括：

存储元件；

处于第一电阻状态的参考元件，用于生成用于判别存储元件中保持的值的参考电位；以及

处于第二电阻状态的参考元件，用于生成所述参考电位，其中，该参考元件的电阻值高于第一电阻状态的电阻值，

其中，当生成参考电位时，处于第一电阻状态的参考元件的数量大于处于第二电阻状态的参考元件的数量。

(2)根据(1)所述的半导体存储装置，还包括被配置为在所述参考元件中写入值的写入电路。

(3)根据(2)所述的半导体存储装置，还包括：

电流注入型放大器，其被配置为向参考元件提供电流，以放大来自存储元件的输出；以及

开关，其被配置为当所述写入电路在参考元件中写入值时，将电流注入型放大器和参考元件彼此分离。

(4)根据(2)或(3)所述的半导体存储装置，其中，所述写入电路在参考元件中写入用于获取第一电阻状态或第二电阻状态的值。

(5)根据(4)所述的半导体存储装置，其中，所述写入电路包括电阻器，所述电阻器被配置为保持用于在参考元件中获取第一电阻状态或第二电阻状态的值。

(6)根据(1)～(5)中任一项所述的半导体存储装置，其中，所述参考元件包括可变电阻存储元件。

(7)根据(1)～(6)中任一项所述的半导体存储装置，其中，所述参考元件包括可变磁阻存储元件。

(8)一种信息处理设备，包括至少一个根据(1)～(7)中任一项所述的半导体存储装置。

附图标记列表

1半导体存储装置

2读取电路

3参考生成电路

4存储单元阵列

5参考单元阵列

10a电流注入型放大器

10b电流注入型放大器

11a恒流源

11b恒流源

12a用于电压箝位的晶体管

12b用于电压箝位的晶体管

20a存储元件

20b存储元件

20c存储元件

21a可变电阻存储元件

21b可变电阻存储元件

21c可变电阻存储元件

22a选择晶体管

22b选择晶体管

22c选择晶体管

60写入电路

70开关

80电阻器

100感测放大器

1000电子装置

bl位线

sl源极线

wl行选择线