[发明专利]非易失性半导体存储装置及其驱动方法

说明书

技术领域

本发明涉及非易失性半导体存储装置及其驱动方法，特别涉及对改写次数有限制的非易失性半导体装置及其驱动方法。

背景技术

近年来，作为应该称为后期闪速存储器（post flash memory）的非易失性存储器，使用通过施加电压脉冲而电阻可逆地变化的可变电阻元件的电阻性非易失性存储器RRAM（Resistive Random Access Memory；RRAM是本申请人即夏普株式会社的注册商标）正在不断实用化。

图15表示该RRAM的概略结构图。图15所示的RRAM100是将成为第2电极的下部电极103和可变电阻体102、和成为第1电极的上部电极101依次层叠了的极其单纯的结构。作为可变电阻体102，例如能够利用作为过渡金属的氧化物的氧化钛（TiO₂）膜、氧化镍（NiO）膜、氧化锌（ZnO）膜、氧化铌（Nb₂O₅）膜（参照下述专利文献1、非专利文献1）。而且，该RRAM通过对上部电极101和下部电极103之间施加电压脉冲，能够使可变电阻体102的电阻值可逆地变化。而且，是通过读出该可逆的电阻变化工作的电阻值，能够实现电阻性非易失性存储器的结构。

RRAM的写入（擦除）特性与闪速存储器的差别大。例如在称为双极开关的模式中，电阻增加、电阻减少这2个电阻变化均能够通过1.5V到3V的低电压的电压施加而在数10纳秒中实现。由此，能够实现同时进行信息“1”的写入（擦除工作）、和信息“0”的写入（写入工作），即能够能够实现数据的重写，能够以高速实现位单位的改写工作。该RRAM的目的在于能够实现与DRAM（Dynamic Random Access Memory，动态随机存取存储器）同等的读写速度。

现有的DRAM具有通过开关MISFET和串联连接于该开关MISFET的电容器构成的存储器单元（memory cell），通过在该电容中蓄积电荷来进行信息的存储。因此，从通过在电容器蓄积电荷来存储信息的特性出发，具有对改写次数几乎没有限制的长处。

另一方面，在RRAM的情况下，是通过使可变电阻体的电阻值变化来进行信息的改写的结构。而且，认为在该可变电阻体的电阻值的变化中，构成可变电阻体的金属氧化物中的氧的行动对电阻变化起较大的作用。即，认为当金属氧化物中产生缺氧时，金属氧化物的电阻低电阻化，相反，通过再次以氧填补该缺氧，从而高电阻化。而且，具体地，认为该缺氧的发生是通过对高电阻状态的元件施加高电场，氧离子（O^2-）在电场施加方向移动，在由于该氧离子的移动而缺失氧离子之处产生缺氧，在通过该缺氧而发生的定域能级间通过载流子进行传导的漂移电导，电阻变低。此外，关于低电阻化了的元件的高电阻化，认为是通过对低电阻部流过电流，以焦耳热对其加热，当变为某个阈值电流以上时，缺氧部再次被氧填补，再次高电阻化。

因此，RRAM中的信息的写入是与金属氧化物中的氧离子的移动这一物理变化相伴的电阻变化而导致的，因此与通过电荷的蓄积、移动来写入信息的DRAM相比，信息存储部（即可变电阻体）受到的物理损伤大。即，通过在RRAM中反复进行改写工作（使电阻变化），产生不能实现缺氧的产生、氧的再结合的存储器单元。在这样的存储器单元的情况下，即使为了改写而施加电压也不能使电阻状态变化，这意味着不能正确地执行信息的改写。

也就是说，RRAM的情况下，与DRAM相比，存在对改写次数有限度的问题。受其影响，在RRAM中，需要用于抑制对同一存储器单元的改写次数，延长各存储器单元的寿命的方法。

历来，作为延长非易失性存储器的寿命的方法，使用在存储器芯片内对存储器单元的使用次数进行平均化的损耗均衡法。在该方法中，通过以块单位管理改写次数、改写顺序，从而延长寿命。

例如，在下述专利文献2中，记载了对块设置擦除次数计数器，通过从擦除次数计数器的值小的块起优先进行利用，对全部的块的擦除次数进行平均化，从而延长非易失性存储器的寿命的方法。此外，在下述专利文献3中，记载了与从FILO（First in Least Out，先进后出）读出的空物理地址值进行交换，以使进行数据的改写的物理地址不偏向，由此延长非易失性存储器的寿命的方法，其中，所述FILO将逻辑地址变换为物理地址的表的物理地址值写入空物理地址值。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特表2002-537627号公报；

专利文献2：日本特开平9-97218号公报；