[發(fā)明專利]非破壞性讀出鐵電存儲(chǔ)器及其制備方法和操作方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510036586.1
• 申請(qǐng)日: 2015-01-24
• 公開（公告）號(hào): CN104637949B
• 公開（公告）日: 2017-11-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 江安全;耿文平;江鈞
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L27/11507
• 分類號(hào): H01L27/11507;G11C11/22
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司31200
• 代理人: 陸飛,盛志范

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鐵電存儲(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及非破壞性讀出鐵電存儲(chǔ)器，尤其涉及一種基于具有間隙的電極進(jìn)行非破壞性讀出操作的鐵電存儲(chǔ)器以及該鐵電存儲(chǔ)器的制備方法和操作方法。

背景技術(shù)

鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) 是利用鐵電疇（或稱為“電疇”）在電場(chǎng)中兩種不同極化取向作為邏輯信息（“0”或“1”）來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的非易失性存儲(chǔ)器（Non-volatile Memory），其也可以稱為“鐵電存儲(chǔ)器”。

鐵電存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)介質(zhì)層即為具有可反轉(zhuǎn)（或稱為“翻轉(zhuǎn)”）的鐵電疇的鐵電薄膜層，目前，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)可測(cè)出的電疇反轉(zhuǎn)的最快速度可達(dá)到0.2 ns，實(shí)際上它還可以更快。通常地，電疇的反轉(zhuǎn)速度決定了存儲(chǔ)器的讀寫時(shí)間，電疇反轉(zhuǎn)的矯頑電壓決定了器件的讀寫電壓，它會(huì)隨著薄膜厚度的降低而幾乎呈等比例地減小。因此，鐵電存儲(chǔ)器具有數(shù)據(jù)讀速度快、驅(qū)動(dòng)電壓低和存儲(chǔ)密度高等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了廣泛的關(guān)注和較快的發(fā)展。

目前，鐵電存儲(chǔ)器按基本工作或操作模式主要可分為：破壞性讀出(DRO)的FRAM和非破壞性讀出(NDRO)的FeFET兩大類。

破壞性讀出(DRO)鐵電存儲(chǔ)器是以鐵電電容（以鐵電薄膜層作為介質(zhì)層形成的電容）取代常規(guī)的存儲(chǔ)電荷電容,并利用它的極化反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入與讀取。迄今為止，市場(chǎng)上應(yīng)用的所有鐵電存儲(chǔ)器都是采用這種工作模式，其中以1個(gè)晶體管T和一個(gè)鐵電電容C（即1T1C）構(gòu)建存儲(chǔ)單元，并以該1T1C存儲(chǔ)單元作為電路設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，在讀取操作過程中，采用電荷積分的方法，通過對(duì)與1T1C存儲(chǔ)單元串聯(lián)的參考電容進(jìn)行電壓讀取來判斷鐵電薄膜層的電疇是否反轉(zhuǎn)，從而識(shí)別存儲(chǔ)單元中的邏輯信息。這種鐵電存儲(chǔ)器在讀取操作中，電壓讀取會(huì)導(dǎo)致鐵電薄膜層的電疇反轉(zhuǎn)，因此，它的缺點(diǎn)是信息讀取是破壞性的，可靠性差，在讀取操作后需要重新寫回原來的邏輯信息狀態(tài)。另外，隨著器件集成密度的提高，存儲(chǔ)單元的鐵電電容C的面積不斷縮小，而讀出電荷是與鐵電電容C的面積成正比的，因此可讀出電荷也越來越少；當(dāng)器件存儲(chǔ)單元尺寸小于130nm時(shí)，目前讀出電路基本無法識(shí)別存儲(chǔ)單元中所存儲(chǔ)的邏輯信息，嚴(yán)重地阻礙了鐵電存儲(chǔ)器向高密度方向發(fā)展。

非破壞性讀出(NDRO)鐵電存儲(chǔ)器則是利用鐵電薄膜層取代常規(guī)MOSFET的柵介質(zhì)層而構(gòu)成MFS結(jié)構(gòu)的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FeFET)。通過極化方向的控制可以改變漏電流I_ds大小，差距可以達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)，存儲(chǔ)信息可以在很小的電壓下實(shí)現(xiàn)非破壞讀取。它具有高密度集成、高讀寫速度、非破壞讀取和低功耗等特點(diǎn)，但是由于該器件的邏輯信息保持性能差，一般只能達(dá)到數(shù)天，而存儲(chǔ)器市場(chǎng)一般要求不小于10年。因此這一結(jié)構(gòu)目前還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，未能實(shí)際運(yùn)用到存儲(chǔ)器產(chǎn)品中。

因此，當(dāng)前商業(yè)化應(yīng)用的破壞性讀出(DRO)鐵電存儲(chǔ)器主要是以對(duì)鐵電電容以電荷積分方式讀出的，如以上所總結(jié)，其具有破壞性讀取的缺點(diǎn)，讀出后需要重新寫入數(shù)據(jù)，從而伴隨著大量的擦除和重寫的操作，導(dǎo)致器件的可靠性降低，影響了數(shù)據(jù)讀取速度；并且，這種讀取原理限制了鐵電電容C按比例縮小，存儲(chǔ)密度低，例如，目前商業(yè)化應(yīng)用的鐵電存儲(chǔ)器最大只有8MB。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的之一在于提供一種能以電流讀取方式實(shí)現(xiàn)非破壞性讀出的、存儲(chǔ)性能好的鐵電存儲(chǔ)器及其制備方法與操作方法。

為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案。

本發(fā)明的一方面提供一種非破壞性讀出鐵電存儲(chǔ)器，包括第一電極層107、第二電極層103和設(shè)置在所述第一電極層107與第二電極層103之間的鐵電薄膜層105，所述第一電極層107中設(shè)置有將其分為至少兩個(gè)部分的間隙109，所述鐵電薄膜層105的電疇1051、1053的極化方向基本不垂直且基本不平行所述第一電極層107的法線方向；

其中，在所述第一電極層107中的鄰接所述間隙109的兩個(gè)部分之間偏置某一方向的讀信號(hào)時(shí)，對(duì)應(yīng)所述間隙109的部分所述鐵電薄膜層105的電疇局部被反轉(zhuǎn)而建立疇壁導(dǎo)電通道。

根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的非破壞性讀出鐵電存儲(chǔ)器，其中，所述第一電極層中107的至少兩個(gè)部分包括第一讀電極部分和第二讀電極部分，所述第一讀電極部分和第二讀電極部分組成讀電極對(duì)，所述讀信號(hào)被偏置在所述讀電極對(duì)上。

根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的非破壞性讀出鐵電存儲(chǔ)器，其中，在所述第一電極層107和第二電極層103之間可操作地偏置寫信號(hào)以使所述鐵電薄膜層105中的電疇1051、1053的極化方向發(fā)生統(tǒng)一地翻轉(zhuǎn)。