[發明專利]面內讀寫的鐵電阻變存儲器及其增強讀/寫信號的方法

有效

• 申請號: 201810165811.5
• 申請日: 2018-02-28
• 公開（公告）號: CN108389962B
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 江安全;陳東方
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01L45/00
• 分類號: H01L45/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發明屬于鐵電存儲技術領域，具體為一種面內讀寫的鐵電阻變存儲器及其增強讀/寫信號的方法。本發明首先提供一種新穎的面內讀寫的鐵電阻變存儲器件，包括在鐵電薄膜材料表面制備納米存儲單元，并通過合理調整電極陣列實現增強讀寫信號；這種效果主要來自于帶電疇壁的人工誘導，即通過有意識的將讀寫電極對與電疇取向呈一定夾角來構建帶電疇壁。由于帶電疇壁的導電率遠高于普通疇壁，能形成帶電疇壁的元器件在開態下的電流比常規開態電流高出兩個數量級，使信息容易被存儲器內高速電路識別。本發明的這種增大讀寫電流的方法只需要調整存儲單元電極對與電疇的水平夾角，工藝簡單，不會影響薄膜性能，并且適用于小尺寸、高密度器件的制備。

技術領域

本發明屬于鐵電存儲技術領域，具體涉及一種基于疇壁導電的新型高密度存儲器件，并涉及增強讀/寫信號的方法。

背景技術

非易失存儲器作為大數據時代的信息載體，是移動互聯網、物聯網及人工智能時代的柱石，擁有每年千億級人民幣的市場份額。在行業代表快閃存儲器（flash memory）的性能日益趨近瓶頸的背景下，下一代存儲器件的研制蓬勃發展。鐵電薄膜的自發極化特性及內部電疇皮秒級（40ps）的翻轉速度完美的滿足了行業對新式存儲器“高速”、“穩定”的需求。然而傳統的鐵電電容存儲器（ferroelectric capacitive memory）始終受存儲密度的限制，因為這種存儲器的工作模式需要采用1 個晶體管 T 和一個鐵電電容 C（即 1T1C）作為存儲單元，并以該單元作為電路設計為基礎。在讀取操作過程中，利用電荷積分的方法，通過對鐵電電容和參考電容同時施加一個脈沖電壓后得到的電荷值的對比來判斷鐵電薄膜層的電疇是否發生翻轉，從而識別存儲單元中的邏輯信息。為了讓讓電路能夠識別，鐵電電容的面積必須達到微米級才能保證有足夠的翻轉電流。由于存儲單位無法進一步縮小，這種存儲器的密度便難以提高，目前實驗室能做出的最大容量也只有128M，而且能投入市場的產品容量則更小。而且，鐵電電容存儲器按基本工作或操作模式是破壞性讀出，因為在識別存儲單元的邏輯信息時需要電疇翻轉，從而改變了其原本的存儲狀態。并且這種電荷積分對比的讀取過程中，鐵電電容和參考電容中得到的積分電荷比例很小，在2:1左右，故可靠性差，在讀取操作后需要重新寫回原來的邏輯信息狀態，過頻的電疇翻轉也會降低器件的使用壽命。基于疇壁導電的鐵電阻變存儲器（ferro-resistive memory）由于不需要采用傳統的1T1C結構作為存儲單元，可以極大的提高存儲密度，理論上按2納米為一個存儲單元計算，這種存儲器的密度可達10Tb，從而可以在未來作為一種通用存儲器應用于市場。

鐵電阻變存儲器是通過鐵電薄膜內部疇壁的形成和消失，分別得到高低兩個阻態，從而實現信息的存儲與讀取，在同一加載電壓下，薄膜的兩個阻態比（電流開關比）達1000:1，具有非常高的可靠性。由于信息讀取時加載電壓低，不會破壞薄膜內部電疇的狀態，使這種存儲器具有功耗低，非破壞讀取，使用壽命長等一系列優點。目前報道的存儲單元已達50納米量級，并且還在不斷縮小，能夠滿足高存儲密度的需求。然而這種新型器件的存儲單元，在開態下讀出的疇壁電流只有pA-nA量級，難以被邏輯電路識別，會嚴重影響器件的存儲速度。同時，國際上對疇壁導電的研究主要是通過壓電力顯微鏡的導電針尖在薄膜微區施加電場造成局部電疇的翻轉產生疇壁，這種方法明顯無法與目前硅基的半導體工藝兼容，從而制約了這種新型存儲器產業化的進程。

本發明采用面內電極讀寫存儲單元結構，與半導體工藝完全兼容。在此前提下，通過合理制備納米電極陣列，使正常情況下讀出的nA量級疇壁電流增大兩個數量級，達300nA量級，滿足了被高速存儲器電路識別的要求。

發明內容

本發明的目的是在于提供一種面內讀寫的鐵電阻變存儲器及其增強讀/寫信號的方法。

為實現以上目的，本發明提供以下技術方案。