[發明專利]具有非易失性存儲能力的存儲結構及其操作方法

有效

• 申請號: 201810223875.6
• 申請日: 2018-03-19
• 公開（公告）號: CN108630250B
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發明（設計）人: G·博蘇
• 申請（專利權）人: 格芯美國公司
• 主分類號: G11C5/14
• 分類號: G11C5/14;G11C7/22;H01L27/11
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所 11247
• 代理人: 李崢;于靜

本發明涉及具有非易失性存儲能力的存儲結構及其操作方法。本公開提供了具有類似靜態RAM的操作特性的存儲單元或存儲結構，但是其仍然在單個位的基礎上提供非易失性存儲能力。為此，諸如鐵電晶體管元件的非易失性存儲元件可以設置在反相器結構內，以便允許通過增加用于操作該反相器的電壓差而在任何期望的操作階段存儲邏輯狀態。在示例性實施例中，存儲的邏輯狀態可以在上電事件期間重新建立。

技術領域

一般而言，本公開涉及電子數據存儲技術，其中在存儲結構斷電之后維持存儲結構的邏輯狀態。

背景技術

在包括電子部件的許多技術系統中，必須實施各種不同的電子數據存儲技術以保證相應技術系統的適當的運行。例如，在許多應用中，不同類型的信息必須被處理并因此被存儲，這通常是基于數字數據來完成。信息的基本實體可以被認為是具有承擔兩種不同邏輯狀態的能力的實體。當在硬件中實現相應的邏輯狀態時，必須提供適當的電子配置，該電子配置能夠呈現兩種不同的電子狀態。這些不同的電子狀態可以在“讀取”相應的邏輯狀態時被有效地檢測到，并且這些不同的電子狀態可以通過適當地對所需的邏輯狀態進行“寫入”或“編程”來根據底層信息位而容易地被改變。為此，諸如寄存器、存儲單元等的各種各樣的電子配置在本領域中是公知的，其中每種類型的存儲結構可以表現出特定的操作優點和缺點。

例如，如果要將大量的數據暫時存儲在諸如計算機、微控制器等的電子設備中，則可能需要頻繁地存取數據。如果非常高的存取速度不是最優先的，則可以頻繁地使用所謂的動態存儲器，其可以被有效地實現為需要單個存儲電容器和用于實現單個信息位的一個晶體管的集成電路區域。由于必須周期性地刷新相應存儲電容器中的電荷的這樣的事實并且由于在對相應的存儲電容器進行“寫入”或“編程”時需要移位相對高的電荷量，所以與所謂的靜態存儲器結構相比，可達到的存取速度降低。在這些靜態存儲器結構中，可以通過諸如晶體管的電路元件的導通狀態來確定某個邏輯狀態，并且通過改變該電路元件的狀態來實現邏輯狀態的改變，由此提供基本上由相關電路元件的切換時間確定的存取速度。因此，在這種情況下，靜態存儲器單元的邏輯狀態的改變可以按照考慮到的技術節點的各個晶體管元件的切換時間的量級來改變。盡管上述特定的存儲技術可以表示高效的技術，其可以容易地在任何類型的集成電路中實現，但是數據存儲受限于設備被上電的時間。在斷電事件之后，數據丟失。

因此，已經開發了許多非易失性數據存儲技術，諸如基于磁存儲設備、光存儲技術的大容量存儲系統，其通常被提供作為能夠存儲大量數據的外圍系統，然而，這需要相對長的存取時間。因此，為了實現非易失性存儲技術以補充或替代基于半導體的存儲結構，已經做出了重大努力。例如，閃存可以用作非易失性存儲結構，其中可以動態地重新配置的被適當設計的電容結構被用在晶體管配置中，以特別地影響晶體管特性，諸如閾值電壓等。例如，電荷載流子可以被注入到晶體管溝道附近的電介質材料中或被從其中移除，以便基于電介質材料內的載流子來控制晶體管的性能。以這種方式，當操作晶體管時可以容易地檢測到晶體管特性的差異，并且因此可以檢測到反映期望的邏輯狀態的電容配置的特定狀態，從而該特定的狀態由此被“讀出”。另一方面，通過改變晶體管元件中的電容配置，可以在其中存儲期望的邏輯狀態，這通常通過建立特定的操作條件來完成，以便對相應的晶體管進行“編程”。以這種方式，單個晶體管可能足以存儲單個位的信息，這可能需要用于在對存儲晶體管進行編程時建立特定操作條件的任何額外的電路。盡管閃存結構的這樣的存儲晶體管(其中電荷可以被俘獲在晶體管的柵電極的特定部分中或被從該晶體管的柵電極的特定部分中釋放)可以提供用于存儲單個位信息的非常有效的解決方案，然而特別地，先進半導體器件的持續縮放可能導致極大的困難。也就是說，當形成相應的柵電極結構時，這樣的存儲晶體管的整個柵極尺寸的進一步減小可能需要高度復雜的技術。因此，這種浮柵型存儲晶體管的實現可能導致極大的挑戰，由此需要額外的努力并增加制造工藝的復雜性，這最終可能導致總體成本增加。

在其他方法中，已經利用鐵電效應來提供諸如電阻器、晶體管等的電路元件，其中鐵電材料可以被極化以適當地影響操作特性。然后相應的極化狀態可以被認為是相應的邏輯狀態，因此可以將其寫入到包括該極化的鐵電材料的對應的電路元件中或者可以將其從包括該極化的鐵電材料的對應的電路元件中讀出。