專利名稱：一種鐵電體數(shù)據(jù)處理器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鐵電體數(shù)據(jù)處理器件，特別是采用有源或無源電子尋址方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和/或存儲(chǔ)的鐵電體數(shù)據(jù)處理器件，該器件包括具有鐵電材料薄膜結(jié)構(gòu)的一個(gè)數(shù)據(jù)載體，其中所說鐵電材料在施加的電場作用下會(huì)達(dá)到一種第一極化狀態(tài)或一種第二極化狀態(tài)，即從一種無序狀態(tài)轉(zhuǎn)換到其中一種極化狀態(tài)，或者從所說第一極化狀態(tài)轉(zhuǎn)換到所說第二極化狀態(tài)，或者反過來，其中所說鐵電材料構(gòu)成多個(gè)邏輯單元，并且一個(gè)邏輯單元的一種極化狀態(tài)表示該邏輯單元的一個(gè)邏輯值。
本發(fā)明還涉及用于制造所說鐵電體數(shù)據(jù)處理器件的一種方法，以及在鐵電體數(shù)據(jù)處理器件中尋址邏輯單元的一種方法，其中所說邏輯單元構(gòu)成一個(gè)電連接無源矩陣變換電路，具體地說，該電路根據(jù)尋址操作是否引起在邏輯單元中可能已經(jīng)存在的一種極化狀態(tài)的改變，而采用有源或無源電子尋址方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和/或存儲(chǔ)，所說器件包括具有鐵電材料薄膜結(jié)構(gòu)的一個(gè)數(shù)據(jù)載體，其中所說鐵電薄膜在施加的電場作用下會(huì)達(dá)到一種第一極化狀態(tài)或一種第二極化狀態(tài)，并且從一種無序狀態(tài)轉(zhuǎn)換到其中一種極化狀態(tài)，或者從所說第一種極化狀態(tài)轉(zhuǎn)換到第二種極化狀態(tài)，或者反過來，所說鐵電薄膜構(gòu)成一第一電極結(jié)構(gòu)或一第二電極結(jié)構(gòu)中或與它們分別相鄰的一連續(xù)層，并且包含多個(gè)邏輯單元，所說邏輯單元與該第一電極結(jié)構(gòu)和第二電極結(jié)構(gòu)中的電極接觸，其中一個(gè)邏輯單元的一種極化狀態(tài)表示所說邏輯單元的邏輯值，而所說尋址過程包括在所說邏輯單元中寫入、讀取、擦除和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的步驟。
一般來說，本發(fā)明涉及具有由鐵電材料構(gòu)成的邏輯單元的數(shù)據(jù)處理器件。在這里，假定鐵電體現(xiàn)象是本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的，因?yàn)檫@方面的內(nèi)容在文獻(xiàn)中已有深入的討論，例如在J.M.Herbert所著的《Ferroelectric Transducers and Sensors》(Gordon and Breach，1982)中所述，在該書第126-130頁，提出一種由設(shè)置在一個(gè)x，y電極矩陣中的正交電極之間的鈦酸鋇單晶構(gòu)成的鐵電體存儲(chǔ)器。作者認(rèn)為以這種簡單方式使用鐵電體單晶作為信息存儲(chǔ)單元在實(shí)踐上是相當(dāng)困難的。關(guān)于最近的綜述文獻(xiàn)，可以參見R.G.Kepler和R.A.Anderson在《Advances in Physics》(Vol.41，No.1，pp.1-57(1992))中的論述。
如上所述，所說數(shù)據(jù)載體是由薄膜結(jié)構(gòu)的鐵電材料構(gòu)成的。這種鐵電體薄膜，無論是無機(jī)材料、陶瓷材料、聚合物的，還是液晶材料的，人們都已熟知，關(guān)于這方面的內(nèi)容，可以參見由Kepler和Anderson所寫的上述論文。例如，從J.F.Scott所撰寫的“Ferroelectric Memories”《Physics World》(1995年2月，pp.46-50)可知由鐵電體記憶材料制成的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件。它們的共同點(diǎn)在于在每一比特位置或存儲(chǔ)單元中都需要至少一個(gè)晶體管。在大部分應(yīng)用中，鐵電材料用作相應(yīng)存儲(chǔ)器電路中的電介質(zhì)，并且構(gòu)成一個(gè)比特存儲(chǔ)電容器。由于鐵電材料具有較高的介電常數(shù)，這種電容器要比采用其它可能的方法制成的電容器小得多，并且還具有相當(dāng)長的充電壽命。近來，科研進(jìn)展主要集中在鐵電材料的其它特性上，也就是說當(dāng)它們受到強(qiáng)電場作用時(shí)發(fā)生電極化的性能。在極化過程中，鐵電材料的偶極子達(dá)到優(yōu)選取向，這會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生宏觀的偶極矩，在極化場取消后，這個(gè)偶極矩仍然會(huì)保持下來。如果在存儲(chǔ)單元電路中的場效應(yīng)晶體管的柵電極結(jié)構(gòu)中使用鐵電材料，則可以通過控制鐵電材料的極化狀態(tài)控制該晶體管的跨導(dǎo)特性。鐵電材料的極化狀態(tài)可以利用諸如具有一定方向的極化場進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以使晶體管的跨導(dǎo)狀態(tài)處于“on”狀態(tài)或者“off”狀態(tài)。
歐洲專利EP-0721189公開了一種鐵電體存儲(chǔ)器，這種存儲(chǔ)器由設(shè)置在電極矩陣中的多個(gè)分立存儲(chǔ)單元構(gòu)成。除了一個(gè)分立的鐵電體電容器，每個(gè)存儲(chǔ)單元還包括轉(zhuǎn)換元件，可取的是采用至少一個(gè)晶體管的結(jié)構(gòu)。因此，所說分立存儲(chǔ)單元不構(gòu)成一個(gè)無源矩陣。應(yīng)當(dāng)理解，由于使用分立的存儲(chǔ)單元，所說鐵電體電容器是由分立單元構(gòu)成的，從而所說鐵電材料不會(huì)形成矩陣電路中的連續(xù)層。由于設(shè)置了獨(dú)立的數(shù)據(jù)線和選擇線，所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的讀出可以在為此目的，但是按照相對復(fù)雜的方案，例如在本專利申請權(quán)利要求6中所述方案設(shè)置的數(shù)據(jù)線上以電流或電壓模式實(shí)現(xiàn)。還必須指出，為了調(diào)節(jié)在讀出過程中每條數(shù)據(jù)信號(hào)線上的寄生電容，必須調(diào)整連接在數(shù)據(jù)信號(hào)線中的存儲(chǔ)單元的數(shù)目，從而使所說數(shù)據(jù)信號(hào)線之一上的電壓變化最小。
美國專利US-5592409涉及一種非易失性鐵電存儲(chǔ)器，從中可以沒有損壞地讀出數(shù)據(jù)。在一個(gè)有源矩陣中包含多個(gè)存儲(chǔ)單元，這些存儲(chǔ)單元構(gòu)成其中的晶體管結(jié)構(gòu)，其中柵電極用作鐵電體電容器的電極之一。顯然，所說鐵電電容器是分立單元。所說電容器的極化以眾所周知的方式實(shí)現(xiàn)，但是在讀出采用電流模式的情況下，所檢測的物理量為漏電流，這是為了防止存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)被擦掉。
即使如上所述使用鐵電材料相對于其它數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)來說具有實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，基于鐵電現(xiàn)象原理的存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)也主要依賴于每個(gè)存儲(chǔ)單元中所包含的有源微電路的使用。這對于可能達(dá)到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度，即，可以存儲(chǔ)在給定表面區(qū)域上的比特?cái)?shù)，以及存儲(chǔ)每個(gè)比特的成本來說具有負(fù)面影響，這部分地可能是由于制造技術(shù)復(fù)雜和需要使用有源半導(dǎo)體單元。
還已知鐵電聚合物材料也可以用于可擦除光學(xué)存儲(chǔ)器。M.Date & al在論文“Opto-ferroelectric Memories using Vinylidene Fluoride andTrifluoroethylene Copolymers”(IEEE Trans.Electr.Ins.，Vol.24，No.3，1989年6月，pp.537-540)中提出一種數(shù)據(jù)載體，它由摻雜染料的二氟乙烯三氟乙烯共聚物構(gòu)成，其厚度為2μm，采用自旋沉積方法沉積在ITO鍍覆玻璃片上。在施加正負(fù)極性控制電場的同時(shí)利用一束直徑大約為5μm的聚焦激光束照射數(shù)據(jù)載體，產(chǎn)生正向極化和負(fù)向極化，從而將信息寫在數(shù)據(jù)載體上。數(shù)據(jù)的讀出是利用激光束掃描以焦電熱方式實(shí)現(xiàn)的。現(xiàn)在通過采用規(guī)律重復(fù)的數(shù)據(jù)串，其形式為0/1狀態(tài)，間距為20μm，以及使用功率為12mW的激光器和25MV/m的場強(qiáng)已經(jīng)達(dá)到48dB的數(shù)據(jù)/噪聲比。由此，讀出速度為100mm/s。
本發(fā)明的目的是提供一種可以用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理器件中雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)或存儲(chǔ)單元的簡單的邏輯結(jié)構(gòu)，或者提供能夠在單位面積中存儲(chǔ)極大量比特并且能夠以一種簡單方式低成本地大量生產(chǎn)的一種純鐵電體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件，從而克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺點(diǎn)。
本發(fā)明的目的是利用一種鐵電體數(shù)據(jù)處理器件實(shí)現(xiàn)的，其特征在于所說鐵電體薄膜構(gòu)成在一層第一電極結(jié)構(gòu)和一層第二電極結(jié)構(gòu)中或與它們分別相鄰的一個(gè)連續(xù)層，所說第一和第二電極結(jié)構(gòu)分別包括基本相互平行的條狀電極，從而所說電極結(jié)構(gòu)彼此之間形成基本正交的x、y矩陣，其中在所說第一電極結(jié)構(gòu)中的電極構(gòu)成電極矩陣的列或x電極，而在所說第二電極結(jié)構(gòu)中的電極構(gòu)成電極矩陣的行或y電極，位于所說電極矩陣的一個(gè)x電極與一個(gè)y電極之交點(diǎn)處的所說鐵電體薄膜部分形成一個(gè)邏輯單元，從而多個(gè)邏輯單元共同構(gòu)成所說數(shù)據(jù)處理器件中的一個(gè)電連接無源矩陣；用于制造鐵電體數(shù)據(jù)處理器件的一種方法的特征在于包含以下連續(xù)步驟在一個(gè)基片上沉積一層第一電極結(jié)構(gòu)，在所說第一電極結(jié)構(gòu)上沉積一層電絕緣材料，在所說電絕緣材料層上沉積一層第二電極結(jié)構(gòu)，去掉沒有被所說第二電極結(jié)構(gòu)覆蓋的絕緣層部分，使得所說第一電極結(jié)構(gòu)中除了所說第一和第二電極結(jié)構(gòu)彼此之間的電極相交點(diǎn)之外的部分暴露出來，然后在所說電極結(jié)構(gòu)之上以連續(xù)層的形式覆蓋一層鐵電體薄膜；用于在鐵電體數(shù)據(jù)處理器件中尋址的一種方法的特征在于包含寫步驟、讀步驟、擦除步驟、和邏輯單元轉(zhuǎn)換步驟，所說寫步驟包括在所說邏輯單元上施加一個(gè)電壓，并使所說邏輯單元的鐵電體薄膜極化到正極化狀態(tài)或負(fù)極化狀態(tài)，上述兩個(gè)狀態(tài)分別對應(yīng)于邏輯0和邏輯1，或者反過來，所說讀步驟包括在一個(gè)邏輯單元上施加一個(gè)電壓，并以電流值形式檢測在所說邏輯單元的電極之間的電荷轉(zhuǎn)移，所說電流值唯一地表示所說邏輯值，所說擦除步驟包括在所說數(shù)據(jù)處理器件的所有邏輯單元中施加一個(gè)電壓，這個(gè)電壓使所有邏輯單元處于同一極化狀態(tài)，所說邏輯單元轉(zhuǎn)換步驟將一個(gè)邏輯單元從相應(yīng)于邏輯0或邏輯1的一種極化狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，或者反過來，該步驟包括在所說邏輯單元上施加一個(gè)電壓，該電壓將所說邏輯單元的初始極化狀態(tài)轉(zhuǎn)換為相反狀態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明，可取的是，所說鐵電體薄膜由一種陶瓷材料，或一種鐵電體液晶材料，或一種聚合物，或一種共聚物制成，所說共聚物最好是二氟乙烯/三氟乙烯共聚物。
根據(jù)本發(fā)明，在一個(gè)實(shí)施例中，可取的是，所說鐵電體薄膜設(shè)置在所說第一和第二電極結(jié)構(gòu)之間，所說邏輯單元形成在一個(gè)x電極與一個(gè)y電極的交點(diǎn)處。
根據(jù)本發(fā)明，在另一個(gè)實(shí)施例中，可取的是，在所說第一電極結(jié)構(gòu)與第二電極結(jié)構(gòu)的電極之間或與它們相鄰處形成一電絕緣材料層，所說鐵電體薄膜以連續(xù)層形式形成在所說電極結(jié)構(gòu)之上，使所說電極結(jié)構(gòu)在其一側(cè)，并且所說邏輯單元分別由所說x電極與所說y電極之間交點(diǎn)的一個(gè)y電極的側(cè)邊緣處的所說鐵電體薄膜部分構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明，在制造所說鐵電體數(shù)據(jù)處理器件的方法中，可取的是，所說基片由晶體的、多晶的或無定形半導(dǎo)體材料例如硅制成。
根據(jù)本發(fā)明，在數(shù)據(jù)處理器件中尋址的方法中，特別可取的是，所施加電壓在所說邏輯單元電極之間產(chǎn)生的場強(qiáng)是所說鐵電體材料矯頑場強(qiáng)的兩倍以上。根據(jù)本發(fā)明，可取的是，在所說讀步驟中執(zhí)行的所說電流檢測或者通過在時(shí)間域中采樣，或者通過在與極化飽和時(shí)間常數(shù)相關(guān)的一個(gè)時(shí)間窗中采樣來實(shí)現(xiàn)。特別可取的是，尤其在后一種情況下，通過電平比較方式實(shí)現(xiàn)所說電流檢測。
根據(jù)本發(fā)明，亦為可取的是，在所說讀步驟中的電流檢測在緊隨其后的一個(gè)步驟中加以檢驗(yàn)，所說步驟包括在所說邏輯單元上施加與在所說讀步驟中使用的電壓相應(yīng)、但是具有相反極性的一個(gè)電壓，和以電流值形式檢測在所說邏輯單元的電極之間的電荷轉(zhuǎn)移。
如果讀步驟和驗(yàn)證步驟造成邏輯單元中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的損壞，根據(jù)本發(fā)明，可取的是，在讀步驟或驗(yàn)證步驟中電流檢測之后將所說邏輯單元復(fù)原到其初始狀態(tài)，這是通過在所說邏輯單元上施加可以恢復(fù)所說邏輯單元初始極化狀態(tài)的一個(gè)電壓實(shí)現(xiàn)的。
從附加的從屬權(quán)利要求可以清楚地了解其它特征和優(yōu)點(diǎn)。
下面結(jié)合所說數(shù)據(jù)處理器件及其制造方法的實(shí)施例，并且參照附圖更加詳細(xì)地解釋本發(fā)明，在所說附圖中

圖1表示根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的一種鐵電體數(shù)據(jù)處理器件的一個(gè)第一實(shí)施例，該圖為平面圖，圖2為圖1所示的數(shù)據(jù)處理器件沿圖1中剖面線A-A所作的剖面示意圖，圖3a為圖1所示數(shù)據(jù)處理器件中一個(gè)邏輯單元的平面視圖，圖3b示意性表示圖3a所示邏輯單元的極化狀態(tài)，圖4表示根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的一種鐵電體數(shù)據(jù)處理器件的一個(gè)第二實(shí)施例，該圖為平面圖，圖5為圖4所示的數(shù)據(jù)處理器件沿圖4中剖面線A-A所作的剖面示意圖，圖6a為圖4所示數(shù)據(jù)處理器件中一個(gè)邏輯單元的平面視圖，圖6b示意性表示圖3所示數(shù)據(jù)處理器件中邏輯單元的極化狀態(tài)，圖7為鐵電共聚物材料極化的典型滯后回線，圖8為所檢測輸出信號(hào)的時(shí)間響應(yīng)示意圖，圖9為鐵電共聚物材料轉(zhuǎn)換特性的示意圖，圖10為圖1所示數(shù)據(jù)處理器件實(shí)施例的透視示意圖，圖中所示x、y電極矩陣中x＝y(tǒng)＝5，和圖11為與圖10所示數(shù)據(jù)處理器件相應(yīng)，并且形成疊層結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)三維構(gòu)造的數(shù)據(jù)處理器件。
在下述有關(guān)鐵電體數(shù)據(jù)處理器件的實(shí)施例中，將討論利用邏輯單元作為存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)處理器件，即該器件本身完全用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件。類似地，在下文中僅僅涉及各個(gè)邏輯單元的無源電子尋址方式的使用。
圖1表示一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件，其中在一層第一電極結(jié)構(gòu)和一層第二電極結(jié)構(gòu)之間形成有一層鐵電體薄膜1。如圖1平面圖所示，所說的第一和第二電極結(jié)構(gòu)形成一個(gè)二維x、y矩陣，其中所說第一電極結(jié)構(gòu)中的電極2構(gòu)成矩陣的列或x電極，而所說第二電極結(jié)構(gòu)中的電極3構(gòu)成矩陣的行或y電極。電極2、3與各自的、用于驅(qū)動(dòng)所說電極和檢測其輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)和控制電路5相連。
如圖2中沿圖1中剖面線A-A所作的剖面圖所示，所說電極2、3和所說鐵電體薄膜形成夾在未示出的一個(gè)上層基片和一個(gè)下層基片之間的夾層構(gòu)造，所說上下基片可以由例如單晶硅制成。為了清楚起見，在圖1中也沒有表示這些基片。在各個(gè)基片與電極2、3和鐵電體薄膜1之間還可以設(shè)置多層未示出的電絕緣材料。由于基片本身是用半導(dǎo)體材料制成的，所以所說的驅(qū)動(dòng)和控制電路5最好采用適合的技術(shù)集成在所說基片上，例如沿著所說數(shù)據(jù)處理器件的側(cè)邊緣。
圖3a以放大圖形式表示一個(gè)x電極2與一個(gè)y電極3之間的交點(diǎn)以及構(gòu)成鐵電體薄膜中的一個(gè)邏輯單元的有效區(qū)域4。當(dāng)在所說電極2、3上施加一個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓，從而在所說x電極與y電極3之間產(chǎn)生一個(gè)電場時(shí)，有效區(qū)域4將沿著由所說驅(qū)動(dòng)電壓或極化電壓極性確定的方向發(fā)生電極化。圖3b表示沿圖3a中剖面線B-B所作的具有形成在所說電極2、3之間的鐵電體薄膜中有效區(qū)域4的邏輯單元，在圖3b中示意性表示極化狀態(tài)為沿“向上”方向的極化，這種狀態(tài)可以相應(yīng)于例如正極化，從而表示所說邏輯單元4或形成在所說x電極2與所說y電極之間交點(diǎn)處鐵電體薄膜區(qū)域內(nèi)的存儲(chǔ)單元的一種邏輯0和邏輯1狀態(tài)。于是，就可以十分簡單地通過利用一個(gè)電壓對所說邏輯單元4進(jìn)行無源尋址，并通過在尋址過程中在電極2、3之間的電荷轉(zhuǎn)移所表征的邏輯單元4的一種邏輯狀態(tài)，亦即以電流模式來實(shí)現(xiàn)對于所說極化狀態(tài)的檢測，即是否為正極化或者負(fù)極化狀態(tài)。輸出信號(hào)被記錄在所說控制電路中，其使賦予所說邏輯單元4或存儲(chǔ)單元的邏輯值讀數(shù)與其當(dāng)前的極化狀態(tài)相對應(yīng)。但是，有關(guān)這方面的內(nèi)容將在下文中參照尋址方法給予介紹。
在圖4中表示了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的數(shù)據(jù)處理器件的另一個(gè)實(shí)施例。這里，所說電極結(jié)構(gòu)是以橋式構(gòu)造實(shí)現(xiàn)的，但是這個(gè)技術(shù)方案已經(jīng)在專利申請No.973390(1997年6月17日提出申請)中公開，并且該專利申請已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給本申請人。如前所述，各種結(jié)構(gòu)的電極2、3都是彼此疊置成矩陣狀構(gòu)造，并且設(shè)置在未示出的基片之間，這些基片也可以是單晶硅制成的，如沿圖4中剖面線A-A所作的圖5中的剖面圖所示。但是，與以前的實(shí)施例相比，所說鐵電體薄膜1是設(shè)置在所說電極結(jié)構(gòu)之上的。通過在電極2、3之間的交點(diǎn)處設(shè)置一層電絕緣材料6可以使所說第一電極結(jié)構(gòu)中的電極2與所說第二電極結(jié)構(gòu)中的電極3電絕緣。于是，所說鐵電體薄膜1中的有效區(qū)域，它包括邏輯單元4本身，如圖6a中平面圖和沿圖6a中剖面線B-B所作的圖6b中剖面圖所示。在圖6b中還表示了所說有效區(qū)域與圖3b所示極化相應(yīng)的極化狀態(tài)，但是在該圖中場力線沿著所說有效區(qū)域中絕緣層的側(cè)邊緣彎曲。所說驅(qū)動(dòng)和控制電路可以利用半導(dǎo)體技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并且設(shè)置在未示出的半導(dǎo)體基片中，或者以獨(dú)立的電路模塊5形式設(shè)置在電極矩陣側(cè)邊緣上，如圖4和5所示。
在圖4和圖5所示實(shí)施例的制造過程中，將所說第一電極結(jié)構(gòu)沉積在一個(gè)基片上，然后覆蓋一層絕緣層6。在絕緣層6之上再沉積所說的第二電極結(jié)構(gòu)，使得所說第一和第二電極結(jié)構(gòu)也構(gòu)成一種二維矩陣構(gòu)造，其中所說x電極2構(gòu)成矩陣列，y電極3構(gòu)成矩陣行。在絕緣層6上沒有被所說第二電極結(jié)構(gòu)中的電極3遮擋的區(qū)域，將絕緣材料腐蝕除掉，使得所說第一電極結(jié)構(gòu)中的電極2仍然與在電極交點(diǎn)處的所說第二電極結(jié)構(gòu)中的電極3完全電絕緣，但是其它部分露出?，F(xiàn)在，所說鐵電體薄膜1在所有部分可能都被一個(gè)上層基片覆蓋之前形成在所說電極結(jié)構(gòu)之上。在其它方面，該實(shí)施例與在圖1和圖2中所示的數(shù)據(jù)處理器件完全類似。圖4和圖5中所示實(shí)施例的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在施加所說鐵電體薄膜之前就在例如單晶硅基片上形成所說電極結(jié)構(gòu)及其連接部分，以及驅(qū)動(dòng)和控制電路。所以，能夠在不破壞所說鐵電體薄膜的前提下實(shí)施在利用半導(dǎo)體技術(shù)制造所說有源電路單元方法中包含的各種工藝步驟，因?yàn)樗f鐵電體薄膜可以是例如一種聚合物，而聚合物是不耐高溫的。
有許多種材料可以用于制造鐵電體薄膜。所說的鐵電體材料可以是例如一種無機(jī)陶瓷材料，如鋯鈦酸鉛、鐵電液晶材料或聚合物薄膜。后者的一個(gè)例子是二氟乙烯(被稱為VF2或VDF)與三氟乙烯(C2F3H，被稱為TFE)的共聚物，為了實(shí)現(xiàn)不同的特性，可以改變薄膜中各種成分的相對含量。這種共聚物通常具有較低的矯頑場強(qiáng)，并且比純二氟乙烯聚合物的滯后回線更接近正方形。
在Y.Tajitus & al.撰寫的論文“Investigation of SwitchingCharacteristics of Vinylidene Fluoride/TriflouroethyleneCopolymers in Relation to Their Structures”(日本應(yīng)用物理雜志，第26期，pp.554-560(1987))中討論了利用二氟乙烯/三氟乙烯共聚物制成的鐵電體聚合物的轉(zhuǎn)換特性，其內(nèi)容將作為下文中對于本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理器件中邏輯單元或存儲(chǔ)單元的尋址方法介紹的一般基礎(chǔ)。
圖7表示由例如二氟乙烯/三氟乙烯共聚物制成的一種鐵電體薄膜極化的滯后回線。
y軸表示以C/m2為單位的極化度，x軸表示以V/m為單位的內(nèi)部電場強(qiáng)度。設(shè)置在電極之間的鐵電體薄膜最初處于一種無序或非極化狀態(tài)，而當(dāng)在電極上施加一個(gè)電壓時(shí)所說鐵電體薄膜被極化，所說電壓在電極之間產(chǎn)生的場強(qiáng)大于鐵電體材料矯頑場強(qiáng)。所說鐵電體材料依賴于極化電壓的極性而呈現(xiàn)由滯后回線上點(diǎn)I所表示的“向上”或由滯后回線上點(diǎn)II所表示的“向下”的優(yōu)選取向的電極化狀態(tài)。所說極化狀態(tài)I和II還可以用于表示邏輯0或邏輯1，或者反過來。應(yīng)該指出，“正”、“負(fù)”、“向上”、“向下”這些概念必須遵循常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)橹灰_定了正電極或負(fù)電極，或者“向上”極化或“向下”極化，這些就都確定了。對于應(yīng)當(dāng)選擇哪一種極化狀態(tài)表示邏輯1或邏輯0，建立一個(gè)相應(yīng)的慣例是有效的，如果有一個(gè)嚴(yán)格確定的方案，就不會(huì)產(chǎn)生任何問題。
因此，處于兩種極化狀態(tài)之一的鐵電體材料的邏輯單元可以表示邏輯0或邏輯1，或者表示二進(jìn)制0或1，并且被用作數(shù)據(jù)處理器件中的雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)或者數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件中的存儲(chǔ)單元。換句話說，將所說邏輯單元極化到一種確定狀態(tài)表示在這個(gè)邏輯單元中寫入數(shù)據(jù)。
可以指出，通過選擇適合的鐵電體材料和通過在邏輯單元的電極上施加極化電壓而獲得相應(yīng)較大的場強(qiáng)，可以使構(gòu)成邏輯單元的適合的鐵電體材料的極化在室溫下迅速發(fā)生。如果所說鐵電體材料形成一種薄膜，則具有許多優(yōu)點(diǎn)。只要邏輯單元，即邏輯單元中的鐵電體薄膜材料被適合地極化，則這種極化狀態(tài)在室溫下將保持很長時(shí)間，在任何情況下都可以保持若干年，除非利用相反極性的極化場將極化狀態(tài)反向。與鐵磁材料消磁類似，通過使邏輯單元穿過一個(gè)周期去極化場，就可以消除極化狀態(tài)。將邏輯單元高溫加熱使電偶極子喪失其優(yōu)勢取向也能夠破壞極化狀態(tài)。
當(dāng)施加極化場時(shí)所形成的沿滯后回線的極化方向由點(diǎn)I與IV、和V與VI之間的箭頭表示。
下面繼續(xù)參照圖7所示的滯后回線，更詳細(xì)地討論從所說邏輯單元中讀取數(shù)據(jù)的問題。在敘述中將避免使用諸如邏輯0或邏輯1，或者“向上”或“向下”的表示方式，而只采用正極化或負(fù)極化來講述，所說的正極化和負(fù)極化分別由滯后回線中位于x軸之上的部分和滯后回線中位于x軸之下的部分表示。如果所說邏輯單元現(xiàn)在處于正極化狀態(tài)，即由滯后回線上的點(diǎn)I表示，則通過向電極施加一個(gè)電壓，可取的是，該電壓產(chǎn)生大約兩倍于所說矯頑場強(qiáng)或更大的場強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀出。因此，如果讀出電壓極性為正時(shí)，所說邏輯單元的極化從點(diǎn)I移動(dòng)到點(diǎn)III。由于在這種情況下滯后回線的形狀非常接近于正方形，極化狀態(tài)從點(diǎn)I變化到點(diǎn)III所引起的電極之間的電荷轉(zhuǎn)移十分不明顯，在檢測電極之間的電荷轉(zhuǎn)移時(shí)，會(huì)在相連的控制電路中得到一個(gè)非常弱的電流信號(hào)。但是，如果所說邏輯單元處于負(fù)極化狀態(tài)，即由滯后回線上點(diǎn)II表示的狀態(tài)，通過向電極施加一個(gè)正極性的讀出電壓，所檢測的輸出電流首先會(huì)不明顯地上升，然后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)非常尖銳的瞬間電流脈沖，這個(gè)脈沖表示滯后回線上點(diǎn)V與VI之間電荷轉(zhuǎn)移較強(qiáng)的過程。換句話說，在滯后回線上點(diǎn)I與II之間，滯后回線相對較平坦的情況意味著在施加正電壓場過程中極化狀態(tài)僅僅發(fā)生很小的變化，而當(dāng)所說邏輯存儲(chǔ)單元處于滯后回線上點(diǎn)II處時(shí)，在施加相應(yīng)的正電壓過程中，這種變化會(huì)引起極化狀態(tài)極大的改變，特別是在滯后回線最陡的部分會(huì)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)部分的變化，并且在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生，這種特性使得可以將上述的電流瞬態(tài)值作為所檢測的輸出信號(hào)。這也使得容易在讀出數(shù)據(jù)中辨別例如由滯后回線上點(diǎn)I的極化狀態(tài)表示的邏輯0和相應(yīng)地由滯后回線上點(diǎn)II表示的邏輯1。滯后回線上點(diǎn)III和IV分別表示正極化和負(fù)極化的飽和狀態(tài)，當(dāng)去掉所施加的電場時(shí)，極化狀態(tài)將分別從滯后回線上的點(diǎn)III漂移到點(diǎn)I，和從點(diǎn)IV漂移到點(diǎn)II。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解，為了驅(qū)動(dòng)極化狀態(tài)從點(diǎn)I變化到點(diǎn)III，按照下文中所述的方案，所施加的電場必須是正向的，而為了將極化狀態(tài)相應(yīng)地從點(diǎn)II驅(qū)動(dòng)到點(diǎn)IV，所施加的電場自然應(yīng)當(dāng)是負(fù)向的。
應(yīng)當(dāng)指出，讀出數(shù)據(jù)或?qū)c(diǎn)II處極化狀態(tài)的檢測將是破壞性的，因?yàn)樗f邏輯單元在讀出之后達(dá)到由點(diǎn)III表示的極化狀態(tài)，然后回返到點(diǎn)I的穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。如果當(dāng)邏輯單元已經(jīng)處于點(diǎn)I時(shí)對極化狀態(tài)進(jìn)行讀出，則極化狀態(tài)當(dāng)然會(huì)保持。在對基于本發(fā)明的鐵電體存儲(chǔ)單元構(gòu)成的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件進(jìn)行讀出操作之后，由于該存儲(chǔ)器件中所有的存儲(chǔ)單元都處于相同的邏輯狀態(tài)，或者0或者1，因此可以認(rèn)為信息都已被破壞。事實(shí)上，這相當(dāng)于擦除信息，并且如果僅僅讀取存儲(chǔ)信息一次，或者如果僅僅在特別應(yīng)用中需要讀取數(shù)據(jù)，則不需要具有相反的結(jié)果。但是，如果仍然需要保存原始的信息，則必須復(fù)原或者刷新。這可以通過施加負(fù)的復(fù)原電壓，可取的是該復(fù)原電壓具有與讀出操作中相同的場強(qiáng)，將初始時(shí)具有極化狀態(tài)II，但是在讀出之后將處于極化狀態(tài)I的邏輯單元轉(zhuǎn)換回到極化狀態(tài)II。然后，極化狀態(tài)將沿著滯后回線從點(diǎn)I變化到點(diǎn)IV，在這個(gè)點(diǎn)電場被取消，所說邏輯單元在點(diǎn)II恢復(fù)到初始極化狀態(tài)。在破壞初始極化狀態(tài)的讀出操作之后，可以通過由所說數(shù)據(jù)處理器件的控制電路實(shí)施的適合的驗(yàn)證和監(jiān)測程序自動(dòng)地將邏輯單元重新復(fù)原到初始極化狀態(tài)，根據(jù)一種讀出方案，這個(gè)過程可以是例如利用軟件控制的。例如，在使極化狀態(tài)從點(diǎn)I復(fù)原到點(diǎn)II，亦即在將極化狀態(tài)I轉(zhuǎn)換到極化狀態(tài)II的情況下，也是輸出一個(gè)具有瞬態(tài)值的電流信號(hào)，于是，這個(gè)信號(hào)可以構(gòu)成所說的驗(yàn)證信號(hào)。此外，通過向邏輯單元施加一個(gè)具有相反極性的電壓并讀取一個(gè)強(qiáng)電流信號(hào)也可以驗(yàn)證是否正確地讀取了極化狀態(tài)I，但是，由此邏輯單元從狀態(tài)I轉(zhuǎn)換到狀態(tài)II，所以必須重新復(fù)原。換句話說，可以很容易地認(rèn)識(shí)到，根據(jù)初始的極化狀態(tài)和在讀出操作中可能產(chǎn)生的破壞，可以互換地使用驗(yàn)證程序和復(fù)原程序。為了更加清楚地說明這一點(diǎn)，可以參見附表，該表中記載了分別在讀出、驗(yàn)證和/或復(fù)原操作中所施加的電壓的極性符號(hào)，以及根據(jù)極化狀態(tài)是否沿滯后回線從I變化到III，或者從IV變化到II，或者從I變化到IV，或者從II變化到III而用低電平或高電平表示所產(chǎn)生的電流脈沖值。
盡管存在破壞數(shù)據(jù)的情況，如果使用具有接近正方形滯后回線的鐵電體材料，這里所討論的數(shù)據(jù)讀取程序仍是非常可取的，如在使用VDF-TFE的情況下，因?yàn)檫@種材料能夠提供可靠的檢測和驗(yàn)證特性，并且能夠部分自動(dòng)地或與驗(yàn)證相結(jié)合實(shí)現(xiàn)復(fù)原。在這種情況下，極小信號(hào)的檢測，例如在點(diǎn)II與V之間變化時(shí)的信號(hào)檢測，在信號(hào)甄別方面存在較大的問題，并且需要精確控制讀電壓。如果相反，所說滯后回線在點(diǎn)II與V、和V與VI之間具有更平緩的變化，則也可以使用小信號(hào)檢測，并且在不達(dá)到飽和狀態(tài)III的情況下獲得可靠的檢測結(jié)果，同時(shí)，在點(diǎn)V處不存在尖銳的電壓閾值使得能夠避免破壞讀出數(shù)據(jù)。
如上所述，依賴于材料特性的滯后回線的形狀對于在讀出操作中檢測到的響應(yīng)來說是重要的。如在圖7中示出的滯后回線，可取的是，用于檢測極化狀態(tài)的讀電壓或所施加的電場采用閾值電壓的形式，即立即達(dá)到其最大值。極化響應(yīng)和/或極化時(shí)間常數(shù)的相關(guān)性可以利用斜線電壓加以驗(yàn)證，所說斜線電壓即連續(xù)地增大到所需最大值的電壓，所說最大值可取的是矯頑場強(qiáng)的兩倍或者更大。
表圖7中讀出，驗(yàn)證和復(fù)原的優(yōu)選模式。
在一個(gè)可無源尋址電極矩陣中，可以產(chǎn)生位移電流和電阻性電流分量。在電流模式下，這些電流會(huì)掩蓋弱輸出信號(hào)，使得在檢測極化狀態(tài)I時(shí)會(huì)顯現(xiàn)出這些電流分量，而在檢測極化狀態(tài)II時(shí)獲得的瞬態(tài)信號(hào)則可以清楚地甄別，因?yàn)槲灰齐娏髟谕ǔ５慕^緣材料中與場強(qiáng)成線性關(guān)系變化，當(dāng)施加所說電壓時(shí)，立即可以檢測到位移電流，電阻性電流分量的情況也如此。當(dāng)電場一施加到所說邏輯單元上，就會(huì)產(chǎn)生電阻性電流分量。因此，在各種情況下，都可以清楚地辨別極化狀態(tài)I或極化狀態(tài)II。當(dāng)檢測滯后回線上的極化狀態(tài)II和使用正讀電壓時(shí)，所說極化狀態(tài)從II移動(dòng)到III，所說的輸出電流、位移電流和電阻性電流分量將具有如圖8所示的響應(yīng)。所說輸出電流的瞬態(tài)值在施加所說讀電壓之后延遲Δt達(dá)到一個(gè)峰值，并且出現(xiàn)在一個(gè)時(shí)間窗ts中，所說時(shí)間窗與相應(yīng)于圖7所示滯后回線的兩個(gè)最陡部分之一的電場極性相關(guān)。如圖所示，可以將所說電流信號(hào)與所說位移電流和電阻性電流分量清楚地分開。通過在例如落入滯后回線上V與VI之間的時(shí)間窗ts中采樣或電平比較就可以實(shí)現(xiàn)檢測。時(shí)間窗在時(shí)間標(biāo)尺上的位置依賴于給定讀電壓的極化響應(yīng)、和鐵電體材料的極化特性、以及薄膜參數(shù)。
當(dāng)使用基于二氟乙烯/三氟乙烯共聚物VDF-TFE的一種鐵電體材料時(shí)產(chǎn)生的另一重要特征是它們的轉(zhuǎn)換特性依賴于電場強(qiáng)度，即電極電壓。所以較高的極化電壓會(huì)影響所說鐵電體材料中形成的邏輯單元的轉(zhuǎn)換時(shí)間，使得電場強(qiáng)度越高，轉(zhuǎn)換時(shí)間越短。圖9表示了一種二氟乙烯/三氟乙烯共聚物的典型轉(zhuǎn)換特性，圖中表示了在不同場強(qiáng)下轉(zhuǎn)換時(shí)間分別與電通量密度D以及偏微分D/logt之間的關(guān)系?？梢钥闯?，由于這種共聚物的矯頑場強(qiáng)為40MV/m，所以100MV/m的場強(qiáng)，即矯頑場強(qiáng)的幾乎2.5倍，對應(yīng)于10-5s的轉(zhuǎn)換時(shí)間，而在略微大于矯頑場強(qiáng)，亦即42MV/m的場強(qiáng)下，轉(zhuǎn)換時(shí)間大約為5s。換句話說，轉(zhuǎn)換時(shí)間隨著場強(qiáng)的增大減小了5或6個(gè)量級。另一方面，由于不同的原因，不希望使用太高的場強(qiáng)，其中一個(gè)原因就是為了避免在矩陣電路中產(chǎn)生不必要的雜散電容或寄生電流和通過所說薄膜放電。
如果根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的數(shù)據(jù)處理器件受到阻抗噪聲的影響，可以與所說邏輯單元連接設(shè)置電流放大線路驅(qū)動(dòng)器，以確保當(dāng)進(jìn)行讀取驅(qū)動(dòng)或轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)時(shí)的抗干擾性。這種線路驅(qū)動(dòng)器可以利用所說的讀電壓或驗(yàn)證電壓驅(qū)動(dòng)，或者由一條獨(dú)立的電源線驅(qū)動(dòng)。圖10以透視圖形式表示了與圖1對應(yīng)的本發(fā)明數(shù)據(jù)處理器件，但是去掉了可能的基片和絕緣層。在圖10中表示為一個(gè)平面x、y電極矩陣，邏輯單元形成在第一電極結(jié)構(gòu)與第二電極結(jié)構(gòu)中電極2、3之間的各個(gè)交點(diǎn)處?？梢詫⑦@種平面矩陣疊置，構(gòu)成一個(gè)包含k層平面結(jié)構(gòu)Sl……Sk，如圖11所示，的三維數(shù)據(jù)處理器件。這樣，就必須在各個(gè)平面結(jié)構(gòu)S之間設(shè)置電絕緣材料層7，其剖面形狀大致如圖11所示。所說電極2、3可以與未示出的沿三維器件側(cè)邊緣設(shè)置的尋址和檢測線，即電流和電壓總線，例如設(shè)置在為此制成的一個(gè)半導(dǎo)體器件中的總線相連，或者如果該器件是集成在硅基片上的一個(gè)混合器件，所說電極可以直接連接到與采用兼容半導(dǎo)體技術(shù)制成的硅基片中集成的驅(qū)動(dòng)器和控制電路相連的驅(qū)動(dòng)電壓和控制信號(hào)線。尋址和檢測可以以例如時(shí)分多路傳輸方式或者利用每個(gè)邏輯單元的邏輯地址實(shí)現(xiàn)。因此，邏輯地址的數(shù)量為矩陣結(jié)構(gòu)疊層數(shù)、每個(gè)矩陣結(jié)構(gòu)中的行數(shù)和列數(shù)的乘積。獨(dú)立地址的數(shù)量為在一層S中x和y電極的數(shù)量與該器件中疊層Sl……Sk數(shù)量之和。除此之外，還可以利用基于時(shí)分多路的技術(shù)與邏輯尋址的結(jié)合實(shí)現(xiàn)大規(guī)模平行尋址，這樣能夠提供極高的讀寫速度。關(guān)于這方面的內(nèi)容，可以參見例如在本申請人的國際專利申請PCT/N097/00154中對于三維形式的數(shù)據(jù)處理器件的討論，或在本申請人的挪威專利申請972803中對于疊層電極器件的討論。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，顯然可以將以雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)或存儲(chǔ)單元形式實(shí)現(xiàn)的邏輯單元用于構(gòu)成邏輯門或者用作處理器網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算寄存器中的開關(guān)，可能的話與用作存儲(chǔ)模塊的邏輯單元集成，或者將邏輯單元完全用作存儲(chǔ)單元，使得在圖11中所示的器件成為具有高存儲(chǔ)密度的三維數(shù)據(jù)器件。使用鐵電體薄膜，能夠達(dá)到大約100nm的膜厚度和相應(yīng)的電極尺度，就是說，為產(chǎn)生必需的場強(qiáng)所施加的電壓大約為10伏特。因此，在1μm2的面積上，能夠形成大約100個(gè)邏輯單元或存儲(chǔ)單元，也就是說，與基于常規(guī)的半導(dǎo)體技術(shù)制成的ROM或RAM類型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件相比，大大提高了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度。
權(quán)利要求
1.一種鐵電體數(shù)據(jù)處理器件，特別是采用有源或無源電尋址方式處理和/或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的一種鐵電體數(shù)據(jù)處理器件，它包括由鐵電體材料薄膜(1)構(gòu)成的一個(gè)數(shù)據(jù)載體，其中所說鐵電體材料在所施加電場作用下達(dá)到一種第一極化狀態(tài)或一種第二極化狀態(tài)，即可以從一種無序狀態(tài)轉(zhuǎn)換到兩種極化狀態(tài)之一，或者從所說第一極化狀態(tài)轉(zhuǎn)換到所說第二極化狀態(tài)，或者反過來，所說鐵電體材料構(gòu)成多個(gè)邏輯單元(4)，邏輯單元(4)的一種極化狀態(tài)表示該邏輯單元的一個(gè)邏輯值，其特征在于所說鐵電體薄膜(1)以連續(xù)層形式設(shè)置在一層第一電極結(jié)構(gòu)與一層第二電極結(jié)構(gòu)之中或與它們分別相鄰，所說的第一和第二電極結(jié)構(gòu)分別包含基本相互平行的條形電極(2，3)，從而所說的兩個(gè)電極結(jié)構(gòu)相互形成基本正交的x、y矩陣，所說第一電極結(jié)構(gòu)中的電極(2)構(gòu)成電極矩陣的列或x電極，所說第二電極結(jié)構(gòu)中的電極(3)構(gòu)成電極矩陣的行或y電極，位于所說電極矩陣中一個(gè)x電極(2)與一個(gè)y電極(3)之間交點(diǎn)處的鐵電體薄膜(1)的部分構(gòu)成一個(gè)邏輯單元(4)，從而多個(gè)邏輯單元(4)共同構(gòu)成所說數(shù)據(jù)處理器件(2)中的一個(gè)電連接無源矩陣。
2.如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)處理器件，其特征在于一個(gè)邏輯單元(4)構(gòu)成數(shù)據(jù)處理器中的一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)。
3.如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)處理器件，其特征在于一個(gè)邏輯單元(4)構(gòu)成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的一個(gè)存儲(chǔ)單元。
4.如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)處理器件，其特征在于所說電極結(jié)構(gòu)和所說鐵電體薄膜(1)設(shè)置在基片上。
5.如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)處理器件，其特征在于所說鐵電體薄膜(1)是由陶瓷材料制成的。
6.如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)處理器件，其特征在于所說鐵電體薄膜是由鐵電液晶材料制成的。
7.如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)處理器件，其特征在于所說鐵電體薄膜(1)是由一種聚合物或一種共聚物制成的。
8.如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)處理器件，其特征在于所說共聚物是一種二氟乙烯/三氟乙烯共聚物。
9.如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)處理器件，其特征在于所說鐵電體薄膜(1)設(shè)置在所說第一電極結(jié)構(gòu)與第二電極結(jié)構(gòu)之間，所說邏輯單元(4)形成在一個(gè)x電極(2)與一個(gè)y電極(3)之間。
10.如權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)處理器件，其特征在于在所說第一電極結(jié)構(gòu)與第二電極結(jié)構(gòu)的電極(2、3)之間并與其相鄰，所說鐵電體薄膜(1)以連續(xù)層形式覆蓋在所說電極結(jié)構(gòu)一側(cè)之上，所說邏輯單元(4)分別形成在所說鐵電體薄膜(1)位于所說x電極(2)與所說y電極(3)之間交點(diǎn)處y電極(3)側(cè)邊緣的部分中。
11.用于制造如權(quán)利要求10所述鐵電體數(shù)據(jù)處理器件的一種方法，其特征在于包括以下連續(xù)步驟在一個(gè)基片上沉積一層第一電極結(jié)構(gòu)，在所說第一電極結(jié)構(gòu)之上沉積一層電絕緣材料(6)，在所說絕緣層(6)之上沉積一層第二電極結(jié)構(gòu)，將沒有被所說第二電極結(jié)構(gòu)覆蓋的絕緣層(6)部分去掉，使得除在所說第一電極結(jié)構(gòu)與第二電極結(jié)構(gòu)的電極(2、3)之間交點(diǎn)處之外的第一電極結(jié)構(gòu)的電極(2)暴露出來，然后以連續(xù)層形式在所說電極結(jié)構(gòu)之上沉積一層鐵電體薄膜(1)。
12.如權(quán)利要求11所述的一種方法，其特征在于所說基片由一種單晶、多晶或無定形半導(dǎo)體材料，例如硅制成。
13.如權(quán)利要求11所述的一種方法，其特征在于在所說基片上沉積所說第一電極結(jié)構(gòu)之前在所說基片與所說第一電極結(jié)構(gòu)之間沉積一電絕緣材料連續(xù)層。
14.用于對鐵電體數(shù)據(jù)處理器件中邏輯單元(4)尋址的一種方法，其中所說邏輯單元構(gòu)成一個(gè)電連接的無源矩陣，特別是用于以有源或無源電尋址方式處理和/或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，所說方式取決于尋址操作是否引起在所說邏輯單元中可能已經(jīng)存在的一種極化狀態(tài)的改變，所說器件包括具有一種鐵電體薄膜(1)結(jié)構(gòu)的一個(gè)數(shù)據(jù)載體，其中所說鐵電體薄膜(1)在施加電場時(shí)可以達(dá)到一種第一極化狀態(tài)或一種第二極化狀態(tài)，并且可以從一種無序狀態(tài)轉(zhuǎn)換到兩種極化狀態(tài)之一或者從所說第一極化狀態(tài)轉(zhuǎn)換到所說第二極化狀態(tài)，或者反過來，其中所說鐵電體薄膜(1)以連續(xù)層形式設(shè)置在一層第一電極結(jié)構(gòu)和一層第二電極結(jié)構(gòu)之中或與它們分別相鄰，其構(gòu)成與所說第一和第二電極結(jié)構(gòu)中電極(2、3)接觸的邏輯單元(4)，邏輯單元(4)所具有的極化狀態(tài)表示該邏輯單元的邏輯值，所說尋址包括在所說邏輯單元中寫入、讀出、擦除和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的步驟，其特征在于所說寫入步驟包括在所說邏輯單元上施加一個(gè)電壓，使所說邏輯單元(4)的鐵電體薄膜極化到一種正極化或一種負(fù)極化狀態(tài)，這兩種狀態(tài)分別相應(yīng)于邏輯0或邏輯1，或者反過來，所說讀出步驟包括在一個(gè)邏輯單元(4)上施加一個(gè)電壓，并以電流值形式檢測在所說邏輯單元中的電極(2、3)之間的電荷轉(zhuǎn)移，所說電流值唯一地表示所說邏輯值，所說擦除步驟包括在所說數(shù)據(jù)處理器件的所有邏輯單元(4)上施加一個(gè)電壓，使得所有邏輯單元處于同一極化狀態(tài)，所說將一個(gè)邏輯單元(4)從對應(yīng)于邏輯0或邏輯1的一種極化狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)或者反過來的步驟包括在所說邏輯單元(4)上施加一個(gè)電壓，使得所說邏輯單元的初始極化狀態(tài)發(fā)生反轉(zhuǎn)。
15.如權(quán)利要求14所述的一種方法，其特征在于在所說邏輯單元(4)的電極(2、3)之間施加的電壓所產(chǎn)生的場強(qiáng)是所說鐵電體材料矯頑場強(qiáng)的兩倍以上。
16.如權(quán)利要求14所述的一種方法，其特征在于以斜線電壓形式產(chǎn)生所施加電壓。
17.如權(quán)利要求14所述的一種方法，其特征在于以閾值電壓形式產(chǎn)生所施加電壓。
18.如權(quán)利要求14所述的一種方法，其特征在于在所說讀出步驟中的電流檢測是通過在時(shí)域中采樣實(shí)施的。
19.如權(quán)利要求14所述的一種方法，其特征在于在所說讀出步驟中的電流檢測是在與極化飽和時(shí)間常數(shù)相關(guān)的一個(gè)時(shí)間窗中實(shí)施的。
20.如權(quán)利要求18或19所述的一種方法，其特征在于所說電流檢測是通過電平比較方式實(shí)施的。
21.如權(quán)利要求14所述的一種方法，其特征在于在一個(gè)緊隨其后的步驟中驗(yàn)證在所說讀出步驟中的電流檢測結(jié)果，該驗(yàn)證步驟包括在所說邏輯單元(4)上施加一個(gè)電壓，該電壓相應(yīng)于在讀出步驟中使用的電壓，但是具有相反極性，和以電流形式檢測在所說邏輯單元(4)的電極(2、3)之間的電荷轉(zhuǎn)移。
22.如權(quán)利要求14或21所述的一種方法，其中所說讀出步驟和/或驗(yàn)證步驟破壞保存在所說邏輯單元(4)中的數(shù)據(jù)，其特征在于所說邏輯單元(4)在讀出步驟的電流檢測或向所說邏輯單元施加一個(gè)電壓之后復(fù)原到其初始邏輯狀態(tài)，所說電壓使得所說邏輯單元恢復(fù)到其初始極化狀態(tài)。
23.如權(quán)利要求22所述的一種方法，其特征在于所說邏輯單元(4)的復(fù)原是與所說驗(yàn)證步驟結(jié)合實(shí)施的，并且其本身在進(jìn)一步的電流檢測中得到驗(yàn)證。
全文摘要
在采用無源或電尋址的用于處理和/或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的一種鐵電體數(shù)據(jù)處理器件中,使用了鐵電材料薄膜(1)形狀的一個(gè)數(shù)據(jù)載體,在施加電場時(shí)所說鐵電材料薄膜極化到預(yù)定極化狀態(tài)或者在這些狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換,該薄膜以連續(xù)層形式設(shè)置在矩陣結(jié)構(gòu)的電極結(jié)構(gòu)之中或與它們相鄰之處。在所說電極矩陣的一個(gè)x電極(2)與一個(gè)y電極(3)的交點(diǎn)處形成一個(gè)邏輯單元(4)。通過在所說電極(2、3)上施加一個(gè)大于鐵電體材料矯頑場強(qiáng)的電壓對所說邏輯單元(4)進(jìn)行尋址。根據(jù)極化狀態(tài)和鐵電體材料滯后回線形狀,可以清楚地檢測邏輯單元(4)的極化狀態(tài),還可以使邏輯單元在兩種極化狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換,因此,所說邏輯單元可以用作一種雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)或一種存儲(chǔ)單元。如果將各層之間用電絕緣層分開,則本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理器件可以以疊層形式構(gòu)成,因此可以構(gòu)成三維數(shù)據(jù)處理器件。
文檔編號(hào)H01L27/105GK1276905SQ98810259
公開日2000年12月13日 申請日期1998年8月13日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月15日
發(fā)明者H·G·古德森, P·E·諾達(dá)爾, G·I·萊斯塔德 申請人:薄膜電子有限公司