非破壞性讀出鐵電存儲(chǔ)器及其制備方法和讀/寫(xiě)操作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]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)器的制備方法和讀/寫(xiě)操作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器FRAM (Ferroelectric Random Access Memory)是利用鐵電疇(或稱(chēng)為“電疇”)在電場(chǎng)中兩種不同極化取向作為邏輯信息(“O”或“I”)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的非易失性存儲(chǔ)器(Non-volatile Memory),其也可以稱(chēng)為“鐵電存儲(chǔ)器”。
[0003]鐵電存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)介質(zhì)層即為具有可反轉(zhuǎn)(或稱(chēng)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(xiě)時(shí)間，電疇反轉(zhuǎn)的矯頑電壓決定了器件的讀寫(xiě)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)讀寫(xiě)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(lái)得到了廣泛的關(guān)注和較快的發(fā)展。
[0004]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(lèi)。
[0005]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(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫(xiě)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I個(gè)晶體管T和一個(gè)鐵電電容C (S卩1T1C)構(gòu)建存儲(chǔ)單元，并以該ITlC存儲(chǔ)單元作為電路設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，在讀取操作過(guò)程中，采用電荷積分的方法，通過(guò)對(duì)與ITic存儲(chǔ)單元串聯(lián)的參考電容進(jìn)行電壓讀取來(lái)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(xiě)回原來(lái)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(lái)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(wú)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。
[0006]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(guò)極化方向的控制可以改變漏電流Ids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(xiě)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)室研宄階段，未能實(shí)際運(yùn)用到存儲(chǔ)器產(chǎn)品中。
[0007]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(xiě)入數(shù)據(jù)，從而伴隨著大量的擦除和重寫(xiě)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】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種能夠以電流讀取方式實(shí)現(xiàn)非破壞性讀出的、存儲(chǔ)性能好的鐵電存儲(chǔ)器，鐵電存儲(chǔ)器的讀操作和寫(xiě)操作均通過(guò)同一電極層來(lái)完成。
[0009]為實(shí)現(xiàn)以上目的或者其他目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案。
[0010]按照本發(fā)明的一方面，提供一種非破壞性讀出鐵電存儲(chǔ)器，包括鐵電薄膜層(305)和設(shè)置在所述鐵電薄膜層(305 )上的讀寫(xiě)電極層(307 )，所述讀寫(xiě)電極層(307 )中設(shè)置有將其分為至少兩個(gè)部分的間隙(309)，所述鐵電薄膜層(305)的電疇(3051或3053)的極化方向基本不平行所述讀寫(xiě)電極層(307)的法線方向；
其中，在所述讀寫(xiě)電極層(307)中的鄰接所述間隙(309)的兩個(gè)部分之間偏置第一方向的寫(xiě)信號(hào)時(shí)，對(duì)應(yīng)所述間隙(309)的部分所述鐵電薄膜層(305)的電疇以縱向地貫穿所述鐵電薄膜層(305)的方式被反轉(zhuǎn)；
其中，在所述讀寫(xiě)電極層(307)中的鄰接所述間隙(309)的兩個(gè)部分之間偏置第一方向的讀信號(hào)時(shí)，對(duì)應(yīng)所述間隙(309)的部分所述鐵電薄膜層(305)的電疇局部被反轉(zhuǎn)而建立疇壁導(dǎo)電通道(3058)。
[0011]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，在所述讀寫(xiě)電極層(307)中的鄰接所述間隙(309)的兩個(gè)部分之間偏置與所述第一方向相反的第二方向的寫(xiě)信號(hào)時(shí)，使以縱向地貫穿所述鐵電薄膜層(305)的方式被反轉(zhuǎn)的所述電疇(3053a)反轉(zhuǎn)回到初始極化方向。
[0012]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，所述讀寫(xiě)電極層中(307)的至少兩個(gè)部分包括第一讀寫(xiě)電極部分和第二讀寫(xiě)電極部分，所述第一讀寫(xiě)電極部分和第二讀寫(xiě)電極部分組成讀寫(xiě)電極對(duì)，所述寫(xiě)信號(hào)或讀信號(hào)被偏置在所述讀寫(xiě)電極對(duì)上。
[0013]在之前所述任一實(shí)施例的非破壞性讀出鐵電存儲(chǔ)器中，配置所述鐵電薄膜層(305)的厚度和/或所述間隙的間距(d)以使在偏置預(yù)定大小的寫(xiě)電壓作用下對(duì)應(yīng)所述間隙(309)的部分所述鐵電薄膜層(305)的電疇能夠以縱向地貫穿所述鐵電薄膜層(305)的方式被反轉(zhuǎn)。
[0014]在之前所述任一實(shí)施例的非破壞性讀出鐵電存儲(chǔ)器中，配置所述鐵電薄膜層(305)的厚度和/或所述間隙的間距(d)以使在偏置預(yù)定大小的讀電壓作用下對(duì)應(yīng)所述間隙(309)的部分所述鐵電薄膜層(305)的電疇局部能夠被反轉(zhuǎn)而建立疇壁導(dǎo)電通道(3058)。
[0015]可選地，所述間隙的間距(d)大于或等于2納米且小于或等于500納米，或者大于或等于5納米且小于或等于100納米。
[0016]可選地，所述間隙的寬度(W)大于或等于5納米且小于或等于500納米。
[0017]可選地，所述間隙的間距(d)可以小于或大于所述鐵電薄膜層(305)的厚度。
[0018]具體地，所述非破壞性讀出鐵電存儲(chǔ)器還包括基底(100)，所述鐵電薄膜層(305)設(shè)置在所述基底(100)之上。
[0019]優(yōu)選地，所述基底(100)為絕緣基底。
[0020]可選地，所述鐵電薄膜層(305)為鐵酸鉍BiFeO3、摻La的鐵酸鉍鹽(Bi，La) Fe03、鋯鈦酸鉛鹽(Pb，Zr) T13或者鈮酸鋰鹽LiNbO 3。
[0021]可選地，所述鐵電薄膜層(305)的厚度大于或等于5納米且小于或等于500納米。
[0022]可選地，所述讀寫(xiě)電極層(307 )的厚度大于或等于5納米且小于或等于100納米。
[0023]可選地，通過(guò)控制所述鐵電薄膜層(307)生長(zhǎng)的晶向，以至于所述鐵電薄膜層(305)的電疇(3051，3053)的極化方向基本不平行所述讀寫(xiě)電極層(307)的法線方向。
[0024]可選地，所述間隙(309)中被填入或部分填入絕緣介質(zhì)材料。
[0025]按照本發(fā)明的又一方面，提供一種以上所述非破壞性讀出鐵電存儲(chǔ)器的制備方法，包括步驟:
提供基底(301)；
形成鐵電薄膜(305);以及
在所述鐵電薄膜層(305)上形成帶有所述間隙(309)的讀寫(xiě)電極層(307)。
[0026]根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的制備方法，其中，所述間隙(309)通過(guò)對(duì)形成讀寫(xiě)電極層(307)的金屬平層進(jìn)行電子束加工或者納米壓印形成。
[0027]按照本發(fā)明的還一方面，提供一種以上所述非破壞性讀出鐵電存儲(chǔ)器的寫(xiě)操作方法，其中，在所述讀寫(xiě)電極層(307)中的鄰接所述間隙(309)的兩個(gè)部分之間偏置第一方向的寫(xiě)信號(hào)(V?itel)，對(duì)應(yīng)所述間隙(309)的部分所述鐵電薄膜層(305)的電疇以縱向地貫穿所述鐵電薄膜層(305)的方式被反轉(zhuǎn)，從而寫(xiě)入第一邏輯信息(“ I ”)。
[0028]進(jìn)一步，在所述讀寫(xiě)電極層(307)中的鄰接所述間隙(309)的兩個(gè)部分之間偏置與所述第一方向相反的第二方向的寫(xiě)信號(hào)(V?ite2)，使以縱