非易失性鐵電存儲器及其制備方法和讀/寫操作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鐵電存儲技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型非易失性鐵電存儲器，尤其涉及基于鐵電薄膜材料表面刻蝕存儲單元且在鐵電單元間隙制造連接存儲單元的面內(nèi)左右電極進(jìn)行讀出寫操作的面內(nèi)高密度鐵電存儲器以及該鐵電存儲器的制備方法和讀/寫操作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鐵電隨機(jī)存儲器FRAM(Ferroelectric Random Access Memory)是利用鐵電疇(或稱為“電疇”)在正負(fù)電場作用下保持兩種不同極化取向作為邏輯信息(“O”或“I”)來存儲數(shù)據(jù)的非易失性存儲器(Non-volatile Memory)，其也可以稱為“鐵電存儲器”。
[0003]鐵電存儲器的存儲介質(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)速度決定了存儲器的讀寫時間，電疇反轉(zhuǎn)的矯頑電壓決定了器件的讀寫電壓，它會隨著薄膜厚度的降低而幾乎呈等比例地減小。因此，鐵電存儲器具有數(shù)據(jù)讀寫速度快、驅(qū)動電壓低和存儲密度高等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了廣泛的關(guān)注和較快的發(fā)展。
[0004]目前，鐵電存儲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，市場上應(yīng)用的所有鐵電存儲器都是采用這種工作模式，其中以I個晶體管T和一個鐵電電容C(即1T1C)構(gòu)建存儲單元，并以該ITlC存儲單元作為電路設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，在讀取操作過程中，采用電荷積分的方法，通過對與ITlC存儲單元串聯(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)，從而識別存儲單元中的邏輯信息。這種鐵電存儲器在讀取操作中，電壓讀取會導(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)器件存儲單元尺寸小于130nm時，目前讀出電路基本無法識別存儲單元中所存儲的邏輯信息，嚴(yán)重地阻礙了鐵電存儲器向高密度方向發(fā)展。
[0005]非破壞性讀出(NDRO)鐵電存儲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)的鐵電場效應(yīng)晶體管(FeFET)。通過極化方向的控制可以改變漏電流Ids大小，差距可以達(dá)幾個數(shù)量級，存儲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，而存儲器市場一般要求不小于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)用到存儲器產(chǎn)品中。
[0006]因此，當(dāng)前商業(yè)化應(yīng)用的破壞性讀出(DRO)鐵電存儲器主要是以對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，存儲密度低，例如，目前商業(yè)化應(yīng)用的鐵電存儲器最大只有8MB。
[0007]采用兩種不同取向的鐵電疇所形成的疇壁進(jìn)而產(chǎn)生疇壁電流也可以讀出所存儲的鐵電電疇的邏輯信息。目前國際上普遍采用對原子力顯微鏡的納米針尖對薄膜微區(qū)施加電場，從而改變薄膜局域電疇取向從而形成導(dǎo)電疇壁。這種原子力針尖技術(shù)無法與目前的半導(dǎo)體工藝兼容，即無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)；另外，讀出電流通常只有pA-nA量級，即電流太弱，無法被存儲器高速讀出電路(ns量級)所識別。本技術(shù)采用面內(nèi)讀寫存儲單元結(jié)構(gòu)，與半導(dǎo)體工藝完全兼容；另外讀出疇壁電流信號可以達(dá)100ηΑ-10μΑ，能夠被目前高速存儲器的讀出電路所識別。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的之一在于提供一種能夠以大電流讀取方式實(shí)現(xiàn)信息非破壞性讀出的、存儲性能好的面內(nèi)高密度鐵電存儲器，鐵電存儲器的讀操作和寫操作均可同一面內(nèi)左右電極層來完成。
[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，提供一種鐵電存儲器，該鐵電存儲器包括:
鐵電薄膜層(303)和薄膜表面刻蝕出的長方體鐵電存儲單元(305)，鐵電薄膜層底部(303)和表面被刻蝕出鐵電存儲單元(305)實(shí)為同一整體，即薄膜表面存儲單元的刻蝕深度小于薄膜厚度；
以及設(shè)置在所述表面鐵電存儲單元(305)兩邊的左右讀寫電極層(307)，所述讀寫電極層(307)間被刻蝕出的鐵電存儲單元(305)分割成兩部分，即為電極對(3071)和(3073);
所述鐵電薄膜層(303)的電疇(3031或3033)和鐵電存儲單元(305)的電疇(3051或3053)的極化方向基本不平行于所述讀寫電極層(307)所在平面的法線方向；
其中，在所述面內(nèi)讀寫電極層(307)中的鄰接所述刻蝕鐵電存儲單元(305)的兩個部分之間偏置第一方向的寫信號時，對應(yīng)所述表面刻蝕鐵電存儲單元(305)的電疇被電極對(3071)和(3073)之間形成的電場完全反轉(zhuǎn)，而與鐵電薄膜層(303)底部未反轉(zhuǎn)電疇之間建立疇壁導(dǎo)電通道(3054)。
[0011]例如，在所述讀寫電極層(307)中的鄰接所述鐵電存儲單元(305)的兩個部分之間偏置第一方向的寫信號(該信號電壓大于或等于鐵電存儲單元的矯頑場電壓)時，對應(yīng)所述鐵電存儲單元(305)的表面電疇以被完全反轉(zhuǎn)而與底部塊體薄膜沒有反轉(zhuǎn)的電疇形成導(dǎo)電疇壁通道；
在所述讀寫電極層(307)中的鄰接所述鐵電存儲單元(305)的兩個部分之間偏置第一方向的讀信號(該信號電壓小于鐵電存儲單元的矯頑場電壓)時，對應(yīng)所述鐵電表面被刻蝕所形成的存儲單元(305)與鐵電薄膜底層(303)之間形成或未形成的疇壁導(dǎo)電通道(3054)未被破壞。
[0012]根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的鐵電存儲器，其中，在所述讀寫電極層(307)中的鄰接所述表面刻蝕鐵電存儲單元(305)的兩個部分之間偏置與所述第一方向相反的第二方向的寫信號時，使被完全反轉(zhuǎn)的刻蝕鐵電存儲單元(305)的電疇(3053a)反轉(zhuǎn)回到初始極化方向。
[0013]在之前所述任一實(shí)施例的鐵電存儲器中，配置所述鐵電存儲單元(305)的厚度(h)和/或所述鐵電存儲單元(305)的寬度(d)，以使在偏置預(yù)定大小的寫電壓作用下對應(yīng)電極對(3071)和(3073)之間所述鐵電存儲單元(305)的電疇被完全反轉(zhuǎn)。
[0014]在之前所述任一實(shí)施例的鐵電存儲器中，配置所述鐵電存儲單元(305)的厚度(h)和/或所述鐵電存儲單元(305)的寬度(d)，以使在偏置預(yù)定大小的讀電壓作用下對應(yīng)對應(yīng)電極對(3071)和(3073)之間所述鐵電存儲單元(305)電疇被完全反轉(zhuǎn)而與鐵電薄膜層(303)底部未反轉(zhuǎn)電疇之間建立疇壁導(dǎo)電通道(3054)。
[0015]可選地，所述鐵電存儲單元(305)的寬度(d)大于或等于2納米且小于或等于10微米。
[0016]可選地，所述鐵電存儲單元(305)的長度(I)大于或等于2納米且小于或等于10微米。
[0017]可選地，所述鐵電存儲單元(305)的厚度(h)大于或等于5nm且小于或等于I微米具體地，所述非易失鐵電存儲器還包括基底(301)，所述鐵電薄膜層(303)設(shè)置在所述基底(301)之上，同時，基底(301)與鐵電薄膜層(303)可以是相同材料，即使用鐵電塊體材料。
[0018]優(yōu)選地，所述基底(301)為絕緣基底?？紤]到與半導(dǎo)體工藝的兼容性，一般選取硅基底。
[0019]可選地，所述鐵電薄膜層(303)與表面刻蝕的鐵電存儲單元(305)實(shí)為同一整體，材料可選自鐵酸鉍BiFeO3、摻La的鐵酸鉍鹽(Bi，La) FeO3、鋯鈦酸鉛鹽(Pb，Zr)T13、旦酸鋰LiTaO3或者鈮酸鋰鹽LiNbO3。
[0020]可選地，所述鐵電薄膜層(303)厚度大于或等于10納米且小于100微米。
[0021]可選地，所述讀寫電極層(307)的厚度大于或等于5納米且小于或等于100納米。
[0022]可選地，通過控制所述鐵電薄膜層(303)與刻蝕的鐵電存儲單元(305)生長的晶向，以至于所述鐵電薄膜層(303)的電疇(3031，3033)和鐵電存儲單元(305)的電疇(3051，3053)極化方向基本不垂直于所述讀寫電極層(307)的平面。
[0023]按照本發(fā)明的又一方面，提供一種以上所述非易失鐵電存儲器的制備方法，包括步驟:
提供基底(301)；
在基底(301)上形成鐵電薄膜(303);
在鐵電薄膜(303)表面刻蝕出鐵電存儲單元(305);以及在所述鐵電存儲單元(305)之間形成面內(nèi)讀寫電極層(307)。
[0024]根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的制備方法，其中，所述鐵電存儲單元(305)和讀寫電極層(307)電子束加工或者納米壓印或光刻和干法刻蝕形成。
[0025]按照本發(fā)明的還一方面，提供一種以上所述鐵電存儲器的寫操作方法，其中，在所述讀寫電極層(307)中的鄰接鐵電存儲單元(305)的電極對(3071和3073)之間偏置第一方向的寫信號(Vwrite3l),對應(yīng)所述鐵電存儲單元(305)表面電疇部分被反轉(zhuǎn)，從而寫入第一邏輯信息(“I”)。
[0026]進(jìn)一步，在所述讀寫電極層(307)中的鄰接所述鐵電存儲單元(305)的電極對(3071和3073)之間偏置與所述第一方向相反的第二方向的寫信號(Vwrite2),使對應(yīng)所述鐵電存儲單元(305)表面電疇部分未被反轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)回到初始極化方向，從而寫入第二邏輯信息(“O”)。
[0027]其中，在所述鐵電薄膜層(303)與鐵電存儲單元(305)中，鐵電存儲單元(305)表面被反轉(zhuǎn)的電疇(3053a)與底部未被反轉(zhuǎn)的電疇(3031a)之間形成疇壁(3054)，該疇壁(3054)貫通所述讀寫電極層(307)的讀寫電極對(3071和3073)之間。
[0028]按照本發(fā)明的再一方面，提供一種以上所述鐵電存儲器的讀操作方法，其中，在所述讀寫