[发明专利]具有铁电材料元件的存储器支持及其改进的非破坏性读取方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有铁电材料元件的存储器及其非破坏性读取方法。

背景技术

正如所知，在存储系统的背景中感觉需要达到具有高数据传送速率(比特速率)的高存储容量、同时减少制造成本和面积占用。当前最广泛使用的存储系统(即，硬盘驱动(具有小型化尺度)和快闪RAM)在数据存储容量和读取/写入速度的增加及其尺度的减少方面带来固有技术限制。

在提出的创新解决方案之中，使用铁电材料存储介质的存储系统颇有前景，其中通过与铁电材料的铁电畴相互作用来进行各个比特的读取/写入。

正如所知，铁电材料拥有可以通过施加的电场来反向的自发极化。如图1中所示，所述材料另外带来在根据施加的电压V的极化电荷Q(或者等效为极化P)的图中的磁滞循环，利用这一点有可能以比特的形式存储信息。具体而言，在没有向介质赋予的偏置电压(V＝0)时，存在该图的在稳定状态下的如下两点(由“b”和“e”表示)，这两点具有具体为相等和相反的不同极化。所述点可以甚至经年保持于稳定状态、因此维持存储的二进制数据(例如具有正电荷+Q_H的点“b”对应于“0”，而具有负电荷-Q_H的点“e”对应于“1”)。

写入操作设想向铁电介质施加比铁电材料特有的矫顽电压Vcoe更高的(正或者负)电压。在这一情况下，正电压+Q_H或者负电压-Q_H存储于材料中(这基本上对应于沿着图从点“e”经过点“a”到点“b”或者另外从点“b”经过点“d”到点“e”的移位)。相反，绝对值比矫顽电压Vcoe更低的电压不引起存储的电荷的稳定变化。

常用的数据读取技术是基于如下破坏性操作，该破坏性操作设想擦除读取的数据。概括而言，向铁电材料施加幅度比矫顽电压Vcoe的幅度更大的(正或者负)电压、因此在实践中执行写入操作，并且检测出现或者未出现所述铁电材料的极性反向。出于这一目的，检测存在或者未存在铁电材料中流动的明显电流。显然，施加正(或者负)电压仅引起负电荷-Q_H(或者正电荷+Q_H)先前已经存储于其中的铁电畴反向。

所述读取技术的主要问题与如下事实关联：读取操作有破坏性；即它们意味着去除先前存储的信息、因此意味着它们本身不可能在先前尚未执行重写读取的数据时执行数据的后续读取。事实上，读取存储器的部分对应于在所述存储器部分中写入全为正(或者在使用负读取电压的情况下全为负)的电荷的序列。因而在读取期间必须在存储器缓冲器中存储读取的数据流、然后需要写入操作用于恢复原信息。

所述读取技术需要大量消耗时间和功率并且基本上构成当前铁电存储系统具体在比特速率方面的瓶颈。

为了克服所述问题，已经提出一些非破坏性读取存储的数据的技术。

例如在Cho等人的“Terabit inch^-2ferroelectric data storage usingscanning nonlinear dielectric microscopy nanodomain engineeringsystem”(Nanotechnology No.14，2003，637-642，Institute of PhysicsPublishing)中，向环形电极施加正弦信号，这在如下谐振电路中引起振荡，该谐振电路包括信息比特存储于其中的铁电介质。鉴于铁电材料在极化图的稳定点处的高阶非线性介电常数的不同行为，解调器检测引起的振荡的如下谐波，这些谐波的相位与存储的信息比特相关。

在Kato等人的“0.18-μm nondestructive readout FeRAM usingcharge compensation technique”(IEEE Transactions on electron devices，Vol.52 No.12，December 2005)中描述了如下读取电路，该读取电路设想铁电电容器(由存储介质构成)串联连接到读取MOS晶体管的栅极端子。通过施加读取脉冲，存储于电容器中的电荷根据先前存储的极化状态以不同方式偏置MOS晶体管的栅极端子、因此变化其导电沟道的导电率。接着通过借助读出放大器以静态方式检测在晶体管本身的电流导电端子之间流动的电流来读取存储的数据。

前述读取技术虽然带来非破坏性且因此无需重写读取的数据这样的优点，但是在构造复杂性及其操作方面未完全令人满意。