[发明专利]基于源/漏电极区差异性铁电极化的四态铁电晶体管存储器的操作方法

说明书

本发明属于信息技术领域，具体为一种基于源/漏电极区差异性铁电极化的四态铁电晶体管存储器的操作方法。本发明通过在源漏栅三极间施加不同的电压，使源/漏区铁电膜具有互不依赖的铁电极化取向，借助源/漏区域铁电极化状态的组合可以在一个铁电晶体管上实现四个存储状态。本发明在不改变铁电晶体管存储器制备工艺和结构的情况下，可直接使其存储容量翻倍，适用范围广。

技术领域

本发明属于信息技术领域，具体涉及具有四态存储功能的铁电晶体管存储器的操作方法。

背景技术

非易失性铁电晶体管存储器利用铁电材料层的剩余电极化特性，调控临近半导体沟道层的导电性。在传统的铁电晶体管写入/擦除操作过程中，源极区和漏极区铁电膜的极化状态一致，从而仅能实现两态(即0和1态)存储功能。本发明将通过调控写入/擦除过程中源漏栅三极间的电压值，实现源极区和漏极区铁电膜的差异性取向极化，从而在铁电晶体管中实现四态存储功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以在一个铁电晶体管上实现四个存储状态的读写操作方法，从而提高器件的存储密度。

传统的非易失性铁电晶体管将铁电层作为一个整体进行极化操作，这样只能实现两种存储状态。实际上铁电层可以按照源漏电极划分为不同的区域，不同区域的极化状态对沟道层源漏电流有着不同影响。通常产生载流子的源极及其附近区域对源漏电流起决定性作用，但漏极及其附近区域的作用同样不可忽视。因此，本发明利用这一原理，提出一种新的铁电晶体管信息写入/擦除的操作方法，可以在一个铁电晶体管上实现四个存储状态的写入、擦除及读出操作，从而提高器件的存储密度。

本发明提供的在一个铁电晶体管上实现四个存储状态的写入、擦除及读出操作方法，是基于铁电晶体管的源/漏电极区差异性铁电极化的。铁电晶体管的结构为：一对源/漏极，一个栅极，一个半导体沟道层和一个铁电层。本发明方法通过对源漏栅三极上所施加电压的合理调控，实现对源极区和漏极区铁电膜的差异性极化，通过不同的极化状态组合，在一个铁电晶体管器件上实现四个状态存取操作。

结合图1所示底栅顶接触的铁电晶体管结构，阐述铁电晶体管四态信息写入/擦除的方法。需要强调的是，在新的信息态写入的同时，也就意味对前一个已经存在的信息态的擦除操作。也就是说，四态信息的写入过程同时伴随着擦除操作。因而如下阐述中，仅强调对特定四态信息的写入过程，而不强调对特定写入态的擦除操作。器件操作时，源极接地。为了阐述方便，将铁电膜内电偶极子取向方向向上的极化状态定义为正极化态；而当铁电膜内电偶极子取向方向向下的极化状态定义为负极化态。栅极和源极间电压记为V_GS，栅极和漏极间电压记为V_GD，漏源间电压记为V_DS，漏源间电流记为I_DS，栅源间电流记为I_GS，铁电膜矫顽电压为V_C。四态存储信息的写入/擦除操作如下：

写入状态1：V_GS和V_GD为正值且均大于V_C时，源极区和漏极区的铁电膜均正极化，如图2(a)所示。对于该写入状态，如果沟道层为p型半导体材料，则晶体管处于关态，I_DS为最小值；如果沟道层为n型半导体材料，则晶体管处于开态，I_DS为最大值。状态1的写入，也就意味着对前一个已存在的写入态的擦除操作；

写入状态2：V_GS和V_GD为负值且两者绝对值均大于V_C时，源极区和漏极区的铁电膜均负极化，如图2(b)所示。对于该写入状态，如果沟道层为p型半导体材料，则晶体管处于开态，I_DS为最大值；如果沟道层为n型半导体材料，则晶体管处于关态，I_DS为最小值。状态2的写入，也就意味着对前一个已存在的写入态的擦除操作；