[发明专利]高读出电流的非挥发铁电存储器及其操作方法

说明书

本发明属于铁电存储技术领域，具体为一种高读出电流的非挥发铁电存储器及其操作方法。该非挥发铁电存储器的每个存储单元为面内电容器结构或上下电容器结构；铁电材料的极化方向都分别垂直于电极；当在两个电极上施加与体铁电的电畴极化方向相反的足够大的写电压时，电极所对应区域的铁电畴自极化方向沿电场方向发生反转，电极间电畴极化方向与周边体电畴极化方向相反，在两电畴间形成畴壁，该畴壁通常是导电通道；读取信息时通过导电通道的读电流与导电畴壁周长成正比，导电畴壁周长越长，读电流越大。本发明的铁电存储器可以提高存储单元中的读出电流，有利于提高数据的读取速度和可靠性。

技术领域

本发明属于铁电存储技术领域，具体涉及一种非挥发铁电存储器及其操作方法。

背景技术

铁电材料具有较高的自发极化强度可应用于铁电随机存储器FRAM(Ferroelectric Random Access Memory),铁电非挥发存储器是利用铁电电畴是否翻转，是否与体材料形成导电通道来存储逻辑信息（“1”和“0”），通过是否有导电通道来读取存储的逻辑信息是“1”还是“0”，有导电通道为逻辑信息“1”，没有导电通道为逻辑信息“0”。

非挥发铁电存储器是根据铁电畴的反转来存储信息，铁电畴的反转速度可高达0.2ns，因此非挥发铁电存储器的存储速度也可以非常高，写的速度可以接近读的速度，这就使非挥发铁电存储器的整个读写速度非常高。电畴反转的电压由面内结构的刻蚀的线条宽度或者上下结构的薄膜的厚度决定，面内结构的刻蚀的线条宽度窄或者上下结构的薄膜的厚度薄都会降低存储器的写电压和读电压，也会提高存储器的存储密度。因此，非挥发铁电存储器具有读写速度高、驱动电压低和存储密度高等优点。有望成为新一代广泛使用的存储器。

目前市场上的1T1C铁电存储器也是利用电畴的极化方向来存储信息，在读取的过程中采用电荷积分的方法，对串联的参考电容的电压进行读取，电压读取之后会使铁电电容的电畴极化方向发生反转，因此是破坏性的读取，读取之后，需要把信息重新写入，因此读取的速度降低，而且功耗增大。另外，1T1C电路的读取参考电容的电压必须大于20mv，如果电压太小，读取信息的可靠性就不高，因此要求铁电电容器的面积大，存储电荷多，或者参考电容的尺寸要小，参考电容的尺寸是由MOS器件的尺寸决定，所以很难变小，因此存储密度就很难提高。

而市场上已有的非破坏性读出铁电存储器是用铁电薄膜层替代MOSFET里的栅介质层，这种存储器成为FEFET。它是通过铁电材料的极化来控制源漏沟道电流，他可以在非常小的电压下实现非破坏性的读取。读写速度非常快，功耗较低，集成密度较高，而且是非破坏性读出。但是作为栅介质层的铁电材料保持性能很差，而一般存储器要求至少保存时间为10年，因此很难作为存储器被大量推广使用。

因此，综上所述，对于铁电存储器需要寻找非破坏性读取以降低功耗和提高读取速度，存储器的读取信息要可靠，而且需要保持性能久的铁电存储器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种读写速度高、读出电流大、保持时间久的非挥发铁电存储器。

本发明提供的非挥发铁电存储器，包括面内电容器结构和上下电容器结构两种，即该非挥发铁电存储器的每个存储单元既可以做成一个面内电容器结构，又可以用于面外上下电容器结构；两种结构中，铁电材料的极化方向都分别垂直于电容器面内左右电极或面外上下电极。当在两个电极上施加与体铁电的电畴极化方向相反的足够大的写电压时，电极所对区域的铁电畴自发极化方向会沿电场方向发生反转，电极间电畴极化方向会与周边体电畴极化方向相反，在两电畴间形成畴壁，该畴壁通常是导电通道。实验发现，读取信息时通过导电通道的读电流与导电畴壁周长成正比，导电畴壁周长越长，读电流越大。本发明基于此原理增加导电畴壁周长以提高非挥发铁电存储器导电畴壁的读出电流。

本发明提供的这两种非挥发铁电存储器具有读写速度高，读出电流大，保持时间久等特点，高的读电流会提高读取信息的速度和可靠性，这种存储器有望成为新一代商业化的非挥发铁电存储器。