具有改进温度范围的模拟铁电存储器的制作方法

非易失性存储器是许多数据处理系统等的必要部分。在机器和存储器未通电的时段期间，存储器保持机器的状态、程序和数据。基于旋转磁盘的存储器提供了最便宜的读写非易失性存储器。然而，这种机械存储器读取和写入相对较慢。数据存储和检索的速度由具有所需数据的磁盘部分位于读/写头下方的等待时间和磁盘旋转的速度确定。

基于eeprom架构的非易失性存储器基本上消除了等待时段，并且并行读写设计也减少了此类存储器中的读写时间。然而，eeprom存储器仍然比常规dram或sram存储器慢得多。另外，这些存储器每比特的成本仍然比dram高一个数量级。

基于铁电材料的非易失性存储器有望提高非易失性存储器的成本和速度两者。常规铁电存储器单元使用具有铁电电介质的电容器来存储数据。通过更改铁电电介质的极化来存储数据。以最简单的形式，电介质在一个方向上完全极化的铁电电容器代表数据值“0”，并且电介质在另一方向上完全极化的铁电电容器代表“1”。通过在铁电电容器两端施加足以在期望方向上将电介质完全极化的电压来存储数据值。通过在某个方向上施加将铁电电容器完全极化到预定方向的电压并测量从铁电电容器流出的电荷来读取所存储的数据值。如果铁电电容器已经在预定方向上被极化，则在铁电电容器的板之间有很少电荷移动；然而，如果铁电电容器在相反的方向上被极化，则在板之间流动的电荷要大得多。

如果可以存储在铁电电容器中的数据的位数可以增加到超过上述二进制存储单元，则铁电存储器的成本可以显著降低。将多个状态存储在单个铁电电容器中的最初尝试使用的编程电压小于将铁电电容器完全极化所需的电压。在这些方案中，首先通过施加复位电压将铁电电容器复位到完全极化状态。然后在相反方向使铁电电容器经受中间电压以部分地将铁电电容器极化。编程电压的大小取决于要存储的数据值。为了读取铁电电容器，再次使铁电电容器经受复位电压，并且测量离开铁电电容器的电荷量。从电容器流出的电荷量应当允许确定所存储的数据值。不幸的是，流动的电荷量取决于铁电电容器的滞后曲线。由于制造变化、铁电电容器的先前编程历史、和温度，滞后曲线从铁电电容器到铁电电容器而显著变化。因此，施加到存储器中不同铁电电容器的相同编程电压导致存储不同的电荷。

在其全部内容通过引用结合在此的美国专利7,990,749中，描述了一种改进的模拟铁电存储器，在所述模拟铁电存储器中，通过将要存储的数据值转换成仅取决于数据值的电荷来对铁电电容器进行编程。然后将此电荷强加到铁电电容器中。由于铁电电容器的滞后回线的变化，不同的铁电电容器将处于不同的极化状态。然而，当铁电电容器复位时，如果铁电电容器在读出时的温度与铁电电容器在编程时的温度相同，则离开铁电电容器的电荷将与强制存储的电荷相同，并且因此，由于制造变化和编程历史而导致的滞后回线的变化显著减少。

技术实现要素：

本发明包括一种铁电存储器以及一种用于操作铁电存储器的方法。根据本发明的铁电存储器包括铁电存储器单元和写入电路。所述铁电存储器单元包括铁电电容器，所述铁电电容器由可以存储在所述铁电电容器中的最大剩余电荷q最大来表征。所述写入电路接收具有两个以上状态的写入数据值以存储在所述铁电电容器中。所述写入电路测量所述铁电电容器的q最大，确定作为所测量q最大的分数的第一电荷，并且使得所述第一电荷存储在所述铁电电容器中。所述第一电荷是由所述写入数据值和q最大确定的。

在本发明的一方面中，所述铁电存储器还包括：读取电路，所述读取电路确定存储在所述铁电电容器中的所存储数据值。所述读取电路测量存储在所述铁电电容器中的第二电荷，测量所述铁电电容器的q最大，并且根据所述第二电荷和所测量q最大来确定所存储的数据值。

在本发明的另一方面中，所述铁电存储器包括多个铁电存储器单元和存储器单元选择电路。每个铁电存储器单元包括铁电电容器，所述铁电电容器由可以存储在此铁电电容器中的最大剩余电荷q最大来表征。q最大是温度的函数，并且可以因铁电电容器而异。所述存储器单元选择电路选择所述铁电电容器中的一个铁电电容器。所述写入电路接收具有两个以上状态的第三数据值，以存储在所述铁电电容器中的所选铁电电容器中。所述写入电路测量所述铁电电容器中的所述所选铁电电容器的q最大，确定作为所测量q最大的分数的第三电荷，并且使得所述第三电荷存储在所述铁电电容器之一中。所述第三电荷是由所述第三数据值确定的。

在本发明的另一方面中，所述铁电存储器还包括：读取电路，所述的确定存储在所述铁电电容器中的所述所选铁电电容器中的第三数据值。所述读取电路测量存储在所述铁电电容器中的那个铁电电容器中的第四电荷，测量铁电电容器中的那个铁电电容器的q最大，并且根据所述第四电荷与所测量q最大的比率来确定所述第三数据值。

在本发明的进一步方面中，所述写入电路在每次所述第一电荷存储在所述铁电电容器中时确定q最大。另外，所述读取电路在每次测量存储在所述铁电电容器中的所述第二电荷时确定q最大。

在本发明的另一方面中，所述铁电电容器包括寄生线性电容器，并且当所述铁电电容器从一个方向上的完全极化状态切换到另一方向上的完全极化状态时，所述写入电路测量从所述铁电电容器流出的第五电荷。所述第五电荷针对存储在所述寄生线性电容器上的寄生电荷进行校正。当所述铁电电容器从一个方向上的完全极化状态切换到另一方向上的完全极化状态时，所述读取电路测量从所述铁电电容器流出的第五电荷，并针对存储在所述寄生线性电容器上的寄生电荷来校正所述第五电荷

在本发明的另一方面中，所述铁电电容器由夹着铁电介电材料的第一板和第二板来表征，并且所述铁电存储器包括短路电路，当所述写入电路未在使所述第一电荷存储在所述铁电电容器中或者所述读取电路未在测量所述第二电荷时，所述短路电路电连接所述第一板和所述第二板。当所述读取电路正在测量所述第二电荷或所述写入电路使所述第一电荷存储到所述铁电电容器中时，所述短路电路不工作。

在本发明的又一方面中，所述铁电存储器由所述铁电存储器被设计用于操作的最大温度变化速率来表征，并且所述铁电电容器包括将所述铁电电容器的温度变化速率限制到所述最大速率的热封装体。

在本发明的另一方面中，所述存储器单元选择电路包括写入线、读取线和多个铁电存储器单元选择总线。所述选择总线中的一个选择总线与所述铁电存储器单元中的每个铁电存储器单元相对应。所述铁电存储器单元中的每个铁电存储器单元包括第一栅极和第二栅极，所述第一栅极和所述第二栅极用于响应于与此铁电存储器单元相对应的所述铁电存储器单元选择总线上的信号而将所述铁电存储器单元分别连接至所述读取线和所述写入线。

在本发明的另一方面中，所述铁电电容器中的每个铁电电容器由第一导电板和第二导电板来表征，并且所述铁电存储器单元中的每个铁电存储器单元包括连接所述第一导电板和所述第二导电板的放电路径。当所述铁电存储器单元未被选择时，所述放电路径具有防止在所述第一导电板与所述第二导电板之间生成大于干扰电压的电压的阻抗，当所述铁电存储器单元被选择时，所述放电路径具有大于选择阻抗的阻抗。所述干扰电压小于将存储在所述铁电电容器中的电荷更改大于将更改存储在所述铁电电容器中的数据值的量的电压，并且所述选择阻抗大于将在从所述铁电电容器读取数据值或向所述铁电电容器写入数据值时导致误差的阻抗。

本发明还包括一种用于操作铁电存储器单元的方法，所述铁电存储器单元具有铁电电容器，所述铁电电容器由可以存储在所述铁电电容器中的最大剩余电荷q最大来表征。所述方法包括写入操作，在所述写入操作中，接收要存储在所述铁电电容器中的写入数据值，所述写入数据值具有两个以上的状态。所述方法包括测量所述铁电电容器的q最大，确定作为所测量q最大的分数的第一电荷，并且使所述第一电荷存储在所述铁电电容器中。所述电荷是由所述写入数据值和q最大确定的。

在本发明的一方面中，q最大是在执行每次写入操作之前测量的。

在本发明的另一方面中，所述方法包括读取操作。所述读取操作包括确定存储在所述铁电电容器中的第二电荷，确定所述铁电电容器的q最大，并且将所确定的q最大和所述第二电荷转换成数据值，所述数据值具有两个以上可能的状态。

在另一方面中，所述铁电电容器包括寄生线性电容器，并且其中，确定q最大包括：当所述铁电电容器从一个方向上的完全极化状态切换到另一方向上的完全极化状态时，测量从所述铁电电容器流出的第三电荷。所述第三电荷针对存储在所述寄生线性电容器上的寄生电荷进行校正。

在另一方面中，q最大是在执行每此读取操作时确定的。

在另一方面中，所述铁电电容器由第一导电板和第二导电板来表征，并且所述方法进一步包括提供连接所述第一导电板和所述第二导电板的放电路径，当所述铁电存储器单元未在经历读取操作或写入操作时，所述放电路径具有防止在所述第一导电板与第二导电板之间生成大于干扰电压的电压的阻抗。干扰电压小于将存储在所述铁电电容器中的电荷更改大于将更改存储在所述铁电电容器中的数据值的量的电压，并且当所述铁电电容器正在经历所述读取操作或所述写入操作时，所述放电路径的阻抗大于将在所述读取操作或所述写入操作中导致误差的阻抗。

附图说明

图1展示了所施加的电压与存储在铁电电容器中的电荷之间的关系。

图2展示了与试图使用中间电压来建立中间极化值相关联的问题。

图3是真实的铁电电容器的示意图，与在图1中示出其滞后回线的理想铁电电容器形成对照。

图4是用于将数据值存储在特定铁电电容器中的过程的流程图。

图5是用于从存储器中的特定铁电电容器中读取数据值的过程的流程图。

图6展示了在本发明的一个实施例中使用的基本编程原理。

图7展示了可以在本发明的实施例中利用的另一编程安排。

图8展示了用于读取存储在铁电电容器上的电荷的简化电路。

图9是根据本发明的另一个实施例的简化读出电路。

图10展示了根据本发明的模拟铁电存储器的一个实施例。

图11展示了根据本发明的铁电存储器的一个实施例，所述铁电存储器利用一种存储方案，在所述存储方案中，通过测量在写入操作期间存储在铁电电容器中的电荷的量来读出数据。

图12展示了图7中所示的编程安排，其中，寄生线性电容器被明确示出。

图13展示了图8中所示的读取方案，其中，与铁电电容器43相关联的寄生线性电容器被明确示出为线性电容器22。

图14是根据本发明的一个实施例的存储器的截面视图，所述存储器是以降低存储器温度可以变化的速率的方式封装的。

图15展示了本发明的利用恒定电流源来读取和写入铁电电容器的一个实施例。

具体实施方式

在本申请中讨论的电路包括两种类型的电容器。第一种类型是铁电电容器，所述铁电电容器是具有作为此电容器中的电介质的铁电材料的电容器。第二种类型是常规电容器，所述常规电容器具有作为其介电层的非铁电材料。除非上下文另有指明，否则在以下讨论中，不带形容词“铁电”的术语“电容器”将用于常规电容器。

参考尝试存储每铁电电容器两个以上状态的现有技术铁电电容器存储器所遇到的问题，将更容易理解本发明提供其优点的方式。铁电存储器基于通过在铁电电容器两端施加每个状态相对应的写入电压来将数据值映射到铁电电介质的特定极化状态的模型。电介质的极化状态通过以下方式来感测：在铁电电容器两端施加导致电介质在已知方向上被完全极化的读取电压以及观察由于施加读取电压而离开铁电电容器的一个板的任何电荷。

以下事实使这种方案复杂化：作为在铁电电容器两端施加的电压的函数的铁电电介质极化状态展现滞后现象。也就是说，当移除电压时留在铁电电容器中的剩余极化是自铁电电容器最后一次被完全极化以来的铁电电容器两端的电压的历史的函数。因此，除了两个特定写入电压以外，仅施加处于这些写入电压之间的电压并不会在移除电压时导致可再现的极化状态。导致独立于铁电电容器的之前的短期历史的已知极化状态的这两个写入电压是在向上或向下方向上将电介质完全极化的写入电压。提供这种完全极化的电压被称为饱和电压并且将由vc表示。如果使用大于vc的电压，则不会发生进一步的剩余极化。如果使用小于vc的电压，则极化状态将取决于在施加此写入电压之前的铁电电容器的历史。

由于与使用中间电压相关联的问题，基于铁电电容器的现有技术铁电存储器被限制于与用作写入电压来存储数据的vc和-vc相对应的两种状态。这些电压中的任一电压可以用作读取电压。

已经提出了针对使用中间写入电压来设置中间极化状态的方案。为了避免与铁电电容器的存储器相关联的问题，通过以下方式来设置中间状态：首先将铁电电容器设置为完全极化状态之一，并且然后施加趋于将铁电电容器极化到相反极化状态的中间写入电压。现在参考图1，其展示了所施加的电压与存储在铁电电容器中的电荷之间的关系。应当注意，存储在电容器电极上的电荷是电介质极化的直接度量，因为电荷被电介质的剩余极化吸引到电极上。当首先制作铁电电容器时，铁电材料未被极化。考虑在电容器两端施加正电压vc的情况。铁电电容器中的电荷沿着曲线501增大，直到其在vc处达到最大值为止。如果铁电电容器两端的电压现在被移除，则存储在铁电电容器上的电荷沿着曲线502下降到q最大，所述曲线是滞后回线500的一部分。这里，q最大是在不施加电压时由铁电电容器存储的最大剩余电荷。

现在参考图2，其展示了与试图使用中间电压来建立中间极化值相关联的问题。假设铁电电容器开始于其通过施加如以上所讨论的vc而被留下的点。为了建立部分极化，铁电电容器首先沿着曲线507循环回-vc，并且然后电压从-vc增大至v1。在504处示出了作为电压的函数的电荷。一旦在v1处建立了铁电电容器，就移除电压，剩余电荷q1留在铁电电容器中。如果已经使用了稍微高于v1的电压v2，则极化将沿着路径505继续，并且最终剩余电荷将是q2。因此，编程电压的很小变化导致剩余电荷的很大变化。这种问题由滞后曲线的陡斜率引起，所述陡斜率会放大编程电压的任何误差。

因为对于不同铁电电容器，无法以不同方式来对与要存储在不同铁电电容器中的特定状态相对应的编程电压进行编程，所以这些方案假设表征特定铁电电容器的滞后回线保持不变并且存储器中的所有铁电电容器的滞后回线都相同。根据图2，清楚的是，由中间电压存储的剩余电荷的程度是表征此特定铁电电容器的滞后回线的形状的敏感函数。滞后回线的形状或位置的很小变化导致在移除编程电压之后所留下的剩余电荷的很大变化。

在上述美国专利中，通过用电荷而不是电压来对铁电电容器进行编程，克服了与从铁电电容器到铁电电容器的滞后回线变化相关联的问题。也就是说，要存储在铁电电容器中的数据值被转换成电荷，并且此电荷被强加到铁电电容器中，而除了可以存储在铁电电容器中的最大电荷之外，不考虑此铁电电容器的特定滞后回线。滞后回线的差异导致因铁电电容器而不同的部分极化。当铁电电容器在读出时被复位时，无论铁电电容器的极化水平如何，存储在铁电电容器中的任何电荷都会被挤出。因此，可以恢复数据值。也就是说，与特定数据值相对应的电荷将是相同的，而与存储器中各个铁电电容器的滞后回线的变化无关。

以上讨论的编程策略假设铁电电容器的温度在通过强加电荷来对铁电电容器进行编程的时间与通过将铁电电容器复位到完全充电状态来读取铁电电容器的时间之间没有显著差异。在电荷被强加到铁电电容器上之后，电荷被内部剩余极化生成的电场保持在适当位置，并且铁电电容器的板之间没有外部电压差。然而，如果铁电电容器的温度变化，剩余极化也将由于铁电材料内电偶极子的物理尺寸的膨胀或收缩而变化。

铁电电容器在其体积内包含一系列单位晶胞。在居里温度(curietemperature)以下，所有铁电单位晶胞都是不对称的。每个单位晶胞的不对称性产生了从单位晶胞发出的净极化。在任何完美的电容器中，100％的单位晶胞都是相同极化、竖直对齐的，并且可以通过施加外部电场力来反转它们的方向。在真实世界中，单位晶胞的一部分符合这种描述，并且其余部分通过缺陷或晶格应力固定在适当的位置。只有那些能够切换方向的单位晶胞才会对如从电容器的外部测量的剩余极化有贡献。总之，在切换操作期间从电容器的外部测量的剩余极化是电容器体积内每个可切换单位晶胞所贡献的极化之和。

由铁电电容器表现出的电极化是表面效应。在完全饱和状态下，所有可切换单位晶胞的结构上强制的电极化将指向一个电极或另一电极。可以通过将电容器置于表面单位晶胞的一部分指向一个方向而其余单位晶胞指向另一方向的条件下来实现部分极化状态。从电容器处于部分切换的条件开始，在一个方向上向电容器施加饱和电压将导致仅指向所施加场的那些单位晶胞背离所施加场进行切换。只有由总剩余极化的那部分所保持的电荷将从电容器中离开，因为其他单位晶胞将不会切换。

本发明基于以下观察：当温度变化时，每个单位晶胞的剩余极化响应于温度变化而变化，但是单位晶胞的总数量保持不变。也就是说，单位晶胞不会改变取向，只有由每个单位晶胞生成的电场的大小发生变化。根据本发明的模拟状态由单位晶胞中在指定方向上被极化的一部分来限定。如果铁电电容器被保护免受快速温度变化的影响，则此模拟状态与对铁电电容器进行编程的时间与读取时确定所述部分的时间之间的温度变化无关。

发生极化变化是因为单位晶胞的尺寸与温度有关。单位晶胞中在特定极化方向上的一部分不变。例如，如果在模拟状态下在一个方向上对60％的单位晶胞进行编程，并且温度变化，则电容器的总剩余极化将会变化，因为单位晶胞改变了它们的大小，并且因此改变了它们对总剩余极化的单独贡献；然而，向上(up)单位晶胞与向下(down)单位晶胞的60％的比率保持不变。只要温度变化引起的所有热电效应和热机械效应不允许对单位晶胞施加力以改变它们的相对取向，这个假设就是正确的。由于单位晶胞方向的比率因温度变化而保持不变，因此可以通过将具有未知模拟状态的铁电电容器切换到完全极化状态时所释放的电荷与铁电电容器从一个完全极化状态切换到相反的完全极化状态时释放的电荷进行比较来确定此比率。第二次测量提供了可以在读取温度下存储的最大电荷的度量。第一次测量提供了在读取温度下存储在电容器中的电荷的度量。由于这两种电荷以相同的方式随温度变化，因此所述比率代表了单位晶胞中在期望方向被极化的一部分。

现在参考图3，其是真实的铁电电容器的示意图，与在图1中示出其滞后回线的理想铁电电容器相反。铁电电容器20包括理想铁电电容器21、非铁电电容器22和漏电电阻器23。假设已经通过将电子强加到板27上而将理想铁电电容器21部分地极化。如果温度升高，剩余极化将减小，并且电子将离开板27并暂时存储在线性电容器22上。这在漏电电阻器23两端产生电压，这将迫使电子移动到板26。出于本讨论的目的，将假设在线性电容器22两端感应的电压非常小，以使得所述电压不会更改单位晶胞中在特定方向上被极化的一部分。存储在线性电容器22上的电子将被线性电容器22两端的电压差驱动至板26。此时，存储在理想铁电电容器21上的电荷少于编程期间所存储的电荷。因此，如果铁电电容器20在新的温度下被读出，并且从电荷推断出存储在铁电电容器20中的数据状态，则将读取不正确的数据值。误差的大小将取决于温度变化的大小和铁电电容器的特性。

应当注意的是，如果不是在新的温度下读取铁电电容器，而是温度返回到编程时存在的温度，则铁电材料的极化将增大，并且电子将被迫返回到板27上。如果现在读取铁电电容器，则将观察到正确的电荷。因此，如果数据存储时段期间的温度速率很小，则从器件读取的电荷仅取决于存储在器件中的电荷以及编程温度与温度读数之间的温差。应当注意，基于使用中间编程电压的模拟铁电存储器也存在温度问题。

在上述系统中，要存储的数据值被转换成与其中要存储电荷的特定铁电电容器的特性无关的电荷。本发明基于以下观察：通过将数据值转换成可以存储在其中要存储数据值的特定铁电电容器中的最大电荷的百分比，可以消除温度问题。

在任何温度下，都存在最大剩余极化，并且因此存在可以存储在铁电电容器中的最大电荷。用q最大表示这个最大电荷。在存储q最大时，所有可切换域都指向同一方向。在多铁电电容器存储器中，即使铁电电容器都处于相同的温度下，此最大电荷也将因铁电电容器而异。最大电荷还随着铁电电容器的寿命和特定铁电电容器的历史而变化。用ns表示要存储在铁电电容器中的状态数，其中，ns>2。为了方便起见，状态将从0到ns-1编号。在本发明的一方面中，每个状态与被存储的q最大的不同分数相对应。也就是说，状态n与存储在铁电电容器上的(n/ns)q最大的电荷相对应。虽然本示例使用所存储的最大电荷的分数与状态数之间的线性关系，但是如果状态与所存储的q最大的分数之间的关系是单调的，则也可以利用其他关系。下文将更详细地讨论确定ns的最大值的因素。

为了将数据值存储在特定铁电电容器中，此铁电电容器的q最大的当前值必须是已知的。因此，在每次写入之前，必须确定q最大。通常，数据值是整数，并且因此，数据值必须被转换成按q最大缩放的分数，以获得将被强加到铁电电容器中的绝对电荷。

现在参考图4，其是用于将数据值存储在特定铁电电容器中的过程的流程图。如450处所示，所述过程开始于将数据值转换为q最大的分数。接下来，如451处所示，确定其中要存储数据值的特定铁电电容器的q最大。q最大可以通过以下方式来测量：在一个方向上将铁电电容器复位到完全极化状态，并且然后测量在将极化切换成使得铁电电容器在相反方向完全极化时铁电电容器的板之间流动的电荷。应当注意，在此步骤结束时，铁电电容器将被完全极化。在下文的讨论中，这种极化状态将被称为向下状态。

接下来，如452处所示，通过将在步骤450中确定的分数乘以q最大的测量值来确定被强加到铁电电容器上的电荷。最后，如453处所示，在步骤452中确定的电荷被强加到铁电电容器上。电荷被强加到铁电电容器的板上，使得电荷减小铁电电容器的极化。也就是说，电荷部分地使铁电电容器的极化在向上方向移动。

现在参考图5，其是用于从存储器中的特定铁电电容器中读取数据值的过程的流程图。如454出所示，所述过程开始于测量当前存储在所讨论的铁电电容器中的电荷。如下文将更详细解释的，可以通过将铁电电容器复位到完全极化的向下状态并测量在铁电电容器的板之间流动的电荷来测量电荷。或者，可以通过测量必须添加到铁电电容器的电荷以使铁电电容器达到完全极化的向上状态来测量所存储的电荷。

接下来，如455处所示，测量铁电电容器的q最大。这可以通过以下方式来实现：将电容器从完全极化的向下状态复位到完全极化的向上状态，并且然后测量当极化翻转到完全极化的向下状态时在板之间流动的电荷。最后，如456处所示，通过计算所测量电荷与q最大的测量值的比率并将此分数转换为相应的数据值来确定数据值。应当注意，在从特定铁电电容器读取数据值并且然后将新的数据值立即存储在此铁电电容器中的“读写”操作中，来自读取操作的铁电电容器的q最大值可以用于接下来的写入操作。另外，在读取操作结束时，铁电电容器将已经处于完全极化的向下状态。

极化随温度的百分比变化对所有状态都是相同的。因此，如果铁电电容器一旦被编程，作为时间的函数的温度变化速率就“很小”，则将电荷归一化到q最大可以移除由在不同温度下执行读取操作和写入操作所引起的变化。在铁电电容器的板之间流动的电流是电介质温度的变化速率的函数。在不存在某个外部漏电路径的情况下，电流必须经过图3中示出的漏电电阻器23。为了迫使电流通过漏电电阻器23，必须在漏电电阻器23两端保持电压。从铁电电容器中排出的电荷提供了这种电压。如果此电压是铁电电容器的矫顽电压的很大一部分，则铁电电容器的极化将被更改，这将在铁电电容器被读出时导致误差。例如，将使极化移动超过相邻数据状态的极化差的一半的电压造成了很大的问题。如下文将更详细讨论的，在铁电电容器正在存储电荷并经受可能导致误差的温度变化期间，通过在铁电电容器的板之间提供电流路径，可以避免这种电压积累。

上述过程依赖于能够将预定电荷强加到铁电电容器中以将其编程为已知的中间极化状态。上述美国专利提供了将已知电荷强加到铁电电容器上的细节。现在参考图6，其展示了在本发明的一个实施例中使用的基本编程原理。在编程周期的开始，在如由箭头指示的向下方向上对铁电电容器25进行编程。这是通过以下方式来实现的：使用电流限制源24将板26相对于板27的电势增大在所指示的方向上将介电层完全极化的量。

为了设置中间极化状态，电流限制源24在铁电电容器25两端施加相反的电势；然而，允许流动的电流被限制为使得完全翻转极化的时间延长超出了在使用非受限电流源的情况下将通常需要的时间。本发明基于这样的观察：如果在完全翻转极化之前过程终止，则铁电电容器25将留在中间极化状态。因此，如果电流限制源24是恒定电流源，则铁电电容器25的极化状态将是编程时间的函数。例如，可以使用确定电流限制源24接通的时间长度的定时器28来将输入值转换成中间极化状态。

现在参考图7，其展示了可以在本发明的实施例中利用的另一编程安排。在本实施例中，当开关36被设置成将数模转换器32连接至铁电电容器33时，数模转换器32用于将输入值转换成向铁电电容器33施加的电压。这在铁电电容器33上留下已知电荷。在对铁电电容器33进行充电之后，开关36用于将铁电电容器33连接至已经被复位的铁电电容器31。然后，来自铁电电容器33的电荷流入铁电电容器31中。用v1表示切换前铁电电容器33上的电压，并且用v2表示切换后线路34上的电压。然后，向铁电电容器31转移的电荷为c(v1-v2)，其中，c是铁电电容器33的电容。如果v1>>v2，则所转移的电荷与线性数模转换器的输入值成比例。在任一情况下，都可以提供将输入状态映射到被转移的电荷量的校准曲线。可替代地，数模转换器32可以利用非线性转移函数来补偿v2。

应当注意，图6中示出的电流限制源24和定时器28的组合或者图7中示出的数模转换器32、开关36和铁电电容器33的组合各自都可以被视为将由数据值确定的已知电荷转移到铁电电容器的“电荷源”。如果电荷小于最大电荷q最大，则所转移的电荷量与所讨论的铁电电容器的滞后曲线和饱和电压无关。考虑具有稍微不同的q最大值和/或稍微不同的滞后曲线的两个不同的铁电电容器。当将电荷q强加到电容器中的每个电容器中时，在它们的对应滞后曲线上，电容器将具有稍微不同的坐标，这是由铁电电容器的特性差异造成的(即使铁电电容器存储相同电荷)。因此，转移固定电荷并不等同于以与要存储的数据值相对应的电压来对铁电电容器进行编程。

现在参考图8，其展示了用于读取存储在铁电电容器上的电荷的简化电路。为了本讨论的目的，假设铁电电容器43被复位至如46处通过实线箭头示出的向上极化。然后，通过存储使极化在虚线的箭头的方向上减小的电荷来将数据存储在铁电电容器43中。读出电路的目标是通过提供作为所存储的电荷的单调函数的读出电压来测量当铁电电容器43被再次复位至向上状态时的此电荷。

读出操作开始于开关41断开和开关44闭合，使得线性电容器42被充电至电势v+。在对线性电容器42进行充电之后，开关44断开，并且开关41闭合。最初，铁电电容器43将在铁电电容器两端具有电势v+。如果v+足够高，则铁电电容器43将被复位到向上状态，并且存储在铁电电容器43中的电荷q将移动到线性电容器42，从而将线性电容器42上的电势降低等于q/c的量，其中，c是线性电容器42的电容。因此，线路47上的电压将是存储在铁电电容器43上的电荷的函数。对于要在可以存储在铁电电容器43上的电荷的整个范围内进行操作的这种读出方案，v+必须大于q最大/c+vs，其中，vs是完全复位铁电电容器43所需的电势。还应当注意的是，在读出操作结束时，铁电电容器43被复位到向上状态。

如果v+电源被如图9中所示的v-电源(其是根据本发明另一实施例的简化读出电路)替代，图8中所示的电路还可以用于实施第二读出方案。此读出电路以类似于上文参考图8所描述的方式进行操作。首先，开关44闭合，而开关41断开以便对线性电容器42进行充电。然后，在开关41闭合之后，开关44断开。电势足以使铁电电容器43在向下方向上变得被完全极化。实现这一点所需的电荷由线性电容器42提供。因此，线路47上的在开关41闭合之前和之后的电压差是将铁电电容器43的极化从其部分极化状态移动至完全向下状态所需的电荷的度量。在本方案中，然后必须在重新编程之前将铁电电容器43复位到向上极化。

上述过程假设图3中所示的线性电容器22具有可忽略的电容。线性电容器22在下文的讨论中将被称为线性电容器，以将其与理想的铁电电容器区分开来。当铁电电容器在其板上施加电压时，一些电荷将被存储在线性电容器上。此电荷通过电压差保持在线性电容器上。当电压被移除时，电荷将通过某个漏电路径消散，只留下存储在铁电电容器中的剩余电荷。除非上下文另有指明，当本文档提到存储在铁电电容器上的电荷时，所讨论的电荷是剩余电荷。

现在参考图12，其展示了图7中所示的编程安排，其中，寄生线性电容器被明确示出。在这种情况下，假设线性电容不可忽略，并且因此，从铁电电容器33转移到铁电电容器31的电荷的一部分将驻留在与理想铁电电容器33相关联的线性电容器22上，而不在铁电电介质内。必须确定留在在线性电容器22上的电荷量，以确定铁电电容器内剩余极化所界定的实际电荷。如果在开关36已经连接到线路34之后铁电电容器33上存在残余电压，则在线性电容器22上存储有电荷。电荷量是线路34上的电压乘以线性电容器22的电容。然而，此时线性电容器22的电容是未知的。为了确定线性电容器22的电容cl，铁电电容器33与线路34分开并被短接至地。铁电电容器33然后重新连接到线路34。铁电电容器33现在将处于新的电势v3，因为存储在线性电容器22上的电荷的一部分将被转移到铁电电容器33。线性电容器22的电容然后可以根据cl＝c*v3/(v2-v3)来确定，其中，c是铁电电容器33的电容。然后，存储在铁电材料中的电荷为c(v1-v2)-cl*v2。然后，此电荷可以用于确定使铁电电容器中的电荷达到期望电平所需的任何附加电荷。

与铁电电容器相关联的寄生线性电容器也可能在从铁电电容器读取的电荷中引入误差。现在参考图13，其展示了图8中示出的读取方案，其中，与铁电电容器43相关联的寄生线性电容器被明确示处为线性电容器22。在关于图8讨论的读取方案中，线性电容器42被充电到v+，并且然后通过闭合开关41连接到铁电电容器43。存储在铁电电容器43中的电荷然后被移动到线性电容器42，从而将线路47上的电压降低到v2。然而，当开关41闭合时，线性电容器42的电容增大cl，因为线性电容器22现在与线性电容器42并联。从铁电电容器43移动的电荷然后为(c42+cl)δv，其中，c42是线性电容器42的电容，并且δv是在开关41闭合时线路47上的电压变化。因此，如果cl是电容的很大部分，则再次需要对cl进行估计，以获得正确的电荷量。

可以使用类似于上文在写入操作中讨论的过程来获得cl的度量。一旦铁电电容器43在线性电容器42被预充电之后连接到线路47，与剩余极化相关联的所有电荷就从铁电电容器43移除，并且铁电电容器43被复位到完全极化向上状态。因此，如果开关41断开，则铁电电容器43上的任何剩余电荷都被存储在线性电容器42上。如果线性电容器42短路，并且开关41再次闭合，则存储在线性电容器42上的电荷的一部分将流到线性电容器42上，并且线路47上的电压将增大到某个新电压v3。然后可以根据cl＝v3c42/(v2-v3)来计算cl。

在利用恒定电流源来读取和写入铁电电容器的实施例中，类似的过程可以用于校正寄生线性电容。现在参考图15，其展示了本发明的利用恒定电流源来读取和写入铁电电容器的一个实施例。在图15示出的实施例中，明确示出了与铁电电容器25相关联的寄生线性电容器。数据值的读取和写入两者都需要知道铁电电容器25的q最大。q最大是通过以下方式来确定的：将铁电电容器25复位到完全极化状态，并且然后测量当铁电电容器25切换到相反的完全极化状态时离开铁电电容器25的电荷。为了测量q最大，读取/写入电路401首先向线路402施加将铁电电容器的极化设置为如由铁电电容器25旁边的箭头示出的完全极化的向下状态的电势。通过闭合开关407将铁电电容器25的板短路在一起，移除了铁电电容器25两端的由于存储在线性电容器22上的电荷而产生的任何电压。然后，通过闭合开关403并使用电流限制源24来计量进入铁电电容器25中的电荷来确定将铁电电容器25的极化翻转到相反的完全极化状态所需的电荷。在此操作期间，开关404和407保持断开。当铁电电容器25变成完全极化时，铁电电容器25中不能存储任何附加电荷，并且因此，线路402上的电压开始快速上升，因为一旦铁电电容器25完全极化，电荷的唯一汇点是线性电容器22。此时，根据已知电流和充电时间来确定输送到铁电电容器25和线性电容器22的电荷。接下来，通过断开开关403，读取线路402上的电压，并且然后闭合将已知的“共享”电容器408置于与线性电容器22并联的开关404来确定存储在线性电容器22上的电荷。线路402上的电压将由于电荷现在被存储在更大的电容器(即，电容器22和408的电容之和)上而降低。根据电压的变化，可以以与上文讨论的类似的方式来确定线性电容器22的电容cl。给定此电容，可以根据插入到铁电电容器25和线性电容器22的组合中的先前测量的电荷来确定q最大的值。

可以通过确定必须添加到铁电电容器25中以将铁电电容器25在向上方向上完全极化的电荷来从铁电电容器25读取数据。此电荷是当前存储的电荷与q最大之间的差。因此，给定q最大，可以确定存储在铁电电容器25中的电荷。除了在经由电流限制源24添加电荷之前不更改铁电电容器25的极化之外，测量用于将铁电电容器25完全极化的电荷的过程基本上与上文讨论的用于确定q最大的过程相同。

在上文的示例中，cl是在每次读取和写入时并且针对存储器阵列中的每个铁电电容器来计算的。然而，对校正cl的需要取决于在读取操作和写入操作期间存储在铁电电容器中的电平数以及存储在寄生线性电容器上的电荷量。另外，对每次读取和写入时计算cl的需要取决于cl随存储器阵列以及随温度的可变性程度。cl在被编程到铁电电容器中的电荷和从铁电电容器读取的电荷中引入误差。连续极化状态由针对每个状态存储的电荷来表征。如果与连续状态之间的电荷差相比，电荷误差很小，则不需要进一步的校正。在本发明的一个方面中，如果误差小于连续电平之间的所存储电荷差的0.25倍，则误差将被认为很小。

在最简单的情况下，假设所有铁电电容器的cl为零。如果这导致特定存储器设计的误差，则下一级校正将是在制造阵列时测量阵列中每个铁电电容器的cl，并存储平均cl值作为阵列校准的一部分。在这种情况下，误差由cl随阵列和随温度的可变性来确定。如果所产生的误差仍然太大，则可以利用在每次读取和写入时测量cl的实施例。

现在参考图10，其展示了根据本发明的模拟铁电存储器的一个实施例。铁电存储器50包括被组织成多个行和列的多个铁电存储器单元。在51处标记了典型的铁电存储器单元。每个铁电存储器单元包括铁电电容器52和接口电路53。在读取操作和写入操作期间，并行地处理成行的所有铁电存储器单元。由操作多个行选择总线54的行选择电路56选择要处理的行，所述多个行选择总线还包括用于在读取和写入期间对行处理操作进行排序的导体。给定列中的每个铁电存储器单元连接至在58和59处所示的两个列总线。列总线58用于读出存储在被处理的铁电存储器单元中的铁电电容器中的数据，并且列总线59用于以新的模拟值来对铁电电容器进行编程。可以将每个铁电电容器编程至n个状态之一，其中n>2。通过在列总线58上生成指示存储在铁电电容器中的电荷量的信号来确定被处理的行中的此铁电电容器的状态。使用电路62来读取这种状态。通过向经由写入电路61连接至此单元的列总线59施加信号来设置被处理的行中的铁电电容器的状态。所述信号使与要存储在铁电存储器单元中的值相关的预定量的电荷存储在此铁电存储器单元中的铁电电容器中。

从行读出的数据存储在行缓冲器55中。在本发明的一方面中，将数据从表示存储在相应铁电电容器中的电荷的模拟信号转换成数字值。因为读出过程是破坏性的，因此使用写入操作来将这种数据恢复至行，甚至在不对数据作出任何变化的情况下也是如此。如果要作出变化，则在所述行中的铁电存储器单元已经被复位之后，将变化输入到行缓冲器55中。然后，将行缓冲器55中的数据转换成存储在相应铁电电容器中的电荷。

读取操作和写入操作利用控制器57，所述控制器接收地址(addr)、操作码(opcode)以及要写入到地址中指定的(多个)铁电存储器单元的数据。来自所指示的地址的数据被输出到数据线上。行选择电路56向由地址指定的行选择总线施加适当信号。

铁电存储器50包括用于每个列存储器单元的两个列总线，一个用于读取并且一个用于写入。这种安排简化了详细实施例的以下讨论。然而，还可以构造仅需要一个列总线的实施例。

现在参考图11，其展示了根据本发明的铁电存储器的一个实施例，所述铁电存储器利用以上讨论的存储方案，在所述存储方案中，通过测量在写入操作期间存储在铁电电容器中的电荷的量来读出数据。为了简化讨论，仅示出了铁电存储器70中的一个铁电存储器单元。这四个行线r1至r4是与铁电存储器单元310所在的存储器单元的行相对应的行总线的一部分。

读取操作和写入操作在读取或写入时需要知道铁电电容器82的q最大。在写操作中，存储在铁电电容器82中的数据将已经被读出。因此，可以通过以下方式来测量铁电电容器82的q最大：将铁电电容器82编程到完全向下状态，并且然后请求读出电路74测量当铁电电容器82经受使铁电电容器82完全极化到向上状态的电压时所释放的电荷。此操作使铁电电容器82被极化到完全向上状态。在写入操作中，q最大的值被传达到写入电路75，所述写入电路然后根据所接收的数据值和要存储在铁电电容器82中的最大数据状态数来计算对铁电电容器82进行编程所需的电荷。通过将栅极84置于导通状态并且将栅极86置于非导通状态来将值写入到铁电存储器单元310中。然后，电容器77被充电至将在栅极76被写入电路75置于导通状态时导致具有与被写入的数据相对应的值的电荷转移至铁电电容器82的电势。电容器77上的电压比v2小取决于要写入的数据值的量。当铁电电容器82通过栅极84连接至写入线73时，顶部板将处于小于底部板的电势，所述电势被保持为v2，并且因此，写入操作反转了极化的由复位操作产生的一部分。

在读出操作中，必须在确定铁电电容器82中当前存储的电荷之后确定q最大。由通过栅极88连接至读取线72的读出电路74按三步过程从铁电存储器单元310读出数据。首先，电容器83被充电至v1，同时通过栅极86与铁电电容器82隔离。利用栅极85将电容器83连接至v1。这里，v1比v2大允许最大设计电荷转移到电容器83并且仍然让电容器83的顶部板处于大于v2的电压的量。电容器83上的最终电压由源跟随器87放大并且由将电压存储在读出电路74内的电容器上的读出电路74读出。接下来，栅极86被置于导通状态，并且栅极84关闭，这在铁电电容器82两端的电容器83上施加电压。这将铁电电容器82复位并使存储在铁电电容器82中的电荷释放，这进而降低了在源极跟随器87的栅极处的电压。然后，此电压由读出电路74读取并从先前存储的电压中减去，以获得指示由铁电电容器82释放的电荷的电压差。最后，确定q最大。铁电电容器82再次被编程到完全极化的向下状态，并且重复读出过程以确定q最大。然后，将q最大与从前两个步骤测量的q的比率数字化，以提供输出数据。

如上所述，如果在铁电存储器的操作期间以及在铁电存储器未被供电的时间期间预计会出现快速的温度摆动，则有利的是，通过铁电电容器中存在的热电效应来限制可能在这些温度摆动期间铁电电容器的板之间生成的电压。在本发明的一方面中，可选的短路电路89连接在铁电电容器82的板之间，以在没有电压施加到铁电存储器单元310时限制铁电电容器82两端的电压。

在此示例性短路电路中，短路电路89中的每个晶体管正常导通，但是如果在晶体管的栅极两端施加正电压，则关断。在当铁电存储器单元310被选择时的通电操作期间，线路89a上的电压可以在v2上下摆动。如果电压高于v2，则晶体管之一将关断。如果其低于v2，则另一晶体管将关断。因此，铁电电容器82的板在读取和写入期间不会短路。如果电源关闭，v2电源线和r1将处于零伏，并且因此所有三个晶体管都将导通，并且板将被短路，以防止温度变化在铁电电容器82两端感应足以更改所存储的数据值的电压。

通常，根据本发明的存储器的读取时间和写入时间将比温度变化发生的时间短得多。在这种情况下，短路电路89可以由适当大小的电阻器替代。电阻器需要具有与读取时间和写入时间相比更大的rc时间常数。这里，电容是铁电电容器82的寄生电容。电阻器需要足够小，以允许离开铁电电容器82的任何电荷移动到铁电电容器82的相对板，而不会在电阻器两端生成足以改变存储在铁电电容器82中的数据值的电压。

如上所述，温度偏移期间数据被干扰的问题取决于铁电电容器的温度变化速率。如果温度变化速率可以被限制，则与数据更改相关的问题可以显著减少。通常，最关心的温度变化是空气温度的偏移。铁电电容器的温度变化速率取决于存储器电路的热质量。如果热质量足够大，或者热阻层将存储器电路与环境隔开，则对于任何给定存储器设计，未通电电路在温度方面可以偏移的速率可以保持在将干扰数据的速率之下。现在参考图14，其是根据本发明的一个实施例的存储器的截面视图，所述存储器是以降低存储器温度可以变化的速率的方式封装的。存储器电路301夹在层302与303之间。在一个实施例中，层303和302是具有足够的热质量以降低存储器电路301的温度变化速率同时允许热量从存储器电路301流到外部环境的热导体。由于层302和303充当散热器，因此本实施例允许在通电操作期间存储器电路301中生成的热量逸出，同时限制温度变化速率。这里，假设存储器电路301或层302和303包括防止存储器电路301短路的绝缘层。

在另一实施例中，层302和303是提供足够的热阻以限制存储器电路301未通电的时段期间的温度变化速率的热绝缘体。

应当注意，也可以构建将读取功能和写入功能分成单独部件的存储器系统。所述系统可以包括三个部件，写入单元、包括铁电电容器的存储器模块和读取单元。可移除存储器模块适于插入写入单元以进行编程。然后，可移除模块将被移除并传送到读取单元以进行读取。这种类型的系统适于大量写入站在一段时间内累积数据的情况。然后，写入模块被发送到公共读取站，所述公共读取站是读出数据并处理此数据的处理系统的一部分。

上述实施例使用术语“向上(up)”和“向下(down)”来描述铁电电容器中电介质的极化方向。然而，应当理解的是，这些只是与地球无关的方便标签。

已经提供了本发明的上述实施例以展示本发明的各个方面。然而，要理解的是，在不同的具体实施例中示出的本发明的不同方面可以进行组合以提供本发明的其他实施例。另外，对本发明的各种修改将在以上描述和附图中变得清晰。因此，本发明仅受以下权利要求的范围的限制。