专利名称：绿色晶体管、纳米硅铁电存储器及其驱动方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术领域，特别是涉及一种纳米硅铁电存储器及其驱动方法。
背景技术：
铁电存储器(FeRAM)是一种利用铁电材料的铁电效应实现数据存储的存储器结构，所述铁电效应是指在铁电材料(Ferro-Electric)上施加一定的电场时，晶体中心原子在电场的作用下偏离原位置，而达到一种稳定的状态，当外界电场消失后，中心原子依然保持在同样位置，即铁电材料已被极化，因此铁电存储器保持数据并不需要电压，也不需要像DRAM 一样周期性刷新。由于铁电效应是铁电材料所固有的一种极化特性，所以其存储器的·内容不会因为外界电场影响而消失，能够同普通ROM存储器一样使用，具有非易失的存储特性。此外由于器件单元尺寸较小，具有低操作电压、快速读写的特点，读写功耗低适于集成电路微缩化的发展，因此铁电存储器具有广泛应用前景。然而现有的铁电材料(如PZT、BST等)，由于与CMOS工艺兼容性差(例如氢气退火引起铁电材料变质)，而存在一定的非易失性的持续问题，极化特性容易退化，数据保持能力较弱，从而阻碍了铁电存储器的发展，制约其替代现有的非易失性存储技术。因此找到一种与CMOS工艺兼容性较佳的铁电材料，能够促进铁电存储器的发展应用。现有一种新型的纳米硅材料，称为“内嵌纳米硅颗粒的多孔氧化硅”，被发现同样具有铁电效应，且与CMOS工艺兼容性极佳，如图I所示，为所述“内嵌纳米硅颗粒的多孔氧化硅”的结构示意图，包括蜂窝多孔状氧化硅1，位于蜂窝孔内的纳米硅颗粒2。在普通状态下，蜂窝孔内的纳米硅颗粒2处于无序状态，随机内嵌于氧化硅I内，而当向所述“内嵌纳米硅颗粒的多孔氧化硅”材料外加电场时，蜂窝孔内的纳米硅颗粒2的硅原子与氧化硅材质的孔壁上的氧原子化学键合，并趋向电场方向有序附着于氧化硅I孔壁上，呈现出极化特性，当外界电场被撤除后，上述极化特性并不会消失，从而在材料内产生极化。因此上述“内嵌纳米硅颗粒的多孔氧化硅”也同样具有铁电效应。与现有其他的铁电材料不同，这种纳米硅材料与CMOS工艺兼容性极佳，能够长期保持极化特性，因此具有较强的非易失数据存储能力，极其适合替代现有的铁电材料，而应用于铁电存储器中。与其他非易失性存储器相同，铁电存储器FeRAM也包括多个存储单元组成的存储器阵列，通常也使用场效应晶体管MOSFET作为存储单元的选通管。美国专利US6163482提供了一种非易失铁电存储器，使用铁电材料制作场效应晶体管的栅极侧壁，作为数据存储区,如图2所示,为其基本的存储单元结构,所述存储单元包括衬底100 ;位于衬底100表面的栅极101 ;位于栅极101两侧衬底100内的源极102以及漏极103 ;位于漏极103内且靠近栅极101的反相注入区104，所述反相注入区104的掺杂类型与源、漏极相反；所述栅极101靠近漏极103 —侧的侧壁105为铁电材料。上述铁电存储器中，场效应晶体管本身作为存储单元的选通管，而栅极上靠近漏极一侧的侧壁105作为存储单元的数据存储区，因此其等效电路如图3所示。以N型场效应晶体管为例简单介绍其读写操作机制。在进行写操作时，将源极102以及漏极103悬置，而分别在栅极101以及反相注入区104上施加电压，使得栅极101与反相注入区104之间形成电压差，构成外建电场，在此外建电场的影响下，使得材质为铁电材料的侧壁105产生铁电效应，而被极化。所述侧壁105内的极化方向(定义为从内部负电荷指向正电荷)，与栅极101以及反相注入区104之间的外建电场的方向相同，因此可以通过调整栅极101以及反相注入区104上的施加电压，实现对侧壁105的极化方向的操纵。假设侧壁105的极化方向由反相注入区104指向栅极101时，定义为写入数据为1，则在写操作时，使得反相注入区104的电势高于栅极101，电势差的大小足够保证侧壁105被极化即可；而极化方向由栅极101指向反相注入区104，定义为写入数据为0，则在写操作时，同样使得栅极101的电势高于反相注入区104，电势差的大小足够保证侧壁105被极化即可。在进行读操作时，将反相注入区104悬置，而在栅极101上施加超过阈值电压的电压，使得场效应晶体管导通，同时在源极102以及漏极103之间形成电势差，使得场效应晶·体管流过导通电流。此时由于侧壁105内的铁电材料被极化具有内建电场，所述内建电场将影响上述导通电流的大小。例如当侧壁105的极化方向由反相注入区104指向栅极101，侧壁105的内建电场方向则从栅极101指向反相注入区104以及漏极103此时靠近漏极103的沟道一侧负电荷被排斥，正电荷被吸引，势必造成负载流子(即电子)的数目减少，使得NMOS晶体管的沟道电流降低。因此仅需测量在恒定的源、漏电压差的条件下，沟道电流的大小，即可判定侧壁105内的极化方向，并读取相关的存储数据，在上述铁电存储器中，沟道电流较弱时，读取得数据定义为1，而沟道电流较强时，读取得数据定义为O。随着存储器技术的发展以及器件按比例缩小(scaling)的引导下，器件的功耗和功耗密度已经逐渐形成一项亟需解决的问题，导致功耗困难的出现原因是存储器中阵列密度不断增大，而外置电源电压(Vcc)长期以来保持了以5V( 0.5-0.35um CMOS世代或更早)，3· 3v (约 O. 35-0. 25um CMOS 世代)，2· 5v (约 O. 25-0. 18um CMOS 世代)，I. 8v (
O.15-0. 13um CMOS 世代)，I. 5v ( 0· 13-0. Ilum CMOS 世代)，I. Iv ( 90_65nm CMOS 世代)，I. Ov ( 65-45nm CMOS世代)，...等，作为各级工艺的标准。但各CMOS世代器件的阀值保持在0. 4-0. 6v之间(由于器件物理限制MOSFET亚阈值电压摆幅不小于 60mV /decade的极限)，因此器件的关闭漏电流并不按外置电压源(Vcc)比例缩小反而愈发相对增大，造成使用MOSFET作为逻辑电路或存储器的选通管时产生大量的无效功耗。因此外置电压源(Vcc)按比例缩小(VDD-scaling)已经愈发成为一个限制CMOS逻辑电路和存储器继续发展的瓶颈。目前，有人首次提出这样一种理论和初步试验，在场效应晶体管中使用栅极偏压诱导能带隧穿效应(band to band-tunneling)可以不受外置电压源按比例缩小(VDD-scaling)的限制,载流子在上述效应中无须跨越势鱼而是直接经过隧穿实现载流子的移动，形成电流，可以有效降低器件的亚阈值电压摆幅(突破60mV / decade的极限)，因而降低开关能耗。基于上述理论，Chenming Hu等人在“VLSI Technology, Systems andApplications, 2008. VLSI-TSA 2008。International Symposium on”(2008 年国际超大型积体电路技术、系统暨应用(VLSI-TSA)研讨会论文集)的第14至15页首次公开了通过采用绿色晶体管(green FET，简称gFET)降低外置电压源，提高晶体管驱动能力的方案，文章名称为 “Green Transistor-A VDD Scaling Path for Future Low Power ICs，，。如图4a所示,为上述绿色晶体管的结构示意图,包括绝缘体上娃(SOI) 10,所述绝缘体上硅10包括基底11、埋氧层12和顶层硅13 ;依次位于顶层硅13上的栅介质层16以及栅电极17，两者构成了绿色晶体管的栅极结构；所述绿色晶体管还包括位于顶层硅13内、栅介质层16两侧的源极14、漏极15，所述源极14与漏极15的掺杂类型相异；还包括位于顶层硅13内的相邻的口袋注入层18和浅掺杂区19，所述相邻的口袋注入层18和浅掺杂区19与栅介质层16的位置相对应，所述口袋注入层18和浅掺杂区19的掺杂类型与漏极15相同，并通过浅掺杂区19与漏极15电连接；所述口袋注入层18的深度小于浅掺杂区19，源极14延伸过口袋注入层18的底部与浅掺杂区19相邻。绿色晶体管中，N型或P型的定义根据口袋注入层18的掺杂类型而定，例如P型绿色晶体管即口袋注入层18和浅掺杂区19的掺杂类型为P型、源极14的掺杂类型为N型、漏极15的掺杂类型为P型，而N型绿色晶体管则反之。需要指出的是，绿色晶体管中空穴以及电子均为主要载流子，因此其源极、漏极的划分与传统场效应晶体管不同，一般而言将·形成有口袋注入层18的一端定义为源极14。绿色晶体管中，栅电极17的材料与CMOS工艺兼容，可以是金属或掺杂的多晶硅.下面以P型绿色晶体管为例，对其工作原理进行进一步介绍。如图4b所示，为P型绿色晶体管的P型口袋注入层18附近的能带图，其中虚线部分为晶体管关闭时的能带，实线部分为晶体管开启时的能带。在关闭状态下，即金属栅电极17未加载偏压时(与源极14同电位)，导带Ec底部比价带Ev顶部电子势位能高,导带Ec和价带Ev之间存在很大的势垒，此时P型口袋注入层18与N型源极14之间不会产生载流子转移。在开启状态下，即栅极加载负向于源极14电压时，栅电极17和P型口袋注入层18电势降低，能带进一步向上弯曲，使得价带Ev的顶部电势位超过了导带Ec底部，在价带Ev内的共价键电子隧道穿过进入导带Ec内形成自由电子，在价带Ev内则形成自由空穴，即形成隧道效应。如图4c所示，为现有的P型绿色晶体管开启时产生导通电流的示意图，结合图3b以及图3c，当源极14、漏极15之间存在正向电压(VsdX))，且Vsd大于栅极与漏极15之间的正向电压Vgd时(如果Vd = 0，则Vs>Vg，也就是说栅极电压负向于源极电压)，P型口袋注入层18的共价键电子将向N型源极14隧穿形成连续的电子流，同时P型口袋注入层18内的空穴将经由浅掺杂区19流向P型漏极15，从而器件能够工作。与现有的MOSFET主要依靠一种载流子导通不同，绿色晶体管的电流同时包括电子和空穴，因此，其亚阈值电压摆幅较小，小于60mV / decade，甚至可以小于IOmV /decade,因此阈值电压远低于现有的M0SFET，可以低至O. 2V，同等尺寸下的开关能耗远小于现有的M0SFET，而在同等驱动电源下能够产生更大的驱动电流和更小的关闭漏电流，是深纳米尺寸替代MOSFET的良好选择。基于上述理论，绿色晶体管所具有的低阈值电压，高驱动能力，以及低关闭漏电流等特点，非常适合使用于存储器电路，但是当前绿色晶体管的概念仅处于试验研究阶段，而实际应用于半导体的制造工艺，尤其应用于铁电存储器领域的方案尚无报道
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种纳米硅铁电存储器及其驱动方法，使用绿色晶体管作为选通管，纳米硅材料作为存储介质，具有低能耗的特点，以适应器件按比例缩小的发展。为解决上述问题，本发明所提供的纳米硅铁电存储器及其相应的驱动方法如下本发明提供的一种纳米硅铁电存储器，包括由存储单元所组成的存储阵列，其特征在于，所述存储单元包括一个场效应晶体管，其中栅极靠近漏极一侧侧壁为数据存储区，材质为内嵌纳米硅颗粒的多孔氧化硅材料；所述场效应晶体管的栅极连接字线，漏极以及源极分别连接第一位线以及第二位线，衬底连接外置电压源；所述场效应晶体管的GIDL漏电流为存储单元的读操作电流。可选的，所述场效应晶体管为NMOS晶体管或PMOS晶体管；在存储单元选通以及读、写操作时，字线施加于栅极的电压不超过场效应晶体管的阈值电压。
·
一种应用于上述纳米硅铁电存储器的驱动方法，包括在进行写操作时，通过向第一位线以及字线施加电压，在场效应晶体管的栅、漏极之间形成电势差，使得数据存储区产生铁电效应，材质被极化，在存储单元中写入数据；在进行读操作时，通过向第一位线、第二位线、外置电压源以及字线施加电压，保证源极以及漏极与衬底的电势差相等，控制栅极在场效应晶体管的源极以及漏极中分别形成GIDL漏电流，比较流经源极以及漏极的GIDL漏电流的大小，读取存储单元中的数据。作为可选方案，所述写操作时，若数据存储区产生铁电效应，使得极化方向由漏极指向栅极，则存储单元写入数据定义为I ;若数据存储区产生铁电效应，使得极化方向由栅极指向漏极，则存储单元写入数据定义为O。所述读操作时，对场效应晶体管中流经源极以及漏极的GIDL漏电流进行检测，若流经漏极的GIDL漏电流较大，则存储单元中数据读为1，若流经源极的GIDL漏电流较大，则存储单元数据读为O。本发明提供的另一种纳米硅铁电存储器，包括由存储单元所组成的存储阵列，其特征在于，所述存储单元包括一个场效应晶体管，其中栅极两侧侧壁为数据存储区，材质为内嵌纳米硅颗粒的多孔氧化硅材料；所述场效应晶体管的栅极连接字线，漏极以及源极分别连接第一位线以及第二位线，衬底连接外置电压源；所述场效应晶体管的GIDL漏电流为存储单元的读操作电流。可选的，所述场效应晶体管为NMOS晶体管或PMOS晶体管；在存储单元选通以及读、写操作时，字线施加于栅极的电压不超过场效应晶体管的阈值电压。—种应用于上述纳米硅铁电存储器的驱动方法，包括在进行写操作时，通过向第一位线、第二位线以及字线施加电压，分别在场效应晶体管的栅、漏极以及栅、源极之间形成电势差，使得栅极两侧的数据存储区产生铁电效应被极化，在存储单元中写入数据；在进行读操作时，通过向第一位线、第二位线、外置电压源以及字线施加电压，保证源极以及漏极与衬底的电势差相等，控制栅极在场效应晶体管的源极以及漏极中分别形成GIDL漏电流，测量流经源极以及漏极的GIDL漏电流的大小，读取存储单元中的数据。作为可选方案，写操作时，若任意侧数据存储区产生铁电效应，使得极化方向由相应的漏极或源极指向栅极，则该侧数据存储区写入数据定义为I ;若任意侧数据存储区产生铁电效应，使得极化方向由栅极指向相应的漏极或源极，则该侧数据存储区写入数据定义为O。读操作时，对场效应晶体管中流经源极以及漏极的GIDL漏电流进行检测，若流经漏极的GIDL漏电流较大，则存储单元中数据读为1，若流经源极的GIDL漏电流较大，则存储单元数据读为O。作为另一个可选方案，每个存储单元包括两位数据，每侧数据存储区存储一位数据，所述写操作时，若两侧数据存储区产生铁电效应，且极化方向相反，分别为漏极指向栅极以及栅极指向源极，则存储单元写入数据定义为I;若两侧数据存储区产生铁电效应，且极化方向相反，分别为栅极指向漏极以及源极指向栅极，则存储单元写入数据定义为O。读操作时，测量场效应晶体管中流经源极以及漏极的GIDL漏电流大小，若流经GIDL漏电流为高值，则相应侧数据存储区中数据读为1，若流经GIDL漏电流为低值，则相应侧数据存储区中数据读为O。本发明还提供了一种绿色晶体管，其特征在于，包括
·
半导体衬底，形成于衬底内的第一源极、第二源极、漏极以及形成于衬底表面的栅极；所述半导体衬底为绝缘体上娃;所述漏极形成于栅极底部的衬底内；所述第一源极与第二源极形成于栅极两侧的衬底内，且关于漏极对称；在所述栅极的底部、第一源极内靠近漏极一侧形成有第一口袋注入区；在所述栅极的底部、第二源极内靠近漏极一侧形成有第二口袋注入区；所述第一口袋注入区以及第二口袋注入区的导电类型与漏极相同，且与第一源极以及第二源极相反。作为可选方案，所述第一口袋注入区或第二口袋注入区通过浅掺杂区与漏极电连接，所述浅掺杂区的导电类型与漏极相同，掺杂浓度较漏极的掺杂浓度低。第一口袋注入区以及第二口袋注入区通过同一浅掺杂区与漏极电连接，所述浅掺杂区为漏极的延伸，位于栅极的底部、第一口袋注入区与第二口袋注入区之间。本发明提供的一种应用上述绿色晶体管的纳米硅铁电存储器，包括由存储单元所组成的存储阵列，其特征在于，所述存储单元包括一个绿色晶体管，其中栅极靠近第一源极一侧侧壁为数据存储区，材质为内嵌纳米硅颗粒的多孔氧化硅材料；所述绿色晶体管的栅极连接字线，第一源极以及第二源极分别连接第一位线以及第二位线，漏极连接外置电压源；所述绿色晶体管的导通电流为存储单元的读操作电流。可选的，所述绿色晶体管为N型晶体管或P型晶体管。在存储单元选通进行写操作时，绿色晶体管中不形成导通电流。一种应用于上述纳米硅铁电存储器的驱动方法，包括在进行写操作时，通过向第一位线以及字线施加电压，在绿色晶体管的栅极与第一源极之间形成电势差，使得数据存储区产生铁电效应，材质被极化，在存储单元中写入数据；在进行读操作时，通过向第一位线、第二位线、外置电压源以及字线施加电压，保证第一源极以及第二源极与漏极的电势差相等，控制栅极在绿色晶体管的第一源极以及第二源极中分别形成导通电流，比较流经第一源极以及第二源极的导通电流的大小，读取存储单元中的数据。
作为可选方案，所述写操作时，若数据存储区产生铁电效应，使得极化方向由第一源极指向栅极，则存储单元写入数据定义为I ;若数据存储区产生铁电效应，使得极化方向由栅极指向第一源极，则存储单元写入数据定义为O。读操作时，对场效应晶体管中流经第一源极以及第二源极的导通电流进行检测，若流经第一源极的导通电流较大，则存储单元中数据读为1，若流经第二源极的导通电流较大，则存储单元数据读为O。本发明提供的另一种应用绿色晶体管的纳米硅铁电存储器，包括由存储单元所组成的存储阵列，其特征在于，所述存储单元包括一个绿色晶体管，其中栅极两侧侧壁为数据存储区，材质为内嵌纳米硅颗粒的多孔氧化硅材料；所述绿色晶体管的栅极连接字线，第一源极以及第二源极分别连接第一位线以及第二位线，漏极连接外置电压源；所述绿色晶体管的导通电流为存储单元的读操作电流。可选的，所述绿色晶体管为N型晶体管或P型晶体管。在存储单元选通进行写操·作时，绿色晶体管中不形成导通电流。一种应用于上述纳米硅铁电存储器的驱动方法，包括在进行写操作时，通过向第一位线、第二位线以及字线施加电压，分别在绿色晶体管的栅极与第一源极以及栅极与第二源极之间形成电势差，使得栅极两侧的数据存储区产生铁电效应被极化，在存储单元中写入数据；在进行读操作时，通过向第一位线、第二位线、外置电压源以及字线施加电压，保证第一源极以及第二源极与漏极的电势差相等，控制栅极在绿色晶体管的第一源极以及第二源极中分别形成导通电流，测量流经第一源极以及第二源极的导通电流的大小，读取存储单元中的数据。作为可选方案，写操作时，若任意侧的数据存储区产生铁电效应，使得极化方向由相应的第一源极或第二源极指向栅极，则该侧数据存储区写入数据定义为I ;若任意侧的数据存储区产生铁电效应，使得极化方向由栅极指向相应的第一源极或第二源极，则该侧数据存储区写入数据定义为O。读操作时，对场效应晶体管中流经第一源极以及第二源极的导通电流进行检测，若流经第一源极的导通电流较大，则存储单元中数据读为1，若流经第二源极的导通电流较大，则存储单元数据读为O。作为另一个可选方案，每个存储单元包括两位数据，每侧数据存储区存储一位数据，所述写操作时，若两侧数据存储区产生铁电效应，且极化方向相反，分别为第一源极指向栅极以及栅极指向第二源极，则存储单元写入数据定义为I;若两侧数据存储区产生铁电效应，且极化方向相反，分别为栅极指向第一源极以及第二源极指向栅极，则存储单元写入数据定义为O。读操作时，测量绿色晶体管中流经第一源极以及第二源极的导通电流大小，若流经的导通电流为高值，则相应侧数据存储区中数据读为1，若流经的导通电流为低值，则相应侧数据存储区中数据读为O。本发明采用内嵌纳米硅颗粒的多孔氧化硅材料制作铁电存储器的数据存储区，与现有铁电存储器相比，与CMOS工艺兼容性更佳，具有更优异的非易失性数据存储能力，解决常规铁电存储器的极性退化导致数据丢失问题。进一步的，以常规场效应晶体管的GIDL漏电流或者绿色晶体管的导通电流作为读操作电流，读写操作电压低，功耗较小，有利于器件按比例缩小，提高存储器的集成度。
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其他目的、特征和优势将更加清晰。附图中与现有技术相同的部件使用了相同的附图标记。附图并未按比例绘制，重点在于示出本发明的主旨。在附图中为清楚起见，放大了层和区域的尺寸。图I为内嵌纳米硅颗粒的多孔氧化硅材料的结构示意图；图2为现有的一种铁电存储器的结构示意图；图3为图2所示铁电存储器的存储单元等效电路图；图4a为现有的一种绿色晶体管的结构示意·
图4b为现有的P型绿色晶体管中口袋注入层附近的能带图；图4c为现有的P型绿色晶体管开启时产生导通电流的示意图；图5a为本发明所述第一纳米硅铁电存储器示意图；图5b为第一纳米硅铁电存储器的存储单元结构示意图；图6a以及图6b为第一纳米硅铁电存储器的写操作示意图；图7a为第一纳米硅铁电存储器的读操作示意图；图7b为第一驱动方法执行读操作的流程图；图8a为本发明所述第二纳米硅铁电存储器示意图；图8b为第二纳米硅铁电存储器的存储单元结构示意图；图9a以及图9b为第二纳米硅铁电存储器的写操作示意图；图IOa为第二纳米硅铁电存储器的读操作示意图；图IOb为第二驱动方法执行读操作的流程图；图Ila为本发明所述绿色晶体管的结构示意图；图Ilb为本发明所述绿色晶体管的等效电路图；图12a为本发明所述第三纳米硅铁电存储器示意图；图12b为第三纳米硅铁电存储器的存储单元结构示意图；图13a以及图13b为第三纳米硅铁电存储器的写操作示意图；图14a为第三纳米硅铁电存储器的读操作示意图；图14b为第三驱动方法执行读操作的流程图；图15a为本发明所述第四纳米硅铁电存储器示意图；图15b为第四纳米硅铁电存储器的存储单元结构示意图；图16a以及图16b为第四纳米硅铁电存储器的写操作示意图；图17a为第四纳米硅铁电存储器的读操作示意图；图17b为第四驱动方法执行读操作的流程图。
具体实施例方式从背景技术的分析中可知，与现有的铁电存储器存在极性退化容易导致数据丢失的问题，本发明利用内嵌纳米硅颗粒的多孔氧化硅材料制作铁电存储器的数据存储区，改善上述极性退化的问题，此外利用场效应晶体管中的GIDL漏电流的能耗较低以及绿色晶体管的低阈值电压以及高驱动能力特点，分别提供了以场效应晶体管以及绿色晶体管为选通管，栅极侧壁作为数据存储区的铁电存储器，以适应器件按比例缩小的发展，提高存储器的集成度。基于上述思想，本发明提供了若干纳米硅铁电存储器结构及其相应驱动方法的具体实施例，下面结合说明书附图分别作详细介绍。本发明具体实施例所提供的第一纳米硅铁电存储器，包括由存储单元所组成的存储阵列，图5a为本发明所述第一纳米硅铁电存储器示意图，而图5b为所述存储单元结构示意图。如图5a以及图5b所示，存储单元包括一个N型场效应晶体管200 ;其中栅极203靠近漏极201 —侧侧壁为数据存储区300，所述数据存储区300的材质为内嵌纳米硅颗粒的多孔氧化硅材料；场效应晶体管200的栅极201连接字线400，而漏极201以及源极202分别连接第一位线501以及第二位线502，衬底204连接外置电压源600。所述场效应晶体管的GIDL漏电流为存储单元的读操作电流。其中所述衬底204可以为绝缘体上硅SOI。·栅极203与漏极201之间的电势差，将在数据存储区300上产生电场，而有可能使得内嵌纳米硅颗粒的多孔氧化硅材质的数据存储区300上形成铁电效应。数据存储区300极化之后，呈现出电荷趋于两极的态势；基于公知的理论，GIDL漏电流形成于漏极或源极与衬底之间，其中主要的载流子活动包括漏极或源极LDD轻掺杂区表面的电荷流向衬底；因此极化后的数据存储区300中，靠近漏极201尤其LDD轻掺杂区域的一端极化电荷，将直接影响流经该部分的GIDL漏电流大小。需要指出的是，与背景技术所提及的铁电存储器不同，本发明中对场效应晶体管检测的电流对象为GIDL电流，因此载流子类型与导通电流相反，数据存储区300的极化方向对电流的影响效果也相反，以NMOS晶体管为例，如果数据存储区300产生铁电效应，极化方向由栅极203指向漏极201，靠近漏极的一端极性为正，将排斥漏极201上LDD轻掺杂区域表面聚集的正电荷，直接导致流经漏极201的GIDL漏电流减弱；反之如果数据存储区300产生铁电效应，极化方向由漏极201指向栅极203，则靠近漏极的一端极性为负，将增强流经漏极201的GIDL漏电流。而本实施例中，由于栅极201靠近源极202 —侧侧壁为常规材料，因此流经源极202上的GIDL漏电流不会因为数据存储区300的极化方向发生变化，可以作为参考电流，以判断漏极201上的GIDL漏电流相对大小。因此在本实施例的存储器操作中，根据流经漏极201以及源极202的GIDL漏电流大小比较结果，判断数据存储区300的极化方向，读取存储数据是完全可行的。此外，在漏极201或者源极202上形成GIDL漏电流时，需要向栅极201施加负向於漏极201或者源区202的电压。以上理论均基于NMOS晶体管，而对于PMOS晶体管，也具有相似原理，此处不再赘述。后述存储器结构、驱动方法等实施例也均以NMOS晶体管为基础。需要进一步指出的是，在存储器实际操作中，字线施加于栅极的电压不超过场效应晶体管的阈值电压，场效应晶体管并未形成导电沟道，所以栅极两侧有源区在本质上相同，并不存在绝对意义的源极或漏极。因此本实施例中，所述源极以及漏极仅为便于说明其结构而定义，后述实施例应当相同，也不再另行说明。基于上述第一纳米硅铁电存储器，本发明提供的第一驱动方法如下所述为便于说明,假定场效应晶体管为NMOS晶体管,Vcc为外置正电势,则定义有如下关系调整工艺使场效应晶体管的阈值电压大于Vcc，即Vth>VCC>0 ;栅极与两侧源、漏极之间的GIDL漏电流触发负向电势差Veth〈VCC / 2 ;使得数据存储区产生铁电效应的最小电势差 Vt>Vcc / 2，且 Vt〈Vcc。图6a以及图6b为第一纳米硅铁电存储器的写操作示意图，分别对应在存储单元中写入“I”以及“O”。结合图6a以及图6b，所述第一驱动方法的写操作具体包括向选中存储单元的第一位线501以及字线400施加电压，使得场效应晶体管200的栅极203与漏极201之间形成电势差，在数据存储区300上构成外加电场，所述外加电场的强度足以使数据存储区300产生铁电效应，材质被极化，在存储单元中写入数据。其中，可以将第一位线501设置为0V，字线400置为Vcc或-Vcc。所述栅极203与漏极201之间构成的电场两端电势差值即Vcc，足以使数据存储区300极化。如图6a所示，假设栅极203的电势位低于漏极201，即字线400置为-Vcc时，数据存储区300产生铁电效应，极化方向由漏极201指向栅极203，存储单元中写入数据定义为I ;如图6b所示，假·设栅极203的电势位高于漏极201，即字线400置为Vcc时，数据存储区300产生铁电效应，极化方向由栅极203指向漏极201，存储单元中写入数据定义为O。此外为了避免在写操作时，场效应晶体管200中形成电流，存储单元产生无用功耗，可以将衬底204所连接的外置电源线600以及源极202所连接的第二位线502均置为0V，以避免触发GIDL漏电流。写”1”时将未选中存储单元的字线、位线等均置为-Vcc / 2，消除“写I干扰”。写” O”时将未选中存储单元的字线、位线等均置为+Vcc / 2，消除“写O干扰”。图7a为第一纳米硅铁电存储器的读操作示意图，图7b为所述第一驱动方法执行读操作的流程图，结合图7a以及图7b，所述第一驱动方法的读操作具体包括SlOO :向第一位线501、第二位线502以及外置电压源600施加电压，保证漏极201以及源极202与衬底204的电势差相等。其中，可以将第一位线501与第二位线502分别置为小正电压(例如OV O. 5V)，而外置电源线600置为负电压，例如OV -Vcc / 2。保证场效应晶体管200在栅极201施加足够负电压后，漏极201以及源极202与衬底204之间能形成GIDL漏电流即可。SlOl :通过字线400向栅极203施加电压，触发场效应晶体管200的漏极201以及源极202中形成GIDL漏电流，比较两条GIDL漏电流大小，读取存储单元的数据。其中，由于场效应晶体管200为NMOS晶体管，因此需要使得栅极201的电势位负向于漏极201以及源极202，可以将字线400置为-Vcc / 2，则栅极201的电势位负向于漏极201以及源极202，电势差为Vcc / 2，能够在漏极201以及源极202上触发GIDL漏电流，同时不引起数据存储区300的铁电效应。所述流经漏极201的GIDL漏电流为Ia，流经源极202的GIDL漏电流为IB。由于漏极201以及源极202与衬底204之间的电势差相等，而两条GIDL漏电流大小差异仅取决于数据存储区300的极化方向，因此直接比较流经漏极201的GIDL漏电流Ia以及流经源极202的GIDL漏电流Ib的大小，可以判断数据存储区300的极化方向，进一步读取得之前存储单元写入的数据。根据前述原理，即当Ia大于Ib时，则读取得存储单元数据为I ;当Ia小于Ib时，则读取得存储单元数据为O。此外，在读操作中，将未被选中存储单元上的字线、位线等置为0V，消除“读干扰”。
上述纳米硅铁电存储器中，场效应晶体管的栅极一侧侧壁为数据存储区，因此每个场效应晶体管对应一个数据存储位。由于场效应晶体管的源极以及漏极均能够形成GIDL漏电流，所以完全可以将栅极的另一侧侧壁也作为数据存储区，使得每个场效应晶体管对应两个数据存储位，有利于提高存储器集成度；或者使得两个数据存储区的极化方向始终相反，仅需根据两侧GIDL漏电流的比较结果，读取I或0，有利于提高存储器的响应速度。基于上述思想，本发明提供了第二种纳米硅铁电存储器，包括由存储单元所组成的存储阵列，图8a为本发明所述第二纳米硅铁电存储器示意图，而图Sb为所述存储单元结构示意图。如图8a以及图Sb所示，所述存储单元包括一个N型场效应晶体管200 ;其中栅极203的两侧侧壁为数据存储区，材质为内嵌纳米硅颗粒的多孔氧化硅材料，假设靠近漏极201 一侧为第一数据存储区301，而靠近源极202 —侧为第二数据存储区302 ;所述场效应晶体管200的栅极203连接字线400，漏极201以及源极202分别连接第一位线501以及第二位线502，衬底204连接外置电压源600 ;所述场效应晶体管的GIDL漏电流为存储单元的·读操作电流。其中所述衬底204可以为绝缘体上硅SOI。与第一纳米硅铁电存储器相同，本实施例中，第一数据存储区301以及第二数据存储区302的极化方向，同样也会影响各自对应的漏极201或者源极202上流经的GIDL漏电流的大小。当数据存储区产生铁电效应后，相应的GIDL漏电流的大小即存在一个较高值和一个较低值，对应数据存储区不同的极化方向。因此本实施例中，漏极201以及源极202与其各自对应的第一数据存储区301以及第二数据存储区302构成两个相对独立的数据位。基于上述理论，在第二纳米硅铁电存储器结构中，单个存储单元可以视为存储两位数据，因此本发明提供的第二驱动方法如下所述为便于说明，假定场效应晶体管为NMOS晶体管，所涉及的Vcc为正电势，且定义与第一驱动方法相同。图9a以及图9b为第二纳米硅铁电存储器的写操作示意图，分别对应在存储单元的一个数据位中写入“I”以及“O”。结合图9a以及图％，所述第二驱动方法的写操作具体包括向选中存储单元的第一位线501、第二位线502以及字线400施加电压，分别在场效应晶体管的栅极203与漏极201之间、栅极203与源极202之间形成电势差，使得第一数据存储区301以及第二数据存储区302分别产生铁电效应，在存储单元中写入数据。如图9a所示，假设在第一数据存储区301产生铁电效应，极化方向由漏极201指向栅极203，则定义在相应数据位中写入数据I。可以将第一位线501设置为0V，字线400置为-Vcc。此时栅极203与漏极201之间构成的电场方向由漏极201指向栅极203，两端电势差值即Vcc，足以使得第一数据存储区301产生铁电效应。为了不影响第二数据存储区302所对应数据位内的数据，应当将第二位线502设置为-Vcc / 2，此时栅极203与源极202之间的电势差值仅为Vcc / 2，不足以使得第二数据存储区302产生铁电效应，因此其极化方向不变。进一步的，将衬底204所连接的外置电源线600置为-Vcc / 2，此时虽然栅极203负向于漏极201电势差为Vcc，满足GIDL漏电流触发条件，但数据存储区301的极化状态会影响表面空穴，因此若触发大GIDL漏电流至衬底204，表示极化已完成，由第一源极201指向栅极203 ;而另一侧虽然栅极203负向于源极202的电势差为-Vcc / 2，但源极202的电势位与衬底204相同，因此不会产生pn结漏电流。从而避免写操作时，存储单元中形成电流产生无用功耗。此外在写” I”操作时，将未选中存储单元的位线、字线等设置为-Vcc /2，消除“写干扰”。如图9b所示，假设在第一数据存储区301产生铁电效应，极化方向由栅极203指向漏极201，则定义在相应数据位中写入O。可以将第一位线501设置为0V，字线设置为Vcc。此时栅极203与漏极201之间构成的电场方向由栅极203指向漏极201，两端电势差值即Vcc，足以使得第一数据存储区301产生铁电效应。为了不影响第二数据存储区302所对应数据位内的数据，应当将第二位线502设置为Vcc / 2，此时栅极203与源极202之间的电势差值仅为Vcc / 2，不足以使得第二数据存储区302产生铁电效应，因此其极化方向不变。
·
进一步的，将衬底204所连接的外置电源线600置为0V，固定衬底204的电势位，此时栅极201的电势位高于漏极201以及源极202，因此不满足GIDL漏电流触发条件，同时也不超出晶体管的阀值因而也没有通道反型电流，避免写操作时，存储单元中形成电流产生功耗。此外在写”0”操作时，将未选中存储单元的位线、字线等设置为+Vcc / 2，消除“写干扰”。依照上述写操作方法以及类似的数据定义，同样可以在第二数据存储区302所对应数据位中写入数据，本实施例中，所述存储单元可能的数据包括“00”、“01”、“10”、“11”四种情况。此外如果保持第一数据存储区301以及第二数据存储区302的极化方向相反，使得存储单元中的数据仅可能是“10”或“01”两种情况。作为另一个可选方案，可分别对应上述数据值，将存储单元的数据重新定义为写入“ I ”以及“O”。图IOa为第二纳米硅铁电存储器的读操作示意图，图IOb为所述第二驱动方法执行读操作的流程图，结合图IOa以及图10b，所述第二驱动方法的读操作具体包括S200 :向第一位线501、第二位线502以及外置电压源600施加电压，保证漏极201以及源极202与衬底204的电势差相等。其中，可以将第一位线501与第二位线502分别置为小正电压(例如OV O. 5V)，而外置电源线600置为负电压,例如O -Vcc / 2。保证场效应晶体管200在栅极201施加足够负电压后，漏极201以及源极202与衬底204之间能形成GIDL漏电流即可。S201 :通过字线400向栅极203施加电压，触发场效应晶体管200的漏极201以及源极202中形成GIDL漏电流，分别测量所述GIDL漏电流的大小，读取存储单元的数据。其中，将字线400置为-Vcc / 2，则栅极203的电势位负向于漏极201以及源极202，电势差为Vcc / 2，能够在漏极201以及源极202上触发GIDL漏电流，同时不引起两侧数据存储区的铁电效应。分别测量所述流经漏极201的GIDL漏电流为Ia，流经源极202的GIDL漏电流为IB。由于受到数据存储区的影响，无论Ia或者Ib，均存在一个高值以及一个低值，分别对应数据存储区不同的极化方向。根据前述原理，当极化方向由漏极201或源极202指向栅极203时，将测得GIDL漏电流为高值，则该GIDL漏电流所对应的数据位读为I ;反之，当极化方向由栅极203指向漏极201或源极202时，将测得GIDL漏电流为低值，则该GIDL漏电流所对应的数据位读为O。分别读取第一数据存储区301以及第二数据存储区302中的数据值，组合得到存储单元的数据。如果在写操作时，保持第一数据存储区301与第二数据存储区302的极化方向相反，则作为另一个可选方案，在读操作时直接通过比较GIDL漏电流的大小读取数据，以提高存储器读取速度，从而应对不同的需要，便于灵活应用。根据前述定义，当Ia大于Ib时，则读取得存储单元数据为I ;当Ia小于Ib时，则读取得存储单元数据为O。此外，在读操作中，将未被选中存储单元上的字线、位线等置为0V，消除“读干扰”。在上述第一以及第二纳米硅铁电存储器中，以场效应晶体管的GIDL漏电流作为读电流，由于常规场效应晶体管中GIDL漏电流的驱动能力不足，且较难控制。因此如果可·以利用绿色晶体管制作上述纳米硅铁电存储器，将提高其驱动能力，并进一步扩展所述纳米娃铁电存储器的应用范围。然而现有的绿色晶体管中仅能够形成一条通路的导电电流，不能满足上述需求。从背景技术中可知，现有的绿色晶体管中，控制栅极开启晶体管的机制，主要是通过外置电压施加于栅极上并作用于口袋注入区附近，并与源极上的电压相配合，触发产生隧穿效应。因此栅极上产生作用的部分只有靠近源极的一侧。如果设置两个源极关于栅极对称设置，使得栅极两侧均能够产生作用，即可制作成双导通电流的绿色晶体管。基于上述思想以及现有绿色晶体管的工作机制，本发明提供了一种新的绿色晶体管，其基本结构如图Ila所示,包括半导体衬底20，所述半导体衬底20可以为绝缘体上硅SOI ;形成于衬底内的第一源极31、第二源极32、漏极40以及形成于衬底表面的栅极50 ；其中漏极40形成于栅极50底部的衬底20内，进一步的漏极40是自半导体衬底20延伸，掺杂类型可以为P型也可以为N型，且与衬底20相同。第一源极31与第二源极32形成于栅极50两侧的衬底20内，且关于漏极40对称，所述第一源极31以及第二源极32的导电类型(即掺杂类型)与漏极40相反。在栅极50的底部、第一源极31内靠近漏极40—侧形成有第一口袋注入区61 ;而在栅极50的底部、第二源极32内靠近漏极40 —侧形成有第二口袋注入区62 ;所述第一口袋注入区61以及第二口袋注入区的导电类型与漏极40相同，因此与第一源极31以及第二源极32相反。为了降低口袋注入区与漏极之间的漏电流，本实施例中，第一口袋注入区61或第二口袋注入区62可通过浅掺杂区与漏极40电连接，所述浅掺杂区的导电类型与漏极40相同，掺杂浓度较漏极40的掺杂浓度低。进一步的，本实施例为了简化器件结构，第一口袋注入区61与第二口袋注入区62通过同一个浅掺杂区70与漏极40电连接；所述浅掺杂区70为漏极40的延伸，位于栅极50的底部，第一口袋注入区61与第二口袋注入区62之间。在图Ila所示的绿色晶体管中，第一源极31、第一口袋注入区61与漏极40、栅极50可视为构成了一个绿色晶体管，而第二源极32、第二口袋注入区62与漏极40、栅极50可视为构成了另一个绿色晶体管，因此本发明所述的绿色晶体管等效于将两个现有的同类型绿色晶体管进行并联，与现有的绿色晶体管相似，根据所述口袋注入区的导电类型，也可以将本发明所述的绿色晶体管分为P型绿色晶体管或N型绿色晶体管。两个P型绿色晶体管之等效电路图如图Ilb所示。结合图Ila以及图Ilb所示，栅极50能够同时控制所述并联的两个等效绿色晶体管的开启。进一步的，如果将所述第一源区31、第一口袋注入区61与第二源区32、第二口袋注入区62制作成完全对称，采用相同的材质、掺杂浓度等，可以使得所述并联的两个等效绿色晶体管的阈值电压相统一。本实施例中，所述绿色晶体管的栅极50上施加的电压值超过阈值电压后，栅极50两侧的等效绿色晶体管能够同时开启，分别在第一源极31以及第二源极32处施加大于栅极50的电压，触发第一口袋注入区61以及第二口袋注入区62附近产生载流子隧穿迁移，从而能够从栅极50的两侧源极内形成两股导通电流，流向漏极40，并在漏极40处汇集。
·
当固定栅极50以及漏极40的电势位，且绿色晶体管开启时，两侧的导通电流大小，取决于第一源极31以及第二源极32上的电压值，而互不干扰。因此在实际应用时，可将漏极40接地，然后根据绿色晶体管的类型，在第一源极31、第二源极32以及栅极40上施加电压，产生所需的导通电流。此外，由于第一口袋注入区61以及第二口袋注入区62的导电类型相同，因此与现有的绿色晶体管相似，根据所述口袋注入区的导电类型，也可以将本发明所述的绿色晶体管分为P型绿色晶体管或N型绿色晶体管。应用上述提供的绿色晶体管，本发明所提供的第三纳米硅铁电存储器，包括由存储单元所组成的存储阵列，图12a为本发明所述第三纳米硅铁电存储器示意图，而图12b为所述存储单元结构示意图。如图12a以及图12b所示，存储单元包括一个P型绿色晶体管700 ;其中栅极704靠近第一源极701 —侧侧壁为数据存储区300，所述数据存储区300的材质为内嵌纳米硅颗粒的多孔氧化硅材料；绿色晶体管700的栅极704连接字线400，而第一源极701以及第二源极702分别连接第一位线501以及第二位线502，漏极703连接外置电压源600。所述绿色晶体管的导通电流为存储单元的读操作电流。栅极704与第一源极701之间的电势差，将在数据存储区300上产生电场，而有可能使得内嵌纳米硅颗粒的多孔氧化硅材质的数据存储区300上形成铁电效应。数据存储区300极化之后，呈现出电荷趋于两极的态势；在本发明提供的绿色晶体管中，导通电流形成于第一源极或第二源极与漏极之间，其中主要的载流子活动包括电子以及空穴从口袋注入区向相应的源极、漏极迁移或者隧穿；因此极化后的数据存储区300中，靠近口袋注入区的一端极性，将直接影响流经该口袋注入区以及相应源极的导通电流大小。以P型绿色晶体管为例，如果数据存储区300产生铁电效应极化后，靠近第一源极701以及第一口袋注入区的一端极性为正，将排斥第一口袋注入区表面聚集的正电荷，直接导致流经第一源极701的导通电流减弱。反之如果该端极性为负，将增强流经第一源极701的导通电流。而本实施例中，由于栅极704靠近第二源极702 —侧侧壁为常规材料，因此流经第二源极702的导通电流不会因为数据存储区300的极化方向发生变化，可以作为参考电流，判断流经第一源极701的导通电流大小。因此在本实施例的存储器操作中，根据流经第一源极701以及第二源极702的导通电流大小比较结果，判断数据存储区300的极化方向，读取存储数据也是完全可行的。此外，在第一源极701或者第二源极702上形成导通电流时，需要向栅极704施加负向於有第一源极701或者第二源区702的电压。以上理论均基于P型绿色晶体管，而对于N型绿色晶体管，也具有相似原理，此处不再赘述。后述存储器结构、驱动方法等实施例均以P型绿色晶体管为基础，不再另行说明。基于上述第三纳米硅铁电存储器，本发明提供的第三驱动方法如下所述为便于说明，假定绿色晶体管为P型晶体管，Vcc为正电势，则定义有如下关系绿色晶体管的阈值电压Vth〈Vcc / 2 ;使得数据存储区产生铁电效应的最小电势差Vt>Vcc /2，且 Vt〈Vcc。图13a以及图13b为第三纳米硅铁电存储器的写操作示意图，分别对应在存储单元中写入“I”以及“O”。结合图13a以及图13b，所述第三驱动方法的写操作具体包括·向选中存储单元的第一位线501以及字线400施加电压，使得绿色晶体管700的栅极704与第一源极701之间形成电势差，在数据存储区300上构成外加电场，所述外加电场的强度足以使数据存储区300产生铁电效应，材质被极化，在存储单元中写入数据。其中，可以将第一位线501设置为0V，字线400置为Vcc或-Vcc。所述栅极704与第一源极701之间构成的电场两端电势差值即Vcc，足以使数据存储区300极化。如图6a所示，假设栅极704的电势位低于第一源极701，即字线400置为-Vcc时，数据存储区300产生铁电效应，极化方向由第一源区701指向栅极704，存储单元中写入数据定义为I ;如图6b所示，假设栅极704的电势位高于第一源极701，即字线400置为Vcc时，数据存储区300产生铁电效应，极化方向由栅极704指向第一源极701存储单元中写入数据定义为O。此外为了避免在写操作时，绿色晶体管700中形成电流，存储单元产生无用功耗，可以将漏极703所连接的外置电源线600以及第二源极702所连接的第二位线502均置为0V，以避免产生导通电流。写I时将未选中存储单元的字线、位线等均置为-Vcc / 2，消除“写I干扰”。写O时将未选中存储单元的字线、位线等均置为+Vcc / 2，消除“写O干扰”。图14a为第三纳米硅铁电存储器的读操作示意图，图14b为所述第三驱动方法执行读操作的流程图，结合图14a以及图14b，所述第三驱动方法的读操作具体包括S300:向第一位线501、第二位线502以及外置电压源600施加电压,保证第一源极701以及第二源极702与漏极703的电势差相等。其中，可以将第一位线501与第二位线502分别置为小正电压(例如0_0. 5V)，而外置电源线600置为负电压，例如O -Vcc / 2。使得绿色晶体管700在栅极701施加超出阈值的电压后，第一源极701以及第二源极702与漏极703之间能形成导通电流。S301 :通过字线400向栅极704施加超出阈值的电压，使得绿色晶体管700的第一源极701以及第二源极702中形成导通电流，比较两条导通电流大小，读取存储单元的数据。其中，由于绿色晶体管700为P型绿色晶体管，因此需要使得栅极704的电势位负向于第一源极701以及第二源极702，可以将字线400置为-Vcc / 2，则栅极704的电势位负向于第一源极701以及第二源极702，电势差为Vcc / 2超出了阈值电压，能够在第一源极701以及第二源极702上形成导通电流，同时不引起数据存储区300的铁电效应。分别测量所述流经第一源极701的导通电流为I。，流经第二源极702的导通电流为ID。由于第一源极701以及第二源极702与漏极703之间的电势差相等，而两条导通电流大小差异仅取决于数据存储区300的极化方向，因此直接比较流经第一源极701的导通电流Ic以及流经第二源极702的导通电流Id的大小，可以判断数据存储区300的极化方向，进一步读取得之前存储单元写入的数据。根据前述原理，即当I。大于Id时，则读取得存储单元数据为I ;当I。小于Id时，则读取得存储单元数据为O。此外，在读操作中，将未被选中存储单元上的字线、位线等均置为0V，消除“读干扰”。上述纳米硅铁电存储器中，绿色晶体管的栅极一侧侧壁为数据存储区，因此每个绿色晶体管对应一个数据存储位。由于本发明提供的绿色晶体管能够在第一源极以及第二源极形成两条导通电流，所以完全可以将栅极的另一侧侧壁也作为数据存储区，使得每个绿色晶体管对应两个数据存储位，有利于提高存储器集成度；或者使得两个数据存储区的极化方向始终相反，仅需根据两条导通电流的比较结果，读取I或0，有利于提高存储器的响应速度。
·
基于上述思想，本发明提供了第四种纳米硅铁电存储器，包括由存储单元所组成的存储阵列，图15a为本发明所述第四纳米硅铁电存储器的结构示意图，而图15b为所述存储单元结构示意图。如图15a以及图15b所示,所述存储单元包括一个绿色晶体管700 ;其中栅极704的两侧侧壁为数据存储区，材质为内嵌纳米硅颗粒的多孔氧化硅材料，假设靠近第一源极701 一侧为第一数据存储区301，而靠近第二源极702 —侧为第二数据存储区302 ;所述绿色晶体管700的栅极704连接字线400，第一源极701以及第二源极702分别连接第一位线501以及第二位线502，漏极703连接外置电压源600 ;所述绿色晶体管的导通电流为存储单元的读操作电流。与第三纳米硅铁电存储器相同，本实施例中，第一数据存储区301以及第二数据存储区302的极化方向，同样也会影响各自对应的第一源极701或者第二源极702上流经的导通电流的大小。当数据存储区产生铁电效应后，相应的导通电流的大小即存在一个较高值和一个较低值，对应数据存储区不同的极化方向。因此本实施例中，第一源极701以及第二源极702与其各自对应的第一数据存储区301以及第二数据存储区302构成两个相对独立的数据位。基于上述理论，在第四纳米硅铁电存储器结构中，单个存储单元可以视为存储两位数据，因此本发明提供的第四驱动方法如下所述为便于说明，假定绿色晶体管为P型绿色晶体管，所涉及的Vcc为正电势，且定义与第三驱动方法相同。图16a以及图16b为第二纳米硅铁电存储器的写操作示意图，分别对应在存储单元的一个数据位中写入“I”以及“O”。结合图16a以及图16b，所述第四驱动方法的写操作具体包括向选中存储单元的第一位线501、第二位线502以及字线400施加电压，分别在场效应晶体管的栅极704与第一源极701之间、栅极704与第二源极702之间形成电势差，使得第一数据存储区301以及第二数据存储区302分别产生铁电效应，在存储单元中写入数据。
如图16a所示，假设在第一数据存储区301产生铁电效应，极化方向由第一源极701指向栅极704，则定义在相应数据位中写入数据I。可以将第一位线501设置为0V，字线400置为-Vcc。此时栅极704与第一源极701之间构成的电场方向由第一源极701指向栅极704，两端电势差值即Vcc，足以使得第一数据存储区301产生铁电效应。为了不影响第二数据存储区302所对应数据位内的数据，应当将第二位线502设置为-Vcc / 2，此时栅极704与第二源极702之间的电势差值仅为Vcc / 2，不足以使得第二数据存储区302产生铁电效应，因此其极化方向不变。进一步的，将漏极703所连接的外置电源线600置为-Vcc / 2，此时虽然栅极704负向于第一源极701电势差为Vcc，超出了阈值电压，但数据存储区301的极化状态会影响第一源极701表面P-型口袋注入区之空穴因此若产生大导通电流至衬底703，表示极化方向已完成，由第一源极701指向栅极704 ;而另一侧虽然栅极704负向于第二源极702的电势差为Vcc / 2，但第二源极702的电势位与衬底703相同，根据绿色晶体管中源漏极之间的单向导通性，因此也不会产生pn结导通电流。通过上述电压偏置，能够避免在写操作时，·存储单元中形成电流而产生无用功耗。此外在写”1”操作时，将未选中存储单元的位线、字线等设置为-Vcc / 2，消除“写I干扰”。如图16b所示，假设在第一数据存储区301产生铁电效应，极化方向由栅极704指向第一源极，则定义在相应数据位中写入O。可以将第一位线501设置为0V，字线设置为Vcc。此时栅极704与第一源极701之间构成的电场方向由栅极704指向第一源极701,两端电势差值即Vcc，足以使得第一数据存储区301产生铁电效应。为了不影响第二数据存储区302所对应数据位内的数据，应当将第二位线502设置为Vcc / 2，此时栅极704与第二源极702之间的电势差值仅为Vcc / 2，不足以使得第二数据存储区302产生铁电效应，因此其极化方向不变。进一步的，将漏极703所连接的外置电源线600置为0V，固定漏极703的电势位，此时栅极704的电势位高于第一源极701以及第二源极702，因此绿色晶体管无法导通，从而避免在写操作时，存储单元中形成电流产生功耗。此外在写”0”操作时，将未选中存储单元的位线、字线等设置为+Vcc / 2，消除“写O干扰”。依照上述写操作方法，同样可以在第二数据存储区302所对应数据位中写入数据，本实施例中，所述存储单元可能的数据包括“00”、“01”、“10”、“11”四种情况。此外如果保持第一数据存储区301以及第二数据存储区302的极化方向相反，使得存储单元中的数据仅可能是“10”或“01”两种情况。作为另一个可选方案，可分别对应上述数据值，将存储单元的数据重新定义为写入“ I ”以及“O”。图17a为第四纳米硅铁电存储器的读操作示意图，图17b为所述第四驱动方法执行读操作的流程图，结合图17a以及图17b，所述第四驱动方法的读操作具体包括S400 :向第一位线501、第二位线502以及外置电压源600施加电压，保证第一源极701以及第二源极702与漏极703的电势差相等。其中，可以将第一位线501与第二位线502电分别置为小正电压(例如0_0. 5V),而外置电源线600置为负电压,例如O -Vcc / 2。保证绿色晶体管700在栅极704施加超出阈值的电压后，第一源极701以及第二源极702与漏极703之间能形成导通电流。
S401 :通过字线400向栅极704施加超出阈值的电压，使得绿色晶体管700的第一源极701以及第二源极702中形成导通电流，分别测量所述导通电流的大小，读取存储单元的数据。其中，将字线400置为-Vcc / 2，则栅极704的电势位负向于第一源极701以及第二源极702，电势差为Vcc / 2 Vcc超出了阈值电压，能够在第一源极701以及第二源极702上形成导通电流，同时不引起两侧数据存储区的铁电效应。所述流经第一源极701的导通电流为I。，流经第二源极702的导通电流为ID。由于受到数据存储区的影响，无论I。或者ID，均存在一个高值以及一个低值，分别对应数据存储区不同的极化方向。根据前述定义，当测得的导通电流为高值时，则该条导通电流所对应的数据位读为1，反之则为O。分别读取第一数据存储区301以及第二数据存储区302中的数据值，组合得到存储单元的数据。如果在写操作时，保持第一数据存储区301与第二数据存储区302的极化方向相反，则作为另一个可选方案，在读操作时直接通过比较两条导通电流的大小读取数据，以提·高存储器读取速度，从而应对不同的需要，便于灵活应用。根据前述定义，当I。大于Id时，则读取得存储单元数据为I ;当I。小于Id时，则读取得存储单元数据为O。此外，在读操作中，将未被选中存储单元上的字线、位线等置为0V，消除“读干扰”。上述实施例中，虽然均以P型绿色晶体管为例，但本发明领域技术人员应当可以推得，以N型绿色晶体管为选通管形成导通电流，作为存储器读操作电流的具体方案，进一步推广至其他类型的纳米硅铁电存储器上，特此说明。虽然本发明以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
权利要求
1.ー种绿色晶体管，其特征在于，包括 半导体衬底，所述衬底为绝缘体上硅；形成于衬底内的第一源极、第二源极、漏极以及形成于衬底表面的栅极； 所述漏极形成于栅极底部的衬底内；所述第一源极与第二源极形成于栅极两侧的衬底内，且关于漏极对称； 在所述栅极的底部、第一源极内靠近漏极ー侧形成有第一 ロ袋注入区； 在所述栅极的底部、第二源极内靠近漏极ー侧形成有第二 ロ袋注入区； 所述第一 ロ袋注入区以及第ニロ袋注入区的导电类型与漏极相同，且与第一源极以及第二源极相反。
2.如权利要求I所述的绿色晶体管，其特征在于，所述第一ロ袋注入区或第二ロ袋注入区通过浅掺杂区与漏极电连接，所述浅掺杂区的导电类型与漏极相同，掺杂浓度较漏极的掺杂浓度低。
3.如权利要求2所述的绿色晶体管，其特征在干，第一ロ袋注入区以及第二 ロ袋注入区通过同一浅掺杂区与漏极电连接，所述浅掺杂区为漏极的延伸，位于栅极的底部、第一 ロ袋注入区与第二ロ袋注入区之间。
4.ー种应用权利要求I所述绿色晶体管的纳米硅铁电存储器，包括由存储单元所组成的存储阵列，其特征在于，所述存储単元包括ー个绿色晶体管，其中栅极靠近第一源极ー侧侧壁为数据存储区，材质为内嵌纳米硅颗粒的多孔氧化硅材料；所述绿色晶体管的栅极连接字线，第一源极以及第ニ源极分别连接第一位线以及第二位线，漏极连接外置电压源；所述绿色晶体管的导通电流为存储単元的读操作电流。
5.如权利要求4所述的纳米硅铁电存储器，其特征在于，所述绿色晶体管为N型晶体管或P型晶体管。
6.如权利要求5所述的纳米硅铁电存储器，其特征在于，在存储单元选通进行写操作吋，绿色晶体管中不形成导通电流。
7.一种应用于权利要求4所述纳米硅铁电存储器的驱动方法，其特征在于，包括 在进行写操作时，通过向第一位线以及字线施加电压，在绿色晶体管的栅极与第一源极之间形成电势差，使得数据存储区产生铁电效应，材质被极化，在存储单元中写入数据； 在进行读操作时，通过向第一位线、第二位线、外置电压源以及字线施加电压，保证第一源极以及第ニ源极与漏极的电势差相等，控制栅极在绿色晶体管的第一源极以及第ニ源极中分别形成导通电流，比较流经第一源极以及第ニ源极的导通电流的大小，读取存储单元中的数据。
8.如权利要求7所述的驱动方法，其特征在于，所述写操作时，若数据存储区产生铁电效应，使得极化方向由第一源极指向栅极，则存储单元写入数据定义为I ;若数据存储区产生铁电效应，使得极化方向由栅极指向第一源极，则存储单元写入数据定义为O。
9.如权利要求8所述的驱动方法，其特征在于，所述读操作时，对场效应晶体管中流经第一源极以及第ニ源极的导通电流进行检测，若流经第一源极的导通电流较大，则存储单元中数据读为1，若流经第二源极的导通电流较大，则存储单元数据读为O。
10.ー种应用权利要求I所述绿色晶体管的纳米硅铁电存储器，包括由存储单元所组成的存储阵列，其特征在于，所述存储単元包括ー个绿色晶体管，其中栅极两侧侧壁为数据存储区，材质为内嵌纳米硅颗粒的多孔氧化硅材料；所述绿色晶体管的栅极连接字线，第一源极以及第ニ源极分别连接第一位线以及第二位线，漏极连接外置电压源；所述绿色晶体管的导通电流为存储単元的读操作电流。
11.如权利要求10所述的纳米硅铁电存储器，其特征在于，所述绿色晶体管为N型晶体管或P型晶体管。
12.如权利要求11所述的纳米硅铁电存储器，其特征在于，在存储单元选通进行写操作吋，绿色晶体管中不形成导通电流。
13.一种应用于权利要求10所述纳米硅铁电存储器的驱动方法，其特征在于，包括 在进行写操作时，通过向第一位线、第二位线以及字线施加电压，分别在绿色晶体管的栅极与第一源极以及栅极与第二源极之间形成电势差，使得栅极两侧的数据存储区产生铁电效应被极化，在存储单元中写入数据； 在进行读操作时，通过向第一位线、第二位线、外置电压源以及字线施加电压，保证第一源极以及第ニ源极与漏极的电势差相等，控制栅极在绿色晶体管的第一源极以及第ニ源极中分别形成导通电流，測量流经第一源极以及第ニ源极的导通电流的大小，读取存储单元中的数据。
14.如权利要求13所述的驱动方法，其特征在于，每个存储单元包括两位数据，每侧数据存储区存储一位数据，写操作时，若任意侧的数据存储区产生铁电效应，使得极化方向由相应的第一源极或第二源极指向栅极，则该侧数据存储区写入数据定义为I ;若任意侧的数据存储区产生铁电效应，使得极化方向由栅极指向相应的第一源极或第二源极，则该侧数据存储区写入数据定义为O。
15.如权利要求14所述的驱动方法，其特征在于，读操作时，測量绿色晶体管中流经第一源极以及第ニ源极的导通电流大小，若流经的导通电流为高值，则相应侧数据存储区中数据读为1，若流经的导通电流为低值，则相应侧数据存储区中数据读为O。
16.如权利要求13所述的驱动方法，其特征在于，所述写操作时，若两侧数据存储区产生铁电效应，且极化方向相反，分别为第一源极指向栅极以及栅极指向第二源极，则存储单元写入数据定义为I ;若两侧数据存储区产生铁电效应，且极化方向相反，分别为栅极指向第一源极以及第ニ源极指向栅极，则存储单元写入数据定义为O。
17.如权利要求16所述的驱动方法，其特征在于，所述读操作时，对场效应晶体管中流经第一源极以及第ニ源极的导通电流进行检测，若流经第一源极的导通电流较大，则存储単元中数据读为1，若流经第二源极的导通电流较大，则存储单元数据读为O。
全文摘要
本发明提供了绿色晶体管、纳米硅铁电存储器及其驱动方法，其中所提供的一种纳米硅铁电存储器，包括由存储单元所组成的存储阵列，所述存储单元包括一个场效应晶体管，其中栅极靠近漏极一侧侧壁为数据存储区，材质为内嵌纳米硅颗粒的多孔氧化硅材料；所述场效应晶体管的栅极连接字线，漏极以及源极分别连接第一位线以及第二位线，衬底连接外置电压源；所述场效应晶体管的GIDL漏电流为存储单元的读操作电流。本发明采用内嵌纳米硅颗粒的多孔氧化硅材料制作铁电存储器的数据存储区，与现有铁电存储器相比，与CMOS工艺兼容性更佳，具有更优异的非易失性数据存储能力，解决常规铁电存储器的极性退化导致数据丢失问题。
文档编号H01L29/66GK102790091SQ201210262439
公开日2012年11月21日 申请日期2009年10月20日 优先权日2009年10月20日
发明者季明华, 肖德元 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司