非易失性铁电存储器及其制备方法和读/写操作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于铁电存储技术领域，具体涉及一种新型非易失性铁电存储器，尤其涉及基于铁电薄膜材料表面刻蚀存储单元且在铁电单元间隙制造连接存储单元的面内左右电极进行读出写操作的面内高密度铁电存储器以及该铁电存储器的制备方法和读/写操作方法。
【背景技术】
[0002]铁电随机存储器FRAM(Ferroelectric Random Access Memory)是利用铁电畴(或称为“电畴”)在正负电场作用下保持两种不同极化取向作为逻辑信息(“O”或“I”)来存储数据的非易失性存储器(Non-volatile Memory)，其也可以称为“铁电存储器”。
[0003]铁电存储器的存储介质层即为具有可反转(或称为“翻转”)的铁电畴的铁电薄膜层，目前，实验室内可测出的电畴反转的最快速度可达到0.2 ns，实际上它还可以更快。通常地，电畴的反转速度决定了存储器的读写时间，电畴反转的矫顽电压决定了器件的读写电压，它会随着薄膜厚度的降低而几乎呈等比例地减小。因此，铁电存储器具有数据读写速度快、驱动电压低和存储密度高等优点，近年来得到了广泛的关注和较快的发展。
[0004]目前，铁电存储器按基本工作或操作模式主要可分为:破坏性读出(DRO)的FRAM和非破坏性读出(NDRO)的FeFET两大类。破坏性读出(DRO)铁电存储器是以铁电电容(以铁电薄膜层作为介质层形成的电容)取代常规的存储电荷电容，并利用它的极化反转来实现数据的写入与读取。迄今为止，市场上应用的所有铁电存储器都是采用这种工作模式，其中以I个晶体管T和一个铁电电容C(即1T1C)构建存储单元，并以该ITlC存储单元作为电路设计为基础，在读取操作过程中，采用电荷积分的方法，通过对与ITlC存储单元串联的参考电容进行电压读取来判断铁电薄膜层的电畴是否反转，从而识别存储单元中的逻辑信息。这种铁电存储器在读取操作中，电压读取会导致铁电薄膜层的电畴反转，因此，它的缺点是信息读取是破坏性的，可靠性差，在读取操作后需要重新写回原来的逻辑信息状态。另外，随着器件集成密度的提高，存储单元的铁电电容C的面积不断缩小，而读出电荷是与铁电电容C的面积成正比的，因此可读出电荷也越来越少；当器件存储单元尺寸小于130nm时，目前读出电路基本无法识别存储单元中所存储的逻辑信息，严重地阻碍了铁电存储器向高密度方向发展。
[0005]非破坏性读出(NDRO)铁电存储器则是利用铁电薄膜层取代常规MOSFET的栅介质层而构成MFS结构的铁电场效应晶体管(FeFET)。通过极化方向的控制可以改变漏电流Ids大小，差距可以达几个数量级，存储信息可以在很小的电压下实现非破坏读取。它具有高密度集成、高读写速度、非破坏读取和低功耗等特点，但是由于该器件的逻辑信息保持性能差，一般只能达到数天，而存储器市场一般要求不小于10年。因此这一结构目前还处于实验室研究阶段，未能实际运用到存储器产品中。
[0006]因此，当前商业化应用的破坏性读出(DRO)铁电存储器主要是以对铁电电容以电荷积分方式读出的，如以上所总结，其具有破坏性读取的缺点，读出后需要重新写入数据，从而伴随着大量的擦除和重写的操作，导致器件的可靠性降低，影响了数据读取速度;并且，这种读取原理限制了铁电电容C按比例缩小，存储密度低，例如，目前商业化应用的铁电存储器最大只有8MB。
[0007]采用两种不同取向的铁电畴所形成的畴壁进而产生畴壁电流也可以读出所存储的铁电电畴的逻辑信息。目前国际上普遍采用对原子力显微镜的纳米针尖对薄膜微区施加电场，从而改变薄膜局域电畴取向从而形成导电畴壁。这种原子力针尖技术无法与目前的半导体工艺兼容，即无法实现大规模生产；另外，读出电流通常只有pA-nA量级，即电流太弱，无法被存储器高速读出电路(ns量级)所识别。本技术采用面内读写存储单元结构，与半导体工艺完全兼容；另外读出畴壁电流信号可以达100ηΑ-10μΑ，能够被目前高速存储器的读出电路所识别。
【发明内容】
[0008]本发明的目的之一在于提供一种能够以大电流读取方式实现信息非破坏性读出的、存储性能好的面内高密度铁电存储器，铁电存储器的读操作和写操作均可同一面内左右电极层来完成。
[0009]为实现以上目的或者其他目的，本发明提供以下技术方案。
[0010]按照本发明的一方面，提供一种铁电存储器，该铁电存储器包括:
铁电薄膜层(303)和薄膜表面刻蚀出的长方体铁电存储单元(305)，铁电薄膜层底部(303)和表面被刻蚀出铁电存储单元(305)实为同一整体，即薄膜表面存储单元的刻蚀深度小于薄膜厚度；
以及设置在所述表面铁电存储单元(305)两边的左右读写电极层(307)，所述读写电极层(307)间被刻蚀出的铁电存储单元(305)分割成两部分，即为电极对(3071)和(3073);
所述铁电薄膜层(303)的电畴(3031或3033)和铁电存储单元(305)的电畴(3051或3053)的极化方向基本不平行于所述读写电极层(307)所在平面的法线方向；
其中，在所述面内读写电极层(307)中的邻接所述刻蚀铁电存储单元(305)的两个部分之间偏置第一方向的写信号时，对应所述表面刻蚀铁电存储单元(305)的电畴被电极对(3071)和(3073)之间形成的电场完全反转，而与铁电薄膜层(303)底部未反转电畴之间建立畴壁导电通道(3054)。
[0011]例如，在所述读写电极层(307)中的邻接所述铁电存储单元(305)的两个部分之间偏置第一方向的写信号(该信号电压大于或等于铁电存储单元的矫顽场电压)时，对应所述铁电存储单元(305)的表面电畴以被完全反转而与底部块体薄膜没有反转的电畴形成导电畴壁通道；
在所述读写电极层(307)中的邻接所述铁电存储单元(305)的两个部分之间偏置第一方向的读信号(该信号电压小于铁电存储单元的矫顽场电压)时，对应所述铁电表面被刻蚀所形成的存储单元(305)与铁电薄膜底层(303)之间形成或未形成的畴壁导电通道(3054)未被破坏。
[0012]根据本发明一实施例的铁电存储器，其中，在所述读写电极层(307)中的邻接所述表面刻蚀铁电存储单元(305)的两个部分之间偏置与所述第一方向相反的第二方向的写信号时，使被完全反转的刻蚀铁电存储单元(305)的电畴(3053a)反转回到初始极化方向。
[0013]在之前所述任一实施例的铁电存储器中，配置所述铁电存储单元(305)的厚度(h)和/或所述铁电存储单元(305)的宽度(d)，以使在偏置预定大小的写电压作用下对应电极对(3071)和(3073)之间所述铁电存储单元(305)的电畴被完全反转。
[0014]在之前所述任一实施例的铁电存储器中，配置所述铁电存储单元(305)的厚度(h)和/或所述铁电存储单元(305)的宽度(d)，以使在偏置预定大小的读电压作用下对应对应电极对(3071)和(3073)之间所述铁电存储单元(305)电畴被完全反转而与铁电薄膜层(303)底部未反转电畴之间建立畴壁导电通道(3054)。
[0015]可选地，所述铁电存储单元(305)的宽度(d)大于或等于2纳米且小于或等于10微米。
[0016]可选地，所述铁电存储单元(305)的长度(I)大于或等于2纳米且小于或等于10微米。
[0017]可选地，所述铁电存储单元(305)的厚度(h)大于或等于5nm且小于或等于I微米具体地，所述非易失铁电存储器还包括基底(301)，所述铁电薄膜层(303)设置在所述基底(301)之上，同时，基底(301)与铁电薄膜层(303)可以是相同材料，即使用铁电块体材料。
[0018]优选地，所述基底(301)为绝缘基底。考虑到与半导体工艺的兼容性，一般选取硅基底。
[0019]可选地，所述铁电薄膜层(303)与表面刻蚀的铁电存储单元(305)实为同一整体，材料可选自铁酸铋BiFeO3、掺La的铁酸铋盐(Bi，La) FeO3、锆钛酸铅盐(Pb，Zr)T13、旦酸锂LiTaO3或者铌酸锂盐LiNbO3。
[0020]可选地，所述铁电薄膜层(303)厚度大于或等于10纳米且小于100微米。
[0021]可选地，所述读写电极层(307)的厚度大于或等于5纳米且小于或等于100纳米。
[0022]可选地，通过控制所述铁电薄膜层(303)与刻蚀的铁电存储单元(305)生长的晶向，以至于所述铁电薄膜层(303)的电畴(3031，3033)和铁电存储单元(305)的电畴(3051，3053)极化方向基本不垂直于所述读写电极层(307)的平面。
[0023]按照本发明的又一方面，提供一种以上所述非易失铁电存储器的制备方法，包括步骤:
提供基底(301)；
在基底(301)上形成铁电薄膜(303);
在铁电薄膜(303)表面刻蚀出铁电存储单元(305);以及在所述铁电存储单元(305)之间形成面内读写电极层(307)。
[0024]根据本发明一实施例的制备方法，其中，所述铁电存储单元(305)和读写电极层(307)电子束加工或者纳米压印或光刻和干法刻蚀形成。
[0025]按照本发明的还一方面，提供一种以上所述铁电存储器的写操作方法，其中，在所述读写电极层(307)中的邻接铁电存储单元(305)的电极对(3071和3073)之间偏置第一方向的写信号(Vwrite3l),对应所述铁电存储单元(305)表面电畴部分被反转，从而写入第一逻辑信息(“I”)。
[0026]进一步，在所述读写电极层(307)中的邻接所述铁电存储单元(305)的电极对(3071和3073)之间偏置与所述第一方向相反的第二方向的写信号(Vwrite2),使对应所述铁电存储单元(305)表面电畴部分未被反转或反转回到初始极化方向，从而写入第二逻辑信息(“O”)。
[0027]其中，在所述铁电薄膜层(303)与铁电存储单元(305)中，铁电存储单元(305)表面被反转的电畴(3053a)与底部未被反转的电畴(3031a)之间形成畴壁(3054)，该畴壁(3054)贯通所述读写电极层(307)的读写电极对(3071和3073)之间。
[0028]按照本发明的再一方面，提供一种以上所述铁电存储器的读操作方法，其中，在所述读写