专利名称：非破坏性读出铁电不挥发多态数据存储方式及其存储单元的制作方法
技术领域：
本发明属大规模数字集成电路技术领域，具体涉及一种利用MFIS单管单元实现的非破坏性读出铁电不挥发多态数据存储方式及其存储单元。
利用铁电材料制成的铁电不挥发存储器是近年来发展较快的新型不挥发存储器。它的诸多优点正好克服了现今市场上主流不挥发存储器E2PROM、Flash Memory本身固有的缺点。E2PROM、Flash Memory的缺点主要为(1)读写速度较慢，难以与高速微处理器匹配实现嵌入式系统；(2)工作电压偏高，需附加增压泵电路，不利于低功耗和芯片微小化；(3)读、写、擦除的次数有限。铁电不挥发存储器是利用铁电薄膜的电滞回线特性实现存储数据的功能。它具有不挥发、抗辐照、高速、低功耗、读写次数多等优点，有望成为现今主流不挥发存储器的有力竞争者。
铁电不挥发存储器发展至今，共分为两类破坏性读出的铁电随机存储器(FeRAM)和非破坏性读出的铁电存储器(MFIS)。FeRAM通常采用铁电电容和晶体管构成1T-1C或2T-2C的结构作为存储单元；非破坏性读出的铁电存储器则采用MFIS单管结构作为存储单元。它们都是利用铁电薄膜的剩余极化在电滞回线上的某一对配对点(对称或非对称)来表征0、1两种状态。每个储存单元只能储存一位二进制数据。下面详细地说明传统的非破坏性读出MFIS储存器的工作原理。
利用铁电材料取代MOS结构中的SiO2层而形成的MFS单管单元，具有许多不同于MOS单元的特性。现今的工艺往往在铁电薄膜与衬底Si表面间加入一层介质材料I而形成MFIS结构，其目的是防止出现有害的电荷注入效应。
MFIS单管单元结构的铁电薄膜层因具有剩余极化强度，对于一定的极化方向，能使衬底Si表面的能带发生弯曲，从而使衬底Si表面的导电能力发生变化，起到调制半导体表面电导的作用。上述现象被称为铁电极化电导调制效应。
传统的MFIS储存器利用上述调制效应，在MFIS储存单元的栅、源极间加上正向电压VG。当VG大于阈值电压时，铁电薄膜层形成正向极化强度。源漏间的半导体表面强反型，形成导电通道。当外加正偏压去掉之后，由于铁电材料残存正向剩余极化强度Pr，半导体的表面沟道依然存在。此时若源漏间存在电压差，沟道中就能产生一定的电流。只有在栅、源间加上幅值较大的反偏电压时(大于铁电薄膜的矫顽电压)，极化强度才会发生反转，形成负向极化强度，表面导电沟道因此消失。当外加负偏压去掉之后，由于铁电材料残存的负向剩余极化强度-Pr的存在，使沟道状况保持，产生的漏源电流十分微弱。由此，利用剩余极化强度在某条电滞回线上相应的正负两种状态，可以用来表征存储器存储0、1时的两种状态。通过改变外加栅源偏压的极性可以使两种状态相互转化。0、1两种状态可以通过测量漏源电流大小读出。由此可见，传统的MFIS存储单元利用的是一条电滞回线上的一对剩余极化强度，只能存取一位二进制数据。上述通过外加栅源偏压调制MFIS沟道状况的现象示意于图2中。
由于铁电工艺发展的局限性，铁电电容或MFIS单管单元阵列面积在整个铁电存储系统中仍占较大比例。要极大地提高系统的集成密度，仅仅依靠改进工艺缩小储存单元面积来解决，难度较大。
为了在有限的储存单元个数中储存尽可能多的信息，可以从改进储存技术的角度考虑，采用多态数据储存方式。
本发明提出的非破坏性读出铁电不挥发存储方式，是根据MFIS单管单元的铁电特性，利用铁电薄膜多条电滞回线的剩余极化强度处于饱和、非饱和的多种状态，来表征一个码元，该一个码元所取的状态数大于2，从而能够转换为多位二进制码，实现在一个单元中存储多位数据的功能。
本发明原理如下在MFIS单管单元的栅、源极间加上幅值较大的负偏压使铁电薄膜形成负向饱和极化强度，半导体表面不存在导电沟道，此时即使在漏、源之间加上一定的偏压VDS也不会产生漏源电流。当栅源间的偏压由负值增大至零时，由于铁电薄膜存在的负向饱和剩余极化强度-Prm，漏源间仍无电流产生。此时若继续增大MFIS单管的栅源偏压，铁电薄膜负向极化强度的幅值|P|随之减小。只有当MFIS单管的栅源偏压增大至超过正向矫顽电压Vc时，负向极化强度才会降至零并反转形成正向极化强度。此时源漏之间的半导体表面开始反型，导电沟道逐渐形成。随着栅源偏压的增大，正向极化强度不断增强直至达到饱和，沟道则由反型向强反型过渡。此时若在漏源间加固定偏压能产生一定大小的电流，且电流随正向极化强度P的增加而增加。在极化强度正向增加的过程中若突然撤去栅源偏压，不同的正向极化强度P将根据对应的电滞回线产生相应大小的正向剩余极化强度+Pr，可以形成不同的漏源电流。利用剩余极化强度+Pr的各种状态，就可用来存储多态数值。通过探测相应的漏源电流大小IDS并经AD转换就可读出MFIS单管单元存储的信息。利用高精度的AD转换器，可以实现在一个单管单元中存储若干位的二进制数据，这样就能极大地提高存储单元的利用率。
与传统的二进制MFIS储存器不同，要实现多种状态间的相互转化不能简单地通过改变外加栅源偏压的极性来实现。由于铁电材料的记忆效应，存储单元当前的存储状态不仅和所加的栅源偏压有关，还和前一存储状态有关。因此，实现各态间的相互转换就变得非常复杂，可能造成由于前一存储状态的不同，相同的数据存入时产生的是不同的状态，造成读取数据时的错误。本发明提出一个简单有效的方法——间接转化法——来解决这个难题，即当前存储状态一律通过“0”态过渡到次状态，这样可大大简化各态间的相互转化关系。在向MFIS存储单元存入新数据之前，必须先将当前储存状态擦除为“0”态。此擦除操作被称为清零操作。利用铁电薄膜负向饱和极化强度的特性，可以在栅源间加上大幅值的负偏压脉冲进行清零操作，使得正向剩余极化强度的各种状态都能回到负向饱和剩余极化强度-Prm，从而使得存储数据时存储单元的初始状态一致。存储单元初始化后，为存储某码元所加的栅源偏压就与MFIS的剩余极化状态一一对应了。
根据本发明的上述多态数据存储方式，即可得到相应的多态非破坏性读出铁电不挥发存储单元，图3给了这种存储单元的结构例子。其中，MFIS单管单元M的栅极G并联着两个门管G1、G0的输出端；单管单元M的漏端D串联着电阻(Resiseor)，电阻的另一端并联着两个门管D1、D0的输出端，门管R的输入端与单管单元M的漏端D相接；单管单元M的源极S并联着两个门管S1、S0的输入端；各门管G0、G1、D0、D1、S0、S1、R的通断由控制信号经过组合逻辑后进行控制。
本发明提出多态非破坏性读出铁电不挥发多态数据存储方式及其存储单元，根据MFIS单管单元的铁电特性，利用铁电薄膜剩余极化强度处于饱和、非饱和的多利状态，在一个单元中存储多位数据，从而可以成倍增加存储信息；在同样存储容量下，可有效地缩小芯片面积。本发明据此提出一种多态非破坏性读出铁电不挥发存储器的实现方式，证明该铁电储存器在兼具现今铁电不挥发储存器的种种优点的同时，有效地提高了集成密度，为发展大容量的铁电不挥发存储器提供了一种新的技术。
图2为MFS铁电薄膜层电导调制作用示意图。
图3为多态MFIS存储单元结构示意图。
图4为多态MFIS存储单元工作时的控制信号时序图。
图5为MFIS存储单元的逻辑符号图。
图6为多态非破坏性读出铁电不挥发存储器结构框图。
图7为4态16bit MFIS不挥发存储器逻辑图。
图8为多态MFIS不挥发存储器逻辑符号图。
多态MFIS存储单元在时钟控制下进行写入和读取数据时，各控制信号的时序如图4所示。在写周期，当地址译码器选中该单元时，字线WL跳变为高电平。在此后的第一个时钟上升沿到来时，系统发出清零信号使CL’为高(脉冲宽度为1/2时钟周期)，此时门管G0的栅极跳变为高，门管D1、S1的栅极则由高电平跳变为低电平，3个门管G0、D1、S1被打开，MFIS管源漏短接，-VDD的偏压被加在MFIS的栅源之间，使铁电薄膜的极化状态初始化。当第二个时钟上升沿到来时，系统发出写允许信号使WE’为高(脉冲宽度为1/2时钟周期)，此时3个门管G1、D0、S0被打开，MFIS源漏接地。m比特的二进制数经DAC转换出的模拟电平，通过门管G1被加在MFIS的栅源之间，使铁电薄膜的极化强度反转至正向的某一态。当写允许信号WE’结束时，所有门管均截止，MFIS单管与外部隔离，铁电薄膜的剩余极化状态保持不变，数据已被锁存在MFIS单管中。此时系统强迫WL跳回低电平，整个存储单元与外部隔离，处于高阻状态。可见，完成一次写操作需要两个时钟周期。在读周期，当地址译码器选中该单元时，字线WL跳变为高电平。在此后的第一个时钟上升沿到来时，系统发出输出允许信号使OE’为高(脉冲宽度为1/2时钟周期)，4个门管G0、D1、S0、R被打开，MFIS栅极接地，VDD产生的部分偏压被加在漏源之间，所产生的源漏电流经电阻转换为一定的模拟电平，经输出控制门R送入到ADC的输入端，再由ADC将模拟电平转换为数字信号，送到数据总线上。当数据稳定后，OE’跳回低电平，所有门管均截止，铁电薄膜的剩余极化状态仍旧保持不变，读出为非破坏性。此后，系统强迫WL跳回低电平，整个存储单元与外部再次隔离。可见，完成一次读操作仅需要一个时钟周期。
通过上述分析可见，由于在一个上述的存储单元中可以存入m比特信息，存储单位比特所占的面积小；存储单元只在数据读取期间有静态功耗，整个读写操作的平均功耗低；由于铁电薄膜极化翻转的速度在100ns量级，因此存储单元的读写响应时间快；除MFIS单管结构外，其余器件均采用CMOS工艺，工艺简单。可见，上述的多态MFIS存储单元满足了大容量的随机存储器对一个存储单元的基本要求。图5为一个MFIS存储单元的逻辑符号。
利用多态MFIS存储单元可构造出非破坏性读出铁电不挥发存储器，其结构流程如图6所示。整体结构由以下几部分组成(1)存储阵列，为存储信息的部分，由大量多态MFIS存储单元排成的阵列；(2)单元选择电路，根据地址对被访问的存储单元进行选择。主要由地址缓冲器和地址译码器构成，地址译码器还可分为行译码和列译码两个阵列，适用于大容量的存储器；(3)模数、数模转换电路，包括将数据转化为适合输入存储阵列的模拟电平的数模转换电路DAC和将存储阵列输出的模拟电平转换为数字信号的模数转换电路ADC；(4)内部控制信号发生器，为组合逻辑电路，将系统控制信号CS、WE、OE、CL转化为存储器内部控制信号WE’、OE’、CL’，其中，CS为铁电不挥发存储器的片选信号，只有当该信号有效时，系统才能对整个存储器进行读写操作；WE为写允许信号，控制存储器的写操作；OE为输出允许信号，控制存储器的读操作；CL为清零信号，控制存储器写操作前的预清零操作。WE’＝CS·WE，OE’＝CS·OE，CL’＝CS·CL。
除存储阵列外，其余部分统称为外围电路。设一个存储单元含有N个态(对于二进制数，N应满足N＝2k)，则可存储k比特数据。若系统的数据总线为m比特，则存储每一字节需m/k个存储单元(k应能整除m)。因此，需要m/k个DAC和m/k个ADC。若系统的地址总线为n比特，则存储器容量为2n×m，共需存储单元2n×m/k个。
一个简化的多态MFIS存储器的逻辑框图示于图7中。其中，一个存储单元可存储2bit二进制数据，系统数据总线4bit，地址总线2bit，构成了一个容量为16bit的存储器。MFIS存储单元仅需8个，其中每两个组成一个字节，受同一地址线控制其单元片选信号WL。被选中的两个单元在系统控制信号WE、OE、CL的统一控制下，分别进行高两位和低两位数据的读写操作，并经DAC和ADC实现和系统总线的数据交换过程。图8为多态MFIS不挥发存储器的逻辑符号图。
权利要求
1.一种非破坏性铁电不挥发多态数据存储方式，其特征在于根据MFIS单管单元的铁电特性，利用铁电薄膜多条电滞回线的剩余极化强度处于饱和、非饱和的多种状态，来表征一个码元，该一个码元所取的状态数大于2，从而能够转换为多位二进制码，实现在一个单元中存储多位数据的功能。
2.根据权利要求1所述的多态数据存储方式，其特征在于采用间接转化法，解决MFIS多种存储状态间相互转化的复杂性问题当前存储状态一律通过“O”状态过渡到次状态。
3.一种根据权利要求1所述的多态数据存储方式形成的多态非破坏性铁电不挥发存储单元，其特征在于MFIS单管单元(M)的栅极(G)并联着两个门管(G1)、(G0)的输出端；单管单元(M)的漏端(D)串联着电阻(Resiseor)，电阻的另一端并联着两个门管(D1)、(D0)的输出端，门管(R)的输入端与单管单元(M)的漏端(D)相接；单管单元(M)的源极(S)并联着两个门管(S1)、(S0)的输入端；各门管(G0)、(G1)、(D0)、(D1)、(S0)、(S1)、(R)的通断由控制信号经过组合逻辑后进行控制。
4.一种由权利要求3所述的存储单元构成的多态非破坏性读出铁电不挥发存储器，其特征在于由以下几个部分组成(1)存储阵列，为存储信息的部分，由大量多态MFIS存储单元排成的阵列；(2)单元选择电路，主要由地址缓冲器和地址译码器构成，地址译码器还可分为行译码和列译码两个阵列，适用于大容量的存储器；(3)模数、数模转换电路，包括将数据转化为适合输入存储阵列的模拟电平的数模转换电路DAC和将存储阵列输出的模拟电平转换为数字信号的模数转换电路ADC；(4)内部控制信号发生器，为组合逻辑电路，将系统控制信号CS、WE、OE、CL转化为存储器内部控制信号WE’、OE’、CL’，其中，CS为铁电不挥发存储器的片选信号，WE为写允许信号，控制存储器的写操作；OE为输出允许信号，控制存储器的读操作；CL为清零信号，控制存储器写操作前的预清零操作。
全文摘要
本发明为一种非破坏性铁电不挥发多态数据存储方式及其储存单元。它根据MFIS单管单元的铁电特性，利用铁电薄膜剩余极化强度处于饱和、非饱和的多种状态，在一个单元中存储多位数据，从而增加存储信息，并为发展大容量的铁电不挥发存储器提供了基础。
文档编号G11C11/22GK1474456SQ03141498
公开日2004年2月11日 申请日期2003年7月10日 优先权日2003年7月10日
发明者林殷茵, 谢宇涵, 汤庭鳌 申请人:复旦大学