专利名称：用于操作铁电或驻极体存储器的方法及此类装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于操作铁电或驻极体存储器的方法，其中存储器包括以呈现磁滞的铁电或驻极体薄膜可极化材料，特别是铁电或驻极体聚合物薄膜形式的存储单元，以及分别并联的第一和第二组电极，其中提供与第二组电极基本为正交关系的第一组电极，其中提供直接或间接地与存储单元的薄膜材料接触的所述第一和第二组电极，由此通过分别给所述第一和第二组电极的各个电极施加适当的电压，在各个存储单元中的极化状态可以被读取、刷新、删除或写入，其中该方法执行一种电压脉冲协议，该协议包括分别具有预定义的幅度和长度的电压脉冲时序的读和写/刷新周期，其中在从存储单元读出数据的情况下，读周期包括分别给所述第一和第二组电极的电极施加一组电压差，其中在向所述存储单元写入/刷新数据的情况下，电压脉冲协议的写/刷新周期包括分别给所述第一和第二组电极的电极施加另一组电压差，所述电压差组相应于预定义的电势电平组，以便预定义电势电平组具有至少三个独立的数值。
本发明也涉及一种用于执行根据本发明方法的铁电或驻极体存储器，其中存储器包括以提供磁滞的铁电或驻极体薄膜可极化材料，特别是铁电或驻极体聚合物形式的存储单元，以及分别并联的第一和第二组电极，其中提供与第二组电极基本为正交关系的第一组电极，其中提供直接或间接地与存储单元的薄膜材料接触的所述第一和第二组电极，由此通过分别给所述第一和第二组电极的单个电极施加适当的电压，在单个存储单元中的极化状态可以被读取、刷新、删除或写入，其中提供一个驱动器控制单元，用于通过驱动器电路施加预定义电势电平组给电极，用于影响根据用于读、写/刷新操作的电压脉冲协议在选择的存储单元上的上述操作。
铁电体是电极化材料，该电极化材料在没有外部电场时，具有至少两个自发极化向量的平衡方向，其中可以通过电场在那些方向间切换自发极化向量。由具有这种双稳态的剩余极化的材料提供的存储效应可以被用于存储应用。极化状态中的一个被认为是逻辑“1”，并且另一个状态被认为是逻辑“0”。为了创建交叉点矩阵或阵列，通常以正交的方式，通过使两组并联电极彼此交叉来执行典型的无源矩阵寻址存储应用，其中通过从矩阵边缘适当电极的选择性激励可以个别地电存取交叉点。在电极组之间或之上提供铁电材料层以便在电极的交叉之间或在电极的交叉处的材料中形成类电容结构(起存储单元的作用)。当在两个电极间施加电势差时，单元中的铁电材料受电场的支配，该电场通常跟踪磁滞曲线或它的一部分产生极化响应。通过操纵电场的方向和幅度，存储单元可以留在想要的逻辑状态。这种类型的无源寻址配置导致制造的简单性和交叉点的高密度。
参考
图1，具有磁滞回线100的材料在应用的电场超出矫顽场Ec时改变其极化方向。为了方便起见，磁滞回线是以电压示出而不是沿着横轴的电场。该电压是通过把电场和铁电材料层的厚度相乘而计算的。无论何时存储单元受额定切换电压，VS，的支配，就获得饱和极化PS。然而，实际中，当应用的电场低于该值时，将发生部分翻转。部分翻转的范围取决于材料特性，但是重复应用电场，甚至如果低于矫顽场，最终将饱和极化状态+PR110和-PR112降到稍后可能出现错误的读结果的范围。这就是切换协议，也被称为电压脉冲协议，通过在读和写操作期间给存储阵列施加电压，来确定电场。当读或写存储阵列中的单个单元时，为了避免干扰其它单元，需要适当的切换协议。所以，电压脉冲协议规定并施加预定电压电平到电极来选择用来寻址的存储单元并执行寻址操作，同时保持未选择的单元的干扰在最小值。已经研究出的多个电压脉冲协议来减小这种后者的影响。在美国专利US3002182(Andersson)，US4169258(Tannas Jr.)和公布的国际专利申请WO02/05287(Thompson et al.)中可以发现几个例子。
铁电和驻极体材料通常提供取决于环境因素和寻址历史的极化特性。当这些材料应用在暴露于不同的环境和操作条件的存储器中时可造成问题。在这种连接中应当注意，铁电材料适当地构成驻极体的一个子集，并通过被永久极化到两个永久极化状态中的任一个和提供磁滞来被区分。在之后对现有技术和本发明优选实施例的讨论中，为了易于理解本发明，存储材料将通常被看作和表示为铁电的，因此同时提供磁滞和双极极化特性。
特别地，极化特性可以被支配铁电材料的环境温度影响。多数铁电材料经历从高温非铁电阶段到低温铁电阶段的结构相变。该转变出现在被称为居里点的温度TC处。锆钛酸铅，一种通用的无机铁电材料，具有360C的居里温度。铁电存储阵列的操作温度通常明显地低于这个温度，并因此既便有也造成较少的问题。然而，如果铁电材料是聚合物，聚合物温度的增加，或装置操作温度的增加，变为干扰的主要因素。图2示范了在磁滞回线100上增加温度的一个可能的效果。较小的曲线表示在较高温度时的铁电材料特性。由于较低温度的矫顽电压VCL比较高温度的矫顽电压VCH高，可以注意到电场灵敏度的增加。如果施加的电场不管温度变化而保持未调整，非寻址交叉点上的电压将增加不想要的极化方向的翻转的危险。铁电存储材料的切换速度也通常依赖于其温度，并在温度变高时增加。
磁滞曲线具有温度依赖性的众所周知的事实在美国专利US5487029(Kuroda)中得以证实。为了防止由于温度变化的不想要的错误写入铁电存储器，Kuroda指出具有相应于磁滞曲线温度特性的负温度依赖性来调整写电压是必要的。为此，Kuroda教导用于提供写电压的电压发生器的使用，通过具有负温度特性的齐纳二极管稳定该写电压。齐纳二极管因此调整写电压，并且使其适应铁电电容的负温度依赖性。然而，调谐具有负温度特性的齐纳二极管的特性到铁电存储材料的磁滞曲线的温度特性是一个困难的任务，Kuroda允许温度补偿可以采用除此之外的其它方法，但是没有给出适当的替换的指示。
应当注意，已在无机陶瓷铁电材料范围内发展了本领域现有技术，其中无机陶瓷铁电材料在一个温度范围中典型地保持它们的物理完整性和铁电耐久性，该温度范围大大地超出了实际中存储器所遇到的温度范围。一个例子是锆钛酸铅，PZT，其具有360℃的居里点，在这个温度之上自发极化消失。与此对比具有基于在具有低于200℃的居里和/或熔化温度的铁电有机聚合物中的存储器的新兴类。这些材料在加工性能、费用、技术灵活性等方面提供相当多的优点，但是在某种情况下当温度改变跨过指定的操作温度范围时，由于它们电特性的改变可能造成问题。
然而，从具有铁电存储材料和矩阵可寻址铁电存储器的目前申请人的工作，揭示出以铁电聚合物形式的存储材料不改变在直接方式中依赖于温度的切换特性，但是铁电聚合物的切换特性可能在更复杂的方式中依赖于它们操作温度的变化，并且正如所料，温度增加不总是造成相应的切换速度的增加。另外，已经发现，除温度之外的其它环境因素可以改变存储材料的切换速度。这类因素可以是由包括温度的环境影响引起的，但是不局限于例如大气湿度、机械应力、电应力以及先前具有铁电聚合物影响存储材料的铁电特性的存储单元的寻址历史。通常可以表示存储单元动态的响应将依赖于许多因素，同时不需要隔离这些因素的独立的贡献，很清楚的是它们全部的贡献以某种或其它方式影响存储器响应的动态方面。为了以一种包括一切的方式消除这种影响，在附近通过比较瞬时响应和由经验确定的参考响应(例如在精细的获得环境中获得的一个)来监控存储单元响应寻址操作，然后调整用于在具有铁电聚合物作为存储材料的无源矩阵可寻址的存储器中寻址操作施加的电压脉冲协议的参数。
特别地，电压脉冲协议也确定电压电平来在时序中被施加到以在寻址操作期间分别激活和非激活的字线和位线，以及因此电压脉冲协议的这个方面不但应当包含脉冲长度，而且应当包含脉冲间隔。简单地说，电压脉冲协议的参数将其它情形不变地如所述的为位寻址操作所确定和设置。然而，申请人的研究已阐明存储单元的响应，如同通过适当参数所测量的，例如切换速度或其时间导数是动态的并依赖上述列出的各种因素随时间变化而变化，在这些因素中，除寻址历史之外是比较重要的。如所表示的，这些包括存储材料的温度，给出的装置是热平衡的，但不必总是这种情况。例如存储单元的操作温度可以依赖于正在进行的寻址操作和寻址历史，以及邻近的电子电路散发的热量。
本发明的主要目的是提供一种用于消除或减少由磁滞曲线、矫顽电压、和关于铁电或驻极体存储器中寻址操作的切换速度的变化造成的问题的方法。因此，该主要目的通常旨在消除在存储单元响应中的变化或偏差，其中变化或偏差是由环境影响、寻址历史和在铁电或驻极体存储器的操作中引起的各种应力引起的，无论该应力是电的、机械的、化学的或热特性、或它们的组合。
提供一种用于不使用稳压电路的切换速度补偿的方法也是本发明的一个目的，其中稳压电路易于温度影响和偏差。甚至更特别地，本发明地一个目的是提供一种适用于电压脉冲协议参数的温度补偿方法，该方法应当特别适合使用以薄膜形式的聚合物铁电或驻极体存储材料。
最后，本发明的一个目的是提供一种铁电或驻极体存储器，其中可以执行本发明的方法。
依据本发明，将利用一种方法实现上述目的以及进一步的特征和优点，该方法的特征在于步骤a)确定表示在存储单元中响应施加的电压差的变化的至少一个参数；b)根据表示在存储单元中响应施加的电压差的变化的至少一个参数确定至少一个用于由电压脉冲协议所给出的电压脉冲的校准因数；c)选择用于适应电压脉冲协议的至少一个下列的脉冲协议参数，即脉冲幅度、脉冲长度和脉冲间隔；及d)依照至少一个校准因数，调整至少一个所述选择的脉冲协议参数的一个或多个参数值，借此根据检测到的在存储单元中响应的变化，独立地或组合地调整一个或多个脉冲幅度、一个或多个脉冲长度、以及一个或多个脉冲间隔。
根据本发明，调整电压脉冲协议中切换电压的脉冲幅度和/或脉冲长度值无论如何是优选的。
在依据本发明的方法的一个有利的实施例中，在步骤a)通过确定表示所述铁电存储器切换速度的至少一个参数，确定表示响应变化的至少一个参数，并在步骤b)通过确定切换速度相关的校准因数，确定所述至少一个校准因数。
在这个实施例中，在步骤a)通过测量所述铁电存储器的瞬时切换速度，确定表示切换速度的所述至少一个参数认为是有利的。优选地，通过测量一个或多个参考存储单元的切换速度，或通过分析正在进行的寻址操作，则可以测量切换速度，其中寻址操作包括铁电存储器中存储单元的切换。
在这个实施例中，在步骤a)通过连续地监控铁电存储器的切换速度，确定表示切换速度的所述至少一个参数，给执行施加的电压差的电压脉冲协议施加至少一个切换速度相关的校准因数，使电压脉冲协议实时适应于响应施加的电压差的变化，并在步骤d)施加所述用于调整脉冲协议参数的至少一个参数值的实时适应的电压脉冲协议，并在在步骤d)那种连接中优选地调整至少一个脉冲协议参数中的所有参数值也认为是有利的。
优选地，在步骤b)可以通过计算、或通过读取查询表来确定切换速度相关的校准因数。可替换地，在步骤b)中可以确定第一和第二切换速度相关的校准因数。
在依据本发明的另一个有利的实施例的方法中，在步骤a)中通过确定表示所述铁电或驻极体存储器的温度的至少一个参数，确定表示响应变化的所述至少一个参数，并在步骤b)通过确定至少一个温度相关的校准因数，确定所述至少一个校准因数。
优选地，在步骤a)通过直接检测所述存储器的操作温度，确定表示温度的所述至少一个参数，并在步骤b)通过计算或读取查询表，则可以确定温度相关的校准因数。
可替换地，在步骤b)确定第一和第二温度相关的校准因数，优选地，然后在步骤d)确定第一温度相关的校准因数为温度系数，该温度系数被应用用于调整至少一个脉冲协议参数中的所有参数，同时同样优选地，然后在步骤d)确定第二温度相关的校准因数为补偿电压，通过调整至少一个幅度值或电势电平施加该补偿电压。
在这个第二实施例中在步骤d)通过首先依据第一温度相关的校准因数执行第一调整，此后依据第二温度相关的校准因数执行第二调整，或可替换地，依据第二温度相关的校准因数执行第一调整，随后依据第一温度相关的校准因数执行第二调整，从而调整参数值也被认为是有利的。
在依据本发明的另一个有利的实施例的方法中，在步骤a)通过测量存储器中存储单元的切换速度，并在测量的切换速度和单元的存储材料的实际温度之间施加预定的校准用于确定后者来确定表示所述存储器温度的至少一个参数，从而确定表示响应变化的所述至少一个参数。
在那种连接中优选地，通过测量一个或多个参考存储单元的切换速度或分析正在进行的寻址操作，来测量切换速度，其中寻址操作包括铁电存储器中存储单元的切换。
依据本发明，上述目的以及进一步的特征和优点也能利用一种铁电存储器实现，其特征在于包括用于确定表示存储单元中响应施加的电压差变化的至少一个参数的装置，与所述装置的输出连接的校准存储器，所述装置用于确定基于表示存储单元中响应变化的所述参数的至少一个校准因数，以及与校准存储器的输出连接的一个或多个控制电路，校准存储器用于施加至少一个电压脉冲协议参数中一个或多个参数值的调整，所述一个或多个控制电路连接到存储控制单元和/或驱动器控制单元的控制输入，借此，具有一个或多个参数值的电压脉冲协议可以通过驱动器电路和译码电路被施加到存储器的电极上，其中一个或多个参数值是依据存储单元响应的变化调整的，驱动器电路和译码电路连接在驱动器控制单元的输出和电极之间。
优选地，所述装置和存储器中的一对或多个对参考存储单元连接，并且同样优选地，提供信号分析器并连接在读出放大器组(bank)和用于执行存储单元响应的分析来在其上执行读或写/刷新操作的校准存储器之间。
在依据本发明的铁电存储器中，所述装置包括温度传感器也被认为是有利的，其中温度传感器用于感知铁电存储器的操作温度，以及优选地，温度传感器、校准存储器和驱动器电路则可以位于温度补偿电路内。在那种连接中温度补偿电路可以是模拟电路或可替换地是数字电路。
借助于其典型的实施例并结合附图的讨论将更详细地解释本发明，其中图1示出，如同在前言中提及的，铁电存储材料的磁滞曲线的示意图；图2如同在前言中提及的，在不同温度下属于相同铁电存储材料并记录的两个磁滞曲线的比较；图3根据优选实施例说明存储电路的框图；图4a具有交叉的电极线的无源矩阵寻址配置的原理图；图4b具有包括局限于交叉电极线重叠之间的铁电材料的单元的无源矩阵的原理图；图5在字线和位线控制下具有4个独立的电势电平的读和写电压切换协议；图6a示意地当其根据第一优选实施例随温度变化时在切换协议中电势电平的幅度，；图6b示意地当其根据第二优选实施例随温度变化时在切换协议中电势电平的幅度；图6c示意地当其根据第三优选实施例随温度变化时在切换协议中电势电平的幅度；图7a说明根据本发明的模拟温度补偿电路的框图；图7b说明根据本发明的数字电压补偿电路的框图；图8说明根据据本发明图7a或7b中用于确定实际切换速度的补偿电路的延长部分的框图，及图9执行根据本发明的方法的无源矩阵可寻址装置。
在参考优选实施例解释本发明之前，应当具体参考矩阵可寻址铁电存储器的结构和它们通常是如何被寻址的，给出其一般背景的简单回顾。
参考图3，它以简化框图的形式示出了形成矩阵可寻址铁电存储器的结构和/或功能元件，并能作为适于本发明目的。存储宏310包括存储阵列300、行译码器和列译码器32；302、读出放大器306、数据锁存器308、及冗余字线和位线304；34。当通过读出放大器306执行读出时，行译码器和列译码器32；302译码存储单元的地址。数据锁存器308保存数据直到部分或所有的数据传递到存储控制逻辑320。从存储宏310读取的数据将具有一定的比特误码率(BER)，比特误码率可以通过用冗余字线和位线304；34替换存储阵列300中有缺陷的位线和字线来减小。为了执行误差检测，存储宏310可以具有包括误差校正码(ECC)信息的数据区。存储控制逻辑320模块为存储宏310提供数字接口，并控制存储阵列300的读写。存储初始化和用冗余字线和位线304；34替换有缺陷的字线和位线的逻辑也可以在存储控制逻辑320中找到。装置控制器330连接存储控制逻辑320到外部总线标准。可以提供电荷泵机构340来产生一些所需的电压来读写存储单元。由装置控制器330通过振荡器(未示出)给出的独立的时钟输入将通过电荷泵机构340被用作适当的允许电荷泵来保持独立于使用存储宏310的应用的比特率。然而，通常由驱动器电路提供电荷泵机构的功能，如同图9示出的。
跟据本发明的方法应用于电压脉冲协议，该电压脉冲协议用作寻址无源矩阵可寻址的铁电存储器或驻极体存储器，其中存储材料是铁电或驻极体聚合物，为了说明本发明，这种协议将被更广泛地讨论。
作为应用于寻址无源矩阵可寻址铁电存储器或驻极体存储器的电压脉冲协议包括确定的具有相对于参考电压设置的幅度的脉冲序列，其中存储器的存储材料是铁电或驻极体聚合物，参考电压可以是0和从这个值到合适的切换电压的范围，参考电压的选择取决于所讨论的存储材料，但无论如何比矫顽电压高。由电压脉冲协议规定的电压电平的实际数量可以是3个或更大，及分数电压，即，在切换电压之间的中间电压电平，和例如0电压，其根据所谓的电压选择规则被选择，和优选地使用一半或者更好地三分之一的选择规则。电压选择规则确保非寻址单元和非激活的字线和位线不受比给出的分数切换电压VS大的电压或电场的支配，以及字线和位线的激活优选地仅包括电势调整等于选择的分数电压中的一个。实际上，申请人已示出，在存储矩阵中的任何字线和位线上的平均最小电压电平不能低于VS/3，因此从使用具有低于这个分数电压电平的电压选择规则中，例如使用四分之一选择规则等等，不能获得任何收益。
特别地，参考图4a和4b示出的矩阵，可以有帮助的以广义的方式解释本申请的电压脉冲协议和优选实施例的功能。为了符合标准术语，此后把水平(行)电极线称为字线400，缩写为WL，把垂直(列)电极线称为位线410，缩写为BL。这些位于例如存储阵列300内。所希望的是施加足够高的电压来切换给出的单元420，在该单元中或者用于定义一个给出的极化方向(写)，或者用于监控预置的极化方向(读)。位于电极之间的铁电材料起类似铁电电容422的作用。因而，通过设置相关的字线402和位线412(激活线)的电势选择单元420，使得ΦactiveBL-ΦactiveWL＝VS(1)同时，在非寻址的单元420处交叉的许多字线400和位线410必须关于电势所控制，使得这些单元420处的干扰电压被保持在局部切换的阈值之下。这些非激活的字线400和位线410中的每一个在非寻址单元420处与激活的字线(AWL)402和激活的位线(ABL)412相交。可以依据单元420两端感知的电压在矩阵中定义单元420的四个不同的等级，即i) Vi＝ΦactiveBL-ΦactiveWL(激活的字线与激活的位线相交)，ii) Vii＝ΦinactiveBL-ΦactiveWL(激活的字线与非激活的位线相交)，iii) Viii＝ΦactiveBL-ΦinactiveWL(暂停的字线与激活的位线相交)，及iv) Viv＝ΦinactiveBL-ΦinactiveWL(非激活的字线与非激活的位线相交)。
图4中示出，这里i)指的是选择的或寻址的单元430，同时ii)-iv)指的是非选择的或非寻址的单元420。
实际的装置想要把费用和复杂度减到最小，其主要兴趣集中在特殊的情况，其中所有非激活的字线400处于共同的电势ΦinactiveWL，及相应地所有非激活的位线410处于共同的电势ΦinactiveBL。通过在矩阵网格中围绕闭环对电压求和，提供下列情况，即Vi＝Vii+Viii-Viv(2)假定Vi的值＝VS，因此非寻址的单元420两端可得到的最小电压值是|Vii|＝|Viii|＝|Viv|＝VS/3 (3)至少需要4个独立的电势来实现，即Φ0、Φ0+VS/3、Φ0+2VS/3、Φ0+VS，其中Φ0是参考电势。这些电势必须被强加于矩阵中的电极上，并且其中一个电极上电势的任何变化必须与其它电势中的调整一致，使得没有单元420经受超出的VS/3电压。实际中，也必须留意若干其它因素，例如涉及最小化切换过渡过程(充电或放电电流)和减少驱动器电路的复杂度。
也存在其它切换协议，例如，提供具有VS/2作为某种非寻址单元420两端电压的三电平协议，其中在那种特定情形下，VS/2比VC低。然而，使用的切换协议类型在任何情况下都不限制本发明。现在将更详细地讨论切换协议。
图5说明了包括读周期和写周期或刷新周期的四电平切换协议。从例子中很清楚地看出，没有非寻址单元经受超出额定切换电压三分之一的电压。时间标记，0……10，表示图5中描绘的切换协议的不同的活动。下面假定Φ0等于0V。这些活动将被描述。
t0是所有的字线和所有的位线都位于额定切换电压的三分之二，2VS/3，的静态。
在t1非激活的位线410从静态值调整到VS/3。其导致单元两端的电压为Vii＝Viv＝-VS/3。
在t2激活的位线412被调整到VS，导致Vi＝Viii＝VS/3。现在所有的交叉点经受额定切换电压三分之一的绝对值。从t1到t2的延时是任意的，0或负定时也是可以容许的。
t3是持续到t4的读延迟的开始，其中激活的字线402下拉到0V电势。现在Vi等于VS，因此使能寻址单元的读取。Viii保持在VS/3，同时Vii和Viv保持在-VS/3。
在t4读延迟消逝，及激活的字线回到2VS/3，因此恢复t2后的情况。
在t5所有的位线回到静态电势。该阶段是t2和t3联合阶段的翻转。读周期完成，并且所有的字线和位线已回到类似于t0的静态。
在t6，作为写或刷新周期的第一阶段，非激活的字线400从静态值降到VS/3。这导致单元两端的电压为Viii＝Viv＝VS/3。
在t7，应当被写为逻辑“1”的激活的位线被调整到0V电势，同时应当保持在逻辑“0”的激活的位线停留在2VS/3的静态电势上。仅考虑写或刷新周期，应当保持在逻辑“0”的激活的位线表现为好像它们是非激活的位线，差别是在读周期期间它们是激活的位线。这是发生在破坏性的读出存储系统的区域内的语言特性的小的问题。其导致单元两端的电压Vistate“1”＝-2VS/3、同时Vistate“0”＝Vii＝0、Viiistate“1”＝-VS/3、和最后Viiistate“0”＝Viv＝VS/3。(现在可以看出Vistate“1”明显地大于VS/3，极化方向的切换可能已开始。然而，既然完全相同的单元在下一阶段规定为写，这不是问题。)
t8是持续到t9的写或刷新延迟的开始，其中激活的字线上拉到电势VS。现在Vistate“1”等于-VS，因此，使能够理想的单元的写或刷新。Vistate“0”和Vii加入Viiistate“1”而调低至-VS/3。Viiistate“0”和Viv仍在VS/3。
在t9，写或刷新延迟消逝，所有的位线回到2VS/3，导致Vi＝Vii＝-VS/3，和Viii＝Viv＝VS/3。
在t10所有的字线回到静态电势。总之该阶段是阶段t6和t8的翻转。写或刷新周期已完成，并且所有字线和位线已回到类似于t0到t5的静态。
图5中描述的切换协议可以被翻转，使得所有的字线和所有的位线都位于额定切换电压的三分之一，VS/3，处于静态。激活的字线在读周期期间将被设置为VS，在写或刷新周期期间为0V。同样地，非激活的字线和位线将以相应的方式改变。除了特定的电压电平之外，不管电平的数量，所有的在切换协议中的基本特征是类似的，并且尽管用四电平来描述优选实施例，显然地，具有较少或更多地电平也能得益于本发明。
与本发明的实施例有关的如施加到在前讨论的电压脉冲协议切换，为了说明本发明的中心方面，以下将讨论涉及处理特定问题的示范性实施例，该问题是当温度变化时，铁电存储材料切换特性中的变化。
特别地，如同前言中公开的，当温度增加时，电场中的矫顽电压减小，或者通常随温度增加切换速度也增加的特性是清楚的。在铁电材料是聚合物薄膜的情况下，其也有当接近于居里点时，倾向于提供较小的极化的问题。此外，铁电存储材料先前的切换历史也可能影响瞬时铁电特性，特别是通过磁滞回路特性所表现。诸如老化和在铁电材料的切换特性上具有不利的影响的压痕的众所周知的现象，如果它们出现，给铁电存储材料传递切换历史，当将考虑其高温切换特性时，不能忽视该铁电存储材料。
如本发明建议的铁电存储器的温度相关的切换速度的增加或矫顽电压的减小通常的解决方法是引入适当的温度补偿，其中该温度补偿在对应于在存储器中用于寻址的脉冲协议内施加的电压差的电势电平上。这是假定通过直接测量或通过间接方法测定存储器的温度。如下面将要描述的，铁电存储器的工作温度或操作温度的直接温度测量是通过在存储电路中或在存储电路板上安装温度传感器来完成的。温度传感器则感知铁电存储电路的工作温度或环境温度。在寻址周期中，理想地环境温度不一定等于存储材料的实际操作温度。例如众所周知的，例如聚合物材料铁电存储单元的切换能引起存储材料固有的热机应力。特别地，如现有技术已知的，在层叠的存储结构中产生的热损耗和机械振荡阻尼都能够造成问题，以及在任何时刻由于降低热损耗，存储材料的实际操作温度实际上可以比电路自身的环境温度高。然而，在存储材料的存储层中执行直接温度感知是不实用的，但是由于温度和存储单元的切换速度有关，在寻址操作中能够测量切换速度，于是切换速度和存储材料的温度之间的预定校准可以被施加用以确定后者。在下列的所有优选实施例中，将不具体参考特别的优选温度的测定(即温度可以被直接测量或如上面所述以间接的方式确定)描述下列的优选实施例，其中实施例是提供用于温度补偿脉冲协议中的一个和多个电势电平。
在第一优选实施例中，通过执行温度系数，kS(T)，用于改变额定切换电压，VS，解决具有相对接近于铁电材料居里点的操作温度的问题。图5中以水平点划线示出了预定义的四个电势电平V1、V2、V3、V4，并如图6a-c中示出的分别以610、620、630和640表示。应当清楚，如同在此使用的Vi、Vii、Viii和Viv是单元420两端感知的电压，同时V1、V2、V3和V4是实际电势，其意味着V1等于Φ0，V4等于Φ0+VS等。如同下面的公式所示，温度系数kS(T)被施加到所有的电势。
V4＝Φ0+3/3*kS(T)*VS(4)V3＝Φ0+2/3*kS(T)*VS(5)V2＝Φ0+1/3*kS(T)*VS(6)V1＝Φ0+0/3*kS(T)*VS(7)温度系数的最简单的形式是一个具有和温度呈线性关系的温度系数。图6a是这样一个温度系数的例子，温度系数可以被写成kS(T)＝a+b*T的格式。电势621、631、641分别来自于V2、V3、V4，并且用于温度补偿的这些电势在彼此相等的相对距离上。考虑取决于铁电材料的特性，温度系数可以与温度呈非线性关系，例如kS(T)＝a+b*T0.9或kS(T)＝a+b*ec*T。另一个选择是使用操作温度和居里温度之间的差。因为铁电聚合物的操作温度和居里温度之间的差非常小，这些先进的选择变得必要。因此，如美国专利US5550770所教导的，仅依赖齐纳二极管的负温度依赖性是不可取的。任何时候用于确定温度系数的数学操作都可以在铁电存储器内执行，例如在存储控制逻辑320，或可以在铁电存储器外发生并以查询表的形式简单合并。如果考虑存储器是小型的，查询表可以被简化。
在第二优选实施例中，通过引入对一个补偿电压到一个或多个电势电平，处理具有相对接近于铁电材料居里点的操作温度的问题。在公布的国际专利申请WO02/05287中给出使用补偿电压的一个例子，其中在读操作期间，通过给暂停的字线400和暂停的位线410添加补偿电压，达到弱寄生电流加载到位线上。结果是Vii变为Vii+δ，Viii变为Viii-δ。然而，必须仔细选择δ的幅度，因为任意组合的在非激活位线和激活位线相交处的单元420两端感知的电压在特定时间变得更大，从而增加了不想要的极化方向的翻转的危险。
另一方面，本发明给一个或两个电势电平添加补偿电压δV。在下面的公式中，为了减小非激活字线400和非激活位线410相交处的单元420两端感知的电压，补偿电压δV已被添加到V2。尽管δ的幅度仍需仔细选择，这样的交叉点构成存储阵列300的大多数，并帮助最多数减少不想要的极化方向的翻转。
V4＝Φ0+3/3*VS(8)V3＝Φ0+2/3*VS(9)V2＝Φ0+1/3*VS+δ(10)V1＝Φ0+0/3*VS(11)在图6b中示出了添加的补偿电压δV，该补偿电压影响在点划线表示的初始电势620之上调整的电势622的增加。可替换地，通过补偿电压δV同时减小电势630得到调整的电势632。类似于第一优选实施例的温度系数，补偿电压可以随温度而变化。这种变化出现在如图6b所示的调整的电势632上。与第一优选实施例相比，用于温度补偿的电势622、632不再具有彼此相等的相对距离。
在本发明的第三优选实施例中，使用温度系数kS(T)和补偿电压δV的组合。图6c示出了在相应于图6a的温度系数对调整的电势621、631、641的影响，同时和偏置电压δV的总的影响，作为进一步调整的电势623、633所给出。
上述的三个优选实施例都可以装备依据图7a和7b的电路，其中温度传感器用于感知工作环境温度，该工作环境温度适于用于确定电路工作温度。图7a示出了如适于装在电荷泵机构340内的模拟温度补偿电路700。校准存储器702提供关于温度系数和/或偏置电压的信息给数字模拟转换器(DAC)704。连同来自温度传感器706的输入，转换的信息穿过一组比较器708、710、712。结果，电荷泵714、716、718控制电势V2、V3、和V4。习惯上把V1连接到地，从而设置Φ0＝0V。
图7b示出了也适于装在电荷泵机构340内的数字温度补偿电路720。来自温度传感器706的输入通过模拟数字转换器(ADC)722发送到校准存储器702。来自校准存储器702中校准地址的数据被提供到数字模拟转换器(DAC)704，并穿过该组比较器708、710、712。再一次地，电荷泵714、716、718控制电势V2、V3、和V4，同时V1连接到地，从而设置Φ0＝0V。
可以改变图7a和7b的电路来适应具有更多或较少电平的切换协议以及其中Φ0不等于0的切换协议。应当清楚，比较器708、710、712或电荷泵714、716、718的数量可以由电平数量或Φ0是否是0而改变。
如上所述，上述的三个优选实施例也可以和操作温度的间接测量一起使用，其中在这种情况下操作温度是存储介质在其寻址或切换操作中的实际操作温度。这可以通过基于测量存储单元的切换速度的间接程序产生，如将参考图8说明。
图8示出了用于铁电存储器的工作温度的间接测定系统。两个存储单元420A；420B用作参考单元。这些参考单元可以位于存储阵列300中或被提供到独立的参考存储阵列上。其中一个单元被设为逻辑“0”，另一个单元被设为逻辑“1”。在操作期间，两个参考单元都被读出。电平检测器800持续从“0”参考单元的电荷密度中减去“1”参考单元的电荷密度。公布的国际专利申请WO02/05288(Nordal&al.)中已经描述这种类型的配置。在读出结果时电荷密度差随时间增加。然而，电荷密度差也被操作环境即，温度、湿度等所影响，。比较器810把电荷密度差和预定值进行比较，并给计数器820发送停止信号。当读出操作开始时计数器820开始计数。发送经过的时间到校准存储器702来确定与用于电荷密度差达到预定义电平需要的时间对应的操作温度。
现在本发明的第四实施例将被描述，其中作为在电压脉冲协议中所施加的电压脉冲的调整不在幅度上执行，而在脉冲长度上执行。换句话说，以这样一种方式调整电压脉冲协议，与切换速度的增加成比例减小至少一个切换脉冲长度。切换速度中的这种增加当然是由于温度相关的增加，但是通常其可以依赖于作为存储单元的响应参数的切换速度，其中该响应被除温度之外，进行寻址操作、存储单元的特性的变化和不同的环境因素的结果影响。当切换速度增加时，通过减少例如脉冲长度，高温时读出信号将不会被严重减小，同时到非寻址存储单元的干扰电压的影响被减小。为了实现脉冲长度控制，存储器必须包括脉冲长度控制器，其调整电压脉冲协议中的脉冲长度，并且优选地，响应实际切换速度的信息来完成这种调整。当然，当给出的脉冲协议包括脉冲序列，该序列具有不同脉冲参数，例如长度、极性、脉冲间隔，脉冲长度的调整可以随使用在给出的脉冲协议中的脉冲类型而变化。实际中，脉冲长度的调整也可以被看作在脉冲协议中的时序的调整，或至少一部分这种时序的调整，例如，可以把脉冲长度的调整和脉冲间隔的调整结合起来，脉冲间隔即协议中不同脉冲之间的时间。如前所述，调整可以实现以温度测量为基础，同时通过使用查询表进行脉冲长度调整，如上所述，该温度测量仅通过使用传感器和直接测量温度来实现。甚至更优选地，可以通过用于和普通数据存储的存储单元一样方法的寻址和监控在矩阵中连接的一个或多个参考或测试存储单元来确定切换速度，并且当通过简单地执行用于读操作的寻址操作获得时，切换速度将被用作表示存储单元的响应的参数，或切换速度是由此应当合并除温度之外的其它因素，例如湿度、压力、机械应力等等的影响的变化。
参考图9，将给出适于执行依据本发明方法的铁电存储器的讨论。它的一些组成部件已参考图3被讨论过，因而仅简要地叙述。如前所述，存储矩阵300包括在矩阵中位于字线WL和位线BL之间或交叉处的存储单元420。矩阵被示为m·n矩阵，即，具有m个字线WL和n个位线BL。位线BL连接到读出放大器组306，其包括多个读出放大器SA，并且每一个与一个位线BL连接，因此允许全行读取。然而，为了减少读出放大器的数量，字线可以被分段，这样每一段包括一定数量n/k的位线BL，其中k是整数，相应地读出放大器存储体306则包括n/k个读出放大器。这意味着必须提供多路复用器905，用于在寻址段上把每一个位线连接到读出放大器SA中的一个，当是这种情况时，用于使字线段中所有存储单元并行读或写。换句话说，在存储器支持全行寻址的情况下，即，并行地到字线中所有存储单元，将不提供多路复用器905。驱动器电路，即，x-驱动器901和y-驱动器902可以取代图3中的电荷泵机构340，但是通常被提供来依据给出的电压脉冲协议，分别给字线WL和位线BL施加电压脉冲。存储单元420的选择，如读或写操作直接在寻址操作，即，x-译码器901和y-译码器902发生，借此优选地，通过从同样的永久静态电压电平分别选择的上拉或下拉作为称作0(或浮动接地)的分数切换电压VS，字线WL和位线BL可以被选为激活的，同时非激活的字线和位线保持在静态电势上或被拉到成为VS的另一个分数电压。在位线BL1和BL2上示出了两个参考存储单元420A和420B，它们分别被设置为第一和第二极化状态，即，换句话说，表示逻辑的0和逻辑的1。参考单元420A和420B和位线BL1和BL2连接，并以和其它存储单元420同样的方式构成存储矩阵的一部分，因而受可能出现在其它存储单元中的同样的干扰影响或动态变化的支配，无论由于寻址操作、环境因素等等。——应当理解，可以在每一个字线WL上以类似的方式提供一对参考单元。——在读操作中寻址参考存储单元420A和420B，并通过读出放大器组306检测结果并输出到用于确定切换速度的单元900。切换速度被输出到校准存储器702，校准存储器702具有和脉冲长度控制器903连接的一个输出，同时如前所述，另一个输出连接到脉冲幅度控制器904，这两个控制器903、904当然被连接到存储控制逻辑320。另外，存储器可以包括用于感知存储器的操作温度的温度传感器700，当然同样地，其输出连接到校准存储器702。
作为一个可选的特征示出了信号分析器906，和来自参考存储单元420A、420B的输出连接，信号分析器906可以被用于实现更复杂的分析，该分析不仅在于切换速度特性，也在于如关于存储单元的极化响应特性。信号分析器906的输出和校准存储器702连接。
校准存储器702将存储测量的参考值，可能也存储用于同样的参考寻址和之前执行的参考操作的历史向量，而且将得出用于脉冲长度、或脉冲间隔、或脉冲幅度的校准值，当是这种情况时，所述值被输入到脉冲长度控制器903或脉冲幅度控制器904。利用某个数量±δt调整脉冲长度，同时类似地利用数量±δV调整脉冲幅度。应当理解，如脉冲发生器将输入具有如驱动器控制单元330确定的确定幅度和/或长度的脉冲并控制来源于脉冲长度控制器903的参数，脉冲幅度控制器904直接施加到脉冲发生器用于施加实际控制值给幅度或脉冲长度或两者，如所述的，明显地，当控制单元903、904同步操作时，可以执行同时调整脉冲幅度和脉冲长度。也应当理解，当校准存储器702为任一种控制操作共有时，框图，图9中的部件900将与图8中示出的部件相同或者或多或少地类似于图8中示出的部件。这意味着控制单元903、904有利地都构成脉冲发生器部件，脉冲发生器调整具有如校准存储器702中得到的校准值的脉冲长度或脉冲幅度。当是这种情况时，通过施加现有技术中已知的定时控制可以适当地设置脉冲长度，同时可以借助于电荷泵设置来调整具有控制数量值±δV的电压来实现脉冲幅度控制。——实际中，这里电荷泵功能由驱动器电路执行，即，x驱动器901和y驱动器902在驱动器控制单元320的控制下，驱动器控制单元320从适当的电源中被馈送电源电压VCC。
涉及的图9存储器的其它电路部件将模仿图3中类似的部件。然而，理所当然的，在这种类型的存储器中它们的功能对本领域技术人员来说是明显的，因而不需要进一步详细描述。最后，应当注意，取决于存储单元响应中变化的电压脉冲协议的调整将用来在寻址操作期间减小到非寻址存储单元的干扰电压(即，在交叉点矩阵中由例如容性耦合或寄生电流产生的瞬变电压)。也应当注意，类似的处理将用来消除其老化和压痕的影响，对于老化和压痕，存储单元例如随着温度的增加而发生更高的切换速度的倾向或矫顽电场的减小。
尽管在上文讨论的不同的优选实施例特别涉及铁电体，应当理解，已做必要修正的本发明可以被施加到任何驻极体材料上，该驻极体材料提供通常的双极极化特性，其中极化响应在存储器操作期间以系统方式变化而不考虑无论其是否由环境因素或实际寻址历史造成的。
权利要求
1.一种用于操作铁电或驻极体存储器的方法，其中该存储器包括以呈现磁滞的铁电或驻极体薄膜可极化材料，特别是铁电或驻极体聚合物薄膜形式的存储单元，以及第一和第二组分别并联的电极，其中提供与第二组电极基本为正交关系的第一组电极，其中提供直接或间接地与存储单元的薄膜材料接触的所述第一和第二组电极，借此，通过分别给所述第一和第二组电极的各个电极施加适当的电压，在各个存储单元中的极化状态可以被读、刷新、删除或写，其中该方法执行一种电压脉冲协议，该协议包括分别具有预定义的幅度和长度的电压脉冲时序的读和写/刷新周期，其中在从存储单元读出数据的情况下，读周期包括分别施加一组电压差给所述第一和第二组电极的电极，其中在向所述存储单元写/刷新数据的情况下，电压脉冲协议的写/刷新周期包括分别施加另一组电压差给所述第一和第二组电极的电极，所述这些电压差组相应于预定义的电势电平组，以便预定义电势电平组具有至少三个独立的数值，其中该方法的特征在于步骤a)确定表示存储单元中响应施加的电压差的变化的至少一个参数；b)根据表示存储单元中响应施加的电压差的变化的至少一个参数确定至少一个用于由电压脉冲协议给出的电压脉冲的校准因数；c)选择用于适应电压脉冲协议的至少一个下列脉冲协议参数，即脉冲幅度、脉冲长度和脉冲间隔；及d)依照至少一个校准因数，调整至少一个所述选择的脉冲协议参数的一个或多各参数值，借此根据检测到的在存储单元中响应的变化，独立地或组合地调整一个或多各脉冲幅度、一个或多个脉冲长度、以及一个或多个脉冲间隔。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于在任何情况下都调整电压脉冲协议中切换电压脉冲的脉冲幅度和/或脉冲长度值。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于在步骤a)通过确定表示所述铁电存储器切换速度的至少一个参数，确定表示响应变化的至少一个参数，并在步骤b)通过确定切换速度相关的校准因数，确定所述至少一个校准因数。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于在步骤a)通过测量所述铁电存储器的瞬时切换速度，确定表示切换速度的所述至少一个参数。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于通过测量一个或多个参考存储单元的切换速度来测量所述切换速度。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于通过分析正在进行的寻址操作来测量所述切换速度，该寻址操作包括铁电存储器中存储单元的切换。
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于在步骤a)通过连续地监控铁电存储器的切换速度，确定表示切换速度的所述至少一个参数，给执行施加的电压差的电压脉冲协议施加至少一个切换速度相关的校准因数，使电压脉冲协议实时适应于响应施加的电压差的变化，并在步骤d)施加所述用于调整脉冲协议参数的至少一个参数值的实时适应的电压脉冲协议。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于在步骤d)调整至少一个脉冲协议参数中的所有参数值。
9.如权利要求3所述的方法，其特征在于在步骤b)通过计算来确定切换速度相关的校准因数。
10.如权利要求3所述的方法，其特征在于在步骤b)通过读取查询表来确定切换速度相关校准因数。
11.如权利要求3所述的方法，其特征在于在步骤b)确定第一和第二切换速度相关校准因数。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于在步骤a)通过确定表示所述存储器温度的至少一个参数，确定表示响应变化的所述至少一个参数，并在步骤b)通过确定至少一个温度相关的校准因数，来确定所述至少一个校准因数。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于在步骤a)通过直接检测所述铁电存储器的操作温度，确定表示温度的所述至少一个参数。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于在步骤b)通过计算来确定温度相关的校准因数。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于在步骤b)通过读取查询表来确定温度相关的校准因数。
16.如权利要求12所述的方法，其特征在于在步骤b)确定第一和第二温度相关的校准因数。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于在步骤d)确定第一温度相关的校准因数为温度系数，所述温度系数被施加来调整至少一个脉冲协议参数中的所有参数。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于在步骤d)确定第二温度相关的校准因数为补偿电压，所述补偿电压被施加用来调整至少一个幅度值或电势电平。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于在步骤d)通过首先依据第一温度相关的校准因数执行第一调整，此后依据第二温度相关的校准因数执行第二调整，或可替换地，依据第二温度相关的校准因数执行第一调整，随后依据第一温度相关校准因数执行第二调整，从而调整参数值。
20.如权利要求1所述的方法，其特征在于在步骤a)通过测量存储器中存储单元的切换速度，并在测量的切换速度和单元的存储材料的实际温度之间施加预定的校准用于确定后者，通过确定表示所述存储器温度的至少一个参数，从而确定表示响应变化的所述至少一个参数。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于通过测量一个或多个参考存储单元的切换速度来测量所述切换速度。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于通过分析正在进行的寻址操作测量所述切换速度，寻址操作包括铁电存储器中存储单元的切换。
23.一种铁电或驻极体存储器，其中存储器包括以呈现磁滞的铁电或驻极体薄膜可极化材料，特别是铁电或驻极体聚合物薄膜形式的存储单元，以及第一和第二组分别并联的电极，其中提供与第二组电极基本为正交关系的第一组电极，其中提供直接或间接地与存储单元的薄膜材料接触的所述第一和第二组电极，借此，通过分别给所述第一和第二组电极的各个电极施加适当的电压，在各个存储单元中的极化状态可以被读、刷新、删除或写，其中该方法执行一种电压脉冲协议，该协议包括分别具有预定义和幅度和长度的电压脉冲时序的读和写/刷新周期，其中在从存储单元读出数据的情况下，读周期包括分别施加一组电压差给所述第一和第二组电极的电极，其中在向所述存储单元写/刷新数据的情况下，电压脉冲协议的写/刷新周期包括分别施加另一组电压差给所述第一和第二组电极的电极，所述这些组的电压差相应于预定义的电势电平组，这样预定义电势电平组具有至少三个独立的值，并且其中提供一个驱动器控制单元用于通过驱动器电路给电极施加预定义电势电平组，用于实现依据用于读和写/刷新操作的电压脉冲协议在选择的存储单元上的上述操作，其特征在于，包括用于确定表示存储单元中响应施加的电压差的变化的至少一个参数的装置，与所述装置的输出连接的校准存储器，用于确定基于表示存储单元中响应变化的所述参数的至少一个校准因数，以及与校准存储器的输出连接的一个或多个控制电路，用于施加至少一个电压脉冲协议参数中一个或多个参数值的调整，所述一个或多个控制电路连接到存储控制单元和/或驱动器控制单元的控制输入，借此，具有一个或多个参数值的电压脉冲协议可以通过驱动器电路和译码电路被施加到存储器的电极上，其中一个或多个参数值是依据存储单元响应的变化调整的，驱动器电路和译码电路连接在驱动器控制单元输出和电极之间。
24.如权利要求23所述的铁电存储器，其特征在于所述装置和存储器中的一对或更多对的参考存储单元连接。
25.如权利要求23所述的铁电存储器，其特征在于提供信号分析器并连接在读出放大器组和用于执行存储单元响应的分析的校准存储器之间，在其中执行读或写/刷新操作。
26.如权利要求23所述的铁电存储器，其特征在于所述装置包括用于检测铁电存储器的操作温度的温度传感器。
27.如权利要求26所述的铁电存储器，其特征在于所述温度传感器、所述校准存储器和一组驱动器电路都位于温度补偿电路内。
28.如权利要求26所述的铁电存储器，其特征在于温度补偿电路是模拟电路。
29.如权利要求28所述的铁电存储器，其特征在于温度补偿电路是数字电路。
全文摘要
在一种用于操作矩阵可寻址铁电或驻极体存储器的方法中，其中当从存储单元中读取数据时，第一多个电压差被施加给第一和第二组电极两端，在数据被刷新或重写到存储单元的情况下，第二多个电压差被施加给第一和第二组电极两端。在每一种情况中，第一和第二多个电压差相应于由电压脉冲协议预定义的电势电平组，其中电压脉冲协议包括电压脉冲时序。表示存储单元中响应变化的至少一个参数被确定并用于确定至少一个用于电压脉冲的校准因数，借此依据至少一个校准因数调整至少一个脉冲参数。本发明也涉及一种用于执行上述方法的铁电或驻极体存储器。
文档编号G11C11/22GK1682312SQ03821549
公开日2005年10月12日 申请日期2003年9月10日 优先权日2002年9月11日
发明者H·G·古德森, P·E·诺尔达尔, G·I·莱斯塔德, P·布伦斯, P·桑德斯特伦, M·约翰松 申请人:薄膜电子有限公司