专利名称：铁电存储器多位数据存储的操作方法
技术领域：
本发明提供一种实现铁电存储器多位数据存储的操作方法，属于 微电子技术领域。
背景技术：
在半导体市场中，存储器占有极其重要地位。随着便携式电子设
备的逐步普及，不挥发存储器的市场也越来越大，目前Flash占不挥 发存储器市场的90%。但随着半导体技术的进步，Flash遇到了越来 越多的技术瓶颈，隧穿氧化层不能随着集成电路工艺的发展无限制地 减薄。解决这个问题的思路是研发新一代不挥发存储器，主要有磁存 储器(MRAM)，相变存储器(PCM)，电阻存储器(ReRAM)和铁电存储 器(FeRAM)，其中铁电存储器最先实现商品化，具有很强商业潜质。
铁电存储器在的关键在于其铁电薄膜电容单元。它主要是利用铁 电材料具有的自发极化特性，即自发极化方向可以在反向外电场作用 下发生反转的性质而实现存储功能。 一般铁电存储器采用钙钛矿结构 系列的材料，例如锆钛酸铅(PZT)。此材料的主要特征是有铁电特性， 即极化方向与外电场之间具有电滞回线的关系。这种特性使之非常适 于做存储器，其剩余极化的正负两个状态分别对应着存储器的"0" 和"1"态，并可通过改变外电场的方向来改变存储状态或通过外围 电路来传感其极化状态，读取信息。
传统的铁电存储单元一般都只用一对绝对值相同的正负脉冲电 压产生一对正负极化强度值，来定义"0"与"1"态，在一个铁电存储单元上只能获取单个状态值，即只可实现一位数据存储，资源利用 率低，存储效率低
发明内容
、
本发明的目的在于提出一种实现铁电存储器多位数据存储的操 作方法，提高存储密度，降低生产成本。
本发明的技术方案是 一种实现铁电存储器多位数据存储的操作
方法，在铁电存储器的铁电薄膜电容存储单元上，通过外加n对电压 值不等的正负写脉冲电压士Vi， i=l、 2、…、n，得到2n个剩余极化 强度值，并相应定义出2n个存储态，再通过外加一个固定正读电压 来读取2n个存储态；其读写操作方法如下
写操作以n二2为例，n〉2时依此类推；2对电压值不等的外加 正负写脉冲电压士V,和土V"定义:V2〉V,0，可产生4个不同的剩余 极化强度值^， j二0、 1、 2、 3，对4个剩余极化强度值P"赋值定义， 具体步骤如下
步骤l:在铁电薄膜电容上外加一个大的正写脉冲电压V2后，使
铁电薄膜电容剩余极化强度值为p^，定义为存储态
"00";
步骤2:在铁电薄膜电容上外加一个小的正写脉冲电压V,后，使
铁电薄膜电容剩余极化强度值为PW定义为存储态
"01";
步骤3:在铁电薄膜电容上外加一个小的负写脉冲电压-V,后， 使铁电薄膜电容剩余极化强度值为P①定义为存储态 "11";
步骤4:在铁电薄膜电容上外加一个大的负写脉冲电压-V2后，使铁电薄膜电容剩余极化强度值为Pm定义为存储态 "10";
读操作通过外加一个固定正读电压，把不同存储态的铁电薄膜 的剩余极化强度值R都极化到所述固定正读电压对应的饱和极化强 度值P^，从而相应产生不同的差值P^ — Pr，转换成具体电荷量被读
操作系统所读取；对应于上述写操作中n=2的例子，四个不同存储态
读取信号如下
存储态"00"对应的读取信号差值为Psm— Pr。； 存储态"01"对应的读取信号差值为Psat— Ph ; 存储态"11"对应的读取信号差值为Pwu— Pr2 ;
存储态"10"对应的读取信号差值为Psat_ Pr3 。
在写操作中，所述外加写脉冲电压持续时铁电薄膜产生饱和极化
强度值；所述外加写脉冲电压消除后铁电薄膜会由饱和极化强度值变
为相应的剩余极化强度值p,。所述铁电薄膜材料的饱和极化强度值和 剩余极化强度值Pr与所述外加写脉冲电压值有关。
在读操作中，所述外加固定正读电压值与外加最大正写脉冲电压 值相等。所述外加固定正读电压持续时对应产生一个正饱和极化强度
值P.^并且通过差值P^—Pr的不同来区分各种存储态；只需外加一
个固定读电压就能读取不同的存储态。所述差值Ps" — Pr引起的电荷
量大小由铁电薄膜电容的尺寸大小决定。
所述存储态的数量2n取决于读操作系统对电荷信号的分辨能力。
本发明铁电存储器多位数据存储的操作方法的优点是通过外加 多对绝对值相等的正负脉冲电压产生多对正负极化强度值，从而在一 个铁电存储单元上获取多状态值，即可实现多位数据存储，同时只采用一个外加读电压，读取相应的存储态，设计简单易行，从而简化外 加读取电路的逻辑设计成本。本发明大大提高了铁电存储器的存储密 度，并同时降低了生产成本。
图1为一个铁电薄膜电容在外加电压下测得的电滞回线图2为一个铁电薄膜电容在不同正负电压下，测得的相应的剩余 极化强度值的曲线图3为本发明多位数据存储的操作方法的一个实施例所采用的 1T1C结构的铁电存储器单元示意图4为实施例外加写脉冲电压得到的铁电材料电滞回线以及相 应定义的四个存储态图5A-5D分别为实施例定义的四个存储态写操作的时序图6为实施例读操作的时序图7为实施例读取"01"态的电滞回线示意图8为实施例读信息操作统计表。
图中标号说明
00: —个正电压持续时的饱和极化强度值；
01: —个正电压后的剩余极化强度值；
02: —个大小相同的负电压后的剩余极化强度值；
001: —个普通电容CB;
002:铁电薄膜电容Cn:.;
003:铁电薄膜电容d的上电极；
004:铁电薄膜电容C,，,;的下电极；
005: —个NMOS管(栅极接字线WL，漏极接位线BL，源极接铁电薄膜电容上电极003)， 010:极板线PL; 020:字线WL; 030:位线BL;
101、 102、 103、 104、 105、 201、 202、 203、 204、 205:时段；
10: Psat — R的差值。
具体实施例方式
下面结合附图通过实施例对本发明铁电存储器多位数据存储的
操作方法进行具体的描述
首先用一个外加电压下测试铁电薄膜电容的电滞回线，当外加电 压持续时，会有一个饱和极化强度Ps0tOO;当外加正负电压消除后可
分别得到的2个剩余极化强度值01、 02，如图1所示。
在同一个铁电薄膜电容中，通过不同正负电压下可以得到大小不
等的剩余极化强度值；此外在正负脉冲电压绝对值相等的情况下，得 到的剩余极化强度值差不多相等，并如图2所示。
本发明实施例(2位，4态数据存储)采用的1T1C结构的铁电存 储器单元，如图3。在写操作时，都要使该单元的字线WL020为高电 平，让门管005导通，从而使铁电薄膜电容CFE002和位线BL030相接。 此外由于门管005有个阈值损失，因此位线030为高电平时都应提升 到V+VTN (V为铁电薄膜电容002上所要求的写电压，V，为门管005 的阈值电压)，才能使铁电薄膜电容G.E002上所加的电压为所要求的 写电压。
在实施例中，通过外加两对正负写脉冲电压可以得到其铁电材料 电滞回线以及相应定义的四个存储态(图4显示)，图中给出了在正负8V和正负4V的外加电压下的4个剩余极化强度值，此外还有8 V 电压下的的饱和极化强度值，并在参考图4列表展示其具体数值。
在写操作时，为避免原来的存储态对新写入的存储态的干扰，在 每次外加写脉冲电压时，都预先外加一个电压相同、极性相反的脉冲 电压进行消除复位。
写"00"态101时段，位线030为0电平，字线020开始出现 高电平，极板线为0电平，相应使门管005开通，从而使位线030与 铁电薄膜电容下电极004连接。102时段位线030为8V+ L大小的正 电平，字线020保持高电平，极板线为O电平，从而在铁电薄膜电容 下电极004相当于加了个8V的电压，整个铁电薄膜电容002等效外 加一个-8V的预反向极化电压，从而避免此单元的原来存储态干扰将 要写入的存储态；103时段位线030为0电平，字线020保持高电平， 极板线010加个8V的正脉冲电压，从而在铁电薄膜电容002上等效 外加个8V正脉冲电压，并把铁电薄膜极化在8V下的正饱和极化状态； 104时段，位线030为0电平，字线020保持高电平，极板线为0电 平，从而使铁电薄膜由8V下的正饱和极化状态减小为8V下的剩余极 化状态P由即实现了写入"00"态；105时段，位线030为0电平， 字线020为0电平，极板线为0电平，门管005关闭， 一个写操作周 期结束，如图5A所示。
写"01"态101时段，位线030为0电平，字线020开始出现 高电平，极板线为0电平，使门管005开通，从而使位线030与铁电 薄膜电容下电极004连接。102时段位线030为4V+ L大小的正电平， 字线020保持高电平，极板线为0电平，从而在铁电薄膜电容下电极 004相当于加了个4V的电压，整个铁电薄膜电容002等效外加一个 -4V的预反向极化电压，从而避免此单元的原来存储态干扰将要写入的存储态；103时段位线030为0电平，字线020保持髙电平，极板 线010加个4V的正脉冲电压，从而在铁电薄膜电容002上等效外加 个4V正脉冲电压，并把铁电薄膜极化在4V下的正饱和极化状态；104 时段，位线030为0电平，字线020保持高电平，极板线为O电平， 从而使铁电薄膜由4V下的正饱和极化状态减小为4V下的剩余极化状 态Pr,，即实现了写入"01"态；105时段，位线030为0电平，字 线020为0电平，极板线为O电平，门管005关闭， 一个写操作周期 结束，如图5B所示。
写"11"态101时段，位线030为0电平，字线020开始出现 高电平，极板线为O电平，使门管005开通，从而使位线030与铁电 薄膜电容下电极004连接。102时段位线030为0电平，字线020保 持高电平，极板线为4V电平，从而在铁电薄膜电容上电极003相当 于加了个4V的电压，整个铁电薄膜电容002等效外加一个4V的预反 向极化电压，从而避免此单元的原来存储态干扰将要写入的存储态； 103时段位线030为4V+V，电平，字线020保持高电平，极板线010 为0电平，从而在铁电薄膜电容002上等效外加个大小为4V的负脉 冲电压，并把铁电薄膜极化在-4V下的负饱和极化状态；104时段，位 线030为0电平，字线020保持高电平，极板线为O电平，从而使铁 电薄膜由-4V下的负饱和极化状态减小为-4V下的剩余极化状态Pr2， 即实现了写入"11"态；105时段，位线030为0电平，字线020为 O电平，极板线为O电平，门管005关闭， 一个写操作周期结束，如 图5C所示。
写"10"态101时段，位线030为0电平，字线020开始出现 高电平，极板线为O电平，使门管005开通，从而使位线030与铁电 薄膜电容下电极004连接。102时段位线030为0电平，字线020保持高电平，极板线为8V电平，从而在铁电薄膜电容上电极003相当
于加了个8V的电压，整个铁电薄膜电容002等效外加一个8V的预反 向极化电压，从而避免此单元的原来存储态干扰将要写入的存储态； 103时段位线030为8V+Vn,电平，字线020保持高电平，极板线010 为0电平，从而在铁电薄膜电容002上等效外加个大小为8V的负脉 冲电压，并把铁电薄膜极化在-8V下的负饱和极化状态；104时段，位 线030为0电平，字线020保持高电平，极板线为0电平，从而使铁 电薄膜由-8V下的负饱和极化状态减小为-8V下的剩余极化状态Pr3， 即实现了写入"10"态；105时段，位线030为0电平，字线020为 O电平，极板线为O电平，门管005关闭， 一个写操作周期结束，如 图5D所示。
读操作201时段，位线030为0电平，字线020开始出现高电 平，极板线为O电平，使门管005开通，从而使位线030，铁电薄膜 电容下电极004，普通电容001三者连接，普通电容001另一端接地。 202时段，字线020保持高电平，极板线010为8V，位线030通过铁 电薄膜电容002上不同存储态的电容值不同并与一普通电容001串联 可读取不同的电压值；203时段，字线020保持高电平，极板线010 为8V，位线030的不同电压值可通过外接灵敏放大器放大成区别更 明显的不同电压值；204时段，字线020保持高电平，极板线010为 0电平，位线030保持由于外接灵敏放大器放大的不同电压值；205 时段，字线020保持髙电平，极板线010为0电平，位线030己被外 电路读取重新转为O电平；此读取是破坏性读出，因此读操作结束后 还得重新写入原状态，其重新写入操作在参考图5A-5D中已详细介 绍，这样一个读操作结束，如图6所示。
为了方便理解读操作，给出读取"01"态时相应的电滞回线示意图(图7)。其中"01"态的饱和极化与剩余极化差值10可以很清楚 地看出外加8V的读电压时，铁电薄膜极化状态发生的变化，进而产
生相应的电荷变化，最终引发位线030上电压值变化。
最后对读取操作信息作一个统计表，如图8。表中详细展示了不
同的写电压下，定义的存储态，并在8V读电压下的发生的电荷变化，
通过不同的电荷变化使同一铁电薄膜电容产生不同的电容，从而最终
体现为位线030上不同的电位。
以上阐述的是n=2 (2位，4态)铁电存储器多位数据存储的读 写操作方法，
当n〉2时，依此类推。例如当n二3写操作时，3对电压值不等的 外加正负写脉冲电压士V,、 士V2和土V3， V3〉V2>V,〉0，可产生6个不 同的剩余极化强度值P^， j=0、 1、 2、 3、 4、 5，对6个剩余极化强 度值P"赋值定义如下
V3对应剩余极化强度值为P自定义为存储态"000";
V2对应剩余极化强度值为Pd，定义为存储态"001";
Vi对应剩余极化强度值为P^定义为存储态"010";
-V,对应剩余极化强度值为Pw定义为存储态"011";
-V2对应剩余极化强度值为Pm，定义为存储态"100";
-V3对应剩余极化强度值为P。5，定义为存储态"101"。
对应于上述写操作中n=3的例子，通过外加一个固定正读电压
V3，可得到6个不同存储态读取信号如下
存储态"000"对应的读取信号差值为P^ —Pr。； 存储态"001"对应的读取信号差值为P.^ — Pn; 存储态"010"对应的读取信号差值为Psat_Pr2; 存储态"011"对应的读取信号差值为P^ — Pr3;存储态"100"对应的读取信号差值为psat_p 存储态"101"对应的读取信号差值为p^ — p
权利要求
1、一种实现铁电存储器多位数据存储的操作方法，其特征在于在铁电存储器的铁电薄膜电容存储单元上，通过外加n对电压值不等的正负写脉冲电压±Vi，i＝1、2、…、n，得到2n个剩余极化强度值，并相应定义出2n个存储态，再通过外加一个固定正读电压来读取2n个存储态；其读写操作方法如下写操作以n＝2为例，n＞2时依此类推；2对电压值不等的外加正负写脉冲电压±V1和±V2，V2＞V1＞0，可产生4个不同的剩余极化强度值Prj，j＝0、1、2、3，对4个剩余极化强度值Prj赋值定义，具体步骤如下步骤1在铁电薄膜电容上外加一个大的正写脉冲电压V2后，使铁电薄膜电容剩余极化强度值为Pr0，定义为存储态“00”；步骤2在铁电薄膜电容上外加一个小的正写脉冲电压V1后，使铁电薄膜电容剩余极化强度值为Pr1，定义为存储态“01”；步骤3在铁电薄膜电容上外加一个小的负写脉冲电压-V1后，使铁电薄膜电容剩余极化强度值为Pr2，定义为存储态“11”；步骤4在铁电薄膜电容上外加一个大的负写脉冲电压-V2后，使铁电薄膜电容剩余极化强度值为Pr3，定义为存储态“10”；读操作通过外加一个固定正读电压，把不同存储态的铁电薄膜的剩余极化强度值Pr都极化到所述固定正读电压对应的饱和极化强度值Psat，从而相应产生不同的差值Psat-Pr，转换成具体电荷量被读操作系统所读取；对应于上述写操作中n＝2的例子，四个不同存储态读取信号如下存储态“00”对应的读取信号差值为Psat-Pr0；存储态“01”对应的读取信号差值为Psat-Pr1；存储态“11”对应的读取信号差值为Psat-Pr2；存储态“10”对应的读取信号差值为Psat-Pr3。
2、 根据权利要求1所述的多位数据存储的操作方法，其特征在于在写操作中，所述外加写脉冲电压持续时铁电薄膜产生饱和极化强度值；所述外加写脉冲电压消除后铁电薄膜会由饱和极化强度值变为相 应的剩余极化强度值K。
3、 根据权利要求2所述的多位数据存储的操作方法，其特征在于所述铁电薄膜材料的饱和极化强度值和剩余极化强度值p,与所述外 加写脉冲电压值有关。
4、 根据权利要求1所述的多位数据存储的操作方法，其特征在于在读操作中，所述外加固定正读电压值与外加最大正写脉冲电压值相
5、 根据权利要求4所述的多位数据存储的操作方法，其特征在于 所述外加固定正读电压持续时对应产生一个正饱和极化强度值Psat; 并且通过差值P^—PJ勺不同来区分各种存储态；只需外加一个固定 读电压就能读取不同的存储态。
6、 根据权利要求5所述的多位数据存储的操作方法，其特征在于所述差值Psat — Pr引起的电荷量大小由铁电薄膜电容的尺寸大小决定。
7、 根据权利要求1所述的多位数据存储的操作方法，其特征在于所述存储态的数量2n取决于读操作系统对电荷信号的分辨能力。
全文摘要
本发明提出一种实现铁电存储器多位数据存储的操作方法，属于微电子技术领域，它在铁电存储器存储单元中，通过外加不同的写脉冲电压来使得铁电薄膜相应产生不同大小的剩余极化强度，并相应定义为不同的存储态，再通过一个固定外加正读电压，读取相应的各存储态，从而在单个存储单元中实现多位存储功能。利用本发明多位数据存储的操作方法，使得多位存储器件可以极大地提高存储密度，大大地降低了生产成本。
文档编号G11C7/00GK101620879SQ20091005556
公开日2010年1月6日 申请日期2009年7月29日 优先权日2009年7月29日
发明者万海军, 江安全, 沈臻魁, 陈志辉 申请人:复旦大学