铁电存储器及其控制装置、提升其耐久性的方法、设备与流程

本技术涉及存储，尤其涉及一种铁电存储器及其控制装置、提升其耐久性的方法、设备。

背景技术：

1、铁电存储器件具有较低的读写电压，低功耗，小的器件尺寸，高的读写速度和良好的循环性能，且有抗辐照和非易失性等优点，有望用于构建新一代存储芯片。与传统铁电材料相比，氧化铪基铁电器件的核心多层薄膜结构的厚度可缩小至十纳米乃至亚十纳米，可实现高密度集成，乃至三维集成，在构建超高密度存储芯片方面具有其独特的优势。此外，氧化铪基铁电器件制备工艺还与成熟的硅基半导体工艺具有良好的兼容性。因此，氧化铪基铁电器件有望成为未来新型铁电存储器的核心单元。

2、目前，约束氧化铪基铁电器件应用于商业存储器的最大问题之一是氧化铪基铁电器件的耐久性(endurance)，即需要在足够多的读写次数后，器件仍能保持良好的铁电性能。现有报道的氧化铪基铁电器件的耐久性最多只能达到1012量级，而想要将氧化铪基铁电器件应用于商业存储器，需要其耐久性至少需要达到1015量级，因此，如何提高氧化铪基铁电器件的耐久性是当前亟需解决的问题之一。

技术实现思路

1、本技术实施例提供了一种铁电存储器及其控制装置、提升其耐久性的方法、设备，利用交流信号对铁电存储单元进行修复，或通过交流信号辅助读写，以降低读写对铁电存储单元的损伤，以提高铁电存储器的耐久性。

2、第一方面，本技术实施例提供了一种铁电存储器的控制装置，包括：信号控制单元，所述信号控制单元耦合存储控制器、交流信号产生器和与铁电存储单元耦合的板线，所述存储控制器用于实现对所述铁电存储单元的读写控制，所述交流信号产生器用于产生第一交流信号；所述铁电存储单元包括铁电电容，所述板线连接所述铁电电容的一端；

3、所述信号控制单元用于切换输入到所述板线的信号为所述第一交流信号或所述存储控制器输出的读写脉冲信号，所述读写脉冲信号用于向所述铁电存储单元写入数据或读出所述铁电存储单元中的数据。

4、上述铁电存储器的控制装置，可以实现在铁电存储单元的读写间隙，向板线输入交流信号，以在铁电电容上下电极施加极性不断变换的交流信号，驱使铁电薄膜中的缺陷、氧空位等在交变电场驱动下离开平衡位置进行运动最终实现重新分布，从而使铁电薄膜的铁电性能恢复至良好水平。

5、同时，较高的频率使得电场施加的时间较短，可以有效避免电场压力导致的缺陷产生。

6、此外，针对反复读写过程中出现的不可恢复的缺陷产生问题，通过提高交流信号的频率(1ghz～10ghz)，使铁电薄膜中偶极分子高频往复运动，产生内摩擦热，从而实现对铁电薄膜的加热，达到热退火的功能，修复铁电薄膜中的损伤，使铁电薄膜的铁电性能恢复至良好水平。综上，通过控制交流信号的频率和幅值，可以分别控制其对铁电电容器的热退火与氧空位再分布作用，有效解决铁电器件性能下降问题，提升器件的耐久性。

7、在一种可能的实现中，所述控制装置还包括所述存储控制器，所述存储控制器还用于在所述铁电存储单元的读写间隙，向所述信号控制单元发送第一使能信号，所述第一使能信号用于控制所述信号控制单元向所述板线输入所述第一交流信号。

8、在一种可能的实现中，所述存储控制器还用于在所述铁电存储单元的读写过程中，向所述信号控制单元发送第二使能信号，所述第二使能信号用于控制所述信号控制单元向所述板线输入所述读写脉冲信号。

9、在一种可能的实现中，所述信号控制单元包括串联的第一开关管和第二开关管；所述第一开关管的第一端耦合交流信号产生器，用于接收所述第一交流信号；所述第一开关管的第二端耦合所述第二开关管的第一端；所述第二开关管的第二端耦合所述存储控制器，用于接收所述写脉冲信号；所述第一使能信号用于控制所述第一开关管导通且所述第二开关管关断；所述第二使能信号用于控制所述第一开关管关断且所述第二开关管导通。

10、上述信号控制单元结构简单，可以降低装置的成本和减少其占用体积。

11、在一种可能的实现中，所述第一开关管为p型晶体管，所述第二开关管为n型晶体管；或，所述第一开关管为n型晶体管，所述第二开关管为p型晶体管。

12、在一种可能的实现中，所述第一使能信号包括第一信号和第二信号；所述铁电存储器还用于在所述铁电存储单元的读写间隙向所述第一开关管发送所述第一信号以及向所述第二开关管发送第二信号，所述第一信号用于导通所述第一开关管；所述第二信号用于关断所述第二开关管。

13、在一种可能的实现中，所述第一使能信号包括第三信号和第四信号；所述铁电存储器还用于在所述铁电存储单元的读写过程中向所述第一开关管发送所述第三信号以及向所述第二开关管发送第四信号，所述第三信号用于关断所述第一开关管；所述第四信号用于导通所述第二开关管。

14、在一种可能的实现中，所述交流信号产生器用于产生第二交流信号；所述信号控制单元还用于将所述第二交流信号与所述读写脉冲信号进行叠加，并将叠加后的信号输入到所述板线。

15、上述控制装置，可以实现在读写过程中，通过利用第二交流信号对铁电薄膜的极化进行扰动，辅助铁电薄膜极化翻转，可以降低其铁电极化翻转所需工作电压，减小电场对铁电薄膜的损伤，从而进一步地提高铁电器件的耐久性。

16、在一种可能的实现中，所述存储控制器还用于在所述铁电存储单元的读写过程中，向所述信号控制单元发送第三使能信号，所述第三使能信号用于控制所述信号控制单元向所述板线输入所述叠加后的信号。

17、其中，所述第二交流信号的幅值小于所述读写脉冲信号的幅值的1/2，所述第二交流信号的频率大于所述读写脉冲信号的频率。

18、可选地，所述信号控制单元还包括第三开关管和乘法器；所述第三开关管的第一端耦合交流信号产生器，用于接收所述第二交流信号；所述第三开关管的第二端耦合所述乘法器的第一输入端；所述乘法器的第二输入端耦合所述存储控制器，用于接收所述写脉冲信号；所述乘法器的输出端耦合所述板线；所述第一使能信号用于在所述铁电存储单元的读写过程中控制所述第三开关管导通。

19、上述信号控制单元结构简单，可以降低装置的成本和减少其占用体积。

20、第二方面，本技术实施例还提供了一种铁电存储器的控制装置，包括：信号控制单元，所述信号控制单元耦合存储控制器、交流信号产生器和与铁电存储单元耦合的板线，所述存储控制器用于实现对所述铁电存储单元的读写控制，所述交流信号产生器用于产生交流信号；所述铁电存储单元包括铁电电容，所述板线连接所述铁电电容的一端；

21、所述信号控制单元用于将所述交流信号与所述存储控制器输出的读写脉冲信号进行叠加，并将叠加后的信号输入到所述板线，所述读写脉冲信号用于向所述铁电存储单元写入数据或读出所述铁电存储单元中的数据。

22、上述控制装置，可以实现在读写过程中，通过利用交流信号对铁电薄膜的极化进行扰动，辅助铁电薄膜极化翻转，可以降低其铁电极化翻转所需工作电压，减小电场对铁电薄膜的损伤，从而提高铁电器件的耐久性。

23、在一种可能的实现中，所述控制装置还包括所述存储控制器，所述存储控制器用于在所述铁电存储单元的读写过程中，向所述信号控制单元发送第一使能信号，所述第一使能信号用于控制所述信号控制单元向所述板线输入所述交流信号与所述读写脉冲信号的叠加。

24、在一种可能的实现中，所述交流信号的幅值小于所述读写脉冲信号的幅值，所述交流信号的频率大于所述读写脉冲信号的频率。

25、在一种可能的实现中，所述信号控制单元包括开关管和乘法器；所述开关管的第一端耦合交流信号产生器，用于接收所述交流信号；所述开关管的第二端耦合所述乘法器的第一输入端；所述乘法器的第二输入端耦合所述存储控制器，用于接收所述写脉冲信号；所述乘法器的输出端耦合所述板线；所述第一使能信号用于在所述铁电存储单元的读写过程中控制所述开关管导通。

26、第三方面，本技术实施例还提供了一种铁电存储器，包括存储阵列、信号控制单元以及存储控制器；所述存储阵列包括多个铁电存储单元，一个所述存储阵列中的铁电存储单元均耦合同一板线；所述信号控制单元耦合所述存储控制器、交流信号产生器和与所述存储阵列分别耦合的板线，所述存储控制器用于实现对每个所述铁电存储单元的读写控制，所述交流信号产生器用于产生第一交流信号；每个所述铁电存储单元均包括铁电电容，所述板线连接每个所述铁电电容的一端；

27、所述信号控制单元用于切换输入到所述板线的信号为所述第一交流信号或所述存储控制器输出的读写脉冲信号；所述读写脉冲信号用于向所述铁电存储单元写入数据或读出所述铁电存储单元中的数据。

28、上述铁电存储器，可以实现在铁电存储单元的读写间隙，对铁电电容的修复，从而提升器件的耐久性。

29、可选地，上述信号控制单元和存储控制器，可以是如第一方面任意一种实现中所述的信号控制单元和存储控制器，这里不再赘述。

30、第四方面，本技术实施例还提供了一种铁电存储器，包括存储阵列、信号控制单元以及存储控制器；所述存储阵列包括多个铁电存储单元，一个所述存储阵列中的铁电存储单元均耦合同一板线；所述信号控制单元耦合所述存储控制器、交流信号产生器和与所述存储阵列耦合的板线，所述存储控制器用于实现对每个所述铁电存储单元的读写控制，所述交流信号产生器用于产生交流信号；每个所述铁电存储单元均包括铁电电容，所述板线连接每个所述铁电电容的一端；

31、所述信号控制单元用于将所述交流信号与所述存储控制器输出的读写脉冲信号进行叠加，并将叠加后的信号输入到所述板线，所述读写脉冲信号用于向所述铁电存储单元写入数据或读出所述铁电存储单元中的数据。

32、上述铁电存储器，可以实现在读写过程中，通过利用交流信号对铁电薄膜的极化进行扰动，辅助铁电薄膜极化翻转，可以降低其铁电极化翻转所需工作电压，减小电场对铁电薄膜的损伤，从而地提高铁电器件的耐久性。

33、可选地，上述信号控制单元和存储控制器，可以是如第二方面任意一种实现中所述的信号控制单元和存储控制器，这里不再赘述。

34、第五方面，本技术技术方案提供了一种提升铁电存储器耐久性的方法，所述铁电存储器可以是第三方面或第三方面任意一种实现所述的铁电存储器，所述方法包括：

35、所述存储控制器在所述铁电存储单元的读写间隙，通过所述信号控制单元切换输入到所述板线的信号为所述交流信号。

36、可选地，所述通过所述信号控制单元切换输入到所述板线的信号为所述交流信号，包括：所述存储控制器向所述信号控制单元发送第一使能信号，所述第一使能信号用于控制所述信号控制单元向所述板线输入所述交流信号。

37、可选地，所述方法还包括：所述存储控制器在所述铁电存储单元的读写过程中，向所述信号控制单元发送第二使能信号，所述第二使能信号用于控制所述信号控制单元向所述板线输入所述读写脉冲信号。

38、第六方面，本技术技术方案提供了一种提升铁电存储器耐久性的方法，所述铁电存储器可以是第四方面或第四方面任意一种实现所述的铁电存储器，所述方法包括：

39、所述存储控制器在所述铁电存储单元的读写过程中，通过所述信号控制单元用于将所述交流信号与所述存储控制器输出的读写脉冲信号进行叠加，并将叠加后的信号输入到所述板线。

40、可选地，该方法还包括所述存储控制器向所述信号控制单元发送第一使能信号，所述第一使能信号用于控制所述信号控制单元向所述叠加后的信号。

41、第七方面，本技术技术方案提供了一种电子设备，包括主板，以及耦合所述主板的处理器和如第三方面或第四方面所述的铁电存储器。

42、可以理解地，上述提供的第三方面和第四方面提供铁电存储器，第五方面或第六方面提供的方法、第七方面提供的电子设备均基于上述第一方面或第二方面所提供的控制装置。因此，其所能达到的有益效果可参考对应控制装置中的有益效果，此处不再赘述。