非破坏性读出铁电存储器及其制备方法和操作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于铁电存储技术领域，具体涉及非破坏性读出铁电存储器，尤其涉及一种基于具有间隙的电极进行非破坏性读出操作的铁电存储器以及该铁电存储器的制备方法和操作方法。
【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”)在电场中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。
[0005]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 (S卩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ITic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。
[0006]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宄阶段，未能实际运用到存储器产品中。
[0007]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。
【发明内容】
[0008]本发明的目的之一在于提供一种能以电流读取方式实现非破坏性读出的、存储性能好的铁电存储器及其制备方法与操作方法。
[0009]为实现以上目的，本发明提供以下技术方案。
[0010]本发明的一方面提供一种非破坏性读出铁电存储器，包括第一电极层107、第二电极层103和设置在所述第一电极层107与第二电极层103之间的铁电薄膜层105，所述第一电极层107中设置有将其分为至少两个部分的间隙109，所述铁电薄膜层105的电畴1051、1053的极化方向基本不垂直且基本不平行所述第一电极层107的法线方向；
其中，在所述第一电极层107中的邻接所述间隙109的两个部分之间偏置某一方向的读信号时，对应所述间隙109的部分所述铁电薄膜层105的电畴局部被反转而建立畴壁导电通道。
[0011]根据本发明一实施例的非破坏性读出铁电存储器，其中，所述第一电极层中107的至少两个部分包括第一读电极部分和第二读电极部分，所述第一读电极部分和第二读电极部分组成读电极对，所述读信号被偏置在所述读电极对上。
[0012]根据本发明又一实施例的非破坏性读出铁电存储器，其中，在所述第一电极层107和第二电极层103之间可操作地偏置写信号以使所述铁电薄膜层105中的电畴1051、1053的极化方向发生统一地翻转。
[0013]根据本发明还一实施例的非破坏性读出铁电存储器，其中，还包括第三电极层230，所述第三电极层230与所述第二电极层103相对地设置；
其中，在所述第三电极层230与所述第二电极层103之间可操作地偏置写信号以使所述铁电薄膜层105中的电畴1051、1053的极化方向发生统一地翻转。
[0014]具体地，在所述第三电极层230与所述第一电极层107之间设置绝缘介质层210。
[0015]可选地，所述间隙的间距(d)大于或等于2纳米且小于或等于500纳米，或者大于或等于5纳米且小于或等于100纳米。
[0016]可选地，所述间隙的宽度(W)大于或等于5纳米且小于或等于500纳米，。
[0017]可选地，所述间隙的间距(d)小于所述铁电薄膜层105的厚度或者所述铁电薄膜层105的厚度的二分之一。
[0018]具体地，所述非破坏性读出铁电存储器还包括基底100，所述第一电极层107或第二电极层103设置在所述基底100之上。
[0019]可选地，所述铁电薄膜层(105)为铁酸铋BiFe03、掺La的铁酸铋盐(Bi，La) FeO3,锆钛酸铅盐(Pb，Zr) T13或者铌酸锂盐LiNbO 3。
[0020]可选地，所述铁电薄膜层105的厚度大于或等于5纳米且小于或等于500纳米。
[0021]可选地，所述第一电极层107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107生长的晶向，以至于所述铁电薄膜层105的电畴1051、1053的极化方向基本不垂直且基本不平行所述第一电极层107的法线方向。
[0023]可选地，所述间隙109中被填入或部分填入绝缘介质材料。
[0024]按照本发明的又一方面，提供一种以上所述非破坏性读出铁电存储器的制备方法，包括步骤:
提供基底并在基底上形成第二电极层103 ;
形成铁电薄膜105;以及
在所述铁电薄膜层105上形成带有所述间隙109的第一电极层107。
[0025]根据本发明一实施例的制备方法，其中还包括步骤:
在所述第一电极层107上沉积绝缘介质层210 ;以及在所述绝缘介质层210上形成第三电极层109。
[0026]按照本发明的还一方面，提供一种以上所述非破坏性读出铁电存储器的操作方法，其中，在读操作时，在所述第一电极层107中的邻接所述间隙109的两个部分之间偏置某一方向的读信号，通过读取该两个部分之间的电流大小以判断对应所述间隙109的部分所述铁电薄膜层105的电畴是否局部被反转而建立畴壁导电通道，从而读出存储的逻辑信息。
[0027]根据本发明一实施例的操作方法，其中，在写操作时，在所述第一电极层107和第二电极层103之间偏置写信号以使所述铁电薄膜层105中的电畴1051、1053的极化方向发生统一地翻转。
[0028]根据本发明又一实施例的操作方法，其中，所述非破坏性读出铁电存储器还包括第三电极层230，所述第三电极层230与所述第二电极层103相对地设置；
其中，在写操作时，在所述第三电极层230与所述第二电极层103之间偏置写信号以使所述铁电薄膜层105中的电畴1051、1053的极化方向发生统一地翻转。
[0029]其中，撤去所述读信号后，读操作过程中局部被反转的电畴基本回复至读操