非破壞性讀出鐵電存儲器及其制備方法和讀/寫操作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于鐵電存儲技術領域，具體涉及非破壞性讀出鐵電存儲器，尤其涉及一種基于具有間隙的電極進行非破壞性讀出操作的鐵電存儲器以及該鐵電存儲器的制備方法和讀/寫操作方法。
【背景技術】
[0002]鐵電隨機存儲器FRAM (Ferroelectric Random Access Memory)是利用鐵電疇(或稱為“電疇”)在電場中兩種不同極化取向作為邏輯信息(“O”或“I”)來存儲數據的非易失性存儲器(Non-volatile Memory),其也可以稱為“鐵電存儲器”。
[0003]鐵電存儲器的存儲介質層即為具有可反轉(或稱為“翻轉”)的鐵電疇的鐵電薄膜層，目前，實驗室內可測出的電疇反轉的最快速度可達到0.2 ns，實際上它還可以更快。通常地，電疇的反轉速度決定了存儲器的讀寫時間，電疇反轉的矯頑電壓決定了器件的讀寫電壓，它會隨著薄膜厚度的降低而幾乎呈等比例地減小。因此，鐵電存儲器具有數據讀寫速度快、驅動電壓低和存儲密度高等優點，近年來得到了廣泛的關注和較快的發展。
[0004]目前，鐵電存儲器按基本工作或操作模式主要可分為:破壞性讀出(DRO)的FRAM和非破壞性讀出(NDRO)的FeFET兩大類。
[0005]破壞性讀出(DRO)鐵電存儲器是以鐵電電容(以鐵電薄膜層作為介質層形成的電容)取代常規的存儲電荷電容，并利用它的極化反轉來實現數據的寫入與讀取。迄今為止，市場上應用的所有鐵電存儲器都是采用這種工作模式，其中以I個晶體管T和一個鐵電電容C (S卩1T1C)構建存儲單元，并以該ITlC存儲單元作為電路設計為基礎，在讀取操作過程中，采用電荷積分的方法，通過對與ITic存儲單元串聯的參考電容進行電壓讀取來判斷鐵電薄膜層的電疇是否反轉，從而識別存儲單元中的邏輯信息。這種鐵電存儲器在讀取操作中，電壓讀取會導致鐵電薄膜層的電疇反轉，因此，它的缺點是信息讀取是破壞性的，可靠性差，在讀取操作后需要重新寫回原來的邏輯信息狀態。另外，隨著器件集成密度的提高，存儲單元的鐵電電容C的面積不斷縮小，而讀出電荷是與鐵電電容C的面積成正比的，因此可讀出電荷也越來越少；當器件存儲單元尺寸小于130nm時，目前讀出電路基本無法識別存儲單元中所存儲的邏輯信息，嚴重地阻礙了鐵電存儲器向高密度方向發展。
[0006]非破壞性讀出(NDRO)鐵電存儲器則是利用鐵電薄膜層取代常規MOSFET的柵介質層而構成MFS結構的鐵電場效應晶體管(FeFET)。通過極化方向的控制可以改變漏電流Ids大小，差距可以達幾個數量級，存儲信息可以在很小的電壓下實現非破壞讀取。它具有高密度集成、高讀寫速度、非破壞讀取和低功耗等特點，但是由于該器件的邏輯信息保持性能差，一般只能達到數天，而存儲器市場一般要求不小于10年。因此這一結構目前還處于實驗室研宄階段，未能實際運用到存儲器產品中。
[0007]因此，當前商業化應用的破壞性讀出(DRO)鐵電存儲器主要是以對鐵電電容以電荷積分方式讀出的，如以上所總結，其具有破壞性讀取的缺點，讀出后需要重新寫入數據，從而伴隨著大量的擦除和重寫的操作，導致器件的可靠性降低，影響了數據讀取速度；并且，這種讀取原理限制了鐵電電容C按比例縮小，存儲密度低，例如，目前商業化應用的鐵電存儲器最大只有8MB。

【發明內容】

[0008]本發明的目的在于提供一種能夠以電流讀取方式實現非破壞性讀出的、存儲性能好的鐵電存儲器，鐵電存儲器的讀操作和寫操作均通過同一電極層來完成。
[0009]為實現以上目的或者其他目的，本發明提供以下技術方案。
[0010]按照本發明的一方面，提供一種非破壞性讀出鐵電存儲器，包括鐵電薄膜層(305)和設置在所述鐵電薄膜層(305 )上的讀寫電極層(307 )，所述讀寫電極層(307 )中設置有將其分為至少兩個部分的間隙(309)，所述鐵電薄膜層(305)的電疇(3051或3053)的極化方向基本不平行所述讀寫電極層(307)的法線方向；
其中，在所述讀寫電極層(307)中的鄰接所述間隙(309)的兩個部分之間偏置第一方向的寫信號時，對應所述間隙(309)的部分所述鐵電薄膜層(305)的電疇以縱向地貫穿所述鐵電薄膜層(305)的方式被反轉；
其中，在所述讀寫電極層(307)中的鄰接所述間隙(309)的兩個部分之間偏置第一方向的讀信號時，對應所述間隙(309)的部分所述鐵電薄膜層(305)的電疇局部被反轉而建立疇壁導電通道(3058)。
[0011]根據本發明一實施例的非破壞性讀出鐵電存儲器，其中，在所述讀寫電極層(307)中的鄰接所述間隙(309)的兩個部分之間偏置與所述第一方向相反的第二方向的寫信號時，使以縱向地貫穿所述鐵電薄膜層(305)的方式被反轉的所述電疇(3053a)反轉回到初始極化方向。
[0012]根據本發明又一實施例的非破壞性讀出鐵電存儲器，其中，所述讀寫電極層中(307)的至少兩個部分包括第一讀寫電極部分和第二讀寫電極部分，所述第一讀寫電極部分和第二讀寫電極部分組成讀寫電極對，所述寫信號或讀信號被偏置在所述讀寫電極對上。
[0013]在之前所述任一實施例的非破壞性讀出鐵電存儲器中，配置所述鐵電薄膜層(305)的厚度和/或所述間隙的間距(d)以使在偏置預定大小的寫電壓作用下對應所述間隙(309)的部分所述鐵電薄膜層(305)的電疇能夠以縱向地貫穿所述鐵電薄膜層(305)的方式被反轉。
[0014]在之前所述任一實施例的非破壞性讀出鐵電存儲器中，配置所述鐵電薄膜層(305)的厚度和/或所述間隙的間距(d)以使在偏置預定大小的讀電壓作用下對應所述間隙(309)的部分所述鐵電薄膜層(305)的電疇局部能夠被反轉而建立疇壁導電通道(3058)。
[0015]可選地，所述間隙的間距(d)大于或等于2納米且小于或等于500納米，或者大于或等于5納米且小于或等于100納米。
[0016]可選地，所述間隙的寬度(W)大于或等于5納米且小于或等于500納米。
[0017]可選地，所述間隙的間距(d)可以小于或大于所述鐵電薄膜層(305)的厚度。
[0018]具體地，所述非破壞性讀出鐵電存儲器還包括基底(100)，所述鐵電薄膜層(305)設置在所述基底(100)之上。
[0019]優選地，所述基底(100)為絕緣基底。
[0020]可選地，所述鐵電薄膜層(305)為鐵酸鉍BiFeO3、摻La的鐵酸鉍鹽(Bi，La) Fe03、鋯鈦酸鉛鹽(Pb，Zr) T13或者鈮酸鋰鹽LiNbO 3。
[0021]可選地，所述鐵電薄膜層(305)的厚度大于或等于5納米且小于或等于500納米。
[0022]可選地，所述讀寫電極層(307 )的厚度大于或等于5納米且小于或等于100納米。
[0023]可選地，通過控制所述鐵電薄膜層(307)生長的晶向，以至于所述鐵電薄膜層(305)的電疇(3051，3053)的極化方向基本不平行所述讀寫電極層(307)的法線方向。
[0024]可選地，所述間隙(309)中被填入或部分填入絕緣介質材料。
[0025]按照本發明的又一方面，提供一種以上所述非破壞性讀出鐵電存儲器的制備方法，包括步驟:
提供基底(301)；
形成鐵電薄膜(305);以及
在所述鐵電薄膜層(305)上形成帶有所述間隙(309)的讀寫電極層(307)。
[0026]根據本發明一實施例的制備方法，其中，所述間隙(309)通過對形成讀寫電極層(307)的金屬平層進行電子束加工或者納米壓印形成。
[0027]按照本發明的還一方面，提供一種以上所述非破壞性讀出鐵電存儲器的寫操作方法，其中，在所述讀寫電極層(307)中的鄰接所述間隙(309)的兩個部分之間偏置第一方向的寫信號(V?itel)，對應所述間隙(309)的部分所述鐵電薄膜層(305)的電疇以縱向地貫穿所述鐵電薄膜層(305)的方式被反轉，從而寫入第一邏輯信息(“ I ”)。
[0028]進一步，在所述讀寫電極層(307)中的鄰接所述間隙(309)的兩個部分之間偏置與所述第一方向相反的第二方向的寫信號(V?ite2)，使以縱